基于混合動力的節能環保客車空調系統的研究

杜芳莉 沈關炳 翁磊超 廖世寶 賈 旗

基于混合動力的節能環保客車空調系統的研究

杜芳莉 沈關炳 翁磊超 廖世寶 賈 旗

（西安航空學院能源與建筑學院 西安 710077）

在客車中，營造一個清新、健康、舒適的車內環境是保證旅途者心情愉悅及身體健康的基本任務，研究的節能環保客車空調系統充分利用客車發動機產生的余熱和太陽能輻射熱作為混合動力為吸附式制冷提供熱源，克服了傳統汽車空調耗能大的問題，同時還采用全新風系統有效改善客車 空間內的空氣品質，使客車內空氣更加清新，從而提高旅客的舒適度。該系統高效節能，綠色環保。

發動機余熱；太陽能輻射熱；吸附式制冷；熱量收集系統；全新風

0 引言

隨著生活水平的提高，人們的健康意識越來越強。在乘坐長途客車時，能否擁有一個清新、健康、舒適的車內環境是保證旅途者心情愉悅及身體健康的基本任務。傳統汽車空調利用發動機消耗燃料驅動空調壓縮機，造成能源浪費[1]，另外，為了最大限度地節約能源，傳統汽車空調采用全回風或少量引入新風，與此同時汽車在運行中還會不斷產生有害氣體，從而使車內空氣形成惡性循環，導致車內空氣品質下降，危害人們身體健康[2]。目前，隨著經濟的快速發展，能源資源日益短缺，環境問題越來越受到人們的關注。為此提出一種節能環保的混合動力客車空調系統，本裝置巧妙利用發動機的低品位熱能及綠色環保的太陽能聯合為吸附式制冷裝置提供熱源[3]，并采用環保型制冷劑，吻合了當前能源、環境協調發展的總趨勢，同時該空調系統采用全新風極大改善車內空氣品質，滿足人們旅途健康生活的需求。

1 設計原理

基于混合動力的長途客車空調系統是一種能保障人們旅途乘車健康性、舒適性的節能型綠色環保空調系統，它利用吸附式制冷技術取代目前客車空調的蒸汽壓縮式制冷技術，并將客車發動機產生的廢熱和太陽能有機結合作為空調系統的混合動力源，具有環保、安全、衛生、經濟的特點。另外，該系統中的全新風系統設計與孔板送風方式可最大限度保證乘客的健康與舒適。

本系統主要由吸附式制冷系統、全新風空調系統、發動機余熱收集系統和太陽能輻射熱收集系統組成，其工作原理如圖1所示。其具體工作過程為：客車在運行時利用發動機廢熱收集系統回收發動機在運轉時所產生的大量余熱，同時輔助利用太陽能輻射熱收集系統回收太陽能輻射熱，將兩者有機結合共同為吸附式制冷系統提供熱源以制取冷量，然后將吸附式制冷系統制取的冷量用于全新風空調系統中，將來自客車外的新風進行降溫除濕后送入客車內。本系統利用混合動力客車發動機產生的余熱和太陽能輻射熱為吸附式制冷提供熱源，解決了混合動力客車空調耗能大的問題；混合動力客車外的新鮮空氣進入全新風空調系統進行降溫除濕后，輸送到客車空間內可有效改善客車內的空氣品質，解決了原有客車空調系統無新風進入的缺點。該系統在實現現有客車空調功能的同時具有綠色環保特性，將客車發動機余熱和太陽輻射熱再利用使得客車空調系統更加節能，全新風的引入使客車內空氣更加清新，從而提高旅行的舒適度。

圖1 基于吸附式制冷的客車空調系統設計原理圖

2 吸附式制冷

20世紀70年代中期以來，吸附式制冷受到人們的重視，對其技術的研究也不斷深化。與蒸氣壓縮式制冷系統相比，吸附式制冷具有顯著優點，主要表現為：結構簡單、一次性投資少、運行費用低、使用壽命長、無噪音、無環境污染、能有效利用低品位熱源等一系列優點。考慮到傳統的汽車空調制取冷量需消耗大量的能源，本系統巧妙地對長途客車發動機的余熱和太陽能熱量進行回收來驅動汽車空調制冷系統，從而達到節能減排的目的。

2.1 吸附式制冷系統的組成

隨著世界經濟的發展和能耗的增加，能源與環境問題已經成為全世界共同關注的一個熱點問題，吸附式制冷作為一種低品位熱能驅動的綠色制冷技術，吻合了當前能源和環境協調發展的總趨勢[4]。吸附式制系統主要由兩部分組成。第一部分包括兩個吸附床：解吸床和吸附床，兩床的功能相當于傳統制冷中的壓縮機。解吸床向冷凝器排放高溫高壓的制冷劑蒸氣，吸附床則吸附蒸發器中低溫低壓的蒸氣，使制冷劑蒸氣在解吸床中不斷蒸發制冷。因此吸附式制冷系統設計的核心是吸附床，它的性能好壞直接影響了整個系統的功能。第二部分包括冷凝器，蒸發器及流量調節閥，與普通的制冷系統相類似。從解吸床解吸出來的高溫高壓的制冷劑蒸氣在冷凝器中被冷凝后，經過流量調節閥，變成低溫低壓的液體，進入蒸發器蒸發制冷，被蒸發的制冷劑蒸氣重新被吸附床吸收。兩吸附床交替變換角色，使得有源源不斷的冷量被制出來。吸附式制冷系統結構圖如圖2所示。

圖2 吸附式制冷系統結構圖

2.2 工質對的選擇

吸附劑—制冷劑工質對的選擇是吸附式制冷中最重要的因素之一，好的制冷系統不但要有好的循環方式，而且要有在工作溫度范圍內吸附性能強、吸附速度塊、傳熱效果好的吸附劑和汽化潛熱大、沸點滿足要求的制冷劑。制冷機是否能適應環境要求，是否能滿足工作條件，在很大程度上都取決于吸附工質對的選擇[5]。本系統選用對環境友好的沸石FAM Z01—水工質對，它具有良好的環保性能，同時熱源溫度只需達到50℃左右即可進行吸附式制冷。

3 全新風空調系統

傳統汽車空調系統為了最大限度的節能能源，一般均采用大量回風或少量引入新風，同時汽車在運行中會不斷產生有害氣體，從而使車內空氣形成惡性循環，導致人們乘車時缺氧乏力，暈車等癥狀。針對上述問題，本系統設計的新型客車空調系統采用全新風的空氣供給方式，可有效提高空氣清潔度，改善車內空氣品質，為旅客創造一個清新、健康、舒適的車內環境使旅途更加愉悅與健康。

圖3 全新風空調系統結構圖

全新風空調系統包括第一風管、第二風管、孔板送風口、蒸發器盤管、新風進口、空氣過濾器、新風機、吸聲材料、風口、除濕膜等。其中第一風管設置在混合動力客車頂棚中，且其內壁貼有吸聲材料以減少空氣流動時的噪音，其端部開口處設置有新風進口，新風口處還設有空氣過濾器與新風機；第二風管設置在混合動力客車行李架托板中，其內部設有盤管式蒸發器，將吸附式制冷系統所制出的冷量與空氣進行熱交換，使空氣達到舒適性要求，第二風管靠近混合動力客車行李架托板底部設置有微型孔板送風口，開孔直徑為2mm，開孔率為5%，將處理完成的空氣通過微型孔板送風口送入車內。全新風空調系統中第一風管位于第二風管上部且通過風口相連通，連通的風口中設有三層除濕膜用以除濕，除濕膜選用親水的聚乙烯醇膜、聚丙烯腈和醋酸纖維素膜。全新風空調系統結構如圖3所示。該裝置利用客車外新風可以最大程度的改善車內空氣品質，孔板送風則可以使氣流更加均勻，避免人們長時間受強氣流的干擾，使乘客的舒適性更高[6]。

4 熱能收集利用系統

傳統的汽車空調是利用發動機消耗燃料驅動空調壓縮機，或利用發動機發電帶動空調壓縮機，這樣做會在汽車的使用上消耗大量的燃料，同時汽車運行時發動機的廢熱會全部的浪費掉，不符合節能減排理念，本系統在設計時采用吸附式制冷系統，那么推動吸附床運行的熱能如何解決則是問題的關鍵所在，如果還采用傳統的加熱方式無疑會消耗大量的能源，同時汽車發動機在運行中產生的大量熱能將無法有效的利用，故而在本系統中我們采用發動機廢熱與太陽能輻射熱來作為吸附式制冷的推動熱源。

4.1 發動機廢熱收集系統

通過研究發現，在大型汽車的運行過程中，發動機產生的廢熱非常可觀。汽車發動機的實用效率僅為35%～40%左右，這樣約占燃料發熱量1/2以上的能量被發動機循環冷卻水及排氣帶走[7]，回收和利用這部分余熱是最佳的節能方案,也是目前世界各國都在研究的課題。本系統采用的吸附式制冷正是利用汽車發動機的余熱作為驅動熱源從而實現汽車空調制冷的目的。在本系統中我們利用換熱盤管將發動機包裹，并利用盤管中的水將熱量帶回吸附床用以催動吸附式制冷，這樣既解決了發動機的散熱問題同時又減少了汽車的油耗。

發動機廢熱收集裝置的具體工作過程為：通過位于客車主發動機外圍的廢熱收集盤管將發動機產生的余熱進行實時收集，盤管的傳熱媒介出口連接傳輸管道后分為兩個支路，一個支路連接第一吸附床的熱媒介質入口，另一個支路與第二吸附床的熱媒介質入口連接，將吸收余熱后的傳熱媒介帶回吸附床放熱從而使吸附質脫附，吸附床的傳熱媒介出口通過傳輸管道與余熱收集盤管的傳熱媒介入口連接，將放熱后的傳熱介質帶回廢熱收集盤管進行吸熱，往復循環，不斷實現發動機余熱回收與利用。

4.2 太陽能輻射熱收集系統

太陽能作為一種取之不竭，用之不盡的天然能源，受到人們普遍關注[8]。在本系統中，為了確保空調系統具有充足的熱源，在使用發動機廢熱之余，將太陽能輻射熱作為輔助熱源，共同驅動吸附式制冷，從而達到高效制冷的目的。

太陽能輻射熱收集主要利用集熱板和承載于集熱板上的換熱盤管，利用集熱板收集熱量將盤管內的傳熱媒介加熱后利用傳輸管道將熱量帶到吸附床放熱，幫助吸附質完成脫附后再經由傳輸管道帶回換熱盤管進行吸熱。熱能回收利用系統原理如圖4所示。

圖4 熱能收集利用系統原理圖

5 結論

本系統利用客車發動機產生的廢熱和太陽能輻射熱為吸附式制冷提供熱源，解決了混合動力客車空調耗能大的問題，客車外的新鮮空氣進入全新風空調系統進行降溫除濕后，輸入到客車空間內調節客車內空氣品質，解決了原有客車空調系統無新風進入的缺點，操作方便，維修簡單，具有綠色環保的優點，便于推廣使用。

[1] 韓樹,蔡鋒,駱清國,等.車用柴油機全工況熱平衡實驗研究[J].柴油機,2009,(4):35-38.

[2] 杜芳莉,吳晗,張富康,等.基于吸附式制冷果品保鮮裝置的研究[J].制冷與空調,2018,(6):586-589.

[3] 楊洋,王松,方徐君.淺析太陽能驅動的吸附式制冷系統[J].科學中國人,2016,(9):74-75.

[4] 楊培志,陳煥新.吸附式制冷循環熱力學及性能[J].中南大學學報,2007,38(3):461-467.

[5] 王南南,劉再沖,鄧立生等.低溫驅動沸石-水吸附式制冷機的性能研究[J].制冷學報,2016,37(1):65-69.

[6] 張文勝,安大偉,婁承芝.孔板送風方式下密閉小室內氣流分布的研究[J].暖通空調,2006,36(S):43-45.

[7] 肖尤明,徐烈,李志偉,等.汽車空調余熱溴化鋰吸收式制冷裝置的研究[J].制冷學報,2004,(1):22-26.

[8] 催輝然,滿虹,劉洋.復合冷凝熱回收太陽能熱水系統的經濟性和節能分析[J].河南科技,2015,(3):126-128.

Research on Air Conditioning System of Energy-saving and Environmental-friendly Passenger Cars Based on Hybrid Power

Du Fangli Shen Guanbing Wong Leichao Liao Shibao Jia Qi

( Department of Energy and Architecture, Xi’an Aeronautical University, Xi’an, 710077 )

In the bus, Creating a fresh, healthy and comfortable interior environment is the basic task to ensure the mood and health of travelers. in this paper，The energy-saving and environmental-friendly bus air conditioning system studied makes full use of the waste heat and solar radiation heat generated by the bus engine as the hybrid power to provide the heat source for adsorption refrigeration. It overcomes the problem of high energy consumption of conventional automobile air conditioning, At the same time, the all-fresh air system is also used to effectively improve the air quality in the bus space. And makes the air in the bus fresher, So as to improve the comfort of passengers. The air conditioning system is efficient, energy-saving and green.

Engine waste heat; Solar radiation heat; Adsorption refrigeration; Heat collection system; New wind system

G710

A

1671-6612（2020）04-473-04

省級大學生創新創業訓練計劃項目（S201911736007）；西安航空學院校級科研基金（2019KY1223）

杜芳莉（1975.5-），女，碩士研究生，副教授，E-mail：972339919@qq.com

2019-09-19