某型电动客车热负荷分析＊

2019-09-21涂显齐刘祯张祎楠余翼

汽车实用技术 2019年17期

涂显齐，刘祯，张祎楠，余翼

（1.纯电动汽车动力系统设计与测试湖北省重点实验室，湖北襄阳 441053； 2.湖北文理学院汽车与交通工程学院，湖北襄阳 441053）

前言

汽车空调总成作为一个重要总成，其匹配性能将决定舒适性、环保性、节能性、轻量化等诸多性能。

客车空调系统的安装，不仅能够提高乘客乘坐的舒适性，同时还可以使司机在空调环境中保持清醒的头脑，提高工作效率，能在很大程度上减少疲劳和车祸的发生。客车空有制冷和制热两种功能。在夏季，空调制系统排除车厢内余热、余湿，达到制冷目的；在冬天主要利用发动机冷却水的余热来来实现制热。

汽车车厢与外界环境热交换通过导热、对流和辐射三种方式进行。由于汽车外部环境的不断变化，汽车的运动状态也在不断地发生变化，车体与外界相互之间的热传递处于不稳定状态，车室热负荷的计算变得困难。本文采用了稳态传热法的热负荷计算方法，在外界条件一定的情况下，稳态下的车内热负荷计算条件相对简单，可以作为理想的热负荷计算模型，按此模型计算所得热负荷理论上应与空调系统制冷量相当，并对结果进行分析比较。

1 客车热负荷

1.1 车身热负荷来源

由于车辆的使用环境和条件复杂多变，所以车内的热负荷来源很多。

（1）玻璃传入的热负荷：夏季车身热负荷是由于车外温度高于车内，加上太阳辐射的作用，会有大量热量通过车窗玻璃传入车内。同时内外温差也会造成热量透过玻璃从车外传入车内。

（2）车身维护结构的热负荷：阳光辐射及外界的高温环境会升高车辆维护结构的温度，所以也会有大量的热量通过车辆维护结构传入车内。

（3）新风热负荷：车厢密封性不好，造成车内的冷空气泄露，外界空气通过门窗及地板缝隙进入车内；同时相对密闭的车内环境也需要外界的新鲜空气来稀释成员呼吸产生的二氧化碳，通过空调系统的外循环进入车内的新鲜空气也会带来热量。

（4）发动机舱的热负荷：发动机长的温度远高于车内温度，也会有发动机舱的温度传入车内，而且线束、管路等在前隔板上的通过孔也会增大传热量。

（5）车内成员的热负荷：人体发出的汗热和湿热也会使得车内温度升高。

（6）车内电器设备的热负荷：车内的电器比如风机、音响、电阻、继电器等在工作时也会产生热量。

2 客车热负荷相关基本参数

2.1 车内外空调设定参数选择

在进行电动客车的稳态热负荷计算时，根据客车的实际工作环境情况，我们预先设定了各基本计算参数，如表1 所示：

表1 计算设定参数表

2.2 车身材料参数汇总

根据稳态传热法计算此客车的热负荷时，我们需要该客车的各部分的面积、厚度以及组成材料，故由主机厂提供的相关信息，统计如表2 所示：

表2 相关车身材料参数（主机厂提供）

3 客车热负荷的稳态算法简介

3.1 客车制冷热负荷的计算

汽车空调总热负荷[1]由式（1）得到：

式中，Q 表示制冷机产生的热量，Qe汽车空调总热负荷，QB表示通过车体围护结构传入车厢的热负荷，QG通过各种玻璃表面以对流方式进入车厢的热负荷，QBi表示通过各种玻璃表面以辐射方式直接进入车厢的热负荷，QV表示新风和门缝隙造成的热负荷，QP表示乘员散发的热负荷，QM表示汽车发动机舱传入的热量，QE表示用电设备风机等散热量。

汽车空调制冷量由式（2）得到：

式中，α1表示空调热负荷计算修正系数，一般取为1-1.2。

3.2 车身维护结构传入的热量

（1）车身壁面传热系数K 的计算

传热系数K 与车身内、外表面传热系数及隔热层的热阻有关。由于车身各壁面的条件不同，所以车身各壁面的传热系数K 是不同的。要分别计算各部分的传热系数K。

对于顶盖、侧围、底板、前围的传热系数计算式[1]由式（3）得到：

式中，αoutside表示外表面放热系数，与表面相对气流速度有关，αinside表示内表面放热系数，在汽车开空调状态；δi表示隔热材料厚度（m），λi表示隔热材料传热系数W/(m.K)，表示隔热材料的导热热阻之和，单位为W/(M2.K)。据经验值，当车速V=40km/h，可取αoutside≈146W/(M2.K)， αinside≈60W/(m2.K)。

（2）日照表面综合温度Tz的计算

由式（4）得到：

车底日照表面综合温度Tz由式（5）得到：

式中，TH表示车外气温，ρ——车身外表面对太阳辐射的吸收比，与车身颜色、粗糙度及使用状况有关，I——车身外表面接受太阳的总辐射强度，包括直射强度Id和散射强度Is，Is=35～47(W.m2)。

（3）车身围护结构的热负荷计算

车身围护结构包括顶盖、侧围、车厢底板、前围和尾门（汽车后备箱部分），其热负荷由式（6）计算得到。

其中α2是修正系数，取值1.2-1.4。

顶盖、侧围、底板、前围和尾门的计算公式[2]由式（7）得到：

式中，Qi分别表示顶盖、侧围、车厢底板、前围和尾门的传热量，单位为W；Ki分别表示顶盖、侧围、车厢底板、前围和尾门的传热系数，单位为W/(M2.K)；Fi分别表示顶盖、侧围、车厢底板、前围和尾门的传热面积，单位为m2；TZ表示综合温度，单位为℃；TB表示车内空气温度，单位为℃。

3.3 通过门窗玻璃传入的热量

太阳辐射时，通过门窗玻璃传入的热量由两部分组成：车内外温差以对流方式而传入的QG和太阳辐射通过玻璃传入的热量[3]QBi。

（1）车窗的太阳辐射量J 由式（8）得到：

（2）通过各玻璃以对流方式进入车厢的热负荷QG由式（9）得到：

（3）通过玻璃表面以辐射方式直接进入车厢的热负荷QBi由式（10）得到：

（4）综上，通过玻璃传入车厢的热负荷由式（11）得到：

式中，τ 表示太阳辐射通过玻璃的透射比，一般取τ=0.84；ρ 表示玻璃对太阳辐射热吸收比，ρ=0.08；C 表示遮阳修正系数，取C=0.97；I 表示车窗外表面的太阳辐射强度，取最大值I=270W.m2；IS表示车窗外表面的散射辐射强度，取IS=35～47(W.m2)；J 表示车窗的太阳辐射量；F阳面玻璃表示阳面车窗面积，按照最大计算，取右侧、门和前挡风玻璃之和；F玻璃表示车窗总面积；K玻璃表示玻璃的传热系数，取K玻璃=6.38W/(m2.K)；αinside表示内表面放热系数，在汽车开空调状态；αoutside表示外表面放热系数，与表面相对气流速度有关。

3.4 新风量与新风负荷

新风的传入有两个途径：门窗缝隙和新风系统。

按照人体卫生要求，一般每位成员所需要的新风标准为10～30m3/(h.λ)，新风量越大，越有利于改善车内环境，但是会增大车内的热负荷。

参考工业采暖、通风和空调规范，在无窗无缝全密封的空间中，需供应每人每小时新鲜空气30m3以上。由于汽车条件限制，新风量标准不得不降低。对于大客车空调而言，新风量下限甚至接近10m3/(λ.h)。

在车、窗等密封位置会产生漏风现象，漏风会带走一部分空气，同时外界的新风会补充进车内，成为车内的热负荷来源。

（1）车外新风带入的热量由式（12）得到：

（2）漏入空气带入热量由式（13）得到：

（3）新风负荷QV由式（14）得到：

式中，N 表示车内乘员数，V 表示按人体卫生标准，每人每小时需要的新风量(m3/h.λ)，ρ 表示空气密度（kg/m3），houeside表示车外空气比焓值[4](J/kg)，hinside表示车内空气比焓值[4](J/kg)，V'表示漏风量（m3/h.m），门缝宽度为1.5mm 时漏风量为10m3/h.m，L 表示车门、车窗缝隙长度（m）。针对客车系统，当tH=35℃时，相对湿度φ=60%，houeside=98(KJ/kg)；当tB=26℃时，相对湿度φ=58%，houeside=54.5(KJ/kg)；当室外温度为35℃，ρ=1.146kg/m3；当室外温度为40℃，ρ=1.128 kg/m3。