純電動客車空調(diào)制冷匹配與軟件開發(fā)

李 全, 詹 靜, 趙湘衡, 康 滿, 王 唐

(1.長沙中車智馭新能源科技有限公司，長沙 410000； 2.湖南展通安全科技有限公司，長沙 410000；3.中車時(shí)代電動汽車股份有限公司，湖南 株洲 412000)

理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，空調(diào)系統(tǒng)是純電動客車功耗最大的輔助子系統(tǒng)，它的功耗約為所有輔助子系統(tǒng)功耗的60%～75%[1-2]。空調(diào)系統(tǒng)的使用會直接影響純電動客車的經(jīng)濟(jì)性和續(xù)駛里程，減小空調(diào)系統(tǒng)的能耗是提高純電動客車?yán)m(xù)駛里程的重要途徑之一，合理匹配空調(diào)系統(tǒng)對純電動客車的推廣應(yīng)用具有非常重要的意義[3]。

1 整車熱負(fù)荷計(jì)算模型

為合理匹配空調(diào)系統(tǒng),需要先計(jì)算夏季車內(nèi)熱負(fù)荷，再將其轉(zhuǎn)化為空調(diào)的冷負(fù)荷。

夏季車內(nèi)熱負(fù)荷主要有：車體側(cè)壁等結(jié)構(gòu)傳入到車內(nèi)的熱負(fù)荷QB；由門窗玻璃傳入的熱負(fù)荷QG；為保證車內(nèi)空氣質(zhì)量引入的新風(fēng)帶來的熱負(fù)荷QV；車內(nèi)乘員散發(fā)的熱負(fù)荷QP。因此，車內(nèi)熱負(fù)荷平衡方程可表示為[4-5]

Q=K×QT=K×(QB+QG+QV+QP)

(1)

式中：Q為設(shè)計(jì)制冷量；QT為整車熱負(fù)荷；K為熱負(fù)荷儲備系數(shù)。

1.1 車體側(cè)壁傳入熱負(fù)荷QB

計(jì)算公式為

QB=KC×S×Δt

(2)

式中：KC為傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；S為傳熱面積，m2；Δt為傳熱溫差，K。

車體側(cè)壁多為多種材料層疊，采用多層均勻平壁傳熱方式簡化計(jì)算，其傳熱系數(shù)KC為

KC=1/(1/?o+∑δj/βj+1/?i)

(3)

1) 側(cè)圍及頂蓋。一般外表面覆蓋1 mm厚的鍍鋅鋼板，中間是30 mm厚的聚氨酯發(fā)泡，車內(nèi)覆蓋4 mm硅酸防火板，3種材料的導(dǎo)熱系數(shù)分別為51.63 W/(m·K)、0.04 W/(m·K)和0.03 W/(m·K)。

2) 地板下表面。一般最下層噴涂4 mm阻尼膠，中間為18 mm PVC地板，車內(nèi)覆蓋2 mm地板革，3種材料的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.04 W/(m·K)、0.17 W/(m·K)和0.18 W/(m·K)。

1.2 車窗玻璃傳入熱負(fù)荷QG

計(jì)算公式：

QG=QG1+QG2

(4)

式中：QG1為玻璃傳遞熱量，可根據(jù)式(2)進(jìn)行計(jì)算，其中傳熱系數(shù)KC按式(3)進(jìn)行計(jì)算。式(3)中側(cè)窗等鋼化玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)一般取值1.1 W/(m·K)；前風(fēng)擋為夾層玻璃(4 mm鋼化玻璃+0.76 mm夾層+3 mm鋼化玻璃結(jié)構(gòu))，其夾層材料的導(dǎo)熱系數(shù)取2.1 W/(m·K)。QG2為太陽輻射熱進(jìn)入車內(nèi)的熱負(fù)荷，可按式(5)計(jì)算：

QG2=(η+p×?i/?o)×I×SG×g

(5)

式中：η為太陽輻射通過玻璃的透入系數(shù)，一般取 0.85；p為玻璃對太陽輻射的吸收系數(shù)，取 0.08；I為車窗外太陽輻射強(qiáng)度，一般取值1 000 W/m2；g為遮陽修正系數(shù)，取值0.97；SG為車窗面積，m2。

1.3 新風(fēng)熱負(fù)荷QV

新風(fēng)熱負(fù)荷主要有車內(nèi)強(qiáng)制通風(fēng)的熱負(fù)荷和門窗縫隙泄漏的熱負(fù)荷。由于門窗縫隙泄漏所帶入的熱負(fù)荷較少，在計(jì)算時(shí)，將其看成是空氣外循環(huán)所帶入熱負(fù)荷的補(bǔ)充，兩者合并計(jì)算：

QV=γ×n×VH×(ho-hi)

(6)

式中：γ為空氣密度，取1.14 kg/m3；n為駕乘人員數(shù)；VH為人均所需換氣量，根據(jù)JT/T 888—2014《公共汽車類型劃分及等級評定》[7]要求VH≥20 m3/h；ho為室外空氣的焓值；hi為車室內(nèi)空氣的焓值；焓值根據(jù)溫度及相對濕度查詢焓濕圖[7-10]。

1.4 乘員散發(fā)熱負(fù)荷QP

駕乘人員散發(fā)的熱負(fù)荷與乘員勞動強(qiáng)度、周圍空氣溫度、性別等因素相關(guān)。一般按式(7)計(jì)算：

QP=QD+n×ρ×q

(7)

式中：QD為駕駛員熱負(fù)荷，取值170 W；ρ為群集系數(shù)，一般取值0.89；q為單人熱負(fù)荷，一般取值120 W。

2 客車制冷系統(tǒng)匹配軟件開發(fā)及應(yīng)用

該軟件的主要功能是：根據(jù)不同地區(qū)運(yùn)營環(huán)境，快速計(jì)算出所需車型的空調(diào)最大負(fù)荷，對整車熱負(fù)荷來源進(jìn)行分析，評估不同變量對整車熱負(fù)荷的影響(即熱敏感度分析)，并將計(jì)算結(jié)果與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，供設(shè)計(jì)人員參考。

2.1 軟件方案設(shè)計(jì)

根據(jù)以上熱負(fù)荷計(jì)算模型，分別計(jì)算各部分熱負(fù)荷。整車結(jié)構(gòu)分為車頂、地板、隔斷(非必須)、前圍、側(cè)圍、玻璃，共6個(gè)模塊。每個(gè)模塊根據(jù)自身結(jié)構(gòu)不同，分別由1～3層材料組成，各材料間為間隙或均勻填充狀態(tài)。根據(jù)客車實(shí)際工藝情況，該軟件在設(shè)計(jì)材料層數(shù)≤3時(shí)均可進(jìn)行計(jì)算。

該軟件主要基于GUI搭建，允許操作人員手動輸入相關(guān)數(shù)據(jù)或直接調(diào)入相關(guān)參數(shù)文件，并導(dǎo)入對應(yīng)模塊中，從而完成對整車熱負(fù)荷的計(jì)算。軟件主界面如圖1所示。

圖1 軟件主界面

各模塊的主要功能和操作如下：

1) 車型參數(shù)模塊。車型參數(shù)模塊主要對車長、車寬、車高、額定載客、車速、溫度、輻射、焓值、乘員熱量、新風(fēng)量等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。熱負(fù)荷儲備系數(shù)K為理論計(jì)算后的盈余系數(shù)，一般取值1.05～1.15。

2) 結(jié)構(gòu)參數(shù)模塊。結(jié)構(gòu)參數(shù)模塊中,由于玻璃熱負(fù)荷分為傳遞熱和輻射熱，而輻射熱與玻璃面積和輻射強(qiáng)度相關(guān)。同樣的環(huán)境中，不同側(cè)圍玻璃面積受到的輻射不同。因此，在計(jì)算輻射熱時(shí)增加了單獨(dú)的后臺對比分析過程，選取最大玻璃面積對應(yīng)最大陽光輻射來計(jì)算熱負(fù)荷，以滿足最大熱負(fù)荷需求。

3) 控制及顯示模塊。軟件在提供界面直接輸入的同時(shí)，也可采用excel編輯數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入，如圖2所示，便于多變量運(yùn)行計(jì)算，以減少操作復(fù)雜度。同時(shí)軟件根據(jù)JT/T 888—2014《公共汽車類型劃分及等級評定》[7]計(jì)算制冷量供設(shè)計(jì)參考，計(jì)算結(jié)果還可以后臺輸出各部分熱負(fù)荷所占比值，并在設(shè)定變量基礎(chǔ)上以設(shè)定步長對變量靈敏度進(jìn)行分析，從而為車輛隔熱保溫設(shè)計(jì)提供方向。

客車空調(diào)制冷量匹配系統(tǒng)參數(shù)厚度/mm導(dǎo)熱系數(shù)/[W·(m·K)-1]面積/m2車型參數(shù)車頂?shù)匕甯魯嗲皣鷤?cè)圍玻璃材料1材料2材料3材料1材料2材料3材料1材料2材料1材料1材料2材料3前玻璃左玻璃右玻璃后玻璃13004153304113044+0.76+3555510.04410.040.170.180.040.030.4510.040.031.11.11.113.7912.5401.513.52.56.88.61.1車長(內(nèi)部)6.34車寬(內(nèi)部)2.16車高(內(nèi)部)2.08額定載客41車速40車外干球溫度38車內(nèi)干球溫度25輻射強(qiáng)度1 000外空氣焓值132.45內(nèi)空氣焓值58.03單人熱量120新風(fēng)量20修正系數(shù)1.05注意:1.新風(fēng)量≥20 m3/h;2.修正系數(shù)1～1.15。

2.2 應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)某6 m實(shí)際車型結(jié)構(gòu)，計(jì)算條件設(shè)定如下：環(huán)境溫度38 ℃，相對濕度85%，輻射強(qiáng)度100 W/m2，以40 km/h 的速度行駛；車內(nèi)溫度設(shè)定為25 ℃，相對濕度50%。此工況下，由H-D圖可以查得ho=132.45 kJ/kg,hi=58.03 kJ/kg,滿載乘員41人，人均通風(fēng)換氣量20 m3/h。該車制冷負(fù)荷理論計(jì)算結(jié)果約為20 kW，此車實(shí)際安裝空調(diào)為14 kW，比理論制冷需求量少約30%。因此，在滿載極端環(huán)境情況下，車輛可能存在制冷不足情況。為避免后期出現(xiàn)客戶投訴問題，在湖南、廣東、廣西等南方高溫、高濕地區(qū)需加大空調(diào)制冷量。

整車熱負(fù)荷中，玻璃和新風(fēng)熱負(fù)荷約為50%，由于乘員熱負(fù)荷無法改變，而車輛骨架間已填充隔熱材料情況下，進(jìn)一步降低填充材料導(dǎo)熱系數(shù)對整體熱負(fù)荷影響較小，且性價(jià)比不高。因此，建議從改善玻璃隔熱和改進(jìn)新風(fēng)方式等方面考慮，如采用隔熱玻璃、改善車身密封。在允許范圍內(nèi)，可適當(dāng)采取降低車內(nèi)新風(fēng)量或玻璃透光率等措施，以減少整車熱負(fù)荷，從而降低整車空調(diào)能耗。

同時(shí)，軟件對變量根據(jù)設(shè)定的步長在允許的范圍內(nèi)按遞增或遞減進(jìn)行熱負(fù)荷計(jì)算，分析各變量對熱負(fù)荷的影響率，從而尋找出對熱負(fù)荷影響最大的變量(即變量靈敏度)，發(fā)現(xiàn)輻射強(qiáng)度、新風(fēng)量、焓值(與相對濕度有關(guān))對整車熱負(fù)荷的影響相對較大，而人體在相對濕度40%～70%感覺最舒適。因此，在確定車內(nèi)計(jì)算參數(shù)時(shí),允許范圍內(nèi)適當(dāng)提高車內(nèi)相對濕度，或在空調(diào)內(nèi)增加除濕裝置，可以降低整車制冷量需求。

3 結(jié)束語

文章對客車熱負(fù)荷進(jìn)行分析，建立熱平衡數(shù)學(xué)模型，結(jié)合客車具體情況，開發(fā)出空調(diào)制冷量匹配軟件，為降低整車能耗、設(shè)計(jì)人員進(jìn)行空調(diào)快速選型及整車隔熱保溫設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。