電動客車空調排風熱回收的設計與仿真

郎曉玥 胡廣地

摘要：本文利用Amesim平臺搭建了空調系統的仿真模型，研究了其在環境溫度變化時的性能，并提出一種回收排風熱量的方法。仿真結果表明，在冬季，熱回收機組的制熱量平均增加0.58kW。進一步的仿真分析發現，排風量和排風溫度對熱回收機組的性能影響不明顯。

關鍵詞：電動客車空調;熱回收;仿真分析;Amesim

中圖分類號：TU831.3 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2018）05-0131-02

汽車是科技技術發展的產物，它的才出現極大地改變了人類社會，汽車工業至今也仍是許多國家的支柱產業之一^[1]。傳統內燃機汽車的大量使用，帶來了能源危機和環境污染的問題，不僅影響了經濟的可持續發展，更是對人體健康造成了很大威脅。為了解決這些問題，發展新能源汽車勢在必行，隨著國家的政策支持和國內電動汽車技術的不斷提高，純電動客車作為重要的公共交通工具，逐漸取代傳統燃油客車，出現在人們的視野中。

電動空調系統是電動汽車上能耗最大的輔助子系統，電量消耗可達整車的30%^[2]，對電動汽車的續航有很大影響。汽車運行環境復雜多變^[2]，電動客車的空調又多為頂置式獨立空調，所以其運行工況尤為惡劣，運行效率低。

作為一種常用的建筑空調技術，建筑熱回收在一些歐洲國家得到廣泛應用，特別是在瑞典和德國等高緯度國家^[4，5，6]。近些年來，在我國越來越多的商業建筑和私人住宅開始從排氣通風系統中回收能量^[7，8]，熱回收技術為新鮮空氣、經濟效率和能源效率的平衡提供了最佳解決方案^[8]。因此，針對電動客車空調在冬季運行過程中制熱慢、能耗高的問題，本文提出一種利用空調機組新風系統進行排風熱回收的方法，來改善空調機組的性能，并通過模型仿真進行驗證。

1 空調系統仿真模型的建立

針對型號為TX12D-P的冷暖型電動客車空調（簡稱原機組），基于系統建模仿真平臺LMS Imagine.Lab Amesim建立系統仿真模型建立仿真模型如圖1，并根據原機組的相關參數進行修正，使其在額定工況下，主要性能參數的仿真值與實驗值基本相同。原機組額定功率4.5kW，額定制熱量為12kW。表1為額定工況下實驗結果和仿真結果的對比。

2 環境溫度對空調機組性能的影響

本文將通過系統仿真的方法來研究環境溫度對空調機組性能的影響。使用原機組的系統模型進行仿真，改變環境溫度和壓縮機的輸入功率，記錄不同環境溫度下空調制熱量和壓縮機功率等主要參數。表2即冬季溫度變化時原機組的主要性能參數。可以看出，隨著環境溫度下降，制熱量隨之下降，而COP（coefficient of performance）反而上升。在未超過額定制熱工況時，其均能提供額定制熱量。當溫度低于6°C時，制熱量一直下降;當環境溫度為-5°C時，制熱量僅有9.7kW，為額定值的70%，此時需要使用 PTC（positive Temperature Coefficient）來補充熱量，這會對車輛續航造成很大影響。

3 排風熱回收對機組性能的影響

3.1 熱回收器設計

原機組為頂置獨立式電動客車空調，要適配不同型號的客車，考慮到經濟性和可行性，只能改造空調本身。對原機組的新風系統進行改造，在其排風口處增加一個熱回收器，使原來直接排向車外的空氣，先流經熱回收器進行換熱后再排向車外，實現排風余熱的回收利用。從經濟性考慮，熱回收器主體采用跟冷凝器同樣規格的平行流換熱器芯體。

表3中為增加熱回收器后，空調機組與原機組在額定工況下的性能對比。從中可以看出在制熱量相近的情況下，熱回收機組相較于原機組COP提高0.04，兩種機組均能滿足設計需求，熱回收機組熱效率稍高。

3.2 環境溫度對熱回收機組性能的影響

由前面的仿真結果可知，在額定工況下兩機組性能差別不大，在這一節我們討論環境溫度變化時機組性能的變化。在Amesim平臺中調用排風熱回收機組仿真模型，改變環境溫度參數，記錄其主要參數變化，并與原機組進行對比。

圖2為環境溫度變化時，兩機組COP變化曲線。從中可以看出，熱回收機組在整個環境溫度范圍內，COP值均稍髙于原機組。圖3為制熱量變化曲線，可以看出，在環境溫度高于額定溫度時，兩組機組均能提供足夠的熱量;隨著溫度低于6°C，原機組制熱量明顯下降，而熱回收機組直到0°C仍保持不錯的制熱能力;在-5°C時，熱回收機組制熱量比原機組髙10%。可以看出，熱回收機組能提供更多熱量，減少PTC使用，這意味著更低能耗和更長續航。

3.3 風量對熱回收機組性能的影響

本文討論的是電動客車空調系統，因此對其能耗要求較高。流經熱回收器的排風量即為新風系統的新風量，是影響空調機組能耗和乘客舒適度的重要因素。不同類型車輛和行駛條件所需的新風量不同，因此流經熱回收器的排風量就不同，所以本節討論排風量變化對熱回收機組性能的影響。

在Amesim平臺中調用排風熱回收機組仿真模型，在額定工況下，得到排風量變化時熱回收機組的主要性能參數如表4。從中可以看出，當排風量由400/h下降到200m3/h時，機組COP和制熱量變化都很小，即系統性能對排風量變化不敏感。

3.4 排風溫度對熱回收機組性能的影響

排風溫度即車內溫度，是影響空調機組能耗的重要因素，因此本結討論排風溫度變化對熱回收機組性能的影響，主要性能參數見表5。從表中可以看出，當排風溫度變化時，空調系統的主要參數變化均不大。即排風溫度，也就是車室內溫度對熱回收空調機組性能影響不大。因此，在不同的車室溫度下，排風熱回收機組均有良好的性能。

4 結論

本文利用Amesim系統建模仿真平臺，建立了電動客車空調系統的仿真模型，研究了環境溫度對其性能的影響，提出了一種通過增加熱回收器提高其性能的方法并進行仿真分析，得到以下結論：

1） 環境溫度對空調機組性能影響很明顯。在冬季時，環境溫度降低會導致制熱量明顯下降。

2） 增加熱回收器可以有效提升空調性能。當環境溫度變化時，排風熱回收機組的制熱量平均提高0.58kW，能減少PTC的使用。

3） 排風量對熱回收機組性能影響不大。當排風量由400m3/h降為200m3/h時，COP由3.12變為3.11，下降了0.3%。

4） 排風溫度對熱回收機組性能影響不大。當排風溫度由10°C降到0°C時，制熱量均能保持在14.0kW左右。