基于半导体制冷的汽车局部空调系统仿真与热舒适性评价

苏建军　王琏浩　杜涵　李汉培　李永清　宋君军　刘昆岳

关键词：半导体制冷;局部空调;当量温度;人体热感觉偏差

0引言

近年来随着汽车产销量和保有量稳步增长，汽车与人们的生活已密不可分，因此，对于汽车的热舒适性也越来越重视。汽车空调作为调节驾驶室热环境的关键装备，在汽车上的装备率几乎达到了100%。但是，传统车用空调存在着高耗能、噪声等一些难以解决的问题，因此，人们不断寻找新的制冷剂和新的制冷方法来代替传统车用空调。汽车局部空调系統，针对现代汽车座椅热舒适性差的现象，采用局部温控、置换通风的方式，对乘员与座椅接触部位的附近区域进行温度、风量调节，从而在乘客周围形成一个较为舒适的微环境。与传统汽车空调相比，由半导体制冷装置组成的汽车局部空调系统没有运动部件，在运行时不会发出强烈噪音。这种汽车局部空调结构简单、布置灵活，在重量和尺寸上也要比传统汽车空调小很多，而且在制冷时无需制冷剂，这就从源头上避免了制冷剂泄漏对臭氧层的破坏。局部空调可直接由车载12V电源供电，从而消除了发动机负荷变化对局部空调制冷能力的影响，当电流反接时还可以进行制热，制冷制热的切换十分方便。另外，纯电动汽车是未来的发展趋势，而纯电动汽车没有发动机，难以使用传统汽车空调，基于半导体制冷的汽车局部空调系统则为这一难题提供了一种解决方案。

1驾驶室内流场数值模拟

1.1简化模型建立

本文以天龙重卡驾驶室为研究对象，通过建模软件CATIA按照1：1比例建立了整车三维模型，并加入驾驶员人体模型，如图1所示。然后将驾驶室部分抽离出来导入前处理软件ICEM中划分网格。最终网格总数为582万个，最低网格质量为0.25，导入ICEM中简化后的卡车驾驶室计算模型如图2所示。

1.2边界条件设置

将网格文件导入fluent中，在激活重力选型和设置方程模型后进行物性材料和边界条件设置，主要包括玻璃、围护结构、地板、仪表盘、人体、座椅、空气、半导体制冷器等部件的物性参数设置和进口、出口、壁面等边界条件设置。

（1）物性参数设置：参考实验车生产厂商提供的数据和汽车内流场相关文献，对驾驶室主要部件物性参数进行设置。卡车驾驶室车体由两层钢板经冲压后焊接而成，中间夹层为空气层，两边钢板材料一般为SPCC冷轧碳钢薄板、Q195-215碳素结构钢或高强度钢板，地板由钢板、胶合板和尼龙地毯3层组成。具体的物性参数如表1所示。

（2）壁面边界条件设置：将驾驶室车身壁面、地板、仪表板、座椅、人体表面设置为不透明Wall边界，玻璃设置为半透明Wall边界，这些壁面均设置Mixed混合边界。座椅和后排卧铺、人体和半导体制冷装置的换热方式设为Convectiono经计算可得，水平面上总太阳辐射为1084.7W/m，车身壁面、玻璃、仪表盘和地板的外部等效辐射温度分别为358 K、315 K、313 K和258 K。车身等壁面对流换热系数为28.8 W/（m.K），座椅等部件的对流换热系数为20W/（m.K），玻璃壁面的边界条件设置如图3所示。

（3）入口边界条件设置：局部空调系统由6个半导体制冷装置组成，分别位于头部上方、肩部两侧、座椅背部和脚部前方，故有6个入口速度。采用湍流强度和水力直径来设置速度入口，不同工况下的入口条件设置情况见表2。

（4）出口边界条件设置：出口即驾驶室的回风口，根据实际测得的驾驶室的回风口位置和尺寸，建立模型的出口，出口边界设为压力出口，出口压力为环境大气压，出口温度设为车外环境温度38℃，湍流强度为5%，水力直径为0.07 m。

（5）其他求解参数：湍流模型为RNG k-ε，壁面函数为非平衡壁面函数（Non-Equilibrium、Nall Functions），计算方法为SIMPLE算法，动量、湍动能、湍耗散和能量的离散格式设为二阶迎风格式（Second Order Upwind）。为使仿真与真实太阳辐射情况更加符合，热辐射模型选择Discrete Ordinates（DO）离散坐标模型，并开启太阳射线追踪”1，太阳辐射具体设置如图4所示。

1.3布置方案与工况

本文对3种工况下的制冷装置进行仿真分析，各工况的出风温度和出风速度设置情况见表2。仿真求解之后对局部空调在这3种工况下工作时驾驶室内流场、人体表面温度场进行详细分析，布置方案如图5所示。

2仿真结果分析

2.1气流组织迹线图分析

卡车驾驶室温度场云图如图6所示，在太阳照射下驾驶室表面温度在46℃左右，玻璃温度在37～47℃，地板温度在29～38℃，仪表盘在36℃左右，人体表面温度将在后文详细分析。所有制冷装置出风口的速度迹线图如图7所示，人体各部位附近制冷器出风口的速度迹线图如图8（a）～（d），另外2种工况下的速度迹线图与之类似。由图6和图7看出人体周围共有6个半导体制冷装置，分别位于头部上方、肩部两侧、脚部两侧和座椅背部，在工况3设定的出风速度下制冷装置产生的冷风沿着各个出风口垂直方向射入驾驶室内部，所有制冷装置产生的冷风射流覆盖了驾驶员人体大部分区域，用于改善驾驶员不同部位的局部热环境、提高驾驶员局部热舒适性，最后气流由驾驶室后方2个出风口流出驾驶室外。

2.2人体表面温度场分析

3种工况下人体正面和背面温度场云图如图9和图10所示。工况1下制冷装置出风速度较低使得人体某些部位周围空气流速低，对流换热系数也就低，导致人体臀部、肩部、脚部、胸部温度较高热舒适性较差。工况2下各部位附近出风口出风速度提高，各部位对流换热系数提高，人体表面温度下降，但仍有某些部位温度较高舒适性较差。工况3下从上到下人体大部分区域温度分布比较均匀、热舒适性较好，符合“头冷脚热”的原则。

2.3观测截面处温度场和速度场分析

为了便于分析驾驶员附近区域速度和温度分布，设置了3个观测截面：

截面1、截面2和截面3，如图11所示。驶区域，局部空调对驾驶员区域热环境的调节作用开始显现。工况3下截面1处温度从上得到下分布比较均匀，人体各部位附近的气流速度升高、人体皮肤与空气的热交换加快、皮肤温度进一步降低，人体各部位大体处于热舒适状态。

3人体热舒适性评价

为了深入研究汽车局部空调的制冷效果和驾驶员的人体热舒适性，仅分析某些截面温度场和速度场是不够的。客观评价法不依赖于受试者的主观判断，通过制定合理的评价指标，结合数值模拟手段，能全面地科学地研究人体热舒适性，本文即采用客观评价法研究局部空调制冷下的驾驶员人体热舒适性，人体各部位热舒适性的评价指标一一整体热感觉影响权重表如表3所示。

根据当量温度理论，人体模型被划分为16个节段，文件ISO-14505给出的划分方法如图15所示。每个节段分别与周围环境进行热交换，最后对每个节段进行热舒适性评价。第i节段的当量温度的计算公式如下：

SAE J2234文件中给出了夏季汽车驾驶室内人体各部位的热舒适性范围，如图16所示。图中给出了人体各部位处于热舒适区域的当量温度下限和当量温度上限以及理想值。由于不同个体对热舒适性的敏感程度有一定的差异，图中舒适区域的当量温度范围代表90%的个体感觉舒适的情况。

由于当量温度只能评价人体各个节段的局部热舒适性，现在当量温度的基础上定义用以评价人体整体热舒适性的评价指标A，A代表了人体各个节段的当量温度与舒适区理想值间的偏差程度，AEOT的取值在-1～1范围内，如图17所示。0是舒适区的边界，AEOT的取值落在-1～0范围内代表人体整体感觉不舒适，在0～1范围内代表舒适，A_EQT值越大代表人体的整体热舒适性越好，A计算公式如下：

当汽车局部空调系统在3种工况下工作时，驾驶员各部位的当量温度和局部热感觉偏差仿真计算结果如图侣和19所示。由图可知，在工况3下人体大部分区域的局部热感觉偏差接近或者大于临界值，头部、背部和胸部当量温度与理想值比较接近、局部热舒适性较好，上肢的热舒适性大体好于下肢，但脚部和左大腿仍有一定的不舒适感。工况1和工况2下的人体各部位当量温度均高于工况3，大多数部位都处于热舒适温度上限之上，而且各部位热感觉偏差都小于工况3，大多数部位都处于热感觉偏差临界值之下。计算可得工况1下驾驶员整体热感觉偏差AE=-0.131，工况2下A=0.045，工况3下A=0.235，可见工况3下局部空调系统对驾驶员的局部热舒适性和整体热舒适性的调节作用都要明显好于工况1和工况20虽然在工况3下，驾驶员的局部热舒适性和整体热舒适性得到了一定提高，但由于局部空调系统内6个制冷装置出风口出风温度设置的不合理，使驾驶员有些部位的局部热舒适性仍比较差而且局部空调的能耗也较高，因此有必要基于6个半导体制冷装置的出风温度对局部空调系统的综合性能进行进一步优化，在保证驾驶员热舒适性的同时尽可能降低局部空调系统的能耗。

4结论

本文以东风天龙重卡驾驶室为研究对象，通过计算流体动力学的方法分析了汽车局部空调在3种工况下工作时驾驶室内流场分布和人体表面温度場分布，以当量温度和人体热感觉偏差为评价指标分析了不同工况下驾驶员的热舒适性，对比发现工况3条件下为最优方案，基于半导体制冷技术的局部空调系统，使得驾驶员的局部热舒适性和整体热舒适性得到了一定提高，同时指出了汽车局部空调系统存在的问题和需要改进的地方。