用于干燥地區(qū)的無動(dòng)力汽車空調(diào)的研究

屈 元 黃 翔 嚴(yán)延廷 李濟(jì)堯 韓偉娟 王 沖

用于干燥地區(qū)的無動(dòng)力汽車空調(diào)的研究

屈 元1黃 翔1嚴(yán)延廷2李濟(jì)堯3韓偉娟1王 沖1

（1.西安工程大學(xué) 西安 710048;2.南京天加環(huán)境科技有限公司 南京 210046；3.深圳市英維克科技股份有限公司 深圳 518110）

新冠病毒在人群密集且封閉的汽車中能夠快速傳播，且確診人數(shù)隨空氣溫度和濕度的降低而升高，因此傳統(tǒng)汽車空調(diào)不利于傳染疾病的防控。無動(dòng)力汽車空調(diào)利用汽車行駛中空氣的相對運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能形成送風(fēng)氣流，利用噴管引射原理使超聲波霧化水與空氣混合實(shí)現(xiàn)對空氣的降溫效果，其車內(nèi)送風(fēng)溫度和濕度比傳統(tǒng)空調(diào)的高。同時(shí)該裝置采用的全新風(fēng)直流式運(yùn)行模式能有效避免污染物滯留從而減少感染。研究還表明，該裝置能降低汽車空調(diào)投資和運(yùn)行能耗，避免氯氟烴類制冷劑對環(huán)境的影響。

汽車空調(diào)；新冠病毒；蒸發(fā)冷卻；引射；節(jié)能

0 引言

2019年12月中國中部地區(qū)特大城市，歷來被稱為“九省通衢”之地，中國內(nèi)陸最大的水陸空交通樞紐——武漢出現(xiàn)了新型冠狀病毒肺炎疫情（2020年2月11日，世衛(wèi)組織將這種疾病命名為2019年冠狀病毒，COVID-19[1]）。根據(jù)武漢市衛(wèi)生健康委員會(huì)通報(bào)，截至2020年1月19日22時(shí)，武漢市累計(jì)報(bào)告新型冠狀病毒感染的肺炎病例198例[2]。此時(shí)臨近中國農(nóng)歷新年，中國人口最大規(guī)模的流動(dòng)已經(jīng)開始。在2020年1月23日武漢市所有離漢通道暫時(shí)關(guān)閉[3]之前估計(jì)有超過500萬人離開武漢[4]。2020年1月21日起國家衛(wèi)建委開始進(jìn)行全國范圍內(nèi)疫情通報(bào)：截至1月20日24時(shí)，除湖北省外，有3個(gè)省、市共出現(xiàn)21例確診病例；截至1月31日24時(shí)，31個(gè)?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)報(bào)告累計(jì)報(bào)告確診病例11791例[5]。以上數(shù)據(jù)表明病毒在潛伏期通過人員流動(dòng)蔓延到全國。

經(jīng)呼吸道飛沫傳播和接觸傳播是新型冠狀病毒的主要傳播途徑，病毒感染者是主要傳染源。與感染者直接或間接近距離接觸后，97.5%的被感染者會(huì)在11.5天內(nèi)出現(xiàn)癥狀[6]。2020年1月自武漢發(fā)出至全國報(bào)告出現(xiàn)COVID-19確診病例城市的長途汽車、火車和飛機(jī)的頻率與這些城市日累計(jì)病例數(shù)之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，而武漢到其他城市的距離與COVID-19病例數(shù)成負(fù)相關(guān)關(guān)系，并且相關(guān)性隨時(shí)間推移越來越高并在2月1日后保持穩(wěn)定。公共交通工具中，汽車發(fā)車頻次最高，行駛距離最短，其相關(guān)性最高[7]。該研究表明新型冠狀病毒在環(huán)境封閉、人群密集的汽車中得到快速傳播。

1 傳統(tǒng)汽車空調(diào)存在的問題

世界衛(wèi)生組織（WHO）發(fā)布的防止病毒傳播的措施包括保持安全社交距離、攔截咳嗽和打噴嚏時(shí)排出的液滴、定時(shí)清潔和消毒、保持手部衛(wèi)生和使用個(gè)人防護(hù)設(shè)備等。然而在長途客車上很難完全做到以上幾點(diǎn)。此時(shí)通入新風(fēng)能提高空氣中污染物的清除速度，降低傳染風(fēng)險(xiǎn)。

新風(fēng)進(jìn)入客車有兩種途徑：通過車窗進(jìn)入或通過空調(diào)、通風(fēng)設(shè)備進(jìn)入?？蛙囆旭傊虚_窗通風(fēng)會(huì)造成較大風(fēng)阻且強(qiáng)烈的吹風(fēng)感會(huì)引起車窗附近乘客的不適。汽車空調(diào)通常設(shè)計(jì)為制冷劑直接膨脹封閉式系統(tǒng)。該系統(tǒng)無新風(fēng)引入，車廂內(nèi)的空氣循環(huán)使用并通過空調(diào)風(fēng)道輸送到整個(gè)車廂，造成交叉感染。對此應(yīng)避免使用回風(fēng)，采用全新風(fēng)運(yùn)行模式。

傳統(tǒng)汽車空調(diào)夏季送風(fēng)濕度和溫度都比較低。冬季由于沒有加濕，車廂內(nèi)空氣干燥，甚至引起靜電。有研究表明，新型冠狀病毒的傳播與空氣溫度和濕度有關(guān)。隨著空氣干球溫度和相對濕度的提高，COVID-19確診人數(shù)和病死人數(shù)都下降；反之，確診人數(shù)和病死人數(shù)都提高[8-10]。這是由于常規(guī)制冷劑制冷對空氣進(jìn)行除濕后，低濕度條件下呼吸道中纖毛對病毒顆粒的去除能力減弱，氣道細(xì)胞損傷修復(fù)能力降低，免疫防御系統(tǒng)失效造成的[11]。

2 新風(fēng)降溫裝置的設(shè)計(jì)原理

蒸發(fā)冷卻技術(shù)通過空氣和水之間的熱濕交換在夏季對空氣實(shí)現(xiàn)降溫、加濕和凈化作用，冬季可對空氣進(jìn)行加濕處理。由于采用水作為制冷劑，夏季送風(fēng)溫度和濕度均高于傳統(tǒng)制冷空調(diào)的送風(fēng)參數(shù)。全新風(fēng)直流式運(yùn)行模式不僅能縮短空氣齡，迅速排除污染物，還能有效降低氣溶膠傳播病毒風(fēng) 險(xiǎn)[12,13]。此外，該技術(shù)能減少溫室氣體排放、節(jié)約能源、安裝快捷、經(jīng)濟(jì)性較傳統(tǒng)空調(diào)有明顯優(yōu)勢[14]。

基于蒸發(fā)冷卻原理的汽車新風(fēng)降溫裝置采用超聲波霧化技術(shù)替代傳統(tǒng)的濕膜加濕來實(shí)現(xiàn)空氣的降溫加濕過程?？諝廨斔蛣t利用空氣與汽車相對運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能，通過噴射器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)氣體動(dòng)能和壓能的轉(zhuǎn)換，在不增加動(dòng)力設(shè)備的基礎(chǔ)上通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)增速降壓和減速增壓的目的，達(dá)到節(jié)省輸送能耗的目的。

圖1是該新風(fēng)降溫裝置的結(jié)構(gòu)原理圖?？蛙囆旭傊锌照{(diào)進(jìn)風(fēng)口始終迎著來流方向，空氣進(jìn)入噴管后膨脹增速，在噴管出口的混合室內(nèi)形成負(fù)壓，將水霧發(fā)生器內(nèi)的水霧不斷吸入混合室。空氣在混合室中與水霧直接接觸，水吸熱蒸發(fā)成為水蒸氣進(jìn)入空氣中，空氣被降溫加濕，然后進(jìn)入擴(kuò)壓管減速增壓?？諝庵袏A帶的水滴經(jīng)過擴(kuò)壓管末端的擋水板時(shí)被攔截，減少了送風(fēng)過水量?？照{(diào)送風(fēng)進(jìn)入車廂內(nèi)部吸熱并稀釋空氣中的污染物然后通過排風(fēng)機(jī)排出。

3 新風(fēng)降溫裝置設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 夏季送風(fēng)參數(shù)和處理過程

根據(jù)《汽車用空調(diào)器》（GB/T 21361-2017）確定空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)口空氣參數(shù)和車廂內(nèi)空氣設(shè)計(jì)參數(shù)。該國家推薦標(biāo)準(zhǔn)適用于乘用車、客車和貨車等各種類型的汽車空調(diào)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的夏季實(shí)驗(yàn)名義工況見表1，其中環(huán)境濕球溫度無人為規(guī)定。文獻(xiàn)[15]將空調(diào)室外設(shè)計(jì)濕球溫度18℃～21℃的區(qū)間劃分為干燥較熱區(qū)。因此取車外計(jì)算濕球溫度為21℃。冷卻效率是蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組性能評價(jià)的重要標(biāo)準(zhǔn)，直接蒸發(fā)冷卻效率由公式（1）確定。按冷卻效率為90%計(jì)算該裝置夏季送風(fēng)參數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 夏季汽車空調(diào)實(shí)驗(yàn)名義工況及設(shè)計(jì)送風(fēng)參數(shù)

夏季新風(fēng)處理過程見圖2。圖中W點(diǎn)表示車廂外空氣狀態(tài)。新風(fēng)經(jīng)蒸發(fā)冷卻降溫處理后達(dá)到狀態(tài)O。過O點(diǎn)做車廂內(nèi)空氣熱濕比線，該線與車廂內(nèi)設(shè)計(jì)溫度t的等溫線相交于N點(diǎn)，此為車廂內(nèi)空氣狀態(tài)點(diǎn)。經(jīng)計(jì)算，車內(nèi)空氣相對濕度?=65%滿足民用空調(diào)設(shè)計(jì)相對濕度不大于70%的設(shè)計(jì)要求。送風(fēng)溫差Δ=t-0=4.6℃，符合舒適性空調(diào)規(guī)范要求。

圖2 新風(fēng)處理過程焓濕圖

W—夏季車廂外空調(diào)設(shè)計(jì)狀態(tài)點(diǎn)；O—新風(fēng)經(jīng)蒸發(fā)冷卻降溫處理后達(dá)到的狀態(tài)點(diǎn)，即送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)；N—車廂內(nèi)空氣狀態(tài)點(diǎn)

以50座空調(diào)客車為設(shè)計(jì)對象計(jì)算車內(nèi)熱濕負(fù)荷并按公式（2）計(jì)算送風(fēng)量q（kg/s）。

式中：為車廂內(nèi)余熱量，kW；h為車廂內(nèi)空氣的比焓，kJ/kg；h為送風(fēng)狀態(tài)空氣的比焓，kJ/kg。

蒸發(fā)冷卻降溫處理過程加濕量（kg/s）根據(jù)公式（3）計(jì)算。

式中：為加濕量，kg/s；d為車廂內(nèi)空氣的含濕量，kJ/kg；d為送風(fēng)狀態(tài)空氣的含濕量，kJ/kg。

3.2 噴射器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在汽車行駛速度40km/h條件下考慮進(jìn)口過濾網(wǎng)影響取進(jìn)口風(fēng)速為10m/s?？諝鈬娚淦髦饕蓢姽?、混合室和擴(kuò)壓管組成。根據(jù)客車外型尺寸及行駛中車體重心應(yīng)盡量低的安全需求，噴管進(jìn)口截面設(shè)計(jì)為700mm寬×250mm高的矩形以降低裝置高度。漸縮管錐角取45°，沿著氣流方向其當(dāng)量直徑逐漸減小，出口截面為邊長250mm的正方形以減小摩擦阻力。漸縮管后依次接喉管、混合室和擴(kuò)壓管。喉管為等徑管，長度取5cm。為避免連接處管道截面突變造成流動(dòng)損失和壓力突然變化，設(shè)計(jì)時(shí)混合室和擴(kuò)壓管錐角均為10°，擴(kuò)壓管出口截面為寬1700mm，高400mm的矩形。以上各處接口內(nèi)徑保持一致。噴射器總長度為4.14m。

根據(jù)加濕量設(shè)計(jì)一個(gè)儲(chǔ)水箱和兩個(gè)霧化水箱，其中儲(chǔ)水箱供客車空調(diào)兩小時(shí)使用，配給電壓12V，功率20W，最大揚(yáng)程6m，流量12L/min小型水泵一臺(tái)。霧化水箱與噴射器同高，形狀為半圓頭流線型圓柱體結(jié)構(gòu)，每個(gè)水箱底部安裝4個(gè)功率為200W的霧化器。噴射器、霧化裝置和儲(chǔ)水箱的裝配方式如圖3所示。

1-過濾網(wǎng)；2-噴管；3-喉管；4-混合室；5-擴(kuò)壓管；6-霧化水箱；7-水泵；8-儲(chǔ)水箱

3.3 風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用機(jī)械制冷的汽車空調(diào)夏季送風(fēng)有兩種模式：內(nèi)循環(huán)模式和混合模式。內(nèi)循環(huán)模式?jīng)]有新風(fēng)引入，車廂內(nèi)空氣經(jīng)降溫減濕后循環(huán)使用?；旌夏Ｊ街敢氩糠中嘛L(fēng)（約占總風(fēng)量10%）與車廂內(nèi)空氣混合后進(jìn)入蒸發(fā)器處理然后送出。蒸發(fā)器處理后送風(fēng)溫差一般在12℃～15℃之間。按27℃設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算，送風(fēng)溫度在15℃～12℃之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離人體舒適溫度范圍。

本設(shè)計(jì)汽車新風(fēng)降溫裝置安裝在車頂，總風(fēng)道設(shè)置在汽車中部，冷風(fēng)從主風(fēng)道分流到車頂兩側(cè)的支風(fēng)道里，然后從送風(fēng)口吹出。排風(fēng)窗選中懸式矩形天窗，置于汽車后門處頂部中間位置。氣流組織為上送風(fēng)上排風(fēng)。本設(shè)計(jì)采用全新風(fēng)直流式，大風(fēng)量小溫差送風(fēng)，空氣齡短，空氣品質(zhì)好，車廂內(nèi)平均風(fēng)速0.35m/s，能滿足人體對車廂內(nèi)空氣衛(wèi)生和舒適性的需求。

3.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本新風(fēng)降溫實(shí)驗(yàn)裝置由噴射器、超聲波加濕器、風(fēng)機(jī)和引射管組成。其中噴射器進(jìn)口為漸縮噴管，出口處接喉管，喉管后接混合管和擴(kuò)壓管。喉管處接引射管，引射管另一端接在超聲波噴霧加濕器出霧口。風(fēng)機(jī)設(shè)置在噴管進(jìn)風(fēng)口。風(fēng)機(jī)出口處設(shè)加熱器以調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)溫度。實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要部件及測試儀器參數(shù)見表2。實(shí)驗(yàn)期間模擬環(huán)境溫度在33℃～37℃之間，濕球溫度在21℃～23℃之間。夏季室外工況1對應(yīng)空氣干球溫度33.4℃，濕球溫度21.0℃；工況2對應(yīng)空氣干球溫度36.9℃，濕球溫度22.9℃。三檔風(fēng)速分別為2.5m/s，3.5m/s和5.0m/s。兩種工況下空氣溫降和進(jìn)口風(fēng)速關(guān)系如圖4所示。實(shí)驗(yàn)表明空氣溫降隨進(jìn)口風(fēng)速降低而增大，最大達(dá)到12.4℃。在工況1條件下，風(fēng)速為5m/s時(shí)，溫降為7.5℃，說明該裝置在進(jìn)口風(fēng)速小于5m/s時(shí)（對應(yīng)汽車行駛速度18km/h）仍能有效引射水霧，在汽車低速行駛條件下達(dá)到通風(fēng)降溫目的。

表2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要部件及測試儀器明細(xì)

圖4 兩種工況下進(jìn)口風(fēng)速對空氣溫降的影響

4 經(jīng)濟(jì)性分析

傳統(tǒng)機(jī)械制冷汽車空調(diào)裝置主要由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流裝置、儲(chǔ)液罐、干燥器、液體管路、氣體管路、風(fēng)機(jī)等組成。與其相比，本新風(fēng)降溫裝置在空氣噴射器、霧化罐、儲(chǔ)水箱、水泵、霧化器、軟化裝置和水管上的初投資小于機(jī)械制冷空調(diào)的費(fèi)用。

以50座空調(diào)汽車為設(shè)計(jì)對象，以湖南岳陽某公司生產(chǎn)的KQZD18型整體頂置式汽車空調(diào)為參照與本設(shè)計(jì)汽車空調(diào)運(yùn)行能耗進(jìn)行比較，如表3所示。從表中可知本設(shè)計(jì)新型汽車空調(diào)每小時(shí)節(jié)省燃料2.15L。

表3 新型汽車空調(diào)與KQZD18型汽車空調(diào)能耗比較

注：每1kW功率折合燃料消耗0.315L/h。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種無動(dòng)力直流式全新風(fēng)的降溫方式。它不僅解決了干燥地區(qū)傳統(tǒng)機(jī)械制冷汽車空調(diào)高能耗和高排放的能源和環(huán)境問題，還采用大風(fēng)量小溫差的送風(fēng)方式，縮短空氣齡，提高車廂內(nèi)空氣品質(zhì)，有效降低疾病傳播，改善了舒適性。

[1] https://www.sohu.com/a/373089347_727964

[2] http://www.nhc.gov.cn/xcs/yqtb/202001/a5f1aec0660f4cd3a70518b6258fd15f.shtml

[3] http://finance.ifeng.com/c/7tUbSW25KYy

[4] First F. Mayor of Wuhan: more than 5 million people left Wuhan Jan 26 http://news.sina.com.cn/2020-01-26/doc- iihnzahk6472836.shtml; 2020.

[5] http://www.nhc.gov.cn/xcs/yqtb/202002/84faf71e096446fdb1ae44939ba5c528.shtml

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Research on an Energy-saving Bus Air Conditioners Used in Dry Areas

Qu Yuan1Huang Xiang1Yan Yanting2Li Jiyao3Han Weijuan1Wang Chong1

( 1.Xi'an Polytechnic University, Xi'an, 710048; 2.Nanjing TICA Air-Conditioning Co., Ltd, Nanjing, 210046;3.Shenzhen Envicool Technology Co., Ltd, Shenzhen, 518110 )

The new coronavirus can spread rapidly among people in enclosed vehicles.Some researches revealed that the number of confirmed casesincreased with the decrease of air temperature and relative humidity. Therefore, traditional bus air conditioners could not prevent the spread of the disease. The kinetic energy generated by the relative movement of the air while the bus is moving pushes the air go into the air conditioner and then mix with water mist which is ejected from a Ultrasonic atomizer.After that the air is cooled and supplied to the bus .The air supply temperature and relative humidity are higher than the supply air’s from traditional bus air conditioners. The direct primary air conditioning system can effectively avoid the retention of pollutants and reduce infection. The study also shows that the device can reduce the investment and operating energy consumption of automobile air-conditioning, and avoid the impact of chlorofluorocarbon refrigerants on the environment.

automotive air conditioning; coronavirus; evaporative cooling; ejection; energy saving

1671-6612（2021）03-377-05

G710

A

國家自然科學(xué)基金（51676145）；“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFC0700404）

屈 元（1974-），女，碩士，副教授，E-mail：1318117890@qq.com

2020-10-12