辐射制冷对汽车热舒适性和能耗影响研究

2021-07-14费键丽吕银燕袁锦超徐静涛

节能技术 2021年3期

费键丽，杨剑，吕银燕，袁锦超，徐静涛

(1.华中科技大学能源与动力工程学院，湖北武汉 430074;2.宁波瑞凌新能源材料研究院有限公司，浙江奉化 315500)

0 引言

随着经济的高速发展，人们生活水平的日益提高，汽车成为现代社会生活中必不可少的一部分，同时也造成能源危机、环境污染等问题。夏季空调的使用降低了客舱内温度，有效提升人体热舒适感[1-4]，但加剧了传统汽车的化石能源消耗和环境污染。推广新型清洁能源汽车，可降低二氧化碳排放。其中，纯电动汽车已逐步进入民用市场，但目前各类电池能量密度较低，仍然普遍存在续航里程短等严重缺点，成为市场推广的痛点。夏季空调系统的使用会额外增加电池能耗，降低纯电动汽车的行驶里程。根据美国国家可再生能源实验室(NREL)的研究，传统的空调负载可以使纯电动汽车的行驶里程降低近40%[5]，更进一步加剧了人们对电动汽车行驶里程的担忧。如何在热舒适的前提下降低汽车空调系统的能耗，是提高纯电动汽车行驶里程的重要途径。

针对这一问题，除了电池材料本身的需要提升，在工程应用方面目前主要有三种解决途径：一，针对电池功率进行管理分配。Michael A.Roscher[6]等人提出根据驱动情况，通过自适应控制HVAC电源输入，可降低运行过程中的电力损耗。结果表明，该方法在不增加硬件工作量的情况下，节省能源，使行驶里程增加1%以上。Shankar Narayanan和Xiansen Li[7]等人开发了一种基于吸附的热电池(ATB)，它能够储存热能，仅需要很少的电力供应，就能提供加热和冷却。刘永涛[8]等人从再生制动角度，针对两档式纯电动汽车提出结合档位选择的串联式再生制动控制策略，当汽车需要制动减速时，通过功率变换器为蓄电池充电，实现制动能量回收，进而延长电动车行驶里程。二，客舱预处理。Kiran Kambly和Thomas H.Bradley[9]的仿真模拟发现大量的空调耗能被用于使客舱温度恢复到热舒适区域，并得到结论：对客舱进行预处理后的电动汽车的最大行驶里程可提高8.75%。但舱室预处理是在汽车充电时使车内空间达到热舒适的要求，因此该方式使用受到一定限制。三，通过改变汽车结构材料光学性质减少得热。V.Souliosa和R.C.G.M.Loonenb[10]等人提出了三种措施，分别是：采用光谱选择性玻璃、使用高太阳反射不透明表面、采用可移动遮阳板覆盖挡风玻璃。结果表明，采用光谱选择性玻璃可以降低舱室空气温度12.5 ℃，与太阳能反射不透明表面结合使用，舱内空气温度降低可达23.8 ℃。

近两年，辐射制冷技术在材料方面的突破引起广泛的关注[11-12]。将辐射制冷技术与汽车结合，不仅可以降低客舱初始温度，还可有效降低汽车在运行过程中的得热，减少空调能耗。辐射制冷技术的原理是利用地球(27 ℃)和宇宙(-270 ℃)的巨大温差，通过大气窗口(大气层对红外辐射透过率较高的光谱波段，例如8～13 μm)向外太空发射热红外辐射，从而实现制冷。和空调相比，它不需要消耗额外其他能量，可以用于建筑、车辆、太阳能电池和发电厂等的降温[11]。用于辐射制冷的理想材料，光学特性是在大气窗口波段有类似黑体的高发射率，而在其他波段，具有非常高的反射率，具体辐射特性见图1[12]。

图1 理想选择性表面的辐射特性

图1中，左边阴影区域表示AM1.5太阳辐射光谱，右边阴影区域表示7～26 μm波段的大气透射光谱[13]，黑色曲线表示理想材料在0.3～26 μm波段的发射率。其在太阳波段的发射率为0，即吸收率为0，表示不吸收太阳光的热量；其在大气窗口波段的发射率为1，表示向外辐射的热量多，因此能够达到很好的制冷效果。自然材料很难具有这种光学特性，需要通过材料工程技术对物体表面进行处理。2017年，杨荣贵、尹晓波、谭刚团队发明了一种由有机高分子材料和功能无机材料复合而成的辐射制冷超材料薄膜，在具有高效辐射制冷效能的同时可实现大规模商业化生产。这项研究成果于2017年发表在《Science》后，引起了全球的广泛关注[14]。这种辐射制冷薄膜的具体辐射特性见图2。它具有96%的太阳能反射率，在8～13 μm间具有93%的红外发射率。这种反射型薄膜呈银色，可直接粘贴于不需要采光的结构外表面，如建筑屋顶、汽车表面等。此外，杨荣贵、尹晓波、谭刚团队发明了一种透射型薄膜，可直接粘贴于需要采光的结构外表面，如各类建筑物玻璃，具有93%的红外发射率。

图2 辐射制冷膜的辐射特性

本文研究提出将辐射制冷技术应用到纯电动汽车上，改善汽车室内的热舒适性，降低汽车电池用于空调系统的能耗，提高汽车行驶里程。以比亚迪E6这款纯电动汽车为研究对象，将辐射制冷薄膜贴到汽车各个外表面上，在车顶，车体(包括车门和后围板)等不透光区域贴附反射型薄膜；在前挡风玻璃、侧面玻璃和后挡风玻璃等透光区域贴附透射型薄膜。运用能耗分析软件EnergyPlus对应用辐射制冷技术前后汽车内空气的平均温度、空调系统制冷量、以及在Fanger模型下车内的热舒适性指标：预测平均投票数PMV(Predicted Mean Vote)、不满意者百分数PPD(Predicted Percentage of Dissatisfied)进行数值模拟。通过分析比较模拟数据，验证在纯电动汽车上运用辐射制冷技术对客舱内环境的改善，驾乘人员舒适性的提升，同时获得对空调系统能耗的降低，和行驶里程的提升。

1 模型与研究方法

本文首先研究了汽车不贴膜和汽车各表面全贴膜这两种基础工况。汽车各表面全贴膜表示车顶、车体贴反射膜，前挡风玻璃、侧面玻璃和后挡风玻璃贴透射膜。然后再针对各表面进行敏感性分析，探究汽车各表面的降温效益和能耗节省效益。研究仅前挡风玻璃不贴膜、仅后挡风玻璃不贴膜、仅侧面玻璃不贴膜、仅车顶不贴膜、仅车体不贴膜这5种工况。运用能耗分析软件EnergyPlus对七种工况分别进行数值模拟。

EnergyPlus利用有限差分模型计算动态传热和储存效应，并根据有关对流和辐射效应的热平衡原理运行，以计算每个时间步长节点所对应的表面温度，其内部节点的隐式公式如下：

式中Cp——材料的比热容;

ρ——材料密度;

Δx——有限差分层厚度;

Δt——计算时间步长;

T——节点温度;

i——待计算目标节点;

j——时间步长;

kW——节点i和i+1界面之间材料的导热系数;

kE——节点i和i-1界面之间材料的导热系数。

EnergyPlus已广泛应用于建筑领域，V.Soulios和R.C.G.M.Loonen[10]等人的实验证实了它也能够对汽车驾乘空间内空气的温度、空调系统的能耗等参数进行准确的估算。

1.1 几何模型

这次研究针对比亚迪E6展开，构建E6驾乘空间的过程综合运用了CAD 2018三维建模和SketchUp。由于汽车车身和内部结构复杂，进行了适当的简化。去掉汽车外形上圆角、倒角等一些细小特征[15]，用直线或圆弧代替汽车流线型。对于汽车内部空间结构，去掉了方向盘等一些对室内空间流场影响较小的设施，由于模拟背景是仅有一名驾驶人员坐在汽车内，因此忽略人员所占空间。图3显示了建立好的E6内部空间模型，内部空间设施包含前排左右分开的两个座椅、后排的长椅以及前排的中央扶手。模型边界由各表面构成，包含车身壁面和汽车玻璃。车身壁面主要有：机舱前壁，车顶，后围壁，车底、侧围壁。而E6汽车玻璃由前挡风玻璃、后挡风玻璃和左右两侧玻璃构成，不含有天窗。

图3 比亚迪E6几何模型

由于EnergyPlus只能对热工区域中的模型进行数值模拟，因此需要将前面建立好的汽车模型导入到SketchUp里面，使用添加thermal zone命令，定义汽车各边界类型。图4显示了热工区域中的比亚迪E6模型。顶部非透明区域表示汽车顶部，侧面非透明区域表示汽车壁面，透明区域表示汽车窗户。

图4 热工区域中比亚迪E6模型

1.2 汽车材料

汽车各表面的材料分为两种类型：不透明的壁面和透明的玻璃。不透明的壁面根据VSOLE模型，定义为均匀的各向同性材料，可以通过插入逐层材料属性提高模型的精确程度。表1列出了各个不透明表面的材料参数，其中反射膜的性能参数由实验测得。

表1 汽车不透明壁面材料参数

透明的玻璃表面使用了EnergyPlus的内置开窗模型，该模型考虑了光谱和角度相关的光学特性。表2列出了汽车各玻璃的性能参数，各参数由实验测得。由于软件内玻璃的结构设置不允许插入逐层材料，因此将贴过透射膜的玻璃仍然设置为一块玻璃，仅改变各项性能参数。

表2 汽车玻璃参数

1.3 模拟地点

将深圳选为本次研究的地点，输入的具体位置是东经114.1°，北纬22.55°，东8区。车头朝南。

1.4 人体舒适度模拟

本文采用研究人体热舒适性常用的Fanger模型。该模型综合4个环境变量包括空气温度、空气流速、相对湿度、表面平均辐射温度和两个人为变量包括人体活动量、服装热阻。提出了两个预测热舒适性的指标，分别是PMV(Predicted Mean Vote)和PPD(Predicted Percentage of Dissatisfied)。其中PMV表明群体对热感觉投票的平均指数，其正值越大，人觉得越热；其负值越大，人觉得越冷。PPD表示群体对于环境热舒适不满意程度的百分比。模拟背景是汽车封闭停放，5位人员坐在汽车内感受刚进入车内的热冲击。设定每人的热量为116 W，炎热的夏季服装热阻一般为0.3 clo，由于车内人员坐立，人体和座椅的接触面积大，增加了服装热阻，因此设定为0.5 clo。车内空气流动是由车内各部分温差导致，空气流动速度很低，设定为0.05 m/s。

2 数值计算结果分析

2.1 车内空气平均温度比较

首先模拟全年，即1月1日～12月31日间，每小时车内空气的平均温度，然后选取不贴膜工况与全贴膜工况温差较大的时间段进行数据分析。结果表明，8月11日～8月17日时间段内不贴膜工况与全贴膜工况车内温差最大。图5给出了这个时间段内深圳的环境温度、太阳总辐照、未应用辐射制冷技术(即不贴膜)的汽车内空气平均温度、全贴膜的汽车内空气平均温度。

图5 不贴和全贴膜工况下汽车内空气平均温度比较

图5中，阴影区域表示太阳总辐照。根据图中显示，8月14日15:00，不贴膜的车内空气平均温度达到77.6 ℃；贴膜后的车内空气平均温度达到56.5 ℃。前后两者温度差为21.1 ℃，达到该时间段内温度差最大值。结合夏季气温，统计8月11日～8月17日每天10:00～16:00时间段，温度差平均值达到13.5 ℃。

在全贴工况基础上，为探究汽车各贴膜表面的降温效益，对各表面进行敏感性分析。研究仅前挡风玻璃不贴膜、仅后挡风玻璃不贴膜、仅侧面玻璃不贴膜、仅车顶不贴膜、仅车体不贴膜这5种工况温度变化。图6描述了8月11日～8月17日每天10:00～16:00时间段内，各工况下车内空气的温度。

图6 各工况下车内空气温度

从图6可以看出，单一部位不贴膜时车内温度降温效果远不如整车贴膜。这两者之间的温度差异，可以认为是这一部位贴膜的降温效益。例如：仅前挡风玻璃不贴工况与全贴膜工况的温度差反映了贴膜前挡风玻璃的降温效益。根据图6，可以得到贴透射膜的前挡风玻璃降温效益最好，使车内空气平均温度最高降低7.8 ℃，平均降低4.4 ℃。其次是贴反射膜的车体，使车内空气平均温度最高降低5.3 ℃，平均降低3.4 ℃。然后是贴透射膜的后挡风玻璃，使车内空气平均温度最高降低4.4 ℃，平均降低2.4 ℃。然后是贴透射膜的侧面玻璃，使车内空气平均温度最高降低3.4 ℃，平均降低2.0 ℃。最后是贴反射膜的车顶，使车内空气平均温度最高降低3.7 ℃，平均降低1.9 ℃。因此贴膜后的各表面降温效益为：前挡风玻璃>车体>后挡风玻璃>侧面玻璃>车顶。

表3 车表不同部位应用辐射制冷薄膜降温功效

2.2 车内空间热舒适性比较

选择温差最大的一天对不贴膜工况和全贴膜工况的热舒适性进行分析比较，即8月14日。图7描述了不贴膜工况和全贴膜工况下的PMV和PPD。

图7 不贴-全贴工况PMV/PPD

根据图7，可以得到上午7:00之前，人员对全贴膜工况下车内的热舒适程度不满意的比例大，因为此时环境温度较低，平均为25 ℃，但通常车内人员会选择穿上外套来满足热舒适度。8:00～10：00，相比于不贴膜工况，全贴膜工况下人员的热舒适感明显提升，不贴膜工况下的PPD平均值为92.3%，PMV平均值为4.9。全贴膜工况下的PPD平均值为66.8%，PMV平均值为2.2。人员满意度百分比提升了22.5%，PMV值降低了2.7。10:00～19:00，两种工况下人员的不满意百分比均为100%，但不贴膜工况下的PMV值约为全贴膜工况的2倍，即人员的热感程度相差很大。19:00～24:00，不贴膜工况下的PPD平均值为63.1%，PMV平均值为2.8。全贴膜工况下的PPD平均值为40.3%，PMV平均值为1.3。人员满意度百分比提升了22.8%，PMV值降低了1.5。综上，全贴膜工况下，人员的热舒适感增强，在开始进入汽车时受到的热冲击感减小。因此，在汽车上应用辐射制冷技术能够有效提升车内环境的热舒适性。

2.3 汽车空调系统能耗比较

当对空调系统制冷量进行数值计算时，需要在软件中设置空调系统，即HVAC系统。将车内空调的开放温度范围设置为20℃～26℃，即当汽车室内空气温度降低到20 ℃时，空调自动调整为制热状态；当室内空气温度升高到26℃时，空调自动调整为制冷状态。

模拟背景是汽车以40 km/h速度匀速朝南行驶，软件EnergyPlus默认研究对象为静止状态，因此考虑汽车和周围空气的相对运动，通过调整风速使汽车实现运动状态。选取温度最高的7月21日为模拟大环境，默认的风速和风向分别为3.4 m/s，220°，运用矢量运算，将设计日的风速和风向分别更改为9.3 m/s，106.26°。假设汽车在设计日行驶，行驶时间从上午10点到下午4点，全程6 h。

首先比较不贴膜工况和全贴膜工况的空调系统制冷量，将两种工况下11:00～16:00每小时汽车空调系统的制冷量放到一张图中，如图8所示。

图8 空调系统制冷量(不贴—全贴)

图8中，阴影区域表示7月21日11:00～16:00时间段内太阳辐照强度。根据图8，能够明显得到全贴膜工况下的空调系统制冷量比不贴膜工况低，两者曲线时间变化行为相似，空调系统制冷量均在11点达到最大值，分别为2.7 kWh和1.8 kWh。因为汽车从上午10点开始行驶，即从10点汽车空调开始运行，在第一个小时内需要将10点之前汽车内部空间储存的热量排出，使温度降低到设定的范围内，因此空调系统的制冷量较大。而后保持车内温度，因此空调系统的制冷量减少。不贴膜工况下汽车行驶6 h，每小时空调系统制冷量的平均值为2.2 kWh。而全贴膜工况下每小时空调系统制冷量的平均值为1.5 kWh，和前者相比，减少0.7 kWh。一般汽车空调系统的能效比为1.5～2，换算为耗电量，全贴膜工况节省了0.35～0.47 kWh。结合比亚迪E6这款车的电池容量为82 kWh，行驶里程为400 km，当以40 km/h匀速行驶时，平均每小时耗电约为8.2 kWh。因此全贴膜工况下空调系统能耗节省4.3%～5.7%。这个结果将有效提升电动车在开空调工况时的续航里程。

在不贴—全贴工况比较的基础上，继续探究汽车各贴膜表面对空调系统的能耗影响。研究仅前挡风玻璃不贴膜、仅后挡风玻璃不贴膜、仅侧面玻璃不贴膜、仅车顶不贴膜、仅车体不贴膜这5种工况的空调系统制冷量。图9描述了各工况下汽车空调系统的制冷量。

图9 各工况空调系统制冷量

各个工况与全贴膜工况的差值，表示各贴膜表面引起的空调系统制冷量减少量。根据图9，可以得出贴膜后的前挡风玻璃的制冷量减少最大，平均每小时减少0.28 kWh，一般汽车空调系统的能效比为1.5～2，因此换算成耗电量，大约节省0.14～0.19 kWh，节电百分比达到1.7%～2.3%。其次是贴透射膜的后挡风玻璃，空调系统制冷量平均每小时减少0.13 kWh，换算成耗电量，大约节省0.07～0.09 kWh，节电百分比达到0.9%～1.1%。然后是贴反射膜的车体，空调系统制冷量平均每小时减少0.12 kWh，换算成耗电量，大约节省0.06～0.08 kWh，节电百分比达到0.7%～1.0%。然后是贴透射膜的侧面玻璃，空调系统制冷量平均每小时减少0.09 kWh，换算成耗电量，大约节省0.05～0.06 kWh，节电百分比达到0.6%～0.7%。最后是贴反射膜的车顶，空调系统制冷量平均每小时减少0.08 kWh，换算成耗电量，大约节省0.04～0.05 kWh，节电百分比达到0.5%～0.6%。因此，各贴膜表面的总能耗节省程度为：前挡风玻璃>后挡风玻璃>车体>侧面玻璃>车顶，表4列出汽车表面不同部位应用辐射制冷薄膜后对空调系统能耗的影响。

表4 车表各部位应用辐射制冷技术对平均空调能耗影响

和前述研究降温效益一样，为了更加了解各贴膜表面自身的能耗节省程度，进一步研究各贴膜表面单位面积引起的能耗节省效益。图10描述了贴膜后各表面单位面积引起的制冷量减少量。

图10 各表面单位面积引起的制冷量减少量

根据图10，能够较清晰的看出贴膜后单位面积各表面引起的空调系统制冷量减少量的顺序为：前挡风玻璃>后挡风玻璃>侧面玻璃>车顶>车体。其中，贴膜后单位面积前挡风玻璃引起制冷量平均每小时减少0.20 kWh，换算成耗电量，大约节省0.10～0.13 kWh，节电百分比达到1.2%～1.6%。和前述各贴膜表面的总能耗节省效益比较，仍然是车体的顺序变化较大。

综合上述对各贴膜表面降温效益和能耗节省效益的研究，证明了在纯电动汽车上应用辐射制冷技术能够有效改善汽车内部空间的热舒适性，降低汽车空调系统的能耗，继而提高汽车的行驶里程。