某款房車空調(diào)系統(tǒng)熱負荷計算與校核

梁輝耀， 陳小青， 方 馨， 葉福裕， 馮還紅， 吳輝陽

(廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司， 福建 廈門 361023)

我司將某款車型改裝成房車，為了合理地匹配房車空調(diào)系統(tǒng)，對房車夏季空調(diào)制冷熱負荷進行計算校核，以有效避免因制冷量不足而造成乘員不適，或因制冷量過大而造成能源浪費的情況[1-2]。

1 房車空調(diào)特點及設(shè)計參數(shù)

該房車為長5 m級左右的客車改裝車型，房車在行駛過程中使用行車空調(diào)。由于行車空調(diào)不適宜于發(fā)動機長時間怠速運行，且其NVH性能較差以及排放不適合于駐車階段長時間使用，尤其是夜晚休息期間，因此，為了獲得更好的休息環(huán)境，駐車階段使用接外電的220 V家用一體機空調(diào)。

空調(diào)設(shè)計有關(guān)參數(shù)為：車外溫度te為40 ℃;車內(nèi)溫度ti為27 ℃;車內(nèi)成員數(shù)N為5人;在te為40 ℃時，水平面上太陽輻射強度I=1 000 W/m2；為使計算相對保守點，平均行駛車速v取40 km/h。

2 空調(diào)制冷熱負荷計算

夏季，車外溫度遠高于車內(nèi)溫度，太陽輻射熱會通過車身壁面、車窗玻璃等傳入車內(nèi)，同時，乘員散熱負荷、用電設(shè)備散熱也會使車內(nèi)溫度升高[3]，綜合各種熱負荷，房車車內(nèi)總熱負荷方程式如下：

Qt=QB+QG+QV+QP+QM+QL，Q=α0Qt

式中：α0為儲備系數(shù)，一般在1.08～1.15之間；Q為空調(diào)系統(tǒng)的制冷量；Qt為車內(nèi)總熱量；QB為車頂、車側(cè)壁、前后圍傳入的熱量；QG為門玻璃傳入的熱量；QV為新風熱負荷；QP為人員散熱負荷；QM為用電設(shè)備散發(fā)的熱量；QL為車內(nèi)零件產(chǎn)生的熱量。

2.1 通過車身壁面?zhèn)魅氲臒崃?/h3>

車身壁面不含玻璃部分，根據(jù)房車參數(shù)設(shè)置要求，結(jié)合各材料導熱系數(shù)，將各層厚度導熱系數(shù)代入式(1)后即得通過車身各壁面熱阻。

Ri=∑δi/λi

(1)

式中：δi為各層材料厚度；λi為各層導熱系數(shù)；Ri為各壁面熱阻，熱阻是導熱材料對熱流傳導的阻礙能力，導熱材料的熱阻系數(shù)越大，其對熱傳導的阻礙能力越強。

要計算車身各壁面的熱負荷需要先計算出各壁面熱阻。車頂板多層結(jié)構(gòu)為0.7 mm鋼板+25 mm空氣夾層+4 mm內(nèi)飾板，其熱阻R1取值0.037 9；車身側(cè)壁面、后圍結(jié)構(gòu)為0.7 mm鋼板+95.3 mm空氣夾層+4 mm內(nèi)飾板，其熱阻R2取值0.040 8；地板結(jié)構(gòu)為0.7 mm鋼板+15 mm隔熱材料+5 mm地毯，其熱阻R3取值0.040。

其中，鋼板、空氣、內(nèi)飾板的導熱系數(shù)λ1、λ2、λ3分別為54 W/(m·℃)、6.4 W/(m·℃)、0.03 W/(m·℃)。

即車身壁面熱負荷計算公式為：QB=Q頂板+Q側(cè)壁面+Q地板+Q前圍+Q后圍。其中，每單項的傳熱量計算公式如式(2)：

Qi=KiSi(te-ti)

(2)

式中：Ki、Si分別表示頂板、側(cè)壁面、地板、后圍的傳熱系數(shù)和傳熱面積；經(jīng)實車測得S頂=4.2 m2，S側(cè)=8.12 m2，S地=4.93 m2；te為車外溫度，取40 ℃；ti為車內(nèi)溫度，取27 ℃。

由于后圍接收太陽輻射熱量較小，加上車身壁面多屬均勻壁面，因此后圍接受的熱負荷包含在車身側(cè)壁面進行計算，即后圍不用單獨考慮。而對于前圍，受到太陽輻射較小，主要考慮溫差傳熱的影響，通過這部分傳入的熱量根據(jù)經(jīng)驗值大概Q前圍=100 W左右。

2.1.1 車身壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)Ki的計算：

傳熱系數(shù)Ki與車身表面放熱系數(shù)及隔熱層熱阻有關(guān)，所以車身各壁面的傳熱系數(shù)Ki是不同的。對于車頂板、側(cè)壁面(包含后圍)、地板，傳熱系數(shù)計算式見式(3)：

Ki=1/(1/αe+Ri+1/αi)

(3)

式中：αe為外表面放熱系數(shù)，與表面相對氣流速度有關(guān)。當車速v為40 km/h時，αe≈148 kJ/(m2·h·℃)；αi為內(nèi)表面放熱系數(shù)，在汽車空調(diào)狀態(tài)，αi≈62 kJ/(m2·h·℃)。

1) 頂板傳熱系數(shù)。根據(jù)以上參數(shù)計算出頂板傳熱系數(shù)：

2) 車身側(cè)壁面(包含后圍)傳熱系數(shù)。根據(jù)以上參數(shù)計算出側(cè)壁面、后圍傳熱系數(shù)：

3) 地板傳熱系數(shù)。根據(jù)以上參數(shù)計算出地板傳熱系數(shù)：

2.1.2 日照表面綜合溫度的計算

由于太陽輻射的作用，通過車身壁面的綜合溫度是由環(huán)境溫度與輻射吸熱升溫兩部分組成的，則車壁傳入的總熱量：

QB=SiKi(tci-ti)

表1 日照車身壁面相關(guān)參數(shù)

由于各個壁面太陽輻射角度不同，車頂、側(cè)壁接受到的輻射強度也不一樣，具體公式見式(4)和式(5)：

tc頂=te+ρ頂I頂/(αe+K頂)

(4)

tc側(cè)=te+ρ側(cè)I側(cè)/(αe+K側(cè))

(5)

其中I頂=I垂直,I頂=(I陽+I陰)/2。

車內(nèi)地板，由于沒有太陽直接輻射，只是受到地面及發(fā)動機熱的影響，根據(jù)以往設(shè)計經(jīng)驗：

tc地=te+2 ℃

(6)

將數(shù)據(jù)代入式(4)、式(5)、式(6)計算可得：tc地=42 ℃,tc頂=60.2 ℃,tc側(cè)=43.5 ℃。

則車壁通過溫差傳熱和太陽輻射傳熱的總傳熱量分別為：

Q頂=S頂K頂(tc頂-ti) =4.2×16.48×33.2/3.6=638 W

Q側(cè)=S側(cè)K側(cè)(tc側(cè)-ti) =8.12×15.76×16.5/3.6=586 W

Q地=S地K地(tc地-ti) =4.93×15.83×15/3.6=325 W

隨著車輛使用一段時間后，車身表面光亮程度減低、表面粗糙度增大，塵土污垢附著量增加，車身外表面對太陽輻射量的吸收系數(shù)增大，則車身吸熱量也隨之增加。另外，車輛長期使用后，空調(diào)系統(tǒng)中冷凝器外表面會積灰，使得其換熱能力下降?？紤]諸多因素的影響，在計算了車身總的熱負荷的基礎(chǔ)上，乘以儲備系數(shù)加以修正[4-5]。包含熱橋修正因子和簡化計算修正因子，經(jīng)多種算法計算比較，建議取頂板、側(cè)壁傳熱系數(shù)取修正因子a1=1.5；取地板傳熱系數(shù)修正因子a2=1.3進行修正，則有：

Q頂板+Q側(cè)壁面=a1·(Q頂+Q側(cè))=1.5×(638+586)=1 836 W

Q地板=a2·Q地=1.3×325=422 W

則車身壁面?zhèn)魅氲目偀崃縌B=Q頂板+Q側(cè)壁面+Q地板+Q前圍+Q后圍=1 836+422+100=2 358 W。

2.2 通過門窗玻璃傳入的熱量

考慮到太陽輻射，通過門窗玻璃傳入的熱量由兩部分組成：QG=QG1+QG2。

1) 由環(huán)境溫度溫差傳入的熱量：

QG1=K玻S玻(te-ti)

2) 由太陽輻射通過玻璃傳入的熱量：

代入?yún)?shù)計算可得：QG1=1 898 kJ/h,QG2=5 142 kJ/h。

根據(jù)計算可得：QG=QG1+QG2=7 040 kJ/h=1 955 W。

2.3 新風熱負荷

新風熱負荷QV計算公式見式(7)：

QV=V·ρ·(he-hi)/3.6

(7)

式中：ρ為空氣密度，當te=40 ℃時，ρ=1.128 kg/m3；V為車內(nèi)新風量,V=N·V1=22×11×1.3/1.7×0.75=138.8 m3/h；he和hi分別為車外、車內(nèi)空氣的焓值，其值分別為115 kJ/kg和60 kJ/kg。

根據(jù)計算可得：QV=2 120 W。

2.4 乘員人體散發(fā)的熱量

人體散發(fā)的熱量計算公式如下：

QP=116·N·n

式中：QP為車內(nèi)人體散熱量；N為乘員人數(shù)，按照5人計算；n為群集系數(shù)，取0.90；116為一個成年男子的散熱量，單位W。

則有：QP=116·N·n=116×5×0.90=522 W.

2.5 用電設(shè)備散發(fā)的熱量

1) 房車的基礎(chǔ)用電(包括車內(nèi)的照明、基礎(chǔ)電器等)，根據(jù)經(jīng)驗值取100 W。

2) 房車的普通用電(包括電視、冰箱、手機充電等)，根據(jù)經(jīng)驗值取150 W。

3) 房車的最大用電(包括電磁爐、燒水壺等)，根據(jù)經(jīng)驗值取200 W。

則有QM=100+150+200=450 W。

2.6 車內(nèi)零件產(chǎn)生的熱量

車內(nèi)零件產(chǎn)生的熱量，根據(jù)式(8)計算：

QL=αLiSLi(tLi-ti)

(8)

式中：αLi為車內(nèi)零件的熱傳導率；SLi為車內(nèi)零件的表面積；tLi為車內(nèi)零件的表面溫度，取33 ℃；ti為車內(nèi)溫度，取27 ℃。

由于車內(nèi)零件表面積(包括座椅、睡鋪等)不容易測算，只能采用試驗測得的αLiSLi值，按照日本豐田公司測得的經(jīng)驗數(shù)據(jù)αLiSLi=376.2 kJ/(h·℃)。

由此可得：QL=376.2×(33-27)/3 600=627 W.

2.7 行車空調(diào)制冷熱負荷計算

根據(jù)以上計算結(jié)果，可得：

車身總熱負荷：Qt=QB+QG+QV+QP+QM+QL≈8 032 W。

行車空調(diào)系統(tǒng)制冷量：Q=α0Qt=8.83 kW。

式中：α0為儲備系數(shù)，取1.1。

經(jīng)校核該空調(diào)所需配備的空調(diào)機組制冷容量至少應(yīng)在8.83 kW，該房車實際采用9.5 kW的分體式空調(diào)系統(tǒng)，可滿足使用需求。

由于新車運行一段時間后，空調(diào)系統(tǒng)中冷凝器外表面會積灰，使得其換熱能力下降，并且由于運行時間加長后車身各種磨損，以及通風及密封性變差，車身吸熱量也隨之增加[6-7]。因此，實際采用的空調(diào)制冷量大于理論計算出來的空調(diào)制冷量方可滿足用車需求[8]。

2.8 駐車空調(diào)制冷熱負荷計算

在駐車狀態(tài)下使用的空調(diào)是外接220 V家用一體機，使用條件與行車空調(diào)有差別，體現(xiàn)在以下方面：停車使用，發(fā)動機停止工作，不需要平衡發(fā)動機熱負荷；車上電器件停止工作，不需要平衡車內(nèi)零件散熱量；主要用于夜間使用，不需要平衡太陽光熱輻射；停車休息時使用，新風換熱量減少。

根據(jù)以上計算結(jié)果，可得：

車身總熱負荷：Qt=QG+QP=2.477 kW

駐車空調(diào)系統(tǒng)制冷量：Q=α0Qt=2.73 kW

式中：α0為儲備系數(shù)，取1.1。

房車實際采用制冷量3 100 W的220 V電源獨立空調(diào)，可滿足使用需求。

3 結(jié)束語

汽車空調(diào)系統(tǒng)不僅能夠提高汽車的乘坐舒適性，而且還能使駕駛員在舒適的溫度環(huán)境中保持清醒的頭腦，提高警惕，可以很大程度上緩解疲勞，避免車禍的發(fā)生。因此，進行汽車空調(diào)制冷熱負荷的計算，對于新車型開發(fā)空調(diào)制冷量的選擇具有重大意義[9-10]。