夏季汽车启动初期开窗行驶通风降温的试验研究

闫俊霞 强天伟 任永花 崔明浩 吕旭光



夏季汽车启动初期开窗行驶通风降温的试验研究

闫俊霞1强天伟1任永花2崔明浩1吕旭光1

（1.西安工程大学环境与化学工程学院 西安 710048；2.西安工程大学纺织学院 西安 710048）

如今汽车已经越来越多，炎热的夏季，太阳下停放的汽车在20 min左右车室内温度就达到50 ℃以上，这使进入车室内的人们感到极不舒服。通过试验测得，启动初期时9种不同开窗方式下，车室内12个测点的降温情况，从而得出启动初期使车室内空气降温最快的最佳开窗方式。

汽车；自然通风；降温；开窗方式

0 引言

夏季炎热的环境下，在室外无遮阳的地方停车会导致汽车车室内温度迅速升高，当车辆暴露于阳光下停放时，由于夏季强烈的太阳辐射、车身表面聚集热量的传导以及车厢温室作用等因素，导致车内温度迅速升高，形成车内温度比车外环境温度高出很多的高温“孤岛”，这种现象叫做驻车高温现象[1]。夏季汽车停在室外，受强烈阳光的照射，车室温度迅速升高，据估计，车内温度可达65 ℃以上[2]。当人们再次进入车内后，车室内的高温会使人感到极不舒服甚至难以忍受。

龙恩深和王勇在实验的基础上得出了汽车在停—启时车内空气温度变化的理论分析模型，得到了车内气温随时间变化的分析解[3]；兰凤崇等人通过数值仿真及试验方式研究了自然暴晒下汽车乘员舱内的温度场[4]；海马轿车有限公司的乔宗亚等人通过实际测试研究夏季用汽车开启空调和开启车窗对车辆的燃油经济性的影响，得出车辆低速（90 km/h以下）行驶的时候，开车窗通风降温要远比开启空调节油[5]。

研究表明，汽车车室内的胶粘剂、化纤布垫、皮革油等会释放出TVOC，VOC有害物质。随着气温的升高，有害物质浓度会急剧升高，尤其在夏天，如果汽车在阳光暴晒1个小时以上，车内的有毒分子会异常活跃，污染物就会成倍增多[6]。研究还表明约30%的汽车燃油消耗与车内热环境有关，在美国大约为26亿升燃料，相当于美国进口原油的9.5%，用于汽车空调系统[7]。此外，暴晒后的汽车，若立即打开空调，将对发动机和三元催化器有不同程度的损伤，也会造成空调系统很大的热负荷[8]。

针对以上问题，我们需要做的工作，第一是降低汽车的高能耗问题，尤其是降低汽车空调能耗问题；第二是使夏季在室外暴晒过的汽车在启动后快速、安全地降到人们能接受的温度。

本文采用试验研究的方法，研究了夏季汽车驻车闷晒升温后，启动初期开启车窗时驾驶舱内的温度场，以及通过哪种开窗方式进行自然通风降温的效果最好。

1 试验方案

车室内温度场测定的试验方法，车窗的不同开启方式分9种情况，如表1所示，在确定测点位置时详细的考虑了人体的结构尺寸。人体较为敏感的部位主要有人的头部、腹部和脚部，在这三个部位布置测点就可以比较全面的反映出人体的舒适性。

表1 车窗的不同开启方式

1.1 试验测点布置

目前对于汽车车室内自然通风降温时的温度场的测试，还没有一套完整的试验方法和试验标准，所以参照国家标准GB/T 12782-1991《汽车采暖性能试验方法》。根据标准，需要在驾驶员、副驾驶员的乘坐位置以及最后一排座椅的最外侧两个乘员乘坐位置布置相应的测点。测点位置选定距汽车内壁100 mm，足部测点距地板上表面20 mm、距头部测点508 mm，头部测点在座椅上方635 mm、水平方向距头枕内侧250 mm，其他测点位置可根据试验的实际情况自行确定。每个座椅位置上设置三个测点，分别对应乘员的面部、腹部和脚部。测点的具体位置如图1所示。

图1 测点具体位置

对车室内的座椅进行编号，如表2所示。

表2 测点编号表

1.2 试验测量仪器

试验测量仪器如图2所示。

图2 testo 175H1型温湿度自记仪

1.3 测定汽车车室内测点温度的试验步骤

测试地点在西安，当天室外平均温度为38 ℃，平均风速为0.8 m/s，试验所用汽车车型为上汽大众朗逸1.6 L自动风尚版。测定汽车车室内测点温度的试验步骤如下：

（1）布置测点，把试验设备固定在汽车车室内测点位置（如图3）；

（2）将试验所用汽车停放在没有任何遮挡、比较空旷的地方暴晒至50 ℃左右；

（3）打开车门，人进入车内，关闭车门，打开车窗，立即启动车辆，查看车内测点此时温度，并记录此时的时间；

（4）车速保持40 km/h匀速行驶，查看测点的温度，行驶5 min，汽车停止；

（5）重复上述步骤，每次开窗方式不同；

（6）导出仪器中的试验数据并整理。

（1）头部测点仪器布置图

（2）腹部测点仪器布置图

（3）脚部测点仪器布置图

2 实测结果与分析

2.1 实测数据的无量纲处理介绍

由于各种外界环境和人为因素的影响，几乎不可能做到每种开窗方式下测试的测点初始温度一模一样，这样会影响到实测数据的分析结果。考虑到这个问题，本次实测数据需要采用无量纲温度进行分析，统一衡量标准，以便进行更加公正准确的实测数据分析。

具体的操作如下：

（1）按照公式（1），将测试时间段内每一时刻测试车室内测点的平均温度T求出来。

式中，T为时刻测试车室内测点的平均温度，℃；1i为时刻测试车室内测点1的实际温度，℃；2i为时刻测试车室内测点2的实际温度，℃；12i为时刻测试车室内测点12的实际温度，℃。

（2）按照公式（2），求出测试时间段内每一时刻车室内测点的无量纲温度T。

式中，T为时刻测试车内测点的无量纲温度；0为0时刻测点车内测点的平均温度，℃。

2.2 不同开窗方式下的实测数据分析

2.2.1 不同测点在同一开窗方式下的数据分析

经过试验测得12个测点在9种不同开窗方式下的降温效果，因开窗方式较多，本文以方式5和方式9为例来说明，如图4和图5所示。

图4 开启对角两窗（前左后右）时的降温效果

图5 车窗全开时的降温效果

由图4和图5可以看出驾驶舱内测点温度随汽车行驶时间增加而降低，前150 s测点温度都降低的很快，这主要是由于驾驶舱内外空气温度相差比较大，驾驶舱内热量损失速率比较快；此后，由于驾驶舱内外空气温差变小，驾驶舱内热量损失速率变小，测点温度降低速率变慢，到250 s时基本达到稳定状态，此时头部和腹部测点温度为43 ℃左右，脚部测点温度为45 ℃左右。研究还发现，驾驶舱内空气温度很不均匀，由于太阳光能透过前挡风玻璃照射进驾驶舱内，导致前排座椅附近空气温度高于后排座椅附近空气温度；此外，由于阳光照射到汽车顶盖上，导致驾驶室内头部测点空气温度高于腹部测点空气温度，高于脚部测点空气温度。

2.2.2 同一测点在不同开窗方式下的数据分析

经过测试得到9种不同开窗方式下的测点温度随时间降低的情况，本文以主驾驶的头部、腹部和脚部，即测点1、2、3为例来说明，并对测试数据运用上述公式（2）进行无量纲处理，如图6、图7、图8所示。

（1）测点1实际降温效果

（2）测点1无量纲降温效果

图6 测点1的降温效果图

Fig.6 The cooling effect diagram of measuring point 1

（1）测点2实际降温效果

（2）测点2无量纲降温效果

图7 测点2的降温效果图

Fig.7 The cooling effect diagram of measuring point 2

（1）测点3实际降温效果

（2）测点3无量纲降温效果

图8 测点3的降温效果图

Fig.8 The cooling effect diagram of measuring point 3

在汽车启动后前五分钟内，由图6可知，主驾驶的头部测点在只关闭右前窗（方式7）的开窗方式下降温效果最好，其次，在车窗全开（方式9）时，也能达到很好的降温效果；由图7可知，主驾驶的腹部测点在对角开窗（方式5）下降温效果达到最好；图8可以看出，开两侧前窗（方式3），只关闭右侧前窗（方式7）或者车窗全开（方式9），降温效果才达到最好。由图6～8可知，开窗方式不同，气流的扰动不同，驾驶舱内的测点降温情况就不同，所有的测点并不是在同一种开窗方式下降温效果最好。总体来说，开两侧前窗（方式3），对角开窗（方式5），只关闭一侧前窗（方式7），和车窗全开（方式9）等四种开窗方式下，驾驶舱内测点降温效果最好。

2.2.3 所有测点在不同开窗方式下的数据分析

若车内前后四个座位上都有人，也就是说要考虑车内所有测点的温度时，经过公式（1）和公式（2）对驾驶室内所有测点测试数据进行无量纲处理，如图9所示；若车内只有主驾驶位置有人，也就是只考虑主驾驶位置的空气温度时，降温情况如图10所示。

（1）所有测点实际降温效果

（2）所有测点无量纲降温效果

图9 所有测点的降温效果图

Fig.9 The cooling effect diagram of all measuring point

（1）主驾驶位置测点实际降温效果

（2）主驾驶位置测点无量纲降温效果

图10 主驾驶位置测点的降温效果图

Fig.10 The cooling effect diagram of the main driving position

由图9、图10可以看出，在汽车刚启动的前160 s内，由于大量空气涌入车内，车内空气温度降低较快，之后随着时间的推移，车内空气温度降低的速率相对有所减慢。另外，由图9可知，车窗全开（方式9）的情况下，车室内空气温度降低最快，此种开窗方式下的降温效果最好；其次，在只关闭一侧前窗（方式7），只关闭一侧后窗（方式8），对角开窗（方式5）或者开两侧前窗（方式3）的情况下，车室内空气温度降低速率也相对较快。由图10可知，在开启对角两窗（前左后右）（方式5）的情况下，主驾驶位置降温最快；另外，在只关闭单侧前右窗（方式7），开两侧前窗（方式3）或者车窗全开（方式9）的情况下，主驾驶位置温度降低速率也相对较快。

3 结论

通过试验测试得到了汽车驾驶舱内的空气温度场的分布，对9种不同开窗方式进行对比，得到结论：夏季汽车驻车闷晒升温后，汽车启动初期行驶时，若车内四个位置都有人，则车窗全部打开是使车内空气降温最快的最佳开窗方式；若车内只有主驾驶座位有人，则只开左前窗和后右窗是使车内主驾驶位置空气降温最快的最佳开窗方式。

[1] 周庆伟,冯奇.太阳能驻车通风技术应用综述[J].上海汽车,2013,(1):45-49.

[2] 孙淑凤.汽车空调系统降温性能的模拟计算[J].低温与超导,2000,28(2):36-40.

[3] 龙恩深,王勇.空调汽车停—启时车内温变特性的理论分析与实验检验[J].重庆建筑大学学报,2003,25(6): 83-88.

[4] 兰凤崇,魏文,郭巧嫣,等.汽车乘员舱内温度场的数值仿真及试验研究[J].湖南大学学报（自然科学版）,2015,42(10):23-30.

[5] 乔宗亚,贾玉斌,张海鹏,等.夏季用车开空调和开车窗对燃油经济性的影响及关系[C].第十届河南省汽车工程科学技术研讨会论文集,2014:386-388.

[6] CROITORU C，NASTASE I，BODE F，et al. Thermal comfort models for indoor spaces and vehicles-Current capabilities and future perspectives[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2015,44(4):304-318.

[7] 渝新.汽车暴晒1小时有害物质翻倍[J].汽车研究与开发,2004,(6):15.

[8] 暴晒后汽车空调如何快速制冷[J].中国西部科技,2005,(15):54.

Experimental Study on Ventilation and Cooling in the Initial Opening of Car Windows in Summer

Yan Junxia1Qiang Tianwei1Ren Yonghua2Cui Minghao1Lü Xuguang1

( 1.Xi' an Polytechnic University, School of environmental and chemical engineering, Xi'an, 710048;2.Xi'an Polytechnic University Textile College, Xi'an, 710048 )

There is a number of car in China today, and it is increasing fast. In summer, the temperature inside the car is reached 50 ℃or more in the sun's exposure in 20 min, which make people feel much uncomfortable. Through the nine different windowing mode to test about that 12 points temperature inside the car in the initial opening, the car air cooling the fastest way to open the window.

car; natural ventilation; cooling; opening windows

1671-6612（2018）04-451-06

TU834.1/U463.85

B

闫俊霞（1989-），女，在读硕士研究生，E-mail：1129328664@qq.com

强天伟（1970-），男，博士，教授，E-mail：254599797@qq.com

2017-08-29