純電動(dòng)汽車個(gè)性化采暖的數(shù)值模擬研究

范華玉 趙敬德 鄒越

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

純電動(dòng)汽車在冬季采用傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)供暖會(huì)使電動(dòng)汽車的續(xù)航里程下降20.1%～56.4%[1]。研究發(fā)現(xiàn)，個(gè)性化供暖系統(tǒng)可以有效地解決這個(gè)問題[2-4]。相較于傳統(tǒng)汽車空調(diào)是對(duì)整個(gè)車內(nèi)空間加熱，個(gè)性化采暖是針對(duì)人體熱敏感部位進(jìn)行供暖，主要包括局部空氣噴射、天花板輻射、局部通風(fēng)、座椅加熱、腳部、腿部和膝蓋加熱等[5]。Arens[6]通過實(shí)驗(yàn)指出在非均勻的寒冷環(huán)境下，腳部和手部相對(duì)于其他身體部位溫度最低。Zhang 等人[7]通過實(shí)驗(yàn)得出冬季使用腳部加熱器可以顯著的降低人體的冷感覺并可以降低了35%～78%的能量。本文為了解決純電動(dòng)汽車因冬季采暖導(dǎo)致其續(xù)航里程降低的問題，通過計(jì)算流體力學(xué)研究純電動(dòng)汽車內(nèi)分區(qū)加熱的采暖方式（主要針對(duì)人體下半部分的加熱）的可行性和經(jīng)濟(jì)性，為今后純電動(dòng)汽車內(nèi)采用個(gè)性化采暖提供了新思路。

1 汽車仿真模型的建立

1.1 汽車仿真模型的建立

該個(gè)性化采暖方案是將車內(nèi)空間分隔為兩部分，將人體易冷的下半身放在被加熱的小空間里，人體相對(duì)耐冷的上半身利用小空間里產(chǎn)生的熱空氣以自然對(duì)流的形式加熱，而車內(nèi)其它空間，則可以保持相對(duì)較低的溫度，這并不影響駕乘人員的熱感覺。考慮到汽車實(shí)際模型較為復(fù)雜，故在建模過程中對(duì)汽車模型內(nèi)部的細(xì)微構(gòu)造（方向盤、儀表臺(tái)等）進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，建模效果圖如圖1 所示。仿真模型中有兩個(gè)位于汽車前側(cè)的用來加熱新風(fēng)和除霜的進(jìn)風(fēng)口，和兩個(gè)位于汽車后擋風(fēng)玻璃底側(cè)的出風(fēng)口。以簡(jiǎn)化的假人模型代替精細(xì)的真人坐在駕駛座位置，同時(shí)假人腳底放置一加熱墊作為熱源，假人模型的腰部位置設(shè)置隔板，將假人的下肢封閉在儀表盤，車門和隔板形成的小空間內(nèi)，加熱墊加熱假人腳底以及周圍空氣，空氣以自然對(duì)流的形式，在小空間內(nèi)上升。隔板兩側(cè)布有風(fēng)口，且與假人之間留有一定的縫隙，熱空氣沿縫隙緊貼假人上身表面上升進(jìn)入車內(nèi)空間。接著對(duì)汽車模型選取合適的尺寸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)進(jìn)出風(fēng)口，加熱墊和人體表面進(jìn)行網(wǎng)格加密，最后生成約169 萬個(gè)網(wǎng)格。

圖1 乘員艙模型

1.2 數(shù)學(xué)模型的選擇和邊界條件設(shè)置

本文利用CFD 技術(shù)來模擬汽車內(nèi)部溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的分布情況，乘員艙內(nèi)部空氣流動(dòng)是一個(gè)較為復(fù)雜的三維湍流流動(dòng)過程，故采用三維不可壓縮N-S 方程和RNG k-ε 湍流模型，選擇SIMPLE 算法，離散化方法采用有限體積法，壓力項(xiàng)采用標(biāo)準(zhǔn)離散法，其他項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)格式。松弛因子采用fluent 軟件默認(rèn)值。邊界條件類型如表1 所示：

表1 邊界條件設(shè)置

2 模擬結(jié)果分析

本文探究的是在加熱墊功率和車身圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度不變的情況下，不同的進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)乘員艙內(nèi)熱環(huán)境和駕乘人員熱舒適的影響。為了更直觀的觀察車艙內(nèi)部的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)，分別選取Y=0.145 m、X=0.8 m處作為斷面進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)工況圖如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)工況

2.1 進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)車內(nèi)溫度場(chǎng)的影響

圖2 顯示的是在不同進(jìn)風(fēng)溫度下車內(nèi)Y=0.145 m、X=0.86 m 處截面的溫度云圖。加熱墊的表面溫度隨著進(jìn)風(fēng)溫度增加而上升，在進(jìn)風(fēng)溫度從289 K增加到293 K 時(shí)，加熱墊的表面溫度從325 K 增加至330 K，可以得出加熱墊表面溫度不僅與自身加熱功率相關(guān)，也和周圍空氣溫度有關(guān)系。人體腳部和腿部溫度在進(jìn)風(fēng)溫度289 K 時(shí)為293 K 和292 K，隨著進(jìn)風(fēng)溫度的增加在293 K 時(shí)達(dá)到293 K 和298 K。人體上半部分周圍空氣溫度也從290 K 增加至293 K。

圖2 不同送風(fēng)溫度下Y=0.145 m和X=0.86 m 截面處溫度云圖

2.2 人體熱舒適性分析

當(dāng)量溫度是指是指在一個(gè)相對(duì)濕度為50%的理想空間環(huán)境，調(diào)整環(huán)境溫度使假人身體的某一部位的散熱量等于該部位在真實(shí)環(huán)境中的散熱量，此環(huán)境溫度被定義為該部位的當(dāng)量溫度。當(dāng)量溫度適合評(píng)價(jià)人體各個(gè)部位的熱舒適性，也適用于汽車乘員艙這樣的非均勻熱環(huán)境[8-9]。根據(jù)仿真模擬得到的數(shù)據(jù)計(jì)算出上述三個(gè)工況的人體各部位的當(dāng)量溫度，并和人體處于舒適的當(dāng)量溫度進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比圖如圖4 所示。從圖中可以看出，在進(jìn)風(fēng)溫度為289 K 時(shí)，胸部和大腿的溫度低于舒適溫度下限，其余部位均處于舒適狀態(tài)，其中腳的當(dāng)量溫度基本和最適溫度重合。在進(jìn)風(fēng)溫度為291 K 時(shí)，除了大腿以外所有部位均處于舒適狀態(tài)。進(jìn)風(fēng)溫度為293 K 時(shí)，所有部位均處于舒適狀態(tài)，其中腳、腿部溫度接近于最適溫度?？梢缘玫?，當(dāng)加熱墊功率為550 W/m2時(shí)，進(jìn)風(fēng)溫度要在289 K 以上才能使身體全部部位處于熱舒適狀態(tài)。

圖4 駕駛員各個(gè)部位的EQT 溫度

3.3 節(jié)能潛力分析

汽車空調(diào)采暖能耗負(fù)荷包括通過汽車圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入的熱量Q1，通過門窗玻璃以對(duì)流方式傳入的熱量Q2，通過門窗玻璃以輻射方式傳入的熱量Q3，駕乘人員人體熱量Q4，新風(fēng)熱量Q5，電池散熱量Q6，車內(nèi)其他電器（燈光等）散熱量。

本文中，為了保證負(fù)荷值可以滿足在最惡劣條件下的需求，故忽略太陽(yáng)輻射的影響。且本文目的是為了對(duì)比采用分區(qū)加熱的采暖方式與采用傳統(tǒng)空調(diào)采暖方式的能耗，故忽略人體散熱量。通過簡(jiǎn)化傳熱模型可得，車內(nèi)穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷的計(jì)算公式為：

取空調(diào)采暖時(shí)車內(nèi)的設(shè)定溫度為18℃，電動(dòng)汽車空調(diào)負(fù)荷計(jì)算如下：

1）車身壁面主要包括車頂、車頂、裙部（前圍、側(cè)圍、后圍），則通過車壁傳入車廂的熱流量Q1為

式中：F為傳熱計(jì)算面積，m2；K為傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；tH為車廂外空氣計(jì)算溫度，℃；tB為車廂內(nèi)的溫度，℃。

2）在無太陽(yáng)輻射情況下，通過門窗玻璃傳入的熱量是車內(nèi)外溫差引起的對(duì)流傳熱熱量，車窗玻璃包括汽車前窗、側(cè)窗和后窗，其中玻璃窗的傳熱系數(shù)6.4W/m2。

3）新風(fēng)負(fù)荷包括汽車?yán)淇諝鉂B透熱負(fù)荷和通風(fēng)換氣熱負(fù)荷。

從冷空氣滲透的熱流量為

式中：l 為汽車門窗縫隙長(zhǎng)度，m；c 為空氣的比熱，kJ/(kg·℃)，均取1.009 kJ/(kg·℃)；γ 為空氣密度，kg/m3，視不同車外溫度來定；L 為單位門窗縫隙長(zhǎng)度每小時(shí)漏風(fēng)量，m3/(h·m)。

通風(fēng)換氣熱負(fù)荷為

式中：n 為乘員人數(shù)，取1；γ 為車外空氣密度，kg/m3；c為空氣的比熱，kJ/(kg·℃)；V 為每人每小時(shí)對(duì)新鮮空氣的需求量，根據(jù)人體衛(wèi)生要求，取30 m3/(h·人)。

根據(jù)式（1）～（5）計(jì)算出的空調(diào)采暖負(fù)荷和模擬過程中個(gè)性化采暖設(shè)備所消耗的功率，分別對(duì)比在不同進(jìn)風(fēng)溫度下個(gè)性化采暖方式和空調(diào)采暖的能耗情況，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 能耗對(duì)比圖

從圖5 可以看出，在所有工況下，該個(gè)性化采暖方式能耗都低于空調(diào)采暖能耗。相對(duì)于傳統(tǒng)空調(diào)的采暖方式，該個(gè)性化采暖方式節(jié)能率范圍為47%～59%，且節(jié)能率隨著進(jìn)風(fēng)溫度的降低而上升，在進(jìn)風(fēng)溫度為289 K 時(shí)達(dá)到最大值。故可以得出冬季采用分區(qū)加熱的采暖方式可以顯著降低車內(nèi)采暖能耗，從而解決純電動(dòng)汽車因冬季采暖而導(dǎo)致的續(xù)航里程降低的問題。

4 結(jié)論

本文針對(duì)純電動(dòng)汽車提出了一個(gè)套新的個(gè)性化采暖方案，對(duì)該個(gè)性化采暖方案進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得出如下結(jié)論：

1）通過分析上述模擬結(jié)果，在三個(gè)進(jìn)風(fēng)工況下，除了在289 K 時(shí)人體大腿和胸部當(dāng)量溫度低于熱舒適溫度，其它工況下人體各部位均處于熱舒適狀態(tài)。故可以得出，該個(gè)性化采暖方式可以滿足駕乘人員的熱舒適性，具有可行性。

2）當(dāng)壁面溫度為281 K，加熱墊功率為550 W/m2時(shí)，進(jìn)風(fēng)溫度要在289 K 以上才能使身體全部部位處于熱舒適狀態(tài)。

3）相較于傳統(tǒng)空調(diào)采暖方式，此種采暖方式的節(jié)能率為47%～59%，可以顯著降低汽車冬季采暖負(fù)荷，從而有效解決純電動(dòng)汽車因冬季采暖而導(dǎo)致的續(xù)航里程降低的問題。