基于混合動力的節(jié)能環(huán)保客車空調(diào)系統(tǒng)的研究

杜芳莉 沈關(guān)炳 翁磊超 廖世寶 賈 旗

基于混合動力的節(jié)能環(huán)保客車空調(diào)系統(tǒng)的研究

杜芳莉 沈關(guān)炳 翁磊超 廖世寶 賈 旗

（西安航空學(xué)院能源與建筑學(xué)院 西安 710077）

在客車中，營造一個清新、健康、舒適的車內(nèi)環(huán)境是保證旅途者心情愉悅及身體健康的基本任務(wù)，研究的節(jié)能環(huán)保客車空調(diào)系統(tǒng)充分利用客車發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的余熱和太陽能輻射熱作為混合動力為吸附式制冷提供熱源，克服了傳統(tǒng)汽車空調(diào)耗能大的問題，同時還采用全新風(fēng)系統(tǒng)有效改善客車 空間內(nèi)的空氣品質(zhì)，使客車內(nèi)空氣更加清新，從而提高旅客的舒適度。該系統(tǒng)高效節(jié)能，綠色環(huán)保。

發(fā)動機(jī)余熱；太陽能輻射熱；吸附式制冷；熱量收集系統(tǒng)；全新風(fēng)

0 引言

隨著生活水平的提高，人們的健康意識越來越強(qiáng)。在乘坐長途客車時，能否擁有一個清新、健康、舒適的車內(nèi)環(huán)境是保證旅途者心情愉悅及身體健康的基本任務(wù)。傳統(tǒng)汽車空調(diào)利用發(fā)動機(jī)消耗燃料驅(qū)動空調(diào)壓縮機(jī)，造成能源浪費(fèi)[1]，另外，為了最大限度地節(jié)約能源，傳統(tǒng)汽車空調(diào)采用全回風(fēng)或少量引入新風(fēng)，與此同時汽車在運(yùn)行中還會不斷產(chǎn)生有害氣體，從而使車內(nèi)空氣形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致車內(nèi)空氣品質(zhì)下降，危害人們身體健康[2]。目前，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源資源日益短缺，環(huán)境問題越來越受到人們的關(guān)注。為此提出一種節(jié)能環(huán)保的混合動力客車空調(diào)系統(tǒng)，本裝置巧妙利用發(fā)動機(jī)的低品位熱能及綠色環(huán)保的太陽能聯(lián)合為吸附式制冷裝置提供熱源[3]，并采用環(huán)保型制冷劑，吻合了當(dāng)前能源、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的總趨勢，同時該空調(diào)系統(tǒng)采用全新風(fēng)極大改善車內(nèi)空氣品質(zhì)，滿足人們旅途健康生活的需求。

1 設(shè)計原理

基于混合動力的長途客車空調(diào)系統(tǒng)是一種能保障人們旅途乘車健康性、舒適性的節(jié)能型綠色環(huán)保空調(diào)系統(tǒng)，它利用吸附式制冷技術(shù)取代目前客車空調(diào)的蒸汽壓縮式制冷技術(shù)，并將客車發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的廢熱和太陽能有機(jī)結(jié)合作為空調(diào)系統(tǒng)的混合動力源，具有環(huán)保、安全、衛(wèi)生、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。另外，該系統(tǒng)中的全新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計與孔板送風(fēng)方式可最大限度保證乘客的健康與舒適。

本系統(tǒng)主要由吸附式制冷系統(tǒng)、全新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)余熱收集系統(tǒng)和太陽能輻射熱收集系統(tǒng)組成，其工作原理如圖1所示。其具體工作過程為：客車在運(yùn)行時利用發(fā)動機(jī)廢熱收集系統(tǒng)回收發(fā)動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的大量余熱，同時輔助利用太陽能輻射熱收集系統(tǒng)回收太陽能輻射熱，將兩者有機(jī)結(jié)合共同為吸附式制冷系統(tǒng)提供熱源以制取冷量，然后將吸附式制冷系統(tǒng)制取的冷量用于全新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中，將來自客車外的新風(fēng)進(jìn)行降溫除濕后送入客車內(nèi)。本系統(tǒng)利用混合動力客車發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的余熱和太陽能輻射熱為吸附式制冷提供熱源，解決了混合動力客車空調(diào)耗能大的問題；混合動力客車外的新鮮空氣進(jìn)入全新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行降溫除濕后，輸送到客車空間內(nèi)可有效改善客車內(nèi)的空氣品質(zhì)，解決了原有客車空調(diào)系統(tǒng)無新風(fēng)進(jìn)入的缺點(diǎn)。該系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有客車空調(diào)功能的同時具有綠色環(huán)保特性，將客車發(fā)動機(jī)余熱和太陽輻射熱再利用使得客車空調(diào)系統(tǒng)更加節(jié)能，全新風(fēng)的引入使客車內(nèi)空氣更加清新，從而提高旅行的舒適度。

圖1 基于吸附式制冷的客車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計原理圖

2 吸附式制冷

20世紀(jì)70年代中期以來，吸附式制冷受到人們的重視，對其技術(shù)的研究也不斷深化。與蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)相比，吸附式制冷具有顯著優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)為：結(jié)構(gòu)簡單、一次性投資少、運(yùn)行費(fèi)用低、使用壽命長、無噪音、無環(huán)境污染、能有效利用低品位熱源等一系列優(yōu)點(diǎn)。考慮到傳統(tǒng)的汽車空調(diào)制取冷量需消耗大量的能源，本系統(tǒng)巧妙地對長途客車發(fā)動機(jī)的余熱和太陽能熱量進(jìn)行回收來驅(qū)動汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。

2.1 吸附式制冷系統(tǒng)的組成

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和能耗的增加，能源與環(huán)境問題已經(jīng)成為全世界共同關(guān)注的一個熱點(diǎn)問題，吸附式制冷作為一種低品位熱能驅(qū)動的綠色制冷技術(shù)，吻合了當(dāng)前能源和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的總趨勢[4]。吸附式制系統(tǒng)主要由兩部分組成。第一部分包括兩個吸附床：解吸床和吸附床，兩床的功能相當(dāng)于傳統(tǒng)制冷中的壓縮機(jī)。解吸床向冷凝器排放高溫高壓的制冷劑蒸氣，吸附床則吸附蒸發(fā)器中低溫低壓的蒸氣，使制冷劑蒸氣在解吸床中不斷蒸發(fā)制冷。因此吸附式制冷系統(tǒng)設(shè)計的核心是吸附床，它的性能好壞直接影響了整個系統(tǒng)的功能。第二部分包括冷凝器，蒸發(fā)器及流量調(diào)節(jié)閥，與普通的制冷系統(tǒng)相類似。從解吸床解吸出來的高溫高壓的制冷劑蒸氣在冷凝器中被冷凝后，經(jīng)過流量調(diào)節(jié)閥，變成低溫低壓的液體，進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)制冷，被蒸發(fā)的制冷劑蒸氣重新被吸附床吸收。兩吸附床交替變換角色，使得有源源不斷的冷量被制出來。吸附式制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 吸附式制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 工質(zhì)對的選擇

吸附劑—制冷劑工質(zhì)對的選擇是吸附式制冷中最重要的因素之一，好的制冷系統(tǒng)不但要有好的循環(huán)方式，而且要有在工作溫度范圍內(nèi)吸附性能強(qiáng)、吸附速度塊、傳熱效果好的吸附劑和汽化潛熱大、沸點(diǎn)滿足要求的制冷劑。制冷機(jī)是否能適應(yīng)環(huán)境要求，是否能滿足工作條件，在很大程度上都取決于吸附工質(zhì)對的選擇[5]。本系統(tǒng)選用對環(huán)境友好的沸石FAM Z01—水工質(zhì)對，它具有良好的環(huán)保性能，同時熱源溫度只需達(dá)到50℃左右即可進(jìn)行吸附式制冷。

3 全新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)

傳統(tǒng)汽車空調(diào)系統(tǒng)為了最大限度的節(jié)能能源，一般均采用大量回風(fēng)或少量引入新風(fēng)，同時汽車在運(yùn)行中會不斷產(chǎn)生有害氣體，從而使車內(nèi)空氣形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致人們乘車時缺氧乏力，暈車等癥狀。針對上述問題，本系統(tǒng)設(shè)計的新型客車空調(diào)系統(tǒng)采用全新風(fēng)的空氣供給方式，可有效提高空氣清潔度，改善車內(nèi)空氣品質(zhì)，為旅客創(chuàng)造一個清新、健康、舒適的車內(nèi)環(huán)境使旅途更加愉悅與健康。

圖3 全新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

全新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)包括第一風(fēng)管、第二風(fēng)管、孔板送風(fēng)口、蒸發(fā)器盤管、新風(fēng)進(jìn)口、空氣過濾器、新風(fēng)機(jī)、吸聲材料、風(fēng)口、除濕膜等。其中第一風(fēng)管設(shè)置在混合動力客車頂棚中，且其內(nèi)壁貼有吸聲材料以減少空氣流動時的噪音，其端部開口處設(shè)置有新風(fēng)進(jìn)口，新風(fēng)口處還設(shè)有空氣過濾器與新風(fēng)機(jī)；第二風(fēng)管設(shè)置在混合動力客車行李架托板中，其內(nèi)部設(shè)有盤管式蒸發(fā)器，將吸附式制冷系統(tǒng)所制出的冷量與空氣進(jìn)行熱交換，使空氣達(dá)到舒適性要求，第二風(fēng)管靠近混合動力客車行李架托板底部設(shè)置有微型孔板送風(fēng)口，開孔直徑為2mm，開孔率為5%，將處理完成的空氣通過微型孔板送風(fēng)口送入車內(nèi)。全新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中第一風(fēng)管位于第二風(fēng)管上部且通過風(fēng)口相連通，連通的風(fēng)口中設(shè)有三層除濕膜用以除濕，除濕膜選用親水的聚乙烯醇膜、聚丙烯腈和醋酸纖維素膜。全新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。該裝置利用客車外新風(fēng)可以最大程度的改善車內(nèi)空氣品質(zhì)，孔板送風(fēng)則可以使氣流更加均勻，避免人們長時間受強(qiáng)氣流的干擾，使乘客的舒適性更高[6]。

4 熱能收集利用系統(tǒng)

傳統(tǒng)的汽車空調(diào)是利用發(fā)動機(jī)消耗燃料驅(qū)動空調(diào)壓縮機(jī)，或利用發(fā)動機(jī)發(fā)電帶動空調(diào)壓縮機(jī)，這樣做會在汽車的使用上消耗大量的燃料，同時汽車運(yùn)行時發(fā)動機(jī)的廢熱會全部的浪費(fèi)掉，不符合節(jié)能減排理念，本系統(tǒng)在設(shè)計時采用吸附式制冷系統(tǒng)，那么推動吸附床運(yùn)行的熱能如何解決則是問題的關(guān)鍵所在，如果還采用傳統(tǒng)的加熱方式無疑會消耗大量的能源，同時汽車發(fā)動機(jī)在運(yùn)行中產(chǎn)生的大量熱能將無法有效的利用，故而在本系統(tǒng)中我們采用發(fā)動機(jī)廢熱與太陽能輻射熱來作為吸附式制冷的推動熱源。

4.1 發(fā)動機(jī)廢熱收集系統(tǒng)

通過研究發(fā)現(xiàn)，在大型汽車的運(yùn)行過程中，發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的廢熱非常可觀。汽車發(fā)動機(jī)的實(shí)用效率僅為35%～40%左右，這樣約占燃料發(fā)熱量1/2以上的能量被發(fā)動機(jī)循環(huán)冷卻水及排氣帶走[7]，回收和利用這部分余熱是最佳的節(jié)能方案,也是目前世界各國都在研究的課題。本系統(tǒng)采用的吸附式制冷正是利用汽車發(fā)動機(jī)的余熱作為驅(qū)動熱源從而實(shí)現(xiàn)汽車空調(diào)制冷的目的。在本系統(tǒng)中我們利用換熱盤管將發(fā)動機(jī)包裹，并利用盤管中的水將熱量帶回吸附床用以催動吸附式制冷，這樣既解決了發(fā)動機(jī)的散熱問題同時又減少了汽車的油耗。

發(fā)動機(jī)廢熱收集裝置的具體工作過程為：通過位于客車主發(fā)動機(jī)外圍的廢熱收集盤管將發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的余熱進(jìn)行實(shí)時收集，盤管的傳熱媒介出口連接傳輸管道后分為兩個支路，一個支路連接第一吸附床的熱媒介質(zhì)入口，另一個支路與第二吸附床的熱媒介質(zhì)入口連接，將吸收余熱后的傳熱媒介帶回吸附床放熱從而使吸附質(zhì)脫附，吸附床的傳熱媒介出口通過傳輸管道與余熱收集盤管的傳熱媒介入口連接，將放熱后的傳熱介質(zhì)帶回廢熱收集盤管進(jìn)行吸熱，往復(fù)循環(huán)，不斷實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)余熱回收與利用。

4.2 太陽能輻射熱收集系統(tǒng)

太陽能作為一種取之不竭，用之不盡的天然能源，受到人們普遍關(guān)注[8]。在本系統(tǒng)中，為了確保空調(diào)系統(tǒng)具有充足的熱源，在使用發(fā)動機(jī)廢熱之余，將太陽能輻射熱作為輔助熱源，共同驅(qū)動吸附式制冷，從而達(dá)到高效制冷的目的。

太陽能輻射熱收集主要利用集熱板和承載于集熱板上的換熱盤管，利用集熱板收集熱量將盤管內(nèi)的傳熱媒介加熱后利用傳輸管道將熱量帶到吸附床放熱，幫助吸附質(zhì)完成脫附后再經(jīng)由傳輸管道帶回?fù)Q熱盤管進(jìn)行吸熱。熱能回收利用系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4 熱能收集利用系統(tǒng)原理圖

5 結(jié)論

本系統(tǒng)利用客車發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的廢熱和太陽能輻射熱為吸附式制冷提供熱源，解決了混合動力客車空調(diào)耗能大的問題，客車外的新鮮空氣進(jìn)入全新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行降溫除濕后，輸入到客車空間內(nèi)調(diào)節(jié)客車內(nèi)空氣品質(zhì)，解決了原有客車空調(diào)系統(tǒng)無新風(fēng)進(jìn)入的缺點(diǎn)，操作方便，維修簡單，具有綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，便于推廣使用。

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Research on Air Conditioning System of Energy-saving and Environmental-friendly Passenger Cars Based on Hybrid Power

Du Fangli Shen Guanbing Wong Leichao Liao Shibao Jia Qi

( Department of Energy and Architecture, Xi’an Aeronautical University, Xi’an, 710077 )

In the bus, Creating a fresh, healthy and comfortable interior environment is the basic task to ensure the mood and health of travelers. in this paper，The energy-saving and environmental-friendly bus air conditioning system studied makes full use of the waste heat and solar radiation heat generated by the bus engine as the hybrid power to provide the heat source for adsorption refrigeration. It overcomes the problem of high energy consumption of conventional automobile air conditioning, At the same time, the all-fresh air system is also used to effectively improve the air quality in the bus space. And makes the air in the bus fresher, So as to improve the comfort of passengers. The air conditioning system is efficient, energy-saving and green.

Engine waste heat; Solar radiation heat; Adsorption refrigeration; Heat collection system; New wind system

G710

A

1671-6612（2020）04-473-04

省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項(xiàng)目（S201911736007）；西安航空學(xué)院校級科研基金（2019KY1223）

杜芳莉（1975.5-），女，碩士研究生，副教授，E-mail：972339919@qq.com

2019-09-19