裝載機空調系統制冷量與制熱量的計算方法

莫紹軍

摘 要：本文主要介紹了裝載機空調系統制冷量與制熱量的理論計算法。

關鍵詞：裝載機空調；制冷量；制熱量；計算；方法

中圖分類號：TU831 文獻標識碼：A

一般說來裝載機空調是由壓縮機、冷凝器、儲液罐、膨脹閥、蒸發器、管路和電器控制系統等組成。制冷量和制熱量的大小直接反映了裝載機空調制冷能力和制熱能力的強弱。因此計算制冷量和制熱量是裝載機空調選型的前提和關鍵。在裝載機設計中，常見的空調制冷量和制熱量的計算方法有理論計算法和經驗估算法，在這里介紹裝載機空調制冷量和制熱量的理論計算法。

1 制冷量計算

由于駕駛室外溫度高于車內，加上太陽輻射作用，有大量熱量通過車壁及門窗、玻璃傳入車內；由于密封不良會有不少熱空氣通過門窗及地板縫隙漏入車內，帶來新風熱，人體散發的熱量也會使車內溫度升高，通過駕駛室后圍及發動機罩還會傳來發動機的部分熱量，換氣系統傳入的熱量，以及儀器、設備、照明等產生的熱量，這些熱量之和構成了空調的總得熱量（熱負荷）。空調駕駛室的總得熱量（熱負荷）QT為：

QT=QB+QG+QP+QA+QE+QF+QS

式中：

QT—總熱量；

QB—通過駕駛室圍板、地板和頂板傳入的熱量，單位為W；

QG—通過玻璃傳入的熱量，單位為W；

QP—人體散熱量，單位為W；

QA—室外空氣帶入的熱量，單位為W；

QE—發動機傳入的熱量，單位為W；

QF—換氣系統傳入的熱量，單位為W；

QS—儀器、設備、照明產生的熱量，單位為W。

空調制冷量Qo可按下式選取：

Qo=k×QT

式中：

Qo—空調實際選用的制冷量，單位為W；

QT—總得熱量，單位為W；

K—修正系數，可取1.05～1.2。

傳熱系數K：

駕駛室與外界會進行熱交換，其熱交換形式包括倒流、對流和輻射。

駕駛室除玻璃外，一般由鐵板、地板墊、內飾件、頂罩組成，壁面傳熱的基本公式如下：

Q=K×F×Δt

式中：

K—壁面傳熱系數，單位為W/（m2·K）；

F—壁面傳熱面積，單位為m2；

Δt—駕駛室內外溫差，單位為℃。

其中傳熱系數K由下式確定：

式中：

αo—駕駛室外表面與駕駛室外空氣的對流換熱系數，單位為W/（m2·K）；

αi—駕駛室內表面與駕駛室內空氣的對流換熱系數，單位為W/（m2·K）；

Σ（δi/λi）—構成駕駛室各層的導熱熱阻之和（δi為駕駛室各層的厚度，λi為駕駛室各層的導熱系數）。

αo可以用對流換熱準則確定。由于車速變換大，車身外表面復雜，因此采用下面的近似公式計算：

V—車輛行駛速度，單位m/s。對于裝載機，考慮熱負荷最大的情況，即為運輸工況，可取V=10m/m。

駕駛室內對流換熱系數一般較小，當駕駛室內的空氣流速低于3m/s時，αi可近似取為29W/（m2·K）。

（一）通過駕駛室圍板、地板和頂板傳入的熱量QB

QB=Q圍+Q地+Q頂

Q圍=K圍×F圍×（tZ圍-ti）

Q地=K地×F地×（tZ地-ti）

Q頂=K頂×F頂×（tZ頂-ti）

K圍、K地、K頂—分別為駕駛室圍板、地板和頂板的傳熱系數，單位為W/（m2·k）；

F圍、F地、F頂—分別為駕駛室圍板、地板和頂板的傳熱面積，單位為m2；

t圍、t地、t頂—分別為駕駛室圍板、地板和頂板的室外綜合空氣溫度，單位為℃；

ti—駕駛室內空氣溫度，單位為℃。

（二）通過玻璃傳入的熱量QG

考慮到太陽輻射，傳入熱量由兩部分組成：

QG=QG1+QG2

（1）由于駕駛室內外溫差而傳入的熱量QG1

QG1=K玻×F玻×（to-ti）

（2）由于太陽輻射通過玻璃傳入熱量QG2

J=F1玻×I+F2玻×IS

F玻=F1玻+F2玻

式中：

η—太陽輻射通過玻璃的透入系數，一般選取η=0.85；

ρ—玻璃對太陽輻射熱的吸收系數，一般選取ρ=0.08；

K玻—玻璃窗的傳熱系數，單位為 W/（m2·K）；

C—遮陽修正系數，取C=0.97；

I—玻璃外表面的太陽輻射強度，單位為W/m2，取I=1120W/m2；

IS—玻璃外表面的太陽散射輻射強度，單位為W/m2，取IS=47W/m2；

J—玻璃的太陽輻射量，單位為W；

αi—玻璃內壁面的對流換熱系數，單位為W/（m2·K）；

αo—玻璃外壁面的對流換熱系數，單位為W/（m2·K）；

F1玻—朝陽面玻璃面積，單位為m2；

F2玻—背陽面玻璃面積，單位為m2；

F玻—玻璃總面積，單位為m2。

（三）人體散發的熱量

人體散發的熱量（單個司機）取：

QP=116W。

（四）室外空氣帶入熱量

由室外進入室內的空氣主要由新風和泄漏風兩部分構成。相應地，室外空氣帶入的熱量QA為：

QA=QA1+QA2

式中：

QA—室外空氣帶入熱量，單位為W；

QA1—室外新風帶入熱量，單位為W；

QA2—泄漏入室內空氣帶入熱量，單位為W。

（1）室外新風帶入熱量（QA1）

QA1=G1×C×（h0-h1）

式中：

G1—按人體衛生標準需要的空氣量，單位為m3/h，按GB/T 19933.4-2005/ISO10263-2：1994標準，取G1=43m3/h；

C—空氣密度，單位為kg/m3；

h0—室外空氣焓值，單位為KJ/Kg；

h1—室內空氣焓值，單位為KJ/Kg。

空氣焓值可由濕空氣濕焓表查得。

（2）漏入空氣帶入熱量（QA2）

漏入空氣量一般門縫和管線進出駕駛室密封不嚴造成，據有關資料介紹，當汽車車速為40km/h，門縫寬為1.5mm時，漏風量為10m3/（h·m）。當門縫寬增大到3mm時，漏風量增大到17m3/（h·m）。

泄露風量帶入的熱量

QA2=G2×C×（h0-h1）

式中：

G2—總漏風量，單位為m3/h；

C—空氣密度，單位為kg/m3；

h0—室外空氣焓值，單位為kJ/kg；

h1—室內空氣焓值，單位為kJ/kg。

G2=K1×Gn×S

式中：

G2—總漏風量，單位為m3/h；

K1—這個系數主要是考慮到管線進出駕駛室密封不嚴造成的漏風，一般取1.5～2.5；

Gn—根據車速和駕駛室門的縫隙寬度而引起單位長度每小時泄漏進入駕駛室的空氣量，單位為m3/（h·m）；

S—駕駛室門窗縫隙總長度，單位為m。

（五）由發動機傳熱的熱量QE

QE=KE×FE×（tE-ti）

KE按多層平壁傳熱計算：

式中：

αE—發動機側的壁面對流換熱系數，單位為W/（m2·K）；

αi—駕駛室側內表面的對流換熱系數，單位為W/（m2·K）；

Σ（δ/λ）—發動機側和駕駛室之間隔熱層的導熱熱阻，單位為W/（m2·K）；

tE—發動機側的空氣溫度，單位為℃，一般比室外空氣溫度高30℃；

ti—駕駛室室內溫度，單位為℃。

（六）由通風系統（風道）傳入的熱量QF（指風道走駕駛室外面的情況），流經風道的空氣，由于內外溫差的存在，沿程吸收熱量。

QF=K2×P×L×（（t1+t2）/2-ta）

式中：

P—風道界面周長，單位為m；

L—風道長度，單位為m；

t1、t2—分別為該段風道前、后空氣溫度，單位為℃；

ta—該段風道周圍空氣溫度，單位為℃；

K2—風道傳熱系數，單位為W/（m2·K）。

式中：

α0—風道外空氣的對流換熱系數，單位為W/（m2·K）；

αi—風道內空氣的對流換熱系數，單位為W/（m2·K）。

（七）儀表、控制器、繼電器和照明產生的熱量Qs

儀表、控制器、繼電器和照明等主要是在駕駛室內以散熱形式傳熱，這類熱量不需要按換熱公式進行計算，可依據這些熱源的額定功率、效率、使用周期、負荷系數等因素來確定，建議取值400W。

2 制熱量計算

由于車外環境的空氣溫度低，車內溫度高，車內外存在溫差，必然有高溫向低溫傳熱。因此必須向車內補充熱量，平衡車內的耗熱量，這就形成了空調的熱負荷。空調的耗熱量由下面幾部分組成：

QH=Qa+Qb+Qc+Qd+Qe+Qp1+Qf+Qh

式中：

QH—空調耗熱量，單位為W；

Qa—駕駛室頂部耗熱量，單位為W；

Qb—駕駛室玻璃耗熱量，單位為W；

Qc—駕駛室圍板耗熱量，單位為W；

Qd—駕駛室地板耗熱量，單位為W；

Qe—冷空氣滲透耗熱量，單位為W；

Qp1—駕駛室司機人體散熱量，單位為W；

Qf—駕駛室前風窗除耗熱量，單位 為W；

Qh—由通風系統散失的熱量，單位為W。

（一）駕駛室頂部耗熱量Qa

Qa=Ka×Aa×Δta

式中：

Ka—駕駛室頂部壁面傳熱系數，單位為W/（m2·K）；

Aa—駕駛室頂部壁面傳熱面積，單位為m2；

Δta—駕駛室頂部的內外溫差，單位為℃。

Δta=to-t內頂

to=t內+（5～10）

式中：

t內頂—駕駛室內頂部溫度，單位為℃；

t內—駕駛室內舒適溫度（一般為16℃～18℃），單位為℃；

to—駕駛室外空氣溫度，單位為℃。

其中傳熱系數Ka由下式確定：

式中：

αo—駕駛室內空氣對頂部放熱系數，單位為W/（m2·K）；

αi—駕駛室外空氣對頂部放熱系數，單位為W/（m2·K）；

Σ（δi/λi）—駕駛室頂部結構導熱熱阻；

δi—駕駛室頂平壁各層厚度，單位為m；

λi—駕駛室頂平壁各層材料導熱系數，單位為W/（m2·K）。

（二）駕駛室玻璃耗熱量Qb

Qb=Kb×Ab×Δtb

式中：

Ab—玻璃傳熱面積，單位為m2；

Δtb—駕駛室內外溫差，單位為℃。

Δtb=ti-to

ti—駕駛室內溫度，單位為℃；

to—駕駛室外溫度，單位為℃；

Kb—玻璃傳熱系數，單位為W/（m2·K）。

一般取Kb=6.4W/（m2·K），也可以按下式計算：

式中：

αo—玻璃外表面與駕駛室外空氣對流換熱系數，單位為W/（m2·K）；

αi—玻璃內表面與駕駛室內空氣對流換熱系數，單位為W/（m2·K）；

Σ（δ/λ）—玻璃導熱熱阻；

δ—玻璃厚度，單位為m；

λ—玻璃導熱系數，單位為W/（m2·K）。

（三）駕駛室圍板耗熱量Qc

Qc=Kc×Ac×Δtc

式中：

Kc—駕駛室圍板傳熱系數，單位為W/（m2·K）；

Ac—駕駛室圍板傳熱面積，單位為m2；

Δtc—駕駛室內外溫差，單位為℃。

其中傳熱系數Kc由下式確定：

式中：

α0—駕駛室圍板外表面與駕駛室外空氣對流換熱系數，單位為W/（m2·K）；

αi—駕駛室圍板內表面與駕駛室內空氣對流換熱系數，單位為W/（m2·K）；

Σ（δi/λi）—玻璃導熱熱阻；

δi—駕駛室圍板厚度，單位為m；

λi—駕駛室圍板導熱系數，單位為W/（m2·K）。

（四）駕駛室地板耗熱量Qd

Qd=Kd×Ad×Δtd

式中：

Ad—駕駛室地板傳熱面積，單位為m2；

Δtd—駕駛室內外溫差，單位為℃。

Kd—駕駛室地板傳熱系數，單位為 W/（m2·K）。

一般取Kd=8.14W/（m2·K），也可以按下式計算：

式中：

αo—駕駛室地板外表面與駕駛室外空氣對流換熱系數，單位為W/（m2·K）；

αi—駕駛室地板內表面與駕駛室內空氣對流換熱系數，單位為W/（m2·K）；

Σ（δi/λi）—玻璃導熱熱阻；

δi—駕駛室地板厚度，單位為m；

λi—駕駛室地板導熱系數，單位為W/（m2·K）。

（五）空氣滲透耗熱量Qe

Qe=Ge×ρ×C×Δte

式中：

Ge—新風量和泄露風量，單位為m3/h；

ρ—空氣密度，取為1.29kg/m3；

C—空氣比熱，取為1.005～1.009 kJ/（kg·℃）；

Δte—駕駛室內外溫差，單位為℃。

（六）駕駛室前風窗除霜耗熱量Qf

Qf=Gf×ρ×C×Δtf

式中：

Gf—除霜風量，單位為m3/h；

ρ—空氣密度，取為1.29kg/m3；

C—空氣比熱，取為1.005～1.009 kJ/（kg·℃）；

Δtf—駕駛室內外溫差，單位為℃。

Gf=G1+G2

式中：

G1—按人體衛生標準需要的空氣量，單位為m3/h。

按GB/T 19933.4-2005/ISO10263-2：1994標準，取G1=43m3/h。

G2=K3×Gn×S

式中：

G2—總漏風量，單位為m3/h；

K3—這個系數主要是考慮到管線進出駕駛室密封不嚴造成的漏風，一般取1.5～2.5；

Gn—根據車速和駕駛室門的縫隙寬度而引起單位長度每小時泄漏進入駕駛室的空氣量，單位為m3/（h·m）；

S—駕駛室門窗縫隙總長度，單位為m。

（七）駕駛室司機人體散熱量Qp1

Qp1=-（0.25～0.30）Qp

式中：符號表示此項熱量對駕駛室采暖有貢獻，計算總的采暖熱負荷時，應減去這個值；

Qp單個成人散熱量，一般取116W。

（八）由通風系統散失的熱量Qh（指風道在駕駛室外面的情況）

流經風道的空氣，由于內外溫差的存在，沿程散失熱量。

Qh=K×P×L×（（t1+t2）/2-ta）

式中：

P—風道界面周長，單位為m；

L—風道長度，單位為m；

t1、t2—分別為該段風道前、后空氣溫度，單位為℃；

ta—該段風道周圍空氣溫度，單位為℃；

K—風道傳熱系數，單位為W/（m2·K）。

式中：

αo—風道外空氣的對流換熱系數，單位為W/（m2·K）；

αi—風道內空氣的對流換熱系數，單位為W/（m2·K）。

參考文獻

[1]祁山.汽車空調[M].北京：機械工業出版社，2006.

[2]王運明.實用汽車空調技術[M].廣州：廣東科技出版社，1995.

[3]唐旭.裝載機空調駕駛室室內溫度場仿真及試驗研究[D].山東大學，2011.