電動(dòng)空調(diào)車室熱負(fù)荷建模方法

1、山西中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 陳飛 楊世文 2、北京理工大學(xué) 韓少劍

引言

電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的、由多個(gè)子模塊構(gòu)成的系統(tǒng)。空調(diào)系統(tǒng)的作用是要保持室內(nèi)空氣達(dá)到要求的溫度，但在汽車的內(nèi)外環(huán)境中必然存在一些干擾因素，它們會(huì)改變室內(nèi)的溫度，這些干擾因素對(duì)車室的影響就稱為負(fù)荷，而使車室有熱量增減的負(fù)荷稱為熱負(fù)荷。為了計(jì)算和有效控制這些熱負(fù)荷，本文以空調(diào)系統(tǒng)的功率和空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)溫效果為基礎(chǔ)，建立電動(dòng)空調(diào)車室熱負(fù)荷模型。

1 車室熱負(fù)荷模型的建立

熱負(fù)荷的計(jì)算方法有多種，可分為三大類：穩(wěn)態(tài)傳熱方法、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)傳熱方法和非穩(wěn)態(tài)傳熱方法。

在車室溫度模型建立的過程中采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)傳熱法，可以提高計(jì)算精度又不會(huì)使計(jì)算過于復(fù)雜，達(dá)到與其他模塊相當(dāng)?shù)木龋且环N較好的計(jì)算方法。

車室熱負(fù)荷模型的作用是計(jì)算出實(shí)時(shí)的車室內(nèi)熱負(fù)荷，含太陽(yáng)輻射熱量、通過車體傳入的熱量、室外空氣帶入的熱量和人體散熱量等。車室傳熱如圖1.1所示。

圖1 .1車室熱負(fù)荷示意圖

車室熱負(fù)荷的計(jì)算是為了預(yù)測(cè)汽車運(yùn)行過程中的動(dòng)態(tài)負(fù)荷，選擇合適的制冷量，在計(jì)算過程中涉及到的主要車輛參數(shù)如表1所示。

表1 主要車輛參數(shù)

Qe——電動(dòng)車空調(diào)熱負(fù)荷，W；

QB——通過車頂與側(cè)圍傳入車廂的熱負(fù)荷，W；

QG——通過各玻璃表面進(jìn)入車廂的熱負(fù)荷，W；

QC——通過車廂地板傳入車廂的熱負(fù)荷，W；

QP——人體散熱造成的熱負(fù)荷，W；

QL——新風(fēng)帶來(lái)的熱負(fù)荷，W；

QD——用電器傳入的熱負(fù)荷，W。

1.1 通過車頂與側(cè)圍傳入車廂的熱負(fù)荷。車頂與車門傳入車廂的熱負(fù)荷是由多種方式共同作用的結(jié)果，在計(jì)算中主要考慮的太陽(yáng)輻射包括太陽(yáng)直射輻射、天空散射輻射。車身表面吸收的熱量，一部分利用溫差，通過車身傳入車內(nèi)，即QB。另一部分以對(duì)流形式散發(fā)在大氣中。綜合考慮人體熱敏感度、傳感器精度和算法復(fù)雜度，在車室的計(jì)算中采用準(zhǔn)穩(wěn)定傳熱模型。

準(zhǔn)穩(wěn)定傳熱方法是一種簡(jiǎn)化算法，由于室外空氣呈周期性波動(dòng)，使得車身綜合溫度也呈周期性波動(dòng)，車身圍護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度從外表面逐層地跟著波動(dòng)，這種波動(dòng)是由外向內(nèi)逐漸衰減和延遲的。準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法將這種波動(dòng)化簡(jiǎn)為一階簡(jiǎn)諧波近似計(jì)算，得到較穩(wěn)態(tài)傳熱更加準(zhǔn)確的車身維護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量。

車頂車側(cè)為0.8mm鈑金，填充發(fā)泡為5mm。計(jì)算車頂和側(cè)圍傳入的熱量其流程如圖所示。

1.1.1 計(jì)算車外逐時(shí)溫度

室外溫度計(jì)算公式如下:

式中：Tout(t)室外溫度，℃；Tout室外計(jì)算日平均溫度，℃；An第n階室外溫度變化的波幅，℃；ωn第n階室外溫度變化的頻率，deg/h；φn第n階室外溫度變化的初相角，deg。

工程上按一階簡(jiǎn)諧波近似計(jì)算Tout(t)，給定氣溫峰值出現(xiàn)在下午3時(shí)，公式1.2可簡(jiǎn)化為

以北京為例，夏季車外逐時(shí)溫度：Toutb(t)=28.6+4.6cos(15t-225)

1.1.2 計(jì)算車體綜合溫度

車體綜合溫度逐時(shí)值：

式中：

Te(t)車體綜合溫度，℃；△Te(t)車體綜合溫度的波動(dòng)值，℃；An車體綜合溫度波動(dòng)值的第n階擾量的波幅；

只取一階諧波討論上式轉(zhuǎn)化為

式中

相應(yīng)北京車體綜合溫度如下所示，可以看出車速會(huì)影響車體綜合溫度。

1.1.3 計(jì)算穩(wěn)定傳熱量和不穩(wěn)定傳熱量

由于外擾動(dòng)波動(dòng)值△Te(t)引起車身內(nèi)表面溫度波動(dòng)值。

式中：△TN(t)車內(nèi)溫度波動(dòng)值；v1第1階擾量的衰減度；ε1第1階擾量的相位遲滯；

對(duì)于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程，只討論一階諧波，衰減度按下式計(jì)算：

Ri材料的熱阻，車身材料鐵為0.02m2·℃/W，填充泡沫為33.3m2·℃/W；Si各層材料的儲(chǔ)熱系數(shù)，車身材料鐵為 112W/(m2·℃)，填充泡沫為 0.5W/(m2·℃)；ain內(nèi)表面換熱系數(shù)，取29W/(m2·℃)；Yi表面儲(chǔ)熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

車室內(nèi)層的表面儲(chǔ)熱系數(shù)為：

其余層的表面儲(chǔ)熱系數(shù)為：

相位滯后為

由以上公式即可得到單位時(shí)間內(nèi)傳入車室的熱量。

1.1.4 計(jì)算車頂、側(cè)圍傳入熱量QB

車身內(nèi)表面的熱流量為：

式中

Ta車 室平均溫度，℃；q車身綜合溫度與車室溫度之差形成的穩(wěn)定傳熱量，J/(m2s)；△q由外擾波動(dòng)值引起的附加不穩(wěn)定傳熱量，J/(m2s)；Ki車身側(cè)圍、車頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)，W/(m·K)；δj隔熱材料厚度，m；λj材料導(dǎo)熱系數(shù)，車身材料鐵為48W/(m·2℃)，填充泡沫為0.03W/(m2·℃)；Ai車頂或側(cè)圍的面積，m2；qi車頂或側(cè)圍的熱流量，J/(m2s)。

1.2 通過各玻璃表面進(jìn)入車廂的熱負(fù)荷包含兩部分，一是通過各玻璃表面以輻射方式直接進(jìn)入車廂的熱負(fù)荷，另一部分是通過各玻璃表面以對(duì)流方式進(jìn)入車廂的熱負(fù)荷。

通過各玻璃表面以輻射方式直接進(jìn)入車廂的熱負(fù)荷：

η太陽(yáng)輻射通過玻璃的透入系數(shù)；FG1車窗直射方向的有效面積，m2；I車窗外表面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，kW/m2；

通過各玻璃表面以對(duì)流方式進(jìn)入車廂的熱負(fù)荷：

KG2壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；GA傳熱面積，m2；ρ車身外表面對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收系數(shù)，取0.9；α0汽車維護(hù)結(jié)構(gòu)外表面與室外空氣間的換熱系數(shù)；

建立的車窗傳熱部分模型如圖1.2所示，上部為以輻射方式進(jìn)入車室的熱量，下部為以對(duì)流傳熱的方式進(jìn)入車室的熱量，從輸入量為車速信號(hào)可以看出車窗傳熱量是受車速影響的。

圖1.2 車窗傳熱部分模型

1.3 車外空氣滲入熱負(fù)荷：

GL車身滲入空氣體積，m3/h；Pair空氣密度，kg/m3；hout室外空氣焓，kJ/kg；hin室內(nèi)空氣焓，kJ/kg；

1.4 駕駛員及乘客帶來(lái)的熱負(fù)荷：

QJ駕駛員人體散熱，W；G乘員人體散熱，W；N乘員人數(shù)；n集群數(shù)，取0.89。

車室內(nèi)的人體會(huì)向車室散發(fā)熱量，散發(fā)的熱量有顯熱和潛熱兩種形式。顯熱指通過對(duì)流傳導(dǎo)或輻射方式散發(fā)出來(lái)，能影響空氣溫度的熱量。潛熱指人體散發(fā)出的水蒸汽（濕量）所包含的汽化潛熱。

人體所散發(fā)的熱量大小隨性別、年齡、活動(dòng)程度、環(huán)境溫度而變化。考慮到男性、女性和兒童的比例后得到的平均值，每個(gè)人的總散熱量是一定的，約為111W。

在忽略車身縫隙的情況下，新風(fēng)帶入的熱負(fù)荷主要來(lái)自于滿足人體生理需要的新鮮空氣。

滿足人體需要的新風(fēng)熱量：

式中：n乘員數(shù)；V按照人體衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，每人每小時(shí)需要的新風(fēng)量，可取20-30m3/(人·h);hi車內(nèi)空氣的比焓值；ho車外空氣的比焓值。

1.5 用電器傳入的熱負(fù)荷一般取經(jīng)驗(yàn)值200W。最終建立電動(dòng)空調(diào)車室熱負(fù)荷模型如圖1.3所示。

圖1.3 車室熱負(fù)荷模型

2 結(jié)論

本文采用了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)傳熱的計(jì)算方法對(duì)車室熱負(fù)荷進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，由于車室不同部位使用的材料、接受的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、當(dāng)量溫度等不同，要根據(jù)不同部位、不同的熱類型建立各自的傳熱模型。總體模型如圖1.3所示，輸入量為車速，輸出量為車室熱負(fù)荷。本文的研究為汽車空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和空調(diào)車室的舒適性控制研究提供了理論依據(jù)。

[1]閔海濤,曹云波,曾小華等.電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)建模及對(duì)整車性能的影響[S].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版）,2009.3,39(1):53～57.

[2]關(guān)志偉.汽車空調(diào)[M].北京人民交通出版社,2009:2～3.

[3]吳雙.汽車空調(diào)車身熱負(fù)荷計(jì)算方法分析與比較[J].制冷與空調(diào),2002,2(6):17～20.