基于一維流體軟件的空調性能研究

陳 皓，劉雙喜

（中國汽車技術研究中心，天津300300）

隨著科技的進步和人們生活水平的日益提高，對汽車舒適性提出了更高的要求，對空調系統的研究也更加深入。如何更大程度的發揮空調系統的功效，減少資源浪費，優化系統結構，是汽車工業重要的課題之一。傳統的汽車空調設計方法已落后于現代社會高效率的設計理念，在此背景之下計算機仿真方法應運而生[1]。

本文以某乘用車為研究對象，針對空調制冷性能，計算空調系統制冷需求，并以此為輸入，利用一維流體分析軟件kuli搭建空調系統一維模型，計算空調系統在指定工況下的性能。

1 空調熱負荷計算[2]

夏季車輛行駛時，由于太陽光照等影響，車輛會受到一定的熱負荷，計算車輛熱負荷有以下幾個方面：通過車架壁面的對流換熱Qb，通過玻璃的對流換熱Qg，玻璃的輻射換熱Qf，由于發動機熱傳入車廂內部的熱量Qe，乘員身體散出的熱量Qp，由于車廂內部密封不嚴造成的泄漏熱量Ql，車廂內電器的散熱量Qs.

熱負荷Q＝Qb+Qg+Qf+Qe+Qp+Ql+Qs

車外環境：38℃，相對濕度50%

日照強度：水平面上輻射強度1 000W/m2

車輛行駛速度v：40 km/h

車內空氣流速va：0.3m/s，新風量：11 m3/h·人，乘員數：5人

車架面積：頂棚面積S頂 ＝1.8 m2，地板面積S底＝3 m2，側圍面積S側 ＝2.574 m2.

玻璃面積：前窗面積S前 ＝0.819 m2，后窗面積S后 ＝0.281 m2，左側窗面積S左＝右側窗面積S右＝0.584 m2.

熱負荷Q＝Qb+Qg+Qf+Qe+Qp+Ql+Qs＝5.02 kW.

2 空調制冷量計算

考慮到空調熱負荷和空調所需制冷量之間會有些誤差，這里加上一個系數[3]，一般取1.1～1.3，本文取1.2，因此，空調制冷量為：

P＝1.2×5.02＝6.02 kW

3 空調性能計算優化

3.1 空調模型建立

根據空調系統的特點和布置方式，建立空調系統一維模型。模型中內側（制冷劑側）流動元件包括壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發器、儲液罐，見圖1.外側（空氣側）流動元件包括冷凝器和蒸發器，以及各自的溫度源、濕度源、流量源，還有能量原件和車廂原件，見圖2.

圖1 空調系統制冷劑側計算模型

圖2 空調系統空氣側計算模型

在穩態計算中，空氣側設置兩條回路，第一條回路為冷凝器空氣回路，第二條為蒸發器空氣回路，分別設置空氣通過冷凝器和蒸發器的入口溫度和濕度，見圖2.

在瞬態計算中，空氣測設置三條回路，見圖3.第一條回路為冷凝器空氣測回路；第二條回路為車廂內部空氣循環回路；第三條為車廂泄露空氣回路。每條回路分別設置流量、溫度和濕度。其中回路二蒸發器入口溫度和濕度分別由車廂原件出口溫度和出口濕度決定。

圖3 空調瞬態計算模型

在瞬態計算中，加入車廂元件來模擬現實情況下空氣經過蒸發器之后與車廂內空氣的混合后的情況，另一方面，由于車廂內空氣循環經過蒸發器，加入車廂元件之后，將車廂出口空氣溫度和濕度分別賦給蒸發器空氣側的溫度元件和濕度元件，即蒸發器空氣入口狀態等于車廂內空氣混合后狀態，實現了車廂內空氣循環通過蒸發器的要求。

能量元件用于瞬態計算，用來修正軟件對車體與環境的對流換熱以及發動機傳入車廂的熱量和電器的熱量。通過計算元件（Calculation controller）運行這一修正量，并將多出的能量傳輸給能量元件，再通過能量元件將其傳輸至車廂元件。

3.2 計算結果分析

根據空調系統實驗進行穩態模擬計算。計算結果p-h圖，如圖4所示。在p-h圖中，橫坐標代表制冷劑的焓值，縱坐標代表制冷劑的壓力。圖中曲線代表制冷劑的飽和態，在曲線以左制冷劑呈液態，曲線以右制冷劑呈氣態，在曲線中間制冷劑為氣液共存狀態。

圖4 計算結果p-h圖

將一維仿真計算的蒸發器空氣側出口溫度與空調降溫試驗的吹面出風口溫度值進行對比，如表1，可以看出空調一維分析的結果精度還是比較高的，可以滿足在正向開發中空調匹配的設計要求，同時也能看出這款車的空調系統性能一般，出風口的溫度達到了7℃左右，相對于空調制冷的性能指標偏高，需要對空調系統的零部件參數進行優化。

表1 空調出風口溫度試驗對比

3.3 空調性能優化

為了滿足空調系統制冷的性能指標，對空調系統的蒸發器和冷凝器參數進行了局部優化，在不改變蒸發器和冷凝器大小的前提下，改變翅片的波距，提升了蒸發器和冷凝器的換熱性能，計算出優化后的蒸發器出口溫度，如表2，可以看出優化后的空調性能比原始狀態下有了明顯的提升，達到了空調制冷性能指標要求。

表2 空調出風口溫度優化對比

4 結束語

汽車空調系統是車輛重要的系統之一，也是乘坐舒適性不可缺少的系統。仿真計算具有周期短，成本低，優化靈活等優勢，是空調系統正向開發的有力工具。本文針對某汽車空調系統計算分析了初始狀態，并與試驗結果作了對比，驗證了計算仿真的精度，而后在此基礎上，對空調系統零部件參數進行了優化，從而提升了空調性能，滿足空調性能指標要求。