純電動汽車個性化采暖的數值模擬研究

范華玉 趙敬德 鄒越

東華大學環境科學與工程學院

純電動汽車在冬季采用傳統的空調系統供暖會使電動汽車的續航里程下降20.1%～56.4%[1]。研究發現，個性化供暖系統可以有效地解決這個問題[2-4]。相較于傳統汽車空調是對整個車內空間加熱，個性化采暖是針對人體熱敏感部位進行供暖，主要包括局部空氣噴射、天花板輻射、局部通風、座椅加熱、腳部、腿部和膝蓋加熱等[5]。Arens[6]通過實驗指出在非均勻的寒冷環境下，腳部和手部相對于其他身體部位溫度最低。Zhang 等人[7]通過實驗得出冬季使用腳部加熱器可以顯著的降低人體的冷感覺并可以降低了35%～78%的能量。本文為了解決純電動汽車因冬季采暖導致其續航里程降低的問題，通過計算流體力學研究純電動汽車內分區加熱的采暖方式（主要針對人體下半部分的加熱）的可行性和經濟性，為今后純電動汽車內采用個性化采暖提供了新思路。

1 汽車仿真模型的建立

1.1 汽車仿真模型的建立

該個性化采暖方案是將車內空間分隔為兩部分，將人體易冷的下半身放在被加熱的小空間里，人體相對耐冷的上半身利用小空間里產生的熱空氣以自然對流的形式加熱，而車內其它空間，則可以保持相對較低的溫度，這并不影響駕乘人員的熱感覺。考慮到汽車實際模型較為復雜，故在建模過程中對汽車模型內部的細微構造（方向盤、儀表臺等）進行了簡化處理，建模效果圖如圖1 所示。仿真模型中有兩個位于汽車前側的用來加熱新風和除霜的進風口，和兩個位于汽車后擋風玻璃底側的出風口。以簡化的假人模型代替精細的真人坐在駕駛座位置，同時假人腳底放置一加熱墊作為熱源，假人模型的腰部位置設置隔板，將假人的下肢封閉在儀表盤，車門和隔板形成的小空間內，加熱墊加熱假人腳底以及周圍空氣，空氣以自然對流的形式，在小空間內上升。隔板兩側布有風口，且與假人之間留有一定的縫隙，熱空氣沿縫隙緊貼假人上身表面上升進入車內空間。接著對汽車模型選取合適的尺寸進行網格劃分，并對進出風口，加熱墊和人體表面進行網格加密，最后生成約169 萬個網格。

圖1 乘員艙模型

1.2 數學模型的選擇和邊界條件設置

本文利用CFD 技術來模擬汽車內部溫度場和速度場的分布情況，乘員艙內部空氣流動是一個較為復雜的三維湍流流動過程，故采用三維不可壓縮N-S 方程和RNG k-ε 湍流模型，選擇SIMPLE 算法，離散化方法采用有限體積法，壓力項采用標準離散法，其他項均采用二階迎風格式。松弛因子采用fluent 軟件默認值。邊界條件類型如表1 所示：

表1 邊界條件設置

2 模擬結果分析

本文探究的是在加熱墊功率和車身圍護結構溫度不變的情況下，不同的進風溫度對乘員艙內熱環境和駕乘人員熱舒適的影響。為了更直觀的觀察車艙內部的溫度場和速度場，分別選取Y=0.145 m、X=0.8 m處作為斷面進行分析，實驗工況圖如表2 所示。

表2 實驗工況

2.1 進風溫度對車內溫度場的影響

圖2 顯示的是在不同進風溫度下車內Y=0.145 m、X=0.86 m 處截面的溫度云圖。加熱墊的表面溫度隨著進風溫度增加而上升，在進風溫度從289 K增加到293 K 時，加熱墊的表面溫度從325 K 增加至330 K，可以得出加熱墊表面溫度不僅與自身加熱功率相關，也和周圍空氣溫度有關系。人體腳部和腿部溫度在進風溫度289 K 時為293 K 和292 K，隨著進風溫度的增加在293 K 時達到293 K 和298 K。人體上半部分周圍空氣溫度也從290 K 增加至293 K。

圖2 不同送風溫度下Y=0.145 m和X=0.86 m 截面處溫度云圖

2.2 人體熱舒適性分析

當量溫度是指是指在一個相對濕度為50%的理想空間環境，調整環境溫度使假人身體的某一部位的散熱量等于該部位在真實環境中的散熱量，此環境溫度被定義為該部位的當量溫度。當量溫度適合評價人體各個部位的熱舒適性，也適用于汽車乘員艙這樣的非均勻熱環境[8-9]。根據仿真模擬得到的數據計算出上述三個工況的人體各部位的當量溫度，并和人體處于舒適的當量溫度進行對比，對比圖如圖4 所示。從圖中可以看出，在進風溫度為289 K 時，胸部和大腿的溫度低于舒適溫度下限，其余部位均處于舒適狀態，其中腳的當量溫度基本和最適溫度重合。在進風溫度為291 K 時，除了大腿以外所有部位均處于舒適狀態。進風溫度為293 K 時，所有部位均處于舒適狀態，其中腳、腿部溫度接近于最適溫度。可以得到，當加熱墊功率為550 W/m2時，進風溫度要在289 K 以上才能使身體全部部位處于熱舒適狀態。

圖4 駕駛員各個部位的EQT 溫度

3.3 節能潛力分析

汽車空調采暖能耗負荷包括通過汽車圍護結構傳入的熱量Q1，通過門窗玻璃以對流方式傳入的熱量Q2，通過門窗玻璃以輻射方式傳入的熱量Q3，駕乘人員人體熱量Q4，新風熱量Q5，電池散熱量Q6，車內其他電器（燈光等）散熱量。

本文中，為了保證負荷值可以滿足在最惡劣條件下的需求，故忽略太陽輻射的影響。且本文目的是為了對比采用分區加熱的采暖方式與采用傳統空調采暖方式的能耗，故忽略人體散熱量。通過簡化傳熱模型可得，車內穩態熱負荷的計算公式為：

取空調采暖時車內的設定溫度為18℃，電動汽車空調負荷計算如下：

1）車身壁面主要包括車頂、車頂、裙部（前圍、側圍、后圍），則通過車壁傳入車廂的熱流量Q1為

式中：F為傳熱計算面積，m2；K為傳熱系數，W/(m2·℃)；tH為車廂外空氣計算溫度，℃；tB為車廂內的溫度，℃。

2）在無太陽輻射情況下，通過門窗玻璃傳入的熱量是車內外溫差引起的對流傳熱熱量，車窗玻璃包括汽車前窗、側窗和后窗，其中玻璃窗的傳熱系數6.4W/m2。

3）新風負荷包括汽車冷空氣滲透熱負荷和通風換氣熱負荷。

從冷空氣滲透的熱流量為

式中：l 為汽車門窗縫隙長度，m；c 為空氣的比熱，kJ/(kg·℃)，均取1.009 kJ/(kg·℃)；γ 為空氣密度，kg/m3，視不同車外溫度來定；L 為單位門窗縫隙長度每小時漏風量，m3/(h·m)。

通風換氣熱負荷為

式中：n 為乘員人數，取1；γ 為車外空氣密度，kg/m3；c為空氣的比熱，kJ/(kg·℃)；V 為每人每小時對新鮮空氣的需求量，根據人體衛生要求，取30 m3/(h·人)。

根據式（1）～（5）計算出的空調采暖負荷和模擬過程中個性化采暖設備所消耗的功率，分別對比在不同進風溫度下個性化采暖方式和空調采暖的能耗情況，結果如圖5 所示。

圖5 能耗對比圖

從圖5 可以看出，在所有工況下，該個性化采暖方式能耗都低于空調采暖能耗。相對于傳統空調的采暖方式，該個性化采暖方式節能率范圍為47%～59%，且節能率隨著進風溫度的降低而上升，在進風溫度為289 K 時達到最大值。故可以得出冬季采用分區加熱的采暖方式可以顯著降低車內采暖能耗，從而解決純電動汽車因冬季采暖而導致的續航里程降低的問題。

4 結論

本文針對純電動汽車提出了一個套新的個性化采暖方案，對該個性化采暖方案進行了數值模擬研究，得出如下結論：

1）通過分析上述模擬結果，在三個進風工況下，除了在289 K 時人體大腿和胸部當量溫度低于熱舒適溫度，其它工況下人體各部位均處于熱舒適狀態。故可以得出，該個性化采暖方式可以滿足駕乘人員的熱舒適性，具有可行性。

2）當壁面溫度為281 K，加熱墊功率為550 W/m2時，進風溫度要在289 K 以上才能使身體全部部位處于熱舒適狀態。

3）相較于傳統空調采暖方式，此種采暖方式的節能率為47%～59%，可以顯著降低汽車冬季采暖負荷，從而有效解決純電動汽車因冬季采暖而導致的續航里程降低的問題。