某型電動客車熱負荷分析＊

2019-09-21 03:43:20涂顯齊劉禎張祎楠余翼

汽車實用技術 2019年17期

涂顯齊，劉禎，張祎楠，余翼

（1.純電動汽車動力系統設計與測試湖北省重點實驗室，湖北襄陽 441053； 2.湖北文理學院汽車與交通工程學院，湖北襄陽 441053）

前言

汽車空調總成作為一個重要總成，其匹配性能將決定舒適性、環保性、節能性、輕量化等諸多性能。

客車空調系統的安裝，不僅能夠提高乘客乘坐的舒適性，同時還可以使司機在空調環境中保持清醒的頭腦，提高工作效率，能在很大程度上減少疲勞和車禍的發生。客車空有制冷和制熱兩種功能。在夏季，空調制系統排除車廂內余熱、余濕，達到制冷目的；在冬天主要利用發動機冷卻水的余熱來來實現制熱。

汽車車廂與外界環境熱交換通過導熱、對流和輻射三種方式進行。由于汽車外部環境的不斷變化，汽車的運動狀態也在不斷地發生變化，車體與外界相互之間的熱傳遞處于不穩定狀態，車室熱負荷的計算變得困難。本文采用了穩態傳熱法的熱負荷計算方法，在外界條件一定的情況下，穩態下的車內熱負荷計算條件相對簡單，可以作為理想的熱負荷計算模型，按此模型計算所得熱負荷理論上應與空調系統制冷量相當，并對結果進行分析比較。

1 客車熱負荷

1.1 車身熱負荷來源

由于車輛的使用環境和條件復雜多變，所以車內的熱負荷來源很多。

（1）玻璃傳入的熱負荷：夏季車身熱負荷是由于車外溫度高于車內，加上太陽輻射的作用，會有大量熱量通過車窗玻璃傳入車內。同時內外溫差也會造成熱量透過玻璃從車外傳入車內。

（2）車身維護結構的熱負荷：陽光輻射及外界的高溫環境會升高車輛維護結構的溫度，所以也會有大量的熱量通過車輛維護結構傳入車內。

（3）新風熱負荷：車廂密封性不好，造成車內的冷空氣泄露，外界空氣通過門窗及地板縫隙進入車內；同時相對密閉的車內環境也需要外界的新鮮空氣來稀釋成員呼吸產生的二氧化碳，通過空調系統的外循環進入車內的新鮮空氣也會帶來熱量。

（4）發動機艙的熱負荷：發動機長的溫度遠高于車內溫度，也會有發動機艙的溫度傳入車內，而且線束、管路等在前隔板上的通過孔也會增大傳熱量。

（5）車內成員的熱負荷：人體發出的汗熱和濕熱也會使得車內溫度升高。

（6）車內電器設備的熱負荷：車內的電器比如風機、音響、電阻、繼電器等在工作時也會產生熱量。

2 客車熱負荷相關基本參數

2.1 車內外空調設定參數選擇

在進行電動客車的穩態熱負荷計算時，根據客車的實際工作環境情況，我們預先設定了各基本計算參數，如表1 所示：

表1 計算設定參數表

2.2 車身材料參數匯總

根據穩態傳熱法計算此客車的熱負荷時，我們需要該客車的各部分的面積、厚度以及組成材料，故由主機廠提供的相關信息，統計如表2 所示：

表2 相關車身材料參數（主機廠提供）

3 客車熱負荷的穩態算法簡介

3.1 客車制冷熱負荷的計算

汽車空調總熱負荷[1]由式（1）得到：

式中，Q 表示制冷機產生的熱量，Qe汽車空調總熱負荷，QB表示通過車體圍護結構傳入車廂的熱負荷，QG通過各種玻璃表面以對流方式進入車廂的熱負荷，QBi表示通過各種玻璃表面以輻射方式直接進入車廂的熱負荷，QV表示新風和門縫隙造成的熱負荷，QP表示乘員散發的熱負荷，QM表示汽車發動機艙傳入的熱量，QE表示用電設備風機等散熱量。

汽車空調制冷量由式（2）得到：

式中，α1表示空調熱負荷計算修正系數，一般取為1-1.2。

3.2 車身維護結構傳入的熱量

（1）車身壁面傳熱系數K 的計算

傳熱系數K 與車身內、外表面傳熱系數及隔熱層的熱阻有關。由于車身各壁面的條件不同，所以車身各壁面的傳熱系數K 是不同的。要分別計算各部分的傳熱系數K。

對于頂蓋、側圍、底板、前圍的傳熱系數計算式[1]由式（3）得到：

式中，αoutside表示外表面放熱系數，與表面相對氣流速度有關，αinside表示內表面放熱系數，在汽車開空調狀態；δi表示隔熱材料厚度（m），λi表示隔熱材料傳熱系數W/(m.K)，表示隔熱材料的導熱熱阻之和，單位為W/(M2.K)。據經驗值，當車速V=40km/h，可取αoutside≈146W/(M2.K)， αinside≈60W/(m2.K)。

（2）日照表面綜合溫度Tz的計算

由式（4）得到：

車底日照表面綜合溫度Tz由式（5）得到：

式中，TH表示車外氣溫，ρ——車身外表面對太陽輻射的吸收比，與車身顏色、粗糙度及使用狀況有關，I——車身外表面接受太陽的總輻射強度，包括直射強度Id和散射強度Is，Is=35～47(W.m2)。

（3）車身圍護結構的熱負荷計算

車身圍護結構包括頂蓋、側圍、車廂底板、前圍和尾門（汽車后備箱部分），其熱負荷由式（6）計算得到。

其中α2是修正系數，取值1.2-1.4。

頂蓋、側圍、底板、前圍和尾門的計算公式[2]由式（7）得到：

式中，Qi分別表示頂蓋、側圍、車廂底板、前圍和尾門的傳熱量，單位為W；Ki分別表示頂蓋、側圍、車廂底板、前圍和尾門的傳熱系數，單位為W/(M2.K)；Fi分別表示頂蓋、側圍、車廂底板、前圍和尾門的傳熱面積，單位為m2；TZ表示綜合溫度，單位為℃；TB表示車內空氣溫度，單位為℃。

3.3 通過門窗玻璃傳入的熱量

太陽輻射時，通過門窗玻璃傳入的熱量由兩部分組成：車內外溫差以對流方式而傳入的QG和太陽輻射通過玻璃傳入的熱量[3]QBi。

（1）車窗的太陽輻射量J 由式（8）得到：

（2）通過各玻璃以對流方式進入車廂的熱負荷QG由式（9）得到：

（3）通過玻璃表面以輻射方式直接進入車廂的熱負荷QBi由式（10）得到：

（4）綜上，通過玻璃傳入車廂的熱負荷由式（11）得到：

式中，τ 表示太陽輻射通過玻璃的透射比，一般取τ=0.84；ρ 表示玻璃對太陽輻射熱吸收比，ρ=0.08；C 表示遮陽修正系數，取C=0.97；I 表示車窗外表面的太陽輻射強度，取最大值I=270W.m2；IS表示車窗外表面的散射輻射強度，取IS=35～47(W.m2)；J 表示車窗的太陽輻射量；F陽面玻璃表示陽面車窗面積，按照最大計算，取右側、門和前擋風玻璃之和；F玻璃表示車窗總面積；K玻璃表示玻璃的傳熱系數，取K玻璃=6.38W/(m2.K)；αinside表示內表面放熱系數，在汽車開空調狀態；αoutside表示外表面放熱系數，與表面相對氣流速度有關。

3.4 新風量與新風負荷

新風的傳入有兩個途徑：門窗縫隙和新風系統。

按照人體衛生要求，一般每位成員所需要的新風標準為10～30m3/(h.λ)，新風量越大，越有利于改善車內環境，但是會增大車內的熱負荷。

參考工業采暖、通風和空調規范，在無窗無縫全密封的空間中，需供應每人每小時新鮮空氣30m3以上。由于汽車條件限制，新風量標準不得不降低。對于大客車空調而言，新風量下限甚至接近10m3/(λ.h)。

在車、窗等密封位置會產生漏風現象，漏風會帶走一部分空氣，同時外界的新風會補充進車內，成為車內的熱負荷來源。

（1）車外新風帶入的熱量由式（12）得到：

（2）漏入空氣帶入熱量由式（13）得到：

（3）新風負荷QV由式（14）得到：

式中，N 表示車內乘員數，V 表示按人體衛生標準，每人每小時需要的新風量(m3/h.λ)，ρ 表示空氣密度（kg/m3），houeside表示車外空氣比焓值[4](J/kg)，hinside表示車內空氣比焓值[4](J/kg)，V'表示漏風量（m3/h.m），門縫寬度為1.5mm 時漏風量為10m3/h.m，L 表示車門、車窗縫隙長度（m）。針對客車系統，當tH=35℃時，相對濕度φ=60%，houeside=98(KJ/kg)；當tB=26℃時，相對濕度φ=58%，houeside=54.5(KJ/kg)；當室外溫度為35℃，ρ=1.146kg/m3；當室外溫度為40℃，ρ=1.128 kg/m3。