关于工程车辆驾驶舱采暖功率计算的探讨

2018-03-12王海庭

汽车电器 2018年2期

王海庭

（江苏柳工机械有限公司，江苏镇江 212005）

随着社会的发展和国内基础建设的不断推进，以及后期维护配套设施的不断完善，越来越多的乡村及市政应用了更多的工程机械。工程机械也发展得越来越适应全国范围不同地域和不同环境的要求。工程机械的操作手也对整机的舒适性要求越来越高。例如冬季采暖这项指标已被绝大多数人认识到。

下面以挖掘装载机作为研究对象，共同了解一下这类工程机械的驾驶舱采暖需要考虑哪些方面。

挖掘装载机的驾驶舱与家用小汽车的车厢环境考虑的因素大致是相仿的，通过研究汽车车厢的受热平衡，来模拟挖掘装载机驾驶舱的制热负荷。但是由于挖掘装载机本身是工程机械，所以有其特有的客观因素需要区别对待。

国内大多数工程机械厂家在挖掘装载机的驾驶舱设计制造方面，结构基本较为接近，都是由金属骨架、表面蒙皮、钢化玻璃、内部的塑料或纺织装饰件、PE发泡保温材料、驾驶舱地垫和电器元件等构成，所以整个驾驶舱的采暖功率比较难以精确计算。

在核定驾驶舱的采暖功率时，会采用前人的经验，事先对环境因素进行预设定及一些特定条件进行简化。

1 驾驶舱制热负荷的分类及取值

通常情况下，驾驶舱与外界环境的热能量传递有导热、对流和辐射3种类型。

一般情况下，外部环境是在时刻不断变化的，并且机器在工作时，其周围环境也是不断变化的，它们之间的热能传递也处于非常不稳定的状态。

在中国适合冬季铲掘作业的地区，环境温度一般人为设定在-12℃。由于冬天的土质在受冻结冰后很硬，不太适合进行铲掘作业，但是考虑到施工进度等方面问题，大多数情况下在-12℃以下还是会有人员进行野外施工。因此，本文设定的冬季野外环境温度为-15℃。

根据适合人员工作的舒适温度为16～25℃的要求，我们进行了综合评估，既要考虑到人员的舒适性，也要考虑到整机的运行功耗。根据CE标准规定，要求在寒冷环境下，能够将驾驶舱内温度提升至并保持于18℃及以上，并且供热系统应至少具有在30 min内升温25℃的加热能力。综合评定后，将驾驶舱内的基础环境温度设在18℃左右，设定完成后就需要对驾驶舱内部进行加温了。

虽然供暖会使驾驶舱内温度迅速提高，但是供暖一旦停止，必然会通过热传递由高温向低温传热，很快驾驶舱内部热量就会被外界的环境温度同化。所以还需要持续地向驾驶舱内加热，来平衡驾驶舱内的舒适温度区域向低温区域的热传递消耗，保证操作者的舒适性。

为了了解驾驶舱的热消耗，必须知道哪些方面会对驾驶舱的热能产生消耗（包括正消耗和负消耗）。

从传热方面，必须考虑到：①外部环境与驾驶舱的覆盖件形成的热传递；②通过玻璃与驾驶舱造成热量传递的下降；③漏风或新风对驾驶舱造成的热量损失；④机器本身的热辐射对驾驶舱采暖造成的影响； ⑤驾驶人员身体、驾驶舱内用电器件散发的热量对驾驶舱升温的贡献等。

与上面的这些影响相关的因素如铁件与玻璃的传热系数、空气密度等参数值，预先可在其他工具书中查得，在下文中会直接给出，不再进行详细说明。

按照以上的分析，本文规定采暖系统的热消耗能量一般由以下几部分构成

式中：QH——驾驶舱实际制热功率；K——功率储备系数，取1.1～1.5；Q′H——驾驶舱计算制热功率；Qa——驾驶舱顶部消耗的热功率；Qb——通过玻璃导热消耗的热功率；Qc——驾驶舱四周消耗的热功率；Qd——驾驶舱受热区域消耗的热功率；Qe——冷空气传入驾驶舱消耗的热功率；Q′p——人体散发的热功率；Qf——驾驶舱前风窗除霜消耗的热功率。

一般情况，设定如下：驾驶舱内舒适温度为tb=16～18℃，外部环境温度一般地区取值：tH=-15℃，此温度可以根据具体的实际环境温度值进行设定。

1）驾驶舱顶部消耗的热功率Qa一般是由驾驶舱顶部外表面铁皮、油漆组成，内部有一些顶内饰，由于工程机械内饰的隔温性能较差，可以与顶蒙皮综合一起考虑。所以利用以下公式可以算出驾驶舱顶部消耗热功率Qa

式中：Qa——驾驶舱顶部消耗热功率，W；Ka——驾驶舱顶部的传热系数，一般取值为1.5 W/（m2·K），此值为经验值，读者可以根据实际情况查找资料进行完善，或者根据汽车的车身顶部传热系数公式计算；Fa——驾驶舱顶部面积，m2；Δta——驾驶舱顶部内外空气温差℃。驾驶舱内顶部温度一般应在室内平均温度上增加5～10 ℃，主要是根据一般情况下热气流上升的原则而定的。如果遇到非常寒冷的地区，可以根据实测来确定驾驶舱内顶部温度值。

2）通过玻璃导热消耗的热功率Qb驾驶舱四周的玻璃窗和玻璃门由内部向外部传热，使得驾驶舱内的热能损失的功率。采用以下公式进行计算

式中：Qb——通过玻璃导热消耗的热功率，W；Kb——驾驶舱玻璃的传热系数，一般取值为6.4 W/（m2·K）；Fb——驾驶舱四周的玻璃面积，m2；Δtb——驾驶舱内的舒适温度与外部环境的温差，℃。

3）驾驶舱四周消耗的热功率Qc由驾驶舱四周外表面铁皮、油漆组成，内部有一些内饰，由于工程机械内饰的隔温性能较差，可以与四周金属围板蒙皮综合一起考虑。所以利用以下公式可以算出驾驶舱四周金属围板消耗负荷

式中：Qc——驾驶舱四周消耗的热功率，W；Fc——驾驶舱四周金属围板面积，m2；Kc——传热系数，是驾驶舱四周金属围板的传热系数，一般取值为1.5 W/（m2·K）；Δtc——驾驶舱内的舒适温度与外部环境的温差，℃。

4）驾驶舱受热区域消耗的热功率Qd由发热部件或发动机舱，与驾驶舱相接触的面积或辐射的面积，所产生的热消耗。此面积在寒冷的冬季时，是向驾驶舱进行加温，但是由于环境及结构的影响，不可能将100%的热能传递给驾驶舱，只能减少驾驶舱向外的热辐射。此时驾驶舱此部分的温度会比外部环境温度高8～10℃左右。利用以下公式可以算出驾驶舱受热区域消耗的负荷

式中：Qd——驾驶舱受热区域消耗的热功率，W；Fd——驾驶舱受热区域面积，m2；Δtd——驾驶舱内外靠近地板处的温差，℃，可以用驾驶舱内部的舒适温度值减去驾驶舱受辐射部分的外部环境温度算出；Kd——传热系数，一般取值为8.14 W/（m2·K）。

5）冷空气传入驾驶舱消耗的热功率Qe主要是由新风和整机运动过程中的漏风造成的热量损失。新风是人为送入外部的新鲜空气进入密闭的驾驶舱内，提供驾驶员充足的氧气需求，保证人员正常呼吸所用。漏风是指由于驾驶舱的密闭性不好，在整机运动或静止时，外界的冷空气通过缝隙进入到驾驶舱内部。所以利用以下公式可以算出驾驶舱受外界冷空气传入消耗的负荷

式中：Qe——冷空气传入驾驶舱消耗的热功率，W；Ge——进入到驾驶舱的新风和漏风量的总和，m3/h；ρ——空气密度，kg/m3，一般取值1.29；C——空气热比容，kJ/kg风量，一般取值1.007；△te——驾驶舱内的舒适温度与外部环境的温差，℃。

6）人体散发的热功率 Q′p人体的散热能力与自身的性别、穿衣多少、年龄、劳动强度、周围环境温度等多种客观条件都有关系。一般资料推荐驾驶员按照145 W/人计，乘员按116 W/人计。因研究的是工程机械驾驶室，驾驶人员只有1人，并且在冬季，人员穿着较厚，人体温度被厚衣物保持，所以取值为116W。计算公式如下

由于人体的散热对于采暖有一定的贡献，所以在计算采暖功率时需要将其减去。

7）驾驶舱前风窗除霜消耗的热功率Qf在冬季的霜雪天气，驾驶舱的挡风玻璃上一般都会结霜，影响视线，必须清除才能工作。利用以下公式可以算出驾驶舱前风窗除霜消耗的负荷

式中：Qf——驾驶舱前风窗除霜消耗的热功率，W；Gf——除霜风量，m3/h，先要根据选用的前除霜出风风口的外形，计算出风口的实际面积，根据鼓风机的排量，计算出风口的风速，通过出风口面积×风速×时间，计算出除霜风量；ρ——空气密度，kg/m3，一般取值1.29；C——空气热比容，kJ/kg风量，一般取值1.007；△tf——驾驶舱内的温度与外部环境的温差，℃。

所以驾驶舱制热负荷构成：Q′H＝Qa＋Qb＋Qc＋Qd＋Qe＋Q′p＋Qf，QH＝K×Q′H。

通过以上理论计算得出驾驶舱制热负荷。