纯电动汽车个性化采暖的数值模拟研究

2021-07-28范华玉赵敬德邹越

建筑热能通风空调 2021年6期

范华玉赵敬德邹越

东华大学环境科学与工程学院

纯电动汽车在冬季采用传统的空调系统供暖会使电动汽车的续航里程下降20.1%～56.4%[1]。研究发现，个性化供暖系统可以有效地解决这个问题[2-4]。相较于传统汽车空调是对整个车内空间加热，个性化采暖是针对人体热敏感部位进行供暖，主要包括局部空气喷射、天花板辐射、局部通风、座椅加热、脚部、腿部和膝盖加热等[5]。Arens[6]通过实验指出在非均匀的寒冷环境下，脚部和手部相对于其他身体部位温度最低。Zhang 等人[7]通过实验得出冬季使用脚部加热器可以显著的降低人体的冷感觉并可以降低了35%～78%的能量。本文为了解决纯电动汽车因冬季采暖导致其续航里程降低的问题，通过计算流体力学研究纯电动汽车内分区加热的采暖方式（主要针对人体下半部分的加热）的可行性和经济性，为今后纯电动汽车内采用个性化采暖提供了新思路。

1 汽车仿真模型的建立

1.1 汽车仿真模型的建立

该个性化采暖方案是将车内空间分隔为两部分，将人体易冷的下半身放在被加热的小空间里，人体相对耐冷的上半身利用小空间里产生的热空气以自然对流的形式加热，而车内其它空间，则可以保持相对较低的温度，这并不影响驾乘人员的热感觉。考虑到汽车实际模型较为复杂，故在建模过程中对汽车模型内部的细微构造（方向盘、仪表台等）进行了简化处理，建模效果图如图1 所示。仿真模型中有两个位于汽车前侧的用来加热新风和除霜的进风口，和两个位于汽车后挡风玻璃底侧的出风口。以简化的假人模型代替精细的真人坐在驾驶座位置，同时假人脚底放置一加热垫作为热源，假人模型的腰部位置设置隔板，将假人的下肢封闭在仪表盘，车门和隔板形成的小空间内，加热垫加热假人脚底以及周围空气，空气以自然对流的形式，在小空间内上升。隔板两侧布有风口，且与假人之间留有一定的缝隙，热空气沿缝隙紧贴假人上身表面上升进入车内空间。接着对汽车模型选取合适的尺寸进行网格划分，并对进出风口，加热垫和人体表面进行网格加密，最后生成约169 万个网格。

图1 乘员舱模型

1.2 数学模型的选择和边界条件设置

本文利用CFD 技术来模拟汽车内部温度场和速度场的分布情况，乘员舱内部空气流动是一个较为复杂的三维湍流流动过程，故采用三维不可压缩N-S 方程和RNG k-ε 湍流模型，选择SIMPLE 算法，离散化方法采用有限体积法，压力项采用标准离散法，其他项均采用二阶迎风格式。松弛因子采用fluent 软件默认值。边界条件类型如表1 所示：

表1 边界条件设置

2 模拟结果分析

本文探究的是在加热垫功率和车身围护结构温度不变的情况下，不同的进风温度对乘员舱内热环境和驾乘人员热舒适的影响。为了更直观的观察车舱内部的温度场和速度场，分别选取Y=0.145 m、X=0.8 m处作为断面进行分析，实验工况图如表2 所示。

表2 实验工况

2.1 进风温度对车内温度场的影响

图2 显示的是在不同进风温度下车内Y=0.145 m、X=0.86 m 处截面的温度云图。加热垫的表面温度随着进风温度增加而上升，在进风温度从289 K增加到293 K 时，加热垫的表面温度从325 K 增加至330 K，可以得出加热垫表面温度不仅与自身加热功率相关，也和周围空气温度有关系。人体脚部和腿部温度在进风温度289 K 时为293 K 和292 K，随着进风温度的增加在293 K 时达到293 K 和298 K。人体上半部分周围空气温度也从290 K 增加至293 K。

图2 不同送风温度下Y=0.145 m和X=0.86 m 截面处温度云图

2.2 人体热舒适性分析

当量温度是指是指在一个相对湿度为50%的理想空间环境，调整环境温度使假人身体的某一部位的散热量等于该部位在真实环境中的散热量，此环境温度被定义为该部位的当量温度。当量温度适合评价人体各个部位的热舒适性，也适用于汽车乘员舱这样的非均匀热环境[8-9]。根据仿真模拟得到的数据计算出上述三个工况的人体各部位的当量温度，并和人体处于舒适的当量温度进行对比，对比图如图4 所示。从图中可以看出，在进风温度为289 K 时，胸部和大腿的温度低于舒适温度下限，其余部位均处于舒适状态，其中脚的当量温度基本和最适温度重合。在进风温度为291 K 时，除了大腿以外所有部位均处于舒适状态。进风温度为293 K 时，所有部位均处于舒适状态，其中脚、腿部温度接近于最适温度。可以得到，当加热垫功率为550 W/m2时，进风温度要在289 K 以上才能使身体全部部位处于热舒适状态。

图4 驾驶员各个部位的EQT 温度

3.3 节能潜力分析

汽车空调采暖能耗负荷包括通过汽车围护结构传入的热量Q1，通过门窗玻璃以对流方式传入的热量Q2，通过门窗玻璃以辐射方式传入的热量Q3，驾乘人员人体热量Q4，新风热量Q5，电池散热量Q6，车内其他电器（灯光等）散热量。

本文中，为了保证负荷值可以满足在最恶劣条件下的需求，故忽略太阳辐射的影响。且本文目的是为了对比采用分区加热的采暖方式与采用传统空调采暖方式的能耗，故忽略人体散热量。通过简化传热模型可得，车内稳态热负荷的计算公式为：

取空调采暖时车内的设定温度为18℃，电动汽车空调负荷计算如下：

1）车身壁面主要包括车顶、车顶、裙部（前围、侧围、后围），则通过车壁传入车厢的热流量Q1为

式中：F为传热计算面积，m2；K为传热系数，W/(m2·℃)；tH为车厢外空气计算温度，℃；tB为车厢内的温度，℃。

2）在无太阳辐射情况下，通过门窗玻璃传入的热量是车内外温差引起的对流传热热量，车窗玻璃包括汽车前窗、侧窗和后窗，其中玻璃窗的传热系数6.4W/m2。

3）新风负荷包括汽车冷空气渗透热负荷和通风换气热负荷。

从冷空气渗透的热流量为

式中：l 为汽车门窗缝隙长度，m；c 为空气的比热，kJ/(kg·℃)，均取1.009 kJ/(kg·℃)；γ 为空气密度，kg/m3，视不同车外温度来定；L 为单位门窗缝隙长度每小时漏风量，m3/(h·m)。

通风换气热负荷为

式中：n 为乘员人数，取1；γ 为车外空气密度，kg/m3；c为空气的比热，kJ/(kg·℃)；V 为每人每小时对新鲜空气的需求量，根据人体卫生要求，取30 m3/(h·人)。

根据式（1）～（5）计算出的空调采暖负荷和模拟过程中个性化采暖设备所消耗的功率，分别对比在不同进风温度下个性化采暖方式和空调采暖的能耗情况，结果如图5 所示。

图5 能耗对比图

从图5 可以看出，在所有工况下，该个性化采暖方式能耗都低于空调采暖能耗。相对于传统空调的采暖方式，该个性化采暖方式节能率范围为47%～59%，且节能率随着进风温度的降低而上升，在进风温度为289 K 时达到最大值。故可以得出冬季采用分区加热的采暖方式可以显著降低车内采暖能耗，从而解决纯电动汽车因冬季采暖而导致的续航里程降低的问题。