基于半導(dǎo)體制冷的汽車局部空調(diào)系統(tǒng)仿真與熱舒適性評價(jià)

蘇建軍　王璉浩　杜涵　李漢培　李永清　宋君軍　劉昆岳

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體制冷;局部空調(diào);當(dāng)量溫度;人體熱感覺偏差

0引言

近年來隨著汽車產(chǎn)銷量和保有量穩(wěn)步增長，汽車與人們的生活已密不可分，因此，對于汽車的熱舒適性也越來越重視。汽車空調(diào)作為調(diào)節(jié)駕駛室熱環(huán)境的關(guān)鍵裝備，在汽車上的裝備率幾乎達(dá)到了100%。但是，傳統(tǒng)車用空調(diào)存在著高耗能、噪聲等一些難以解決的問題，因此，人們不斷尋找新的制冷劑和新的制冷方法來代替?zhèn)鹘y(tǒng)車用空調(diào)。汽車局部空調(diào)系統(tǒng)，針對現(xiàn)代汽車座椅熱舒適性差的現(xiàn)象，采用局部溫控、置換通風(fēng)的方式，對乘員與座椅接觸部位的附近區(qū)域進(jìn)行溫度、風(fēng)量調(diào)節(jié)，從而在乘客周圍形成一個較為舒適的微環(huán)境。與傳統(tǒng)汽車空調(diào)相比，由半導(dǎo)體制冷裝置組成的汽車局部空調(diào)系統(tǒng)沒有運(yùn)動部件，在運(yùn)行時(shí)不會發(fā)出強(qiáng)烈噪音。這種汽車局部空調(diào)結(jié)構(gòu)簡單、布置靈活，在重量和尺寸上也要比傳統(tǒng)汽車空調(diào)小很多，而且在制冷時(shí)無需制冷劑，這就從源頭上避免了制冷劑泄漏對臭氧層的破壞。局部空調(diào)可直接由車載12V電源供電，從而消除了發(fā)動機(jī)負(fù)荷變化對局部空調(diào)制冷能力的影響，當(dāng)電流反接時(shí)還可以進(jìn)行制熱，制冷制熱的切換十分方便。另外，純電動汽車是未來的發(fā)展趨勢，而純電動汽車沒有發(fā)動機(jī)，難以使用傳統(tǒng)汽車空調(diào)，基于半導(dǎo)體制冷的汽車局部空調(diào)系統(tǒng)則為這一難題提供了一種解決方案。

1駕駛室內(nèi)流場數(shù)值模擬

1.1簡化模型建立

本文以天龍重卡駕駛室為研究對象，通過建模軟件CATIA按照1：1比例建立了整車三維模型，并加入駕駛員人體模型，如圖1所示。然后將駕駛室部分抽離出來導(dǎo)入前處理軟件ICEM中劃分網(wǎng)格。最終網(wǎng)格總數(shù)為582萬個，最低網(wǎng)格質(zhì)量為0.25，導(dǎo)入ICEM中簡化后的卡車駕駛室計(jì)算模型如圖2所示。

1.2邊界條件設(shè)置

將網(wǎng)格文件導(dǎo)入fluent中，在激活重力選型和設(shè)置方程模型后進(jìn)行物性材料和邊界條件設(shè)置，主要包括玻璃、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、地板、儀表盤、人體、座椅、空氣、半導(dǎo)體制冷器等部件的物性參數(shù)設(shè)置和進(jìn)口、出口、壁面等邊界條件設(shè)置。

（1）物性參數(shù)設(shè)置：參考實(shí)驗(yàn)車生產(chǎn)廠商提供的數(shù)據(jù)和汽車內(nèi)流場相關(guān)文獻(xiàn)，對駕駛室主要部件物性參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。卡車駕駛室車體由兩層鋼板經(jīng)沖壓后焊接而成，中間夾層為空氣層，兩邊鋼板材料一般為SPCC冷軋?zhí)间摫“?、Q195-215碳素結(jié)構(gòu)鋼或高強(qiáng)度鋼板，地板由鋼板、膠合板和尼龍地毯3層組成。具體的物性參數(shù)如表1所示。

（2）壁面邊界條件設(shè)置：將駕駛室車身壁面、地板、儀表板、座椅、人體表面設(shè)置為不透明Wall邊界，玻璃設(shè)置為半透明Wall邊界，這些壁面均設(shè)置Mixed混合邊界。座椅和后排臥鋪、人體和半導(dǎo)體制冷裝置的換熱方式設(shè)為Convectiono經(jīng)計(jì)算可得，水平面上總太陽輻射為1084.7W/m，車身壁面、玻璃、儀表盤和地板的外部等效輻射溫度分別為358 K、315 K、313 K和258 K。車身等壁面對流換熱系數(shù)為28.8 W/（m.K），座椅等部件的對流換熱系數(shù)為20W/（m.K），玻璃壁面的邊界條件設(shè)置如圖3所示。

（3）入口邊界條件設(shè)置：局部空調(diào)系統(tǒng)由6個半導(dǎo)體制冷裝置組成，分別位于頭部上方、肩部兩側(cè)、座椅背部和腳部前方，故有6個入口速度。采用湍流強(qiáng)度和水力直徑來設(shè)置速度入口，不同工況下的入口條件設(shè)置情況見表2。

（4）出口邊界條件設(shè)置：出口即駕駛室的回風(fēng)口，根據(jù)實(shí)際測得的駕駛室的回風(fēng)口位置和尺寸，建立模型的出口，出口邊界設(shè)為壓力出口，出口壓力為環(huán)境大氣壓，出口溫度設(shè)為車外環(huán)境溫度38℃，湍流強(qiáng)度為5%，水力直徑為0.07 m。

（5）其他求解參數(shù)：湍流模型為RNG k-ε，壁面函數(shù)為非平衡壁面函數(shù)（Non-Equilibrium、Nall Functions），計(jì)算方法為SIMPLE算法，動量、湍動能、湍耗散和能量的離散格式設(shè)為二階迎風(fēng)格式（Second Order Upwind）。為使仿真與真實(shí)太陽輻射情況更加符合，熱輻射模型選擇Discrete Ordinates（DO）離散坐標(biāo)模型，并開啟太陽射線追蹤”1，太陽輻射具體設(shè)置如圖4所示。

1.3布置方案與工況

本文對3種工況下的制冷裝置進(jìn)行仿真分析，各工況的出風(fēng)溫度和出風(fēng)速度設(shè)置情況見表2。仿真求解之后對局部空調(diào)在這3種工況下工作時(shí)駕駛室內(nèi)流場、人體表面溫度場進(jìn)行詳細(xì)分析，布置方案如圖5所示。

2仿真結(jié)果分析

2.1氣流組織跡線圖分析

卡車駕駛室溫度場云圖如圖6所示，在太陽照射下駕駛室表面溫度在46℃左右，玻璃溫度在37～47℃，地板溫度在29～38℃，儀表盤在36℃左右，人體表面溫度將在后文詳細(xì)分析。所有制冷裝置出風(fēng)口的速度跡線圖如圖7所示，人體各部位附近制冷器出風(fēng)口的速度跡線圖如圖8（a）～（d），另外2種工況下的速度跡線圖與之類似。由圖6和圖7看出人體周圍共有6個半導(dǎo)體制冷裝置，分別位于頭部上方、肩部兩側(cè)、腳部兩側(cè)和座椅背部，在工況3設(shè)定的出風(fēng)速度下制冷裝置產(chǎn)生的冷風(fēng)沿著各個出風(fēng)口垂直方向射入駕駛室內(nèi)部，所有制冷裝置產(chǎn)生的冷風(fēng)射流覆蓋了駕駛員人體大部分區(qū)域，用于改善駕駛員不同部位的局部熱環(huán)境、提高駕駛員局部熱舒適性，最后氣流由駕駛室后方2個出風(fēng)口流出駕駛室外。

2.2人體表面溫度場分析

3種工況下人體正面和背面溫度場云圖如圖9和圖10所示。工況1下制冷裝置出風(fēng)速度較低使得人體某些部位周圍空氣流速低，對流換熱系數(shù)也就低，導(dǎo)致人體臀部、肩部、腳部、胸部溫度較高熱舒適性較差。工況2下各部位附近出風(fēng)口出風(fēng)速度提高，各部位對流換熱系數(shù)提高，人體表面溫度下降，但仍有某些部位溫度較高舒適性較差。工況3下從上到下人體大部分區(qū)域溫度分布比較均勻、熱舒適性較好，符合“頭冷腳熱”的原則。

2.3觀測截面處溫度場和速度場分析

為了便于分析駕駛員附近區(qū)域速度和溫度分布，設(shè)置了3個觀測截面：

截面1、截面2和截面3，如圖11所示。駛區(qū)域，局部空調(diào)對駕駛員區(qū)域熱環(huán)境的調(diào)節(jié)作用開始顯現(xiàn)。工況3下截面1處溫度從上得到下分布比較均勻，人體各部位附近的氣流速度升高、人體皮膚與空氣的熱交換加快、皮膚溫度進(jìn)一步降低，人體各部位大體處于熱舒適狀態(tài)。

3人體熱舒適性評價(jià)

為了深入研究汽車局部空調(diào)的制冷效果和駕駛員的人體熱舒適性，僅分析某些截面溫度場和速度場是不夠的?？陀^評價(jià)法不依賴于受試者的主觀判斷，通過制定合理的評價(jià)指標(biāo)，結(jié)合數(shù)值模擬手段，能全面地科學(xué)地研究人體熱舒適性，本文即采用客觀評價(jià)法研究局部空調(diào)制冷下的駕駛員人體熱舒適性，人體各部位熱舒適性的評價(jià)指標(biāo)一一整體熱感覺影響權(quán)重表如表3所示。

根據(jù)當(dāng)量溫度理論，人體模型被劃分為16個節(jié)段，文件ISO-14505給出的劃分方法如圖15所示。每個節(jié)段分別與周圍環(huán)境進(jìn)行熱交換，最后對每個節(jié)段進(jìn)行熱舒適性評價(jià)。第i節(jié)段的當(dāng)量溫度的計(jì)算公式如下：

SAE J2234文件中給出了夏季汽車駕駛室內(nèi)人體各部位的熱舒適性范圍，如圖16所示。圖中給出了人體各部位處于熱舒適區(qū)域的當(dāng)量溫度下限和當(dāng)量溫度上限以及理想值。由于不同個體對熱舒適性的敏感程度有一定的差異，圖中舒適區(qū)域的當(dāng)量溫度范圍代表90%的個體感覺舒適的情況。

由于當(dāng)量溫度只能評價(jià)人體各個節(jié)段的局部熱舒適性，現(xiàn)在當(dāng)量溫度的基礎(chǔ)上定義用以評價(jià)人體整體熱舒適性的評價(jià)指標(biāo)A，A代表了人體各個節(jié)段的當(dāng)量溫度與舒適區(qū)理想值間的偏差程度，AEOT的取值在-1～1范圍內(nèi)，如圖17所示。0是舒適區(qū)的邊界，AEOT的取值落在-1～0范圍內(nèi)代表人體整體感覺不舒適，在0～1范圍內(nèi)代表舒適，A_EQT值越大代表人體的整體熱舒適性越好，A計(jì)算公式如下：

當(dāng)汽車局部空調(diào)系統(tǒng)在3種工況下工作時(shí)，駕駛員各部位的當(dāng)量溫度和局部熱感覺偏差仿真計(jì)算結(jié)果如圖侶和19所示。由圖可知，在工況3下人體大部分區(qū)域的局部熱感覺偏差接近或者大于臨界值，頭部、背部和胸部當(dāng)量溫度與理想值比較接近、局部熱舒適性較好，上肢的熱舒適性大體好于下肢，但腳部和左大腿仍有一定的不舒適感。工況1和工況2下的人體各部位當(dāng)量溫度均高于工況3，大多數(shù)部位都處于熱舒適溫度上限之上，而且各部位熱感覺偏差都小于工況3，大多數(shù)部位都處于熱感覺偏差臨界值之下。計(jì)算可得工況1下駕駛員整體熱感覺偏差A(yù)E=-0.131，工況2下A=0.045，工況3下A=0.235，可見工況3下局部空調(diào)系統(tǒng)對駕駛員的局部熱舒適性和整體熱舒適性的調(diào)節(jié)作用都要明顯好于工況1和工況20雖然在工況3下，駕駛員的局部熱舒適性和整體熱舒適性得到了一定提高，但由于局部空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)6個制冷裝置出風(fēng)口出風(fēng)溫度設(shè)置的不合理，使駕駛員有些部位的局部熱舒適性仍比較差而且局部空調(diào)的能耗也較高，因此有必要基于6個半導(dǎo)體制冷裝置的出風(fēng)溫度對局部空調(diào)系統(tǒng)的綜合性能進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，在保證駕駛員熱舒適性的同時(shí)盡可能降低局部空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

4結(jié)論

本文以東風(fēng)天龍重卡駕駛室為研究對象，通過計(jì)算流體動力學(xué)的方法分析了汽車局部空調(diào)在3種工況下工作時(shí)駕駛室內(nèi)流場分布和人體表面溫度場分布，以當(dāng)量溫度和人體熱感覺偏差為評價(jià)指標(biāo)分析了不同工況下駕駛員的熱舒適性，對比發(fā)現(xiàn)工況3條件下為最優(yōu)方案，基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的局部空調(diào)系統(tǒng)，使得駕駛員的局部熱舒適性和整體熱舒適性得到了一定提高，同時(shí)指出了汽車局部空調(diào)系統(tǒng)存在的問題和需要改進(jìn)的地方。