汽車雙層流HVAC的研究及應用

關鍵詞：汽車;雙層流;HVAC ;節能;

1 概述

HVAC是安裝在儀表臺下具有加熱、通風和空氣調節功能的單元，通過吸入內氣或者外氣，經過蒸發器和暖風芯體將其調節成設定溫度，吹入駕駛室內，起著向乘客提供舒適環境的重要作用[1]。作為汽車空調的核心部件，HVAC 結構設計的優劣直接影響空調系統的性能和用戶體驗。

現有的汽車自動空調系統都設置有外循環和內循環送氣，但是無論是單獨的外循環還是內循環都存在一定的弊端。如外循環內耗大，且在重污染地帶會吸入污染;而內循環則吸入新鮮空氣少，不是很健康。如何在保證乘客舒適性的前提下，通過調節內外進風的混風比例，更多地利用車內處于比較舒適溫度的空氣參與換熱，來實現降低能耗的需求，一直是汽車空調工程師攻關的課題。

北方冬季行車，車窗易起霧起霜，必須開啟外循環+ 除霧模式。車外冷空氣經過暖風芯體加熱后給車內提供熱空氣，需要消耗較大熱量。對于燃油車，在氣溫較低時需要較長時間車內才能達到舒適溫度;對于電動車，需要消耗更多的電量用于整車的采暖，從而降低整車續航里程[2-3]。如果能從HVAC 結構上進行優化改進，合理利用車內空氣余熱，將可以進一步降低能量消耗，達到降低油耗或電量的目的。雙層流HVAC 則具備同時導入內氣和外氣的功能。下面將對雙層流HVAC 的結構及其性能進行闡述。

2 雙層流HVAC 結構說明

雙層流HVAC 與常規HVAC 相比具有不同的進風箱和分配箱，可以實現內外氣同時導入。

2.1 雙層流HVAC 結構

雙層流HVAC 進風箱分為上下2 個葉輪，其中上部葉輪可以導入新鮮外氣，下部葉輪可以導入車內的內氣。低濕度的外氣通過外循環風門，經上層葉輪流入DEF 風道吹出。車內的內氣通過內循環風門，經過葉輪內部導流槽進入下層葉輪，由吹腳風道吹出。HVAC 分配箱通過隔板分為上下兩層，將內外氣分開，內氣從下層經吹腳風道吹出，可用于整車采暖;外氣濕度較低，從上層經除霜風道吹出，吹向玻璃防止起霧（圖1）。

2.2 雙層流HVAC 與常規HVAC 對比

常規HVAC 鼓風機為單層葉輪，設定為內循環或者外循環模式下，只能導入100% 內氣或者100% 外氣。冬天制熱只能采用低溫的外氣加熱后給乘員艙供暖，熱量消耗較大。對于電動車，將需要消耗大量的電量用于整車制熱。雙層流HVAC 鼓風機為雙層葉輪，可以同時導入50% 內氣以及50% 的外氣，內氣加熱后通過吹腳風道吹出，用于整車采暖;外氣加熱后通過除霜風道吹出，用于玻璃除霜除霧[4]。內氣相比外氣溫度較高，可以降低熱量需求，從而提高制熱效率，可以快速提高車內溫度，減少電動車電量消耗，從而提升電動車的續航里程（圖2）。

3 雙層流HVAC 性能特點

3.1 制熱性能驗證

本次試驗選取了某電動車車型進行了試驗驗證。驗證工況為：環境溫度-20℃，最大制熱模式。

試驗開始時未打開雙層流，采用100% 外氣模式，1 h 后出風口溫度穩定在50℃。然后再開啟雙層流模式，繼續測試出風口溫度。從試驗結果可以看出，開啟雙層流后出風口溫度可繼續上升，穩定在60℃。相比常規HVAC，出風口溫度從50℃上升至60℃，出風口溫度提升10℃（圖3）。

3.2 不同水溫制熱效果驗證

由于雙層流HVAC 與常規HVAC 相比，出風口溫度能帶來10℃的提升，因此可以將整車采暖時的最大目標水溫降低10℃，目標水溫由70℃下降至60℃，從而達到節能目的。從某電動車型采暖試驗結果來看，環境溫度-20℃工況下，雙層流HVAC 目標水溫設定為60℃，在水溫穩定后可以達到常規HVAC 目標水溫70℃的制熱效果，出風口溫度均為50℃，且升溫過程較常規HVAC 更快（圖4）。

3.3 雙層流HVAC 節能效果

由于雙層流可以使空調系統目標水溫降低10℃，因此可以減少電動車電量的消耗。電動車制熱采用PTC 作為熱源，環境溫度-20℃環境下，將水溫加熱到60℃，需消耗PTC 能量4 kW ;將水溫加熱到70℃，需消耗PTC 能量5 kW。因此對于雙層流HVAC，每小時可節省電量1 kW · h。車輛以60 km/h 車速行駛從滿電狀態到0 電狀態，以環境溫度-20℃為例，在全里程內雙層流空調可節省電量4.5 kW · h，可增加續航里程13 km。不同環境溫度下，續航里程增加情況如表1。

4 總結

綜上所述，雙層流HVAC 較常規HVAC 相比導入了50% 內氣，減少了排氣能耗 損失，整車采暖性能明顯提升，提高了整車舒適性。同時由于合理利用了內氣，在降低電動車制熱能耗提升續航里程上有明顯效果，同時在燃油車上也可以減少能量損失，降低整車油耗。