基于半導體制冷的汽車局部空調(diào)系統(tǒng)仿真與熱舒適性評價

蘇建軍　王璉浩　杜涵　李漢培　李永清　宋君軍　劉昆岳

關(guān)鍵詞：半導體制冷;局部空調(diào);當量溫度;人體熱感覺偏差

0引言

近年來隨著汽車產(chǎn)銷量和保有量穩(wěn)步增長，汽車與人們的生活已密不可分，因此，對于汽車的熱舒適性也越來越重視。汽車空調(diào)作為調(diào)節(jié)駕駛室熱環(huán)境的關(guān)鍵裝備，在汽車上的裝備率幾乎達到了100%。但是，傳統(tǒng)車用空調(diào)存在著高耗能、噪聲等一些難以解決的問題，因此，人們不斷尋找新的制冷劑和新的制冷方法來代替?zhèn)鹘y(tǒng)車用空調(diào)。汽車局部空調(diào)系統(tǒng)，針對現(xiàn)代汽車座椅熱舒適性差的現(xiàn)象，采用局部溫控、置換通風的方式，對乘員與座椅接觸部位的附近區(qū)域進行溫度、風量調(diào)節(jié)，從而在乘客周圍形成一個較為舒適的微環(huán)境。與傳統(tǒng)汽車空調(diào)相比，由半導體制冷裝置組成的汽車局部空調(diào)系統(tǒng)沒有運動部件，在運行時不會發(fā)出強烈噪音。這種汽車局部空調(diào)結(jié)構(gòu)簡單、布置靈活，在重量和尺寸上也要比傳統(tǒng)汽車空調(diào)小很多，而且在制冷時無需制冷劑，這就從源頭上避免了制冷劑泄漏對臭氧層的破壞。局部空調(diào)可直接由車載12V電源供電，從而消除了發(fā)動機負荷變化對局部空調(diào)制冷能力的影響，當電流反接時還可以進行制熱，制冷制熱的切換十分方便。另外，純電動汽車是未來的發(fā)展趨勢，而純電動汽車沒有發(fā)動機，難以使用傳統(tǒng)汽車空調(diào)，基于半導體制冷的汽車局部空調(diào)系統(tǒng)則為這一難題提供了一種解決方案。

1駕駛室內(nèi)流場數(shù)值模擬

1.1簡化模型建立

本文以天龍重卡駕駛室為研究對象，通過建模軟件CATIA按照1：1比例建立了整車三維模型，并加入駕駛員人體模型，如圖1所示。然后將駕駛室部分抽離出來導入前處理軟件ICEM中劃分網(wǎng)格。最終網(wǎng)格總數(shù)為582萬個，最低網(wǎng)格質(zhì)量為0.25，導入ICEM中簡化后的卡車駕駛室計算模型如圖2所示。

1.2邊界條件設置

將網(wǎng)格文件導入fluent中，在激活重力選型和設置方程模型后進行物性材料和邊界條件設置，主要包括玻璃、圍護結(jié)構(gòu)、地板、儀表盤、人體、座椅、空氣、半導體制冷器等部件的物性參數(shù)設置和進口、出口、壁面等邊界條件設置。

（1）物性參數(shù)設置：參考實驗車生產(chǎn)廠商提供的數(shù)據(jù)和汽車內(nèi)流場相關(guān)文獻，對駕駛室主要部件物性參數(shù)進行設置。卡車駕駛室車體由兩層鋼板經(jīng)沖壓后焊接而成，中間夾層為空氣層，兩邊鋼板材料一般為SPCC冷軋?zhí)间摫“濉195-215碳素結(jié)構(gòu)鋼或高強度鋼板，地板由鋼板、膠合板和尼龍地毯3層組成。具體的物性參數(shù)如表1所示。

（2）壁面邊界條件設置：將駕駛室車身壁面、地板、儀表板、座椅、人體表面設置為不透明Wall邊界，玻璃設置為半透明Wall邊界，這些壁面均設置Mixed混合邊界。座椅和后排臥鋪、人體和半導體制冷裝置的換熱方式設為Convectiono經(jīng)計算可得，水平面上總太陽輻射為1084.7W/m，車身壁面、玻璃、儀表盤和地板的外部等效輻射溫度分別為358 K、315 K、313 K和258 K。車身等壁面對流換熱系數(shù)為28.8 W/（m.K），座椅等部件的對流換熱系數(shù)為20W/（m.K），玻璃壁面的邊界條件設置如圖3所示。

（3）入口邊界條件設置：局部空調(diào)系統(tǒng)由6個半導體制冷裝置組成，分別位于頭部上方、肩部兩側(cè)、座椅背部和腳部前方，故有6個入口速度。采用湍流強度和水力直徑來設置速度入口，不同工況下的入口條件設置情況見表2。

（4）出口邊界條件設置：出口即駕駛室的回風口，根據(jù)實際測得的駕駛室的回風口位置和尺寸，建立模型的出口，出口邊界設為壓力出口，出口壓力為環(huán)境大氣壓，出口溫度設為車外環(huán)境溫度38℃，湍流強度為5%，水力直徑為0.07 m。

（5）其他求解參數(shù)：湍流模型為RNG k-ε，壁面函數(shù)為非平衡壁面函數(shù)（Non-Equilibrium、Nall Functions），計算方法為SIMPLE算法，動量、湍動能、湍耗散和能量的離散格式設為二階迎風格式（Second Order Upwind）。為使仿真與真實太陽輻射情況更加符合，熱輻射模型選擇Discrete Ordinates（DO）離散坐標模型，并開啟太陽射線追蹤”1，太陽輻射具體設置如圖4所示。

1.3布置方案與工況

本文對3種工況下的制冷裝置進行仿真分析，各工況的出風溫度和出風速度設置情況見表2。仿真求解之后對局部空調(diào)在這3種工況下工作時駕駛室內(nèi)流場、人體表面溫度場進行詳細分析，布置方案如圖5所示。

2仿真結(jié)果分析

2.1氣流組織跡線圖分析

卡車駕駛室溫度場云圖如圖6所示，在太陽照射下駕駛室表面溫度在46℃左右，玻璃溫度在37～47℃，地板溫度在29～38℃，儀表盤在36℃左右，人體表面溫度將在后文詳細分析。所有制冷裝置出風口的速度跡線圖如圖7所示，人體各部位附近制冷器出風口的速度跡線圖如圖8（a）～（d），另外2種工況下的速度跡線圖與之類似。由圖6和圖7看出人體周圍共有6個半導體制冷裝置，分別位于頭部上方、肩部兩側(cè)、腳部兩側(cè)和座椅背部，在工況3設定的出風速度下制冷裝置產(chǎn)生的冷風沿著各個出風口垂直方向射入駕駛室內(nèi)部，所有制冷裝置產(chǎn)生的冷風射流覆蓋了駕駛員人體大部分區(qū)域，用于改善駕駛員不同部位的局部熱環(huán)境、提高駕駛員局部熱舒適性，最后氣流由駕駛室后方2個出風口流出駕駛室外。

2.2人體表面溫度場分析

3種工況下人體正面和背面溫度場云圖如圖9和圖10所示。工況1下制冷裝置出風速度較低使得人體某些部位周圍空氣流速低，對流換熱系數(shù)也就低，導致人體臀部、肩部、腳部、胸部溫度較高熱舒適性較差。工況2下各部位附近出風口出風速度提高，各部位對流換熱系數(shù)提高，人體表面溫度下降，但仍有某些部位溫度較高舒適性較差。工況3下從上到下人體大部分區(qū)域溫度分布比較均勻、熱舒適性較好，符合“頭冷腳熱”的原則。

2.3觀測截面處溫度場和速度場分析

為了便于分析駕駛員附近區(qū)域速度和溫度分布，設置了3個觀測截面：

截面1、截面2和截面3，如圖11所示。駛區(qū)域，局部空調(diào)對駕駛員區(qū)域熱環(huán)境的調(diào)節(jié)作用開始顯現(xiàn)。工況3下截面1處溫度從上得到下分布比較均勻，人體各部位附近的氣流速度升高、人體皮膚與空氣的熱交換加快、皮膚溫度進一步降低，人體各部位大體處于熱舒適狀態(tài)。

3人體熱舒適性評價

為了深入研究汽車局部空調(diào)的制冷效果和駕駛員的人體熱舒適性，僅分析某些截面溫度場和速度場是不夠的。客觀評價法不依賴于受試者的主觀判斷，通過制定合理的評價指標，結(jié)合數(shù)值模擬手段，能全面地科學地研究人體熱舒適性，本文即采用客觀評價法研究局部空調(diào)制冷下的駕駛員人體熱舒適性，人體各部位熱舒適性的評價指標一一整體熱感覺影響權(quán)重表如表3所示。

根據(jù)當量溫度理論，人體模型被劃分為16個節(jié)段，文件ISO-14505給出的劃分方法如圖15所示。每個節(jié)段分別與周圍環(huán)境進行熱交換，最后對每個節(jié)段進行熱舒適性評價。第i節(jié)段的當量溫度的計算公式如下：

SAE J2234文件中給出了夏季汽車駕駛室內(nèi)人體各部位的熱舒適性范圍，如圖16所示。圖中給出了人體各部位處于熱舒適區(qū)域的當量溫度下限和當量溫度上限以及理想值。由于不同個體對熱舒適性的敏感程度有一定的差異，圖中舒適區(qū)域的當量溫度范圍代表90%的個體感覺舒適的情況。

由于當量溫度只能評價人體各個節(jié)段的局部熱舒適性，現(xiàn)在當量溫度的基礎(chǔ)上定義用以評價人體整體熱舒適性的評價指標A，A代表了人體各個節(jié)段的當量溫度與舒適區(qū)理想值間的偏差程度，AEOT的取值在-1～1范圍內(nèi)，如圖17所示。0是舒適區(qū)的邊界，AEOT的取值落在-1～0范圍內(nèi)代表人體整體感覺不舒適，在0～1范圍內(nèi)代表舒適，A_EQT值越大代表人體的整體熱舒適性越好，A計算公式如下：

當汽車局部空調(diào)系統(tǒng)在3種工況下工作時，駕駛員各部位的當量溫度和局部熱感覺偏差仿真計算結(jié)果如圖侶和19所示。由圖可知，在工況3下人體大部分區(qū)域的局部熱感覺偏差接近或者大于臨界值，頭部、背部和胸部當量溫度與理想值比較接近、局部熱舒適性較好，上肢的熱舒適性大體好于下肢，但腳部和左大腿仍有一定的不舒適感。工況1和工況2下的人體各部位當量溫度均高于工況3，大多數(shù)部位都處于熱舒適溫度上限之上，而且各部位熱感覺偏差都小于工況3，大多數(shù)部位都處于熱感覺偏差臨界值之下。計算可得工況1下駕駛員整體熱感覺偏差AE=-0.131，工況2下A=0.045，工況3下A=0.235，可見工況3下局部空調(diào)系統(tǒng)對駕駛員的局部熱舒適性和整體熱舒適性的調(diào)節(jié)作用都要明顯好于工況1和工況20雖然在工況3下，駕駛員的局部熱舒適性和整體熱舒適性得到了一定提高，但由于局部空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)6個制冷裝置出風口出風溫度設置的不合理，使駕駛員有些部位的局部熱舒適性仍比較差而且局部空調(diào)的能耗也較高，因此有必要基于6個半導體制冷裝置的出風溫度對局部空調(diào)系統(tǒng)的綜合性能進行進一步優(yōu)化，在保證駕駛員熱舒適性的同時盡可能降低局部空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

4結(jié)論

本文以東風天龍重卡駕駛室為研究對象，通過計算流體動力學的方法分析了汽車局部空調(diào)在3種工況下工作時駕駛室內(nèi)流場分布和人體表面溫度場分布，以當量溫度和人體熱感覺偏差為評價指標分析了不同工況下駕駛員的熱舒適性，對比發(fā)現(xiàn)工況3條件下為最優(yōu)方案，基于半導體制冷技術(shù)的局部空調(diào)系統(tǒng)，使得駕駛員的局部熱舒適性和整體熱舒適性得到了一定提高，同時指出了汽車局部空調(diào)系統(tǒng)存在的問題和需要改進的地方。