基于Excel电子表格的客车空调制冷量计算

王应奇， 寿青松

(厦门金龙联合汽车工业有限公司 绍兴分公司， 浙江 绍兴 312030)

客车安装空调后，能降低车厢温度，提高乘员舒适性。但是，安装制冷量过大的空调，将增加客车制造成本，增加客车重量，增加燃油消耗和动力消耗；安装制冷量过小的空调，将无法达到预期的空调效果。因此，在客车空调系统匹配设计中，必须精确计算客车空调制冷量。

客车空调制冷量计算方法很多，总的可分为稳态算法和非稳态算法[1]，实际工作中常用的有乘员数估算法、车型估算法、由理论计算简化的半经验估算法[2]、按法规要求计算[3-4]、按车身热负荷计算[5]等。本文认为，估算法、经验法或者半经验法、按法规要求计算等虽然都可以快速、简便地计算空调制冷量，但脱离了车辆实际情况，如保温性能、密封性能、气候条件等，无法准确计算某特定客车产品的空调制冷量，不具备产品开发的严谨性。而文献[5]介绍的按车身热负荷计算，虽然可以比较科学地计算客车空调制冷量，但在实际计算中，因参数庞杂、取值困难、公式繁琐、计算量大等原因，不方便直接使用。

鉴于Excel电子表格可编辑公式、可灵活修改、可快速计算、可统一格式等优点，本文以某11 m公路客车为例，介绍利用Excel电子表格按车身热负荷计算法确定空调制冷量的计算方法，并详细给出基于Excel电子表格计算所需参数及取值和计算公式。

1 计算参数设置

1.1 通用参数设置

按图1样式建立通用参数设置的Excel电子表格，该部分其余的通用参数还有：车厢内空气温度Tb，车厢内空气相对湿度φb，车厢内空气流动速度Vb，常用车速V0，驾乘人员数N，以及制冷量储备系数a0。

ABCD1通用参数设置2代号说明值单位3Lat当地纬度24.46°4n日期序号200-5Th当地环境温度35℃6ϕh环境相对湿度65%︙︙︙︙︙

图1 通用参数设置样式

本文中Lat按厦门所在纬度24.46°设置；n为一年中的日期序号，定义1月1日的序号n=0,则7月20日n=200。这两个参数用来计算当地当日正午太阳辐射强度。

在以往计算中，车厢内空气温度Tb一般取27 ℃。美国人认为，夏季车内温度22～25 ℃比较理想；法国Diavia公司研究结果认为，夏季车内最舒适环境为相对湿度35%～65%，温度23～27 ℃，空气流速不大于0.25 m/s；日本研究者表明，夏季上半身气流速度为0.6～0.9 m/s，下半身气流速度为0.2 ～0.3 m/s，温度为24～26 ℃时人体感到最舒适。a0主要与座椅等内饰件的潜热、环境温度的波动、计算工况与空调标定工况的偏差等因素有关，文献推荐取 1.1～1.2。综合考虑，本文建议Tb=25 ℃，φb=60%，Vb=0.35 m/s，a0=1.15。

1.2 壁面热负荷计算参数设置

按图1样式建立壁面热负荷计算参数设置的 Excel 续表。本部分参数有：壁面面积包括顶盖St、侧围(含前后围)Ss、地板Sf、发动机舱地板Se，以及它们对应的多层结构热阻RD,t、RD,s、RD,f、RD,e，还有发动机舱温度Te及风速Ve，壁面、地板传热修正系数a1、a1f及车身表面辐射吸收系数R。

壁面不含玻璃部分，下文将对玻璃热负荷单独计算。RD,t、RD,s、RD,f、RD,e按式(1)计算。如本例简化后的顶盖多层结构为1.2 mm顶蒙皮、15 mm发泡层、3 mm三合板，将各层厚度及导热系数代入式(1)后即得式(2)。本例RD,t=0.598，RD,s=0.589，RD,f=0.088，RD,e=0.807。

RD，i=∑δi/λi

(1)

RD，t=0.001 2/45+0.015/0.026+0.003/0.25=0.598

(2)

式中：δ为各层材料厚度，m；λ为各层导热系数,w/(m·℃),可从文献[5-6]查询。

a1用于对壁面各部分计算所得的传热系数进行修正，包含热桥修正因子和简化计算修正因子。笔者经多种算法计算比较，建议取1.9～2.5，本例a1取2.21。地板传热系数单独以a1f修正，公路及旅游客车因地板下方设有行李舱，a1f取值一般小于a1，本例a1f取1.21。其中发动机舱温度Te及风速Ve可分别取80 ℃和4 m/s。

R与车身表面颜色、粗糙度有关，可用铁板涂色测得。车身表面为白漆时，R可取0.47，表面为黑漆时，R可取0.89；当车辆长期使用后，对于白漆表面，R增加至0.9，对于黑漆表面，R增加至0.98。

1.3 玻璃热负荷计算参数设置

按上节样式建立玻璃热负荷计算参数设置的Excel续表。本部分参数有：玻璃面积包括侧窗Ssg、前挡Sfg，以及它们对应的多层结构热阻RD，sg、RD，fg，透射率τsg、τfg，遮阳系数Zsg、Zfg，表面吸收系数Rsg、Rfg，还有前挡玻璃倾角θ，玻璃传热修正系数a2。后挡玻璃归入侧窗计算，下同。

RD,sg、RD,fg按式(1)计算。不同玻璃的透射率τsg、τfg及不同窗帘的遮阳系数Zsg、Zfg可在文献[5]中查到，前挡无窗帘时Zfg=0。前挡玻璃倾角θ为前挡玻璃与整车Z轴的夹角。玻璃传热修正系数含义参见a1，本例a2取1.56。

1.4 其他热负荷计算参数设置

按上节样式建立其他热负荷计算参数设置的Excel续表。此部分设置新风负荷、人员散热负荷、蒸发风机散热负荷计算所需参数：人均新风量V，人均散热量qp，以及蒸发风机工作电流I、电压U、机械效率η。

人均新风量按医学角度应取16～33 m3/h，按相关法规要求应取25 m3/h，但考虑到客车经常会停车开门，新鲜空气可以得到补充，及客车空调的困难性，美国人推荐取11 m3/h[4]。本文建议，公路及旅游客车V取11 m3/h，城市客车适当增加5～8 m3/h。人均散热量qp取116 W。

2 热负荷及制冷量计算

2.1 通用参数计算

按图2样式建立通用参数计算的Excel续表，其中“值”一栏直接在Excel表中编辑公式计算。

ABCD47通用参数计算48代号说明值单位49ah外表面换热系数,ah=2.33+11.61(V0/3.6)0.5=2.33+11.61∗(C10/3.6)^0.5W/(m2·℃)50ab内表面换热系数,ab=2.33+11.61(Vb)0.5=2.33+11.61∗(C11)^0.5W/(m2·℃)51ae发动机舱表面换热系数,ae=2.33+11.61(Ve)0.5=2.33+11.61∗(C25)^0.5W/(m2·℃)︙︙︙︙︙

图2 通用参数计算样式

依次计算如下通用参数：表面换热系数包括外表面ah、内表面ab、发动机舱表面ae，室内、外空气比焓hb、hh，室外空气密度ρh，以及太阳直射辐射强度包括水平面Ih、垂直面Iv，还有水平面散射辐射强度Is。

若按式(3)定义函数f(x)，则ah=f(V0/3.6),ab=f(Vb),ae=f(Ve)。图2中C10、C11、C25分别为V0、Vb、Ve单元格地址，代表各自的值。

f(x)=2.33+11.61x0.5

(3)

湿空气状态参数hh、hb、ρh按文献[7]介绍的经验公式在Excel表中计算。太阳辐射强度Ih、Iv、Is按文献[8-9]介绍的公式在Excel表中计算。

2.2 壁面热负荷计算

按图2样式建立壁面热负荷计算的Excel续表，依次计算传热系数，包括顶盖Kt、侧围Ks、地板Kf、发动机舱地板Ke，综合温度包括顶盖Tc,t、侧围Tc,s、地板Tc,f，以及他们的热负荷包括顶盖Qt、侧围Qs、地板Qf、发动机舱地板Qe。

若按式(4)定义函数g(x，y)，则Kt=g(RD,t，a1)，Ks=g(RD,s，a1)，Kf=g(RD,f，a1f)。

(4)

发动机舱地板传热系数Ke按式(5)计算。

(5)

综合温度是环境温度与辐射吸热升温的叠加，Tc,t、Tc,s、Tc,f按式(6)～(8)计算。

Tc,t=R(Ih+Is)/ah+Th

(6)

Tc,s=R(Iv+0.5Is)/2ah+Th

(7)

Tc,f=Th+2

(8)

Q(S,K,T)=S·K·(T-Tb)

(9)

若按式(9)定义函数Q(S,K,T)，则Qt=Q(St,Kt,Tc,t),Qs=Q(Ss,Ks,Tc,s),Qf=Q(Sf,Kf,Tc,f)，Qe=Q(Se,Ke,Te)。例如Qt=St·Kt·(Tc,t-Tb)。

2.3 玻璃热负荷计算

按上节样式建立玻璃热负荷计算的Excel续表，依次计算玻璃传热系数，包括侧窗Ksg、前挡Kfg，玻璃综合温度包括侧窗Tc,sg、前挡Tc,fg，以及他们的热负荷包括侧窗Qsg、前挡Qfg。

根据式(4)对函数g(x，y)的定义，Ksg=g(RD,sg，a2)、Kfg=g(RD,fg，a2)。

侧窗玻璃综合温度Tc,sg按式(10)计算，前挡玻璃综合温度Tc,fg按式(11)计算。

(10)

(11)

侧窗玻璃热负荷Qsg按式(12)计算，前挡玻璃热负荷Qfg按式(13)计算。

Qsg=SsgKsg(Tc,sg-Tb)+0.5Ssgτsg(Iv+0.5Is)(1-Zsg)

(12)

Qfg=SfgKfg(Tc,fg-Tb)+Sfgτfg(1-Zfg)[(Iv+0.5Is)cosθ+(Ih+Is)sinθ]

(13)

需要说明的是，式(12)及式(13)中，前一项均为玻璃传导得热，后一项均为玻璃辐射得热，需要时可单独计算。

2.4 其他热负荷计算

按上节样式建立其他热负荷计算的Excel续表，按式(14)计算新风热负荷Qv，按式(15)计算人员散热负荷Qp，按式(16)计算蒸发风机散热负荷QM。

Qv=NVρh(hh-hb)/3.6

(14)

Qp=qpN

(15)

QM=UI(1-η)

(16)

2.5 车身热负荷及空调制冷量计算

按上节样式建立车身热负荷及空调制冷量计算的Excel续表，车身热负荷Qb即上述各项热负荷之总和，按式(17)计算。空调制冷量Q按式(18)计算。

Qb=Qt+Qs+Qf+Qe+Qsg+Qfg+Qv+Qp+QM

(17)

Q=a0Qb

(18)

2.6 实例计算

某48座11 m公路客车按此法计算，结果为车身热负荷22.1 kW，空调制冷量25.4 kW，各项热负荷明细见表1。

表1 车身热负荷明细

计算表明，该车型各项热负荷中，新风热负荷占比最高，占30%；其次是人员散热负荷，占25.2%；再次是侧窗玻璃热负荷，占14%。因此，在设计及运营中要特别注意：

1) 严格控制新风量。除需控制新风设备外，还需控制门窗漏风及门窗开启情况。

2) 满员或接近满员时测试空调效果。非满员状态不能准确反映车身热负荷。

3) 炎热地区可采用深色玻璃及遮阳帘以减小玻璃热负荷。

在客车设计中，有等级要求时需合规性验算[4]。另外，目前市场上供应的大部分空调机的标定制冷量有一定的商业余量，或标定工况有所放宽，实际选型中应加以注意。

3 结束语

本文介绍了以Excel电子表格形式计算客车空调制冷量的计算方法，并详细给出了计算所需的参数及其取值和计算公式，其中部分参数值为笔者采用多种算法计算比较后得出的建议值。同时该计算方法可直接计算湿空气状态参数、当地太阳辐射强度，无需再单独查询，大大提高了计算效率。经实例验证，此法可准确、简便、快速地计算客车空调制冷量，适合企业编制成规范的计算模板，输出标准的客车产品开发空调制冷量计算书。

参考文献：

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[2] 郑淳允.汽车空调制冷量的计算方法[J].汽车工程学报，2003(1)：31-33.

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[4] 交通运输部道路运输司.营运客车类型划分及等级评定:JT/T 325-2013[S].北京：人民交通出版社,2013:1-10.

[5] 陈孟湘.汽车空调:第2版[M].上海：上海交通大学出版社，2001:71-92.

[6] 徐茂林, 贺新,童朝阳.基于VB程序的客车空调系统制冷量计算方法:中国客车行业发展论坛2010年中国客车学术年会论文集[C].西安：陕西科学技术出版社，2010:137-141.

[7] 赵荣义，范存养，薛殿华，等.空气调节：第3版[M].北京：中国建筑工业出版社，1994：17-19.

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[9] 卢春萍，冀凯，王发.太阳辐射计算与模拟[J].科技风，2015(24)：62.