電動空調車室熱負荷建模方法

1、山西中北大學機械與動力工程學院 陳飛 楊世文 2、北京理工大學 韓少劍

引言

電動空調系統是一個復雜的、由多個子模塊構成的系統。空調系統的作用是要保持室內空氣達到要求的溫度，但在汽車的內外環境中必然存在一些干擾因素，它們會改變室內的溫度，這些干擾因素對車室的影響就稱為負荷，而使車室有熱量增減的負荷稱為熱負荷。為了計算和有效控制這些熱負荷，本文以空調系統的功率和空調系統的調溫效果為基礎，建立電動空調車室熱負荷模型。

1 車室熱負荷模型的建立

熱負荷的計算方法有多種，可分為三大類：穩態傳熱方法、準穩態傳熱方法和非穩態傳熱方法。

在車室溫度模型建立的過程中采用準穩態傳熱法，可以提高計算精度又不會使計算過于復雜，達到與其他模塊相當的精度，是一種較好的計算方法。

車室熱負荷模型的作用是計算出實時的車室內熱負荷，含太陽輻射熱量、通過車體傳入的熱量、室外空氣帶入的熱量和人體散熱量等。車室傳熱如圖1.1所示。

圖1 .1車室熱負荷示意圖

車室熱負荷的計算是為了預測汽車運行過程中的動態負荷，選擇合適的制冷量，在計算過程中涉及到的主要車輛參數如表1所示。

表1 主要車輛參數

Qe——電動車空調熱負荷，W；

QB——通過車頂與側圍傳入車廂的熱負荷，W；

QG——通過各玻璃表面進入車廂的熱負荷，W；

QC——通過車廂地板傳入車廂的熱負荷，W；

QP——人體散熱造成的熱負荷，W；

QL——新風帶來的熱負荷，W；

QD——用電器傳入的熱負荷，W。

1.1 通過車頂與側圍傳入車廂的熱負荷。車頂與車門傳入車廂的熱負荷是由多種方式共同作用的結果，在計算中主要考慮的太陽輻射包括太陽直射輻射、天空散射輻射。車身表面吸收的熱量，一部分利用溫差，通過車身傳入車內，即QB。另一部分以對流形式散發在大氣中。綜合考慮人體熱敏感度、傳感器精度和算法復雜度，在車室的計算中采用準穩定傳熱模型。

準穩定傳熱方法是一種簡化算法，由于室外空氣呈周期性波動，使得車身綜合溫度也呈周期性波動，車身圍護結構的溫度從外表面逐層地跟著波動，這種波動是由外向內逐漸衰減和延遲的。準穩態計算方法將這種波動化簡為一階簡諧波近似計算，得到較穩態傳熱更加準確的車身維護結構傳熱量。

車頂車側為0.8mm鈑金，填充發泡為5mm。計算車頂和側圍傳入的熱量其流程如圖所示。

1.1.1 計算車外逐時溫度

室外溫度計算公式如下:

式中：Tout(t)室外溫度，℃；Tout室外計算日平均溫度，℃；An第n階室外溫度變化的波幅，℃；ωn第n階室外溫度變化的頻率，deg/h；φn第n階室外溫度變化的初相角，deg。

工程上按一階簡諧波近似計算Tout(t)，給定氣溫峰值出現在下午3時，公式1.2可簡化為

以北京為例，夏季車外逐時溫度：Toutb(t)=28.6+4.6cos(15t-225)

1.1.2 計算車體綜合溫度

車體綜合溫度逐時值：

式中：

Te(t)車體綜合溫度，℃；△Te(t)車體綜合溫度的波動值，℃；An車體綜合溫度波動值的第n階擾量的波幅；

只取一階諧波討論上式轉化為

式中

相應北京車體綜合溫度如下所示，可以看出車速會影響車體綜合溫度。

1.1.3 計算穩定傳熱量和不穩定傳熱量

由于外擾動波動值△Te(t)引起車身內表面溫度波動值。

式中：△TN(t)車內溫度波動值；v1第1階擾量的衰減度；ε1第1階擾量的相位遲滯；

對于準穩態過程，只討論一階諧波，衰減度按下式計算：

Ri材料的熱阻，車身材料鐵為0.02m2·℃/W，填充泡沫為33.3m2·℃/W；Si各層材料的儲熱系數，車身材料鐵為 112W/(m2·℃)，填充泡沫為 0.5W/(m2·℃)；ain內表面換熱系數，取29W/(m2·℃)；Yi表面儲熱系數，W/(m2·℃)；

車室內層的表面儲熱系數為：

其余層的表面儲熱系數為：

相位滯后為

由以上公式即可得到單位時間內傳入車室的熱量。

1.1.4 計算車頂、側圍傳入熱量QB

車身內表面的熱流量為：

式中

Ta車 室平均溫度，℃；q車身綜合溫度與車室溫度之差形成的穩定傳熱量，J/(m2s)；△q由外擾波動值引起的附加不穩定傳熱量，J/(m2s)；Ki車身側圍、車頂的傳熱系數，W/(m·K)；δj隔熱材料厚度，m；λj材料導熱系數，車身材料鐵為48W/(m·2℃)，填充泡沫為0.03W/(m2·℃)；Ai車頂或側圍的面積，m2；qi車頂或側圍的熱流量，J/(m2s)。

1.2 通過各玻璃表面進入車廂的熱負荷包含兩部分，一是通過各玻璃表面以輻射方式直接進入車廂的熱負荷，另一部分是通過各玻璃表面以對流方式進入車廂的熱負荷。

通過各玻璃表面以輻射方式直接進入車廂的熱負荷：

η太陽輻射通過玻璃的透入系數；FG1車窗直射方向的有效面積，m2；I車窗外表面的太陽輻射強度，kW/m2；

通過各玻璃表面以對流方式進入車廂的熱負荷：

KG2壁面傳熱系數；GA傳熱面積，m2；ρ車身外表面對太陽輻射的吸收系數，取0.9；α0汽車維護結構外表面與室外空氣間的換熱系數；

建立的車窗傳熱部分模型如圖1.2所示，上部為以輻射方式進入車室的熱量，下部為以對流傳熱的方式進入車室的熱量，從輸入量為車速信號可以看出車窗傳熱量是受車速影響的。

圖1.2 車窗傳熱部分模型

1.3 車外空氣滲入熱負荷：

GL車身滲入空氣體積，m3/h；Pair空氣密度，kg/m3；hout室外空氣焓，kJ/kg；hin室內空氣焓，kJ/kg；

1.4 駕駛員及乘客帶來的熱負荷：

QJ駕駛員人體散熱，W；G乘員人體散熱，W；N乘員人數；n集群數，取0.89。

車室內的人體會向車室散發熱量，散發的熱量有顯熱和潛熱兩種形式。顯熱指通過對流傳導或輻射方式散發出來，能影響空氣溫度的熱量。潛熱指人體散發出的水蒸汽（濕量）所包含的汽化潛熱。

人體所散發的熱量大小隨性別、年齡、活動程度、環境溫度而變化。考慮到男性、女性和兒童的比例后得到的平均值，每個人的總散熱量是一定的，約為111W。

在忽略車身縫隙的情況下，新風帶入的熱負荷主要來自于滿足人體生理需要的新鮮空氣。

滿足人體需要的新風熱量：

式中：n乘員數；V按照人體衛生標準，每人每小時需要的新風量，可取20-30m3/(人·h);hi車內空氣的比焓值；ho車外空氣的比焓值。

1.5 用電器傳入的熱負荷一般取經驗值200W。最終建立電動空調車室熱負荷模型如圖1.3所示。

圖1.3 車室熱負荷模型

2 結論

本文采用了準穩態傳熱的計算方法對車室熱負荷進行模型設計，由于車室不同部位使用的材料、接受的太陽輻射強度、當量溫度等不同，要根據不同部位、不同的熱類型建立各自的傳熱模型。總體模型如圖1.3所示，輸入量為車速，輸出量為車室熱負荷。本文的研究為汽車空調系統的優化設計和空調車室的舒適性控制研究提供了理論依據。

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