電動客車空調排風熱回收的仿真分析

郎曉玥 胡廣地 肖駿林

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電動客車空調排風熱回收的仿真分析

郎曉玥 胡廣地 肖駿林

（西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

為了解決電動客車空調在夏季高溫天氣運行過程中制冷效率低、乘客熱舒適性差的問題，提出了一種通過增加過冷器，對排風進行熱回收的方法。利用Amesim平臺搭建了空調機組的仿真模型，并根據實驗數據進行修正，分析得到了熱回收機組的性能參數。仿真結果表明，額定工況下排風熱回收機組COP（Coefficient of performance，系統能效比）提升3.9%，環境溫度變化時COP平均提升7.6%。通過進一步的仿真分析發現，排風量和排風溫度對熱回收機組性能影響不大。

電動客車空調；過冷器；熱回收；仿真分析；Amesim

0 引言

隨著汽車保有量的逐年增加，由此帶來的能源緊張和環境污染問題越來越突出，而汽車產業是國民經濟的重要支柱產業，隨著我國經濟的快速發展，在今后較長一段時間內汽車需求量仍將保持增長勢頭。因此，發展新能源汽車是緩解能源和環境壓力的有效措施。作為重要的公共交通工具，客車也迎來了換代升級，在國家新能源汽車的補貼政策下，節能環保的純電動客車開始逐漸取代傳統的燃油客車。

空調系統作為電動汽車上能耗最大的輔助子系統[1]，不僅影響著車輛的續航里程，還關乎乘客的舒適度。由于汽車運行環境復雜多變[2]，電動客車的空調又多為頂置式獨立空調[3]，所以其運行工況尤為惡劣，因此空調機組在實際運行過程中的能效水平遠低于同類工況建筑空調機組，也無法滿足乘客對舒適度的要求。在降低能耗和提高乘客舒適性的雙重壓力下，研究提高電動客車空調機組能效比的技術，具有重要意義。

排風熱回收作為建筑空調中常用的技術手段，不僅寫入了GB50189-2005《公共建筑節能設計標準》[4]，在實際工程中的應用也越來越廣泛[5-8]。排風熱回收，主要是通過熱回收裝置，讓從空調房間出來的空氣與新風進行換熱，從而對新風進行預處理，降低空調系統的整體能耗。因此，針對電動客車空調在運行過程中冷凝溫度高、制冷量下降和機組運行不穩定的問題，本文提出了一種利用空調機組新風系統進行排風熱回收的方法，來改善空調機組的性能，并通過模型仿真進行驗證。

1 空調系統仿真模型的建立

針對型號為TX12D的電動客車空調（簡稱原機組），基于系統建模仿真平臺LMS Imagine.Lab Amesim建立系統仿真模型（見圖1），并根據原機組的相關參數進行修正，使其在額定工況下，主要性能參數的仿真值與實驗值基本相同，確保模型精度，保證后續仿真結果的準確性。原機組為單冷型空調，制冷劑采用R134a，額定制冷量為10kW，耗電量為4.5kW。表1為額定工況下實驗結果和仿真結果的對比。

圖1 電動客車空調系統仿真模型

表1 額定工況下實驗結果與仿真結果對比

2 環境溫度對空調機組性能的影響

根據用戶的反饋和實地考察，發現銷往西南地區特別是重慶地區的空調在夏季使用的過程中，由于運行環境溫度相對較高，制冷效果不理想。本文將通過系統仿真的方法來研究環境溫度對空調機組性能的影響。仿真步驟說明：

（1）使用原機組的系統模型（無熱回收）進行仿真計算；

（2）改變環境溫度，同時改變壓縮機的輸入功率，確保提供目標制冷量；

（3）記錄不同環境溫度下，空調機組的制冷量、COP和壓縮機功率等主要性能參數。

表2中數據記錄了環境溫度變化時原機組的主要性能參數。由表2可知，在未超過空調額定工況（環境溫度35℃）時，隨著環境溫度的上升，空調機組的COP隨之減小，但空調系統始終能提供充足的制冷量（10kW），仍能滿足用戶需求。當環境溫度超過35℃時，壓縮機滿負荷運轉，此時空調系統只能以最大功率運行，COP和制冷量隨環境溫度上升而減小。當環境溫度為45℃時，空調機組的制冷量只有額定工況下的一半，此時已經遠遠無法滿足用戶需求。

表2 環境溫度變化時原機組的主要性能參數

3 排風熱回收對空調機組性能的影響

3.1 過冷器的設計

由于原機組為頂置獨立式電動客車空調，要適配不同型號的客車，因此從經濟性和可行性方面考慮，只能改造空調本身。對原機組的新風系統進行改造，在其排風口處增加一個過冷器，使原來直接排向車外的空氣，先流經過冷器進行換熱后再排向車外，實現排風的熱回收。

從經濟性考慮，過冷器采用跟冷凝器同樣規格的芯體，具體參數如下：

傳熱管：光銅管，Φ7mm×0.5mm；

翅片：厚度0.115mm，親水波紋鋁片；

過冷器長：730mm；

過冷器寬：25.4mm；

過冷器高：48mm；

空氣流通方向上的管排數：2。

原機組設計新風量為400m3/h，車室內溫度為24℃，在原機組仿真模型的基礎上，增加帶過冷器的排風熱回收空調機組仿真模型，表3中為增加過冷器后，空調機組與原機組在額定工況下的性能對比。從表中可以看出，增加過冷器后，在制冷量相近的情況下，熱回收機組相較于原機組COP提升0.09，壓縮機功率減小0.22kW，冷凝溫度降低 3.5℃。在額定工況下，兩機組均能滿足設計需求，熱回收機組能耗更低，較低的冷凝溫度讓機組運行更穩定。

表3 原機組與熱回收機組性能對比

3.2 環境溫度對熱回收機組性能的影響

由前面的仿真可知，在額定工況下，排風熱回收機組相較于原機組，有更好的經濟性和穩定性。在Amesim平臺中調用排風熱回收機組仿真模型，改變環境溫度參數，記錄其COP和制冷量等參數，并與原機組進行對比。

圖2作出了環境溫度變化時，原機組和熱回收機組COP的變化的曲線。從圖中可以看出，熱回收機組在整個環境溫度范圍內，COP值高于原機組，也就是說，熱回收機組的效率更高，在相同的環境下更節能。值得注意的是，在環境溫度為37℃時，熱回收機組的COP相較于原機組提高了22.2%，這是因為在此溫度下，原機組已經超出了最大運行負荷，而排風熱回收機組仍正常運行，因此COP有很大提升。

圖2 環境溫度變化時機組COP對比

圖3作出了原機組與熱回收機組的制冷量隨環境溫度變化的曲線。從圖中可以看出，當環境溫度低于35℃時，兩機組制冷量差別不大，均能提供目標制冷量；當環境溫度高于35℃后，原機組已經不能提供足夠的制冷量，而排風熱回收機組在環境溫度為37℃的時候仍能提供目標制冷量。在環境溫度超過37℃后，排風熱回收機組相較于原機組，制冷量提升5.5%～9.7%，能給用戶提供更好的熱舒適環境。

圖3 環境溫度變化時機組制冷量對比

3.3 排風量對熱回收機組性能的影響

本文討論的空調機組是用于電動客車的，因此其對能耗特別敏感。流經過冷器的排風量即為新風系統的排風量，是影響空調機組能耗和乘客舒適度的重要因素。不同車輛類型和行駛條件所需的新風量不同，那么流經過冷器的排風量就不同，所以本節討論排風量變化對熱回收機組性能的影響。

在Amesim平臺中調用排風熱回收機組仿真模型，在額定工況下，得到排風量變化時熱回收機組的COP和制冷量，詳細數據見表4。從表中可以看出，當排風量由400m3/h下降到200m3/h時，機組的COP和制冷量變化很小，即排風熱回收機組的性能對排風量變化不敏感，因此其可以適配更多類型的車輛，實用性和經濟性符合要求。

表4 變排風量下熱回收機組的主要性能參數

3.4 排風溫度對熱回收機組性能的影響

排風溫度即車室內溫度，由用戶自行設定，是影響空調機組能耗的重要因素，因此本結討論排風溫度變化對熱回收機組性能的影響，主要性能參數見表5。從表中可以看出，當排風溫度變化時，機組的COP和制冷量變化不大，即排風溫度，也就是車室內溫度對機組性能影響不大。因此，在不同的車室溫度下，排風熱回收機組均有良好的性能。

表5 變排風溫度下熱回收機組的主要性能參數

4 結論

本文利用Amesim系統建模仿真平臺，研究了環境溫度對電動客車空調性能的影響，以及排風熱回收對空調機組性能的影響。通過系統仿真及分析，得到以下結論：

（1）環境溫度對空調機組性能影響很大，環境溫度升高時COP會下降，空調機組能耗上升。當環境溫度為27℃、35℃和45℃時，空調機組的COP分別為2.88、2.29和1.08。

（2）排風熱回收機組可以有效提升空調機組的性能。額定工況下，排風熱回收機組相較于原機組，COP提升3.9%；環境溫度變化時，排風熱回收機組性能提升更明顯，當環境溫度為27℃和45℃時，COP分別提升6.3%和6.5%；并且可以讓空調機組在更高的環境溫度中，提供足夠的制冷量。

（3）排風量對熱回收機組性能影響不大。當排風量由400m3/h降為200m3/h時，COP由2.39變為2.31，下降了3.3%。

（4）排風溫度對熱回收機組性能影響不大。當排風溫度由18℃升為26℃時，COP由2.40變為2.36，下降了1.7%。

[1] 陳清泉,孫逢春,祝嘉光.現代電動汽車技術[M].北京:北京理工大學出版社,2002:249.

[2] 彭發展,魏名山,黃海圣,等.環境溫度對電動汽車熱泵空調系統性能的影響[J].北京航空航天大學學報,2014, 40(12):1741-1746.

[3] 關志偉.汽車空調[M].北京:人民交通出版社,2009:71-78.

[4] 袁旭東,柯瑩,王鑫.空調系統排風熱回收的節能性分析[J].制冷與空調,2007,7(1):76-81.

[5] 賀鵬,宣永梅.空調排風熱回收與蒸發冷卻相結合的應用[J].潔凈與空調技術,2014,(1):61-64.

[6] 楊昌智,陳丹.排風熱回收系統的經濟性分析[J].湖南大學學報(自科版),2009,(s2):103-108.

[7] 楊治國,劉順波,黃志剛,等.國防地下工程排風熱回收技術經濟性分析[J].制冷與空調,2012,(2):173-176.

[8] 陳燦,張少凡,張建忠.排風熱回收技術在夏熱冬冷地區居住建筑中的應用研究[J].暖通空調,2012,42(3):55-59.

Simulation Analysis of Air Conditioning Exhaust Air Heat Recovery for Electric Bus

Lang Xiaoyue Hu Guangdi Xiao Junlin

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

In order to solve the problem of low efficiency and poor thermal comfort of the passenger of the electric bus air conditioning system under high temperature conditions during summer season, this paper presents a method of heat recovery of exhaust air by using the subcooler. In this paper, the simulation model of the air conditioning unit is built by Amesim platform, and the performance parameters of the heat recovery unit are obtained according to the experimental data. The simulation results show that COP (Coefficient of Performance) of the heat recovery unit is increased by 3.9% under the rated working condition, and the average increase of COP is 7.6% when the ambient temperature changes. Through further simulation analysis, it is found that the exhaust air rate and exhaust temperature have little effect on the performance of heat recovery unit.

Electric bus air conditioning; Subcooler; Heat recovery; Simulation analysis; Amesim

1671-6612（2018）01-023-04

TU831.3

A

郎曉玥（1992.08-），男，在讀碩士研究生，E-mail：langxiaoyue@my.swjtu.edu.cn

胡廣地（1964.11-），男，教授，博士生導師，E-mail：ghu@home.swjtu.edu.cn

2017-06-05