用于干燥地區的無動力汽車空調的研究

屈 元 黃 翔 嚴延廷 李濟堯 韓偉娟 王 沖

用于干燥地區的無動力汽車空調的研究

屈 元1黃 翔1嚴延廷2李濟堯3韓偉娟1王 沖1

（1.西安工程大學 西安 710048;2.南京天加環境科技有限公司 南京 210046；3.深圳市英維克科技股份有限公司 深圳 518110）

新冠病毒在人群密集且封閉的汽車中能夠快速傳播，且確診人數隨空氣溫度和濕度的降低而升高，因此傳統汽車空調不利于傳染疾病的防控。無動力汽車空調利用汽車行駛中空氣的相對運動產生的動能形成送風氣流，利用噴管引射原理使超聲波霧化水與空氣混合實現對空氣的降溫效果，其車內送風溫度和濕度比傳統空調的高。同時該裝置采用的全新風直流式運行模式能有效避免污染物滯留從而減少感染。研究還表明，該裝置能降低汽車空調投資和運行能耗，避免氯氟烴類制冷劑對環境的影響。

汽車空調；新冠病毒；蒸發冷卻；引射；節能

0 引言

2019年12月中國中部地區特大城市，歷來被稱為“九省通衢”之地，中國內陸最大的水陸空交通樞紐——武漢出現了新型冠狀病毒肺炎疫情（2020年2月11日，世衛組織將這種疾病命名為2019年冠狀病毒，COVID-19[1]）。根據武漢市衛生健康委員會通報，截至2020年1月19日22時，武漢市累計報告新型冠狀病毒感染的肺炎病例198例[2]。此時臨近中國農歷新年，中國人口最大規模的流動已經開始。在2020年1月23日武漢市所有離漢通道暫時關閉[3]之前估計有超過500萬人離開武漢[4]。2020年1月21日起國家衛建委開始進行全國范圍內疫情通報：截至1月20日24時，除湖北省外，有3個省、市共出現21例確診病例；截至1月31日24時，31個省（自治區、直轄市）和新疆生產建設兵團報告累計報告確診病例11791例[5]。以上數據表明病毒在潛伏期通過人員流動蔓延到全國。

經呼吸道飛沫傳播和接觸傳播是新型冠狀病毒的主要傳播途徑，病毒感染者是主要傳染源。與感染者直接或間接近距離接觸后，97.5%的被感染者會在11.5天內出現癥狀[6]。2020年1月自武漢發出至全國報告出現COVID-19確診病例城市的長途汽車、火車和飛機的頻率與這些城市日累計病例數之間呈現正相關關系，而武漢到其他城市的距離與COVID-19病例數成負相關關系，并且相關性隨時間推移越來越高并在2月1日后保持穩定。公共交通工具中，汽車發車頻次最高，行駛距離最短，其相關性最高[7]。該研究表明新型冠狀病毒在環境封閉、人群密集的汽車中得到快速傳播。

1 傳統汽車空調存在的問題

世界衛生組織（WHO）發布的防止病毒傳播的措施包括保持安全社交距離、攔截咳嗽和打噴嚏時排出的液滴、定時清潔和消毒、保持手部衛生和使用個人防護設備等。然而在長途客車上很難完全做到以上幾點。此時通入新風能提高空氣中污染物的清除速度，降低傳染風險。

新風進入客車有兩種途徑：通過車窗進入或通過空調、通風設備進入。客車行駛中開窗通風會造成較大風阻且強烈的吹風感會引起車窗附近乘客的不適。汽車空調通常設計為制冷劑直接膨脹封閉式系統。該系統無新風引入，車廂內的空氣循環使用并通過空調風道輸送到整個車廂，造成交叉感染。對此應避免使用回風，采用全新風運行模式。

傳統汽車空調夏季送風濕度和溫度都比較低。冬季由于沒有加濕，車廂內空氣干燥，甚至引起靜電。有研究表明，新型冠狀病毒的傳播與空氣溫度和濕度有關。隨著空氣干球溫度和相對濕度的提高，COVID-19確診人數和病死人數都下降；反之，確診人數和病死人數都提高[8-10]。這是由于常規制冷劑制冷對空氣進行除濕后，低濕度條件下呼吸道中纖毛對病毒顆粒的去除能力減弱，氣道細胞損傷修復能力降低，免疫防御系統失效造成的[11]。

2 新風降溫裝置的設計原理

蒸發冷卻技術通過空氣和水之間的熱濕交換在夏季對空氣實現降溫、加濕和凈化作用，冬季可對空氣進行加濕處理。由于采用水作為制冷劑，夏季送風溫度和濕度均高于傳統制冷空調的送風參數。全新風直流式運行模式不僅能縮短空氣齡，迅速排除污染物，還能有效降低氣溶膠傳播病毒風 險[12,13]。此外，該技術能減少溫室氣體排放、節約能源、安裝快捷、經濟性較傳統空調有明顯優勢[14]。

基于蒸發冷卻原理的汽車新風降溫裝置采用超聲波霧化技術替代傳統的濕膜加濕來實現空氣的降溫加濕過程。空氣輸送則利用空氣與汽車相對運動時產生的動能，通過噴射器結構實現氣體動能和壓能的轉換，在不增加動力設備的基礎上通過結構設計實現增速降壓和減速增壓的目的，達到節省輸送能耗的目的。

圖1是該新風降溫裝置的結構原理圖。客車行駛中空調進風口始終迎著來流方向，空氣進入噴管后膨脹增速，在噴管出口的混合室內形成負壓，將水霧發生器內的水霧不斷吸入混合室。空氣在混合室中與水霧直接接觸，水吸熱蒸發成為水蒸氣進入空氣中，空氣被降溫加濕，然后進入擴壓管減速增壓。空氣中夾帶的水滴經過擴壓管末端的擋水板時被攔截，減少了送風過水量。空調送風進入車廂內部吸熱并稀釋空氣中的污染物然后通過排風機排出。

3 新風降溫裝置設計及實驗驗證

3.1 夏季送風參數和處理過程

根據《汽車用空調器》（GB/T 21361-2017）確定空調系統進口空氣參數和車廂內空氣設計參數。該國家推薦標準適用于乘用車、客車和貨車等各種類型的汽車空調。標準規定的夏季實驗名義工況見表1，其中環境濕球溫度無人為規定。文獻[15]將空調室外設計濕球溫度18℃～21℃的區間劃分為干燥較熱區。因此取車外計算濕球溫度為21℃。冷卻效率是蒸發冷卻空調機組性能評價的重要標準，直接蒸發冷卻效率由公式（1）確定。按冷卻效率為90%計算該裝置夏季送風參數，計算結果如表1所示。

表1 夏季汽車空調實驗名義工況及設計送風參數

夏季新風處理過程見圖2。圖中W點表示車廂外空氣狀態。新風經蒸發冷卻降溫處理后達到狀態O。過O點做車廂內空氣熱濕比線，該線與車廂內設計溫度t的等溫線相交于N點，此為車廂內空氣狀態點。經計算，車內空氣相對濕度?=65%滿足民用空調設計相對濕度不大于70%的設計要求。送風溫差Δ=t-0=4.6℃，符合舒適性空調規范要求。

圖2 新風處理過程焓濕圖

W—夏季車廂外空調設計狀態點；O—新風經蒸發冷卻降溫處理后達到的狀態點，即送風狀態點；N—車廂內空氣狀態點

以50座空調客車為設計對象計算車內熱濕負荷并按公式（2）計算送風量q（kg/s）。

式中：為車廂內余熱量，kW；h為車廂內空氣的比焓，kJ/kg；h為送風狀態空氣的比焓，kJ/kg。

蒸發冷卻降溫處理過程加濕量（kg/s）根據公式（3）計算。

式中：為加濕量，kg/s；d為車廂內空氣的含濕量，kJ/kg；d為送風狀態空氣的含濕量，kJ/kg。

3.2 噴射器結構設計

在汽車行駛速度40km/h條件下考慮進口過濾網影響取進口風速為10m/s。空氣噴射器主要由噴管、混合室和擴壓管組成。根據客車外型尺寸及行駛中車體重心應盡量低的安全需求，噴管進口截面設計為700mm寬×250mm高的矩形以降低裝置高度。漸縮管錐角取45°，沿著氣流方向其當量直徑逐漸減小，出口截面為邊長250mm的正方形以減小摩擦阻力。漸縮管后依次接喉管、混合室和擴壓管。喉管為等徑管，長度取5cm。為避免連接處管道截面突變造成流動損失和壓力突然變化，設計時混合室和擴壓管錐角均為10°，擴壓管出口截面為寬1700mm，高400mm的矩形。以上各處接口內徑保持一致。噴射器總長度為4.14m。

根據加濕量設計一個儲水箱和兩個霧化水箱，其中儲水箱供客車空調兩小時使用，配給電壓12V，功率20W，最大揚程6m，流量12L/min小型水泵一臺。霧化水箱與噴射器同高，形狀為半圓頭流線型圓柱體結構，每個水箱底部安裝4個功率為200W的霧化器。噴射器、霧化裝置和儲水箱的裝配方式如圖3所示。

1-過濾網；2-噴管；3-喉管；4-混合室；5-擴壓管；6-霧化水箱；7-水泵；8-儲水箱

3.3 風系統設計

采用機械制冷的汽車空調夏季送風有兩種模式：內循環模式和混合模式。內循環模式沒有新風引入，車廂內空氣經降溫減濕后循環使用。混合模式指引入部分新風（約占總風量10%）與車廂內空氣混合后進入蒸發器處理然后送出。蒸發器處理后送風溫差一般在12℃～15℃之間。按27℃設計參數計算，送風溫度在15℃～12℃之間，遠遠偏離人體舒適溫度范圍。

本設計汽車新風降溫裝置安裝在車頂，總風道設置在汽車中部，冷風從主風道分流到車頂兩側的支風道里，然后從送風口吹出。排風窗選中懸式矩形天窗，置于汽車后門處頂部中間位置。氣流組織為上送風上排風。本設計采用全新風直流式，大風量小溫差送風，空氣齡短，空氣品質好，車廂內平均風速0.35m/s，能滿足人體對車廂內空氣衛生和舒適性的需求。

3.4 實驗驗證

本新風降溫實驗裝置由噴射器、超聲波加濕器、風機和引射管組成。其中噴射器進口為漸縮噴管，出口處接喉管，喉管后接混合管和擴壓管。喉管處接引射管，引射管另一端接在超聲波噴霧加濕器出霧口。風機設置在噴管進風口。風機出口處設加熱器以調節進風溫度。實驗臺主要部件及測試儀器參數見表2。實驗期間模擬環境溫度在33℃～37℃之間，濕球溫度在21℃～23℃之間。夏季室外工況1對應空氣干球溫度33.4℃，濕球溫度21.0℃；工況2對應空氣干球溫度36.9℃，濕球溫度22.9℃。三檔風速分別為2.5m/s，3.5m/s和5.0m/s。兩種工況下空氣溫降和進口風速關系如圖4所示。實驗表明空氣溫降隨進口風速降低而增大，最大達到12.4℃。在工況1條件下，風速為5m/s時，溫降為7.5℃，說明該裝置在進口風速小于5m/s時（對應汽車行駛速度18km/h）仍能有效引射水霧，在汽車低速行駛條件下達到通風降溫目的。

表2 實驗臺主要部件及測試儀器明細

圖4 兩種工況下進口風速對空氣溫降的影響

4 經濟性分析

傳統機械制冷汽車空調裝置主要由壓縮機、冷凝器、蒸發器、節流裝置、儲液罐、干燥器、液體管路、氣體管路、風機等組成。與其相比，本新風降溫裝置在空氣噴射器、霧化罐、儲水箱、水泵、霧化器、軟化裝置和水管上的初投資小于機械制冷空調的費用。

以50座空調汽車為設計對象，以湖南岳陽某公司生產的KQZD18型整體頂置式汽車空調為參照與本設計汽車空調運行能耗進行比較，如表3所示。從表中可知本設計新型汽車空調每小時節省燃料2.15L。

表3 新型汽車空調與KQZD18型汽車空調能耗比較

注：每1kW功率折合燃料消耗0.315L/h。

5 結論

本設計采用蒸發冷卻技術實現了一種無動力直流式全新風的降溫方式。它不僅解決了干燥地區傳統機械制冷汽車空調高能耗和高排放的能源和環境問題，還采用大風量小溫差的送風方式，縮短空氣齡，提高車廂內空氣品質，有效降低疾病傳播，改善了舒適性。

[1] https://www.sohu.com/a/373089347_727964

[2] http://www.nhc.gov.cn/xcs/yqtb/202001/a5f1aec0660f4cd3a70518b6258fd15f.shtml

[3] http://finance.ifeng.com/c/7tUbSW25KYy

[4] First F. Mayor of Wuhan: more than 5 million people left Wuhan Jan 26 http://news.sina.com.cn/2020-01-26/doc- iihnzahk6472836.shtml; 2020.

[5] http://www.nhc.gov.cn/xcs/yqtb/202002/84faf71e096446fdb1ae44939ba5c528.shtml

[6] Lauer Stephen A, Grantz Kyra H, Bi Qifang, et al. The Incubation Period of Coronavirus Disease 2019 (COVID-19) From Publicly Reported Confirmed Cases: Estimation and Application[J]. Annals of internal medicine, 2020.

[7] Ruizhi Zheng, Yu Xu, Weiqing Wang, et al. Spatial transmission of COVID-19 via public and private transportation in China[J]. Travel Medicine and Infectious Disease, 2020.

[8] Hongchao Qi, Shuang Xiao, Runye Shi, et al. COVID-19 transmission in Mainland China is associated with temperature and humidity: A time-series analysis[J]. Science of the Total Environment, 2020.

[9] Yu Wu, Wenzhan Jing, Jue Liu, et al. Effects of temperature and humidity on the daily new cases and new deaths of COVID-19 in 166 countries[J]. Science of the Total Environment, 2020,729.

[10] Ma Yueling, Zhao Yadong, Liu Jiangtao, et al. Effects of temperature variation and humidity on the death of COVID-19 in Wuhan, China[J]. Science of The Total Environment, 2020.

[11] Kudo Eriko, Song Eric, Yockey Laura J, et al. Low ambient humidity impairs barrier function and innate resistance against influenza infection[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2019,116(22):10905-10910.

[12] 黃翔,賀紅霞,褚俊杰.干燥地區傳染病醫院的空調設計與應用[J].紡織高校基礎科學學報,2020,33(1):7-14.

[13] 杜芳莉,沈關炳,翁磊超,等.基于混合動力的節能環保客車空調系統的研究[J].制冷與空調,2020,34(4):473- 476.

[14] 宋祥龍,黃翔,薛運.蒸發冷卻式節能凈化空調機組應用于西安某商場的經濟性分析[J].制冷與空調,2014,28 (6):681-686.

[15] 張玉東,宣永梅,黃翔.蒸發冷卻適應性分區進展研究[J].制冷與空調,2013,27(1):33-38,51.

Research on an Energy-saving Bus Air Conditioners Used in Dry Areas

Qu Yuan1Huang Xiang1Yan Yanting2Li Jiyao3Han Weijuan1Wang Chong1

( 1.Xi'an Polytechnic University, Xi'an, 710048; 2.Nanjing TICA Air-Conditioning Co., Ltd, Nanjing, 210046;3.Shenzhen Envicool Technology Co., Ltd, Shenzhen, 518110 )

The new coronavirus can spread rapidly among people in enclosed vehicles.Some researches revealed that the number of confirmed casesincreased with the decrease of air temperature and relative humidity. Therefore, traditional bus air conditioners could not prevent the spread of the disease. The kinetic energy generated by the relative movement of the air while the bus is moving pushes the air go into the air conditioner and then mix with water mist which is ejected from a Ultrasonic atomizer.After that the air is cooled and supplied to the bus .The air supply temperature and relative humidity are higher than the supply air’s from traditional bus air conditioners. The direct primary air conditioning system can effectively avoid the retention of pollutants and reduce infection. The study also shows that the device can reduce the investment and operating energy consumption of automobile air-conditioning, and avoid the impact of chlorofluorocarbon refrigerants on the environment.

automotive air conditioning; coronavirus; evaporative cooling; ejection; energy saving

1671-6612（2021）03-377-05

G710

A

國家自然科學基金（51676145）；“十三五”國家重點研發計劃項目（2016YFC0700404）

屈 元（1974-），女，碩士，副教授，E-mail：1318117890@qq.com

2020-10-12