汽車空調節能環保實驗研究

黃耿

摘要：汽車空調系統的運行狀況不僅關系到乘客的舒適性、安全性，也關系到能源成本節約和節能環保的問題。本文通過介紹汽車空調節能環保實驗系統及其實驗研究過程，提出一種通過回收并有效利用汽車空調冷凝水提高汽車空調使用效能的方法，為汽車空調的節能環保優化設計提供了參考。

關鍵詞：汽車空調;節能環保;冷凝水;實驗

中圖分類號：TM92? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）24-0226-02

0? 引言

隨著國民經濟的飛速發展，人民生活不斷改善，昔日被視為只有達官貴人才能乘坐的汽車，越來越多地進入了普通百姓家。汽車空調是汽車重要的組成部分，也是汽車中的“耗能大戶”，其工作時消耗的功率約占整個發動機功率的10～25%。因此，研究汽車空調系統的節能環保技術有著重大的現實意義。從目前市面銷售的汽車產品看，雖然汽車空調技術已經比較成熟，但就結構和系統的節能環保設計而言，汽車空調仍有不小的潛力可挖。

1? 汽車空調系統的結構及其原理

無論是傳統的燃油車還是新能源汽車，其空調系統主要包括制冷系統、暖風系統、空氣凈化系統、電控系統、通風系統等部分。按驅動方式分有獨立式和非獨立式兩種。獨立式是由專用的發動機驅動壓縮機工作，其特點是制冷量大，工作穩定，但成本高，體積及重量大，多用于大、中型客車;非獨立式的空調壓縮機由汽車的發動機驅動，在工作過程將對主發動機的動力產生一定程度的消耗，是一種變化型的制冷系統，其制冷過程與汽車動力的變化有著較為緊密的聯系，多用于小型客車和汽車。除了按驅動方式分類，還有按空調性能以及按控制方式等多種分類方法。

與其它用途的空調一樣，汽車空調制冷系統主要是由壓縮機、膨脹閥、冷凝器、蒸發器等組成，各個部件之間通過管路串聯成一個密閉的系統。工作時，制冷系統內的低壓、低溫制冷劑蒸氣被壓縮機吸入并壓縮為高壓、高溫的過熱蒸氣后排至冷凝器;同時車外側風扇吸入的外部空氣流經冷凝器，帶走制冷劑放出的熱量，使高壓、高溫的制冷劑蒸氣結為高壓液體。高壓液體經過節流（膨脹閥）降壓降溫流入蒸發器，并在相應的壓力下蒸發，吸取周圍熱量，同時車內側風扇使車內空氣不斷進入蒸發器的翅片間進行熱交換，并將放熱后變冷的氣體送向車內。這個過程周而復始的進行，達到“搬走”車廂熱量，降低車廂空氣溫度的目的。

2? 汽車空調節能環保研究的主要方向

基于上文介紹的汽車空調結構和原理，目前針對汽車空調節能環保技術的研究，主要集中在以下幾個方面：

2.1 對汽車空調制冷劑優選研究? 目前，汽車空調主要使用的制冷劑有CFC-12氯氟氫類制冷劑、HFC-134a含氫氟類制冷劑和碳氫化合物制冷劑。其中，碳氫化合物是相對理想的一種制冷劑，其充注量較小，對臭氧層沒有破壞作用，也不會造成溫室效應。但是，作為制冷空調領域最重要的研究方向之一，人們從來沒有停下尋找一種完美制冷劑的腳步。

2.2 對自動控制系統及算法的研究? 傳統汽車空調控制系統智能化程度低導致能耗偏大，新型的自動空調系統通過多傳感器自動獲取車廂內外溫度、車速、發動機轉速等參數，借助單片機和AI技術的發展，把車廂內的溫度、濕度、氣流溫度和空氣質量值控制在最佳區間，在為乘客提供良好乘車體驗的同時，減少能量的損耗，找到舒適度和能耗之間的最佳平衡點。

2.3 對壓縮機工作效能的研究? 壓縮機是空調制冷系統的心臟，很大程度上決定了空調系統的性能。傳統的壓縮機容積效率較低，專家學者和工程技術人員不斷嘗試加工制造出各種壽命更長、容積效率更高、運轉更平穩、體積更小的壓縮機，移植到汽車上使用。目前新型的渦旋式通過先進的制造工藝和對排氣裝置的優化，結構更為簡單，與往復式壓縮機相比，體積減小40%，重量減小15%，絕熱效率提高10%。

2.4 對提高換熱器工作效率的研究? 空調制冷的過程，實際上是一個不斷發生熱交換，轉移熱量的過程，所以換熱器特別是體積較大的冷凝器，其換熱效率對于空調系統來說至關重要，若能通過技術手段，提高冷凝器的換熱效率，或是有效降低冷凝器的冷凝溫度和冷凝壓力，將大大降低汽車空調的輸入功率和排氣壓力，達到節能環保的目的。

3? 汽車空調冷凝水回收利用的實驗研究

空調冷凝水是指水蒸氣（即氣態水）經過冷凝過程形成的液態水，汽車空調工作過程中，當送風溫度低于新風和回風混合點對應的露點溫度時，冷凝水就會自然而然地產生。通常情況下，這部分冷凝水在重力的作用下落入蒸發器接水盤，通過排水管排至車外。實際上，由于冷凝水來源于汽車空調蒸發器表面，其溫度低，特別對于氣溫較高的地區，汽車空調運行過程中的冷凝水量相當可觀，若直接排除車外將造成能源（冷量）的浪費。為此，筆者設計并制作了汽車空調節能環保實驗系統，并設計了具體的實驗項目，專門用于對汽車空調系統開展節能環保方向的實驗研究，以進一步研究改良汽車空調系統。

3.1 實驗原理? 在正常運行的汽車空調系統中，制冷劑在節流前冷凝溫度每下降1℃，制冷系數可提升約一個百分點。因此，對節流前的制冷劑進行適當的過冷處理，可以有效提高制冷量。對于過冷過程的描述，可以借助常用的壓焓圖（如圖1）來進行。

如圖1所示，與常規的制冷循環不同，過冷過程使得1-2-3-4-5-1變成了1-2-3-4’-5’-1，增加了4-4’-5’-5的過程，在冷凝壓力和蒸發壓力不變的情況下，單位壓縮功w0保持不變，單位制冷量增加了Δq0，能效比EER提高了Δq0/w0。

根據節流的工作原理和節流裝置的特性，在節流出口壓力一定的條件下，進口的制冷劑過冷度直接影響了節流過程的制冷劑流量，即過冷度越大，流通量越大。所以，在制冷劑進入節流過程之前使其“過冷”，可以增大制冷劑的流量，進而增大系統的制冷量。

3.2 實驗方案? 根據實驗需要，我們設計制作出汽車空調節能環保實驗系統，如圖2。

模擬獨立式汽車空調的運行方式，實驗系統使用12V電機帶動空調壓縮機工作，使空調系統運行。當集水容器中收集的冷凝水到達設定水位時，系統自動感應并驅動微型水泵在容器中抽水，通過靜電噴霧器將冷凝水噴到冷凝器上，水霧附著于冷凝器翅片和銅管表面并吸熱蒸發，達到增強換熱效果和使制冷劑過冷的目的。要對此過程的實用效果進行客觀評價，需測量和計算單位制冷量、功率和EER等主要參數并與原系統參數進行比對。

3.3 實驗結果? 根據實驗方案，通過對原系統和實驗系統的多次測試實驗，經過數據分析和處理，可以對冷凝器總出溫度、制冷量、輸入功率、能效比EER進行比較，結果如表1。

4? 實驗結論

在對汽車空調節能環保實驗系統的實驗測試過程中，系統通過微型水泵和靜電噴霧器等設備，使汽車空調運行過程中產生的冷凝水成功實現了“從空氣中來，到空氣中去”的目的。在實際應用中，多余的冷凝水還可導至汽車的雨刮器水箱，儲存使用。這種做法解決了汽車空調冷凝水直接排放造成的浪費和污染，體現了環保理念。

系統充分利用冷凝水的冷量和汽化熱，使冷凝液過冷，在壓縮功、蒸發壓力和冷凝壓力不變的情況下，通過測定冷凝器總出的溫度變化，可以驗證冷凝水對冷凝液過冷度的影響情況。冷凝器總出溫度下降3.8℃，EER由2.697提高至2.804，提高幅度達到3.97%。在國家大力倡導建設節約型社會的大背景下，回收利用汽車空調冷凝水可明顯提高系統的能效比EER，有效利用了冷凝水的冷量，實現節能。

綜上所述，我們對于汽車空調系統節能環保領域的研究還處于研究探索階段，一些技術細節如：冷凝水霧化時機的控制;冷凝水的霧化方式和設備的改進;汽車空調冷凝器材料的優化等等，還需不斷的完善和深入。但是本文的論述充分證明了汽車空調節能環保實驗系統及其實驗的現實意義，可以為汽車空調節能環保的研究提供一點思路和方法上的借鑒。

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