輻射制冷對汽車熱舒適性和能耗影響研究

費鍵麗，楊 劍，呂銀燕，袁錦超，徐靜濤

(1.華中科技大學能源與動力工程學院，湖北 武漢 430074;2.寧波瑞凌新能源材料研究院有限公司，浙江 奉化 315500)

0 引 言

隨著經濟的高速發展，人們生活水平的日益提高，汽車成為現代社會生活中必不可少的一部分，同時也造成能源危機、環境污染等問題。夏季空調的使用降低了客艙內溫度，有效提升人體熱舒適感[1-4]，但加劇了傳統汽車的化石能源消耗和環境污染。推廣新型清潔能源汽車，可降低二氧化碳排放。其中，純電動汽車已逐步進入民用市場，但目前各類電池能量密度較低，仍然普遍存在續航里程短等嚴重缺點，成為市場推廣的痛點。夏季空調系統的使用會額外增加電池能耗，降低純電動汽車的行駛里程。根據美國國家可再生能源實驗室(NREL)的研究，傳統的空調負載可以使純電動汽車的行駛里程降低近40%[5]，更進一步加劇了人們對電動汽車行駛里程的擔憂。如何在熱舒適的前提下降低汽車空調系統的能耗，是提高純電動汽車行駛里程的重要途徑。

針對這一問題，除了電池材料本身的需要提升，在工程應用方面目前主要有三種解決途徑：一，針對電池功率進行管理分配。Michael A.Roscher[6]等人提出根據驅動情況，通過自適應控制HVAC電源輸入，可降低運行過程中的電力損耗。結果表明，該方法在不增加硬件工作量的情況下，節省能源，使行駛里程增加1%以上。Shankar Narayanan和Xiansen Li[7]等人開發了一種基于吸附的熱電池(ATB)，它能夠儲存熱能，僅需要很少的電力供應，就能提供加熱和冷卻。劉永濤[8]等人從再生制動角度，針對兩檔式純電動汽車提出結合檔位選擇的串聯式再生制動控制策略，當汽車需要制動減速時，通過功率變換器為蓄電池充電，實現制動能量回收，進而延長電動車行駛里程。二，客艙預處理。Kiran Kambly和Thomas H.Bradley[9]的仿真模擬發現大量的空調耗能被用于使客艙溫度恢復到熱舒適區域，并得到結論：對客艙進行預處理后的電動汽車的最大行駛里程可提高8.75%。但艙室預處理是在汽車充電時使車內空間達到熱舒適的要求，因此該方式使用受到一定限制。三，通過改變汽車結構材料光學性質減少得熱。V.Souliosa和R.C.G.M.Loonenb[10]等人提出了三種措施，分別是：采用光譜選擇性玻璃、使用高太陽反射不透明表面、采用可移動遮陽板覆蓋擋風玻璃。結果表明，采用光譜選擇性玻璃可以降低艙室空氣溫度12.5 ℃，與太陽能反射不透明表面結合使用，艙內空氣溫度降低可達23.8 ℃。

近兩年，輻射制冷技術在材料方面的突破引起廣泛的關注[11-12]。將輻射制冷技術與汽車結合，不僅可以降低客艙初始溫度，還可有效降低汽車在運行過程中的得熱，減少空調能耗。輻射制冷技術的原理是利用地球(27 ℃)和宇宙(-270 ℃)的巨大溫差，通過大氣窗口(大氣層對紅外輻射透過率較高的光譜波段，例如8～13 μm)向外太空發射熱紅外輻射，從而實現制冷。和空調相比，它不需要消耗額外其他能量，可以用于建筑、車輛、太陽能電池和發電廠等的降溫[11]。用于輻射制冷的理想材料，光學特性是在大氣窗口波段有類似黑體的高發射率，而在其他波段，具有非常高的反射率，具體輻射特性見圖1[12]。

圖1 理想選擇性表面的輻射特性

圖1中，左邊陰影區域表示AM1.5太陽輻射光譜，右邊陰影區域表示7～26 μm波段的大氣透射光譜[13]，黑色曲線表示理想材料在0.3～26 μm波段的發射率。其在太陽波段的發射率為0，即吸收率為0，表示不吸收太陽光的熱量；其在大氣窗口波段的發射率為1，表示向外輻射的熱量多，因此能夠達到很好的制冷效果。自然材料很難具有這種光學特性，需要通過材料工程技術對物體表面進行處理。2017年，楊榮貴、尹曉波、譚剛團隊發明了一種由有機高分子材料和功能無機材料復合而成的輻射制冷超材料薄膜，在具有高效輻射制冷效能的同時可實現大規模商業化生產。這項研究成果于2017年發表在《Science》后，引起了全球的廣泛關注[14]。這種輻射制冷薄膜的具體輻射特性見圖2。它具有96%的太陽能反射率，在8～13 μm間具有93%的紅外發射率。這種反射型薄膜呈銀色，可直接粘貼于不需要采光的結構外表面，如建筑屋頂、汽車表面等。此外，楊榮貴、尹曉波、譚剛團隊發明了一種透射型薄膜，可直接粘貼于需要采光的結構外表面，如各類建筑物玻璃，具有93%的紅外發射率。

圖2 輻射制冷膜的輻射特性

本文研究提出將輻射制冷技術應用到純電動汽車上，改善汽車室內的熱舒適性，降低汽車電池用于空調系統的能耗，提高汽車行駛里程。以比亞迪E6這款純電動汽車為研究對象，將輻射制冷薄膜貼到汽車各個外表面上，在車頂，車體(包括車門和后圍板)等不透光區域貼附反射型薄膜；在前擋風玻璃、側面玻璃和后擋風玻璃等透光區域貼附透射型薄膜。運用能耗分析軟件EnergyPlus對應用輻射制冷技術前后汽車內空氣的平均溫度、空調系統制冷量、以及在Fanger模型下車內的熱舒適性指標：預測平均投票數PMV(Predicted Mean Vote)、不滿意者百分數PPD(Predicted Percentage of Dissatisfied)進行數值模擬。通過分析比較模擬數據，驗證在純電動汽車上運用輻射制冷技術對客艙內環境的改善，駕乘人員舒適性的提升，同時獲得對空調系統能耗的降低，和行駛里程的提升。

1 模型與研究方法

本文首先研究了汽車不貼膜和汽車各表面全貼膜這兩種基礎工況。汽車各表面全貼膜表示車頂、車體貼反射膜，前擋風玻璃、側面玻璃和后擋風玻璃貼透射膜。然后再針對各表面進行敏感性分析，探究汽車各表面的降溫效益和能耗節省效益。研究僅前擋風玻璃不貼膜、僅后擋風玻璃不貼膜、僅側面玻璃不貼膜、僅車頂不貼膜、僅車體不貼膜這5種工況。運用能耗分析軟件EnergyPlus對七種工況分別進行數值模擬。

EnergyPlus利用有限差分模型計算動態傳熱和儲存效應，并根據有關對流和輻射效應的熱平衡原理運行，以計算每個時間步長節點所對應的表面溫度，其內部節點的隱式公式如下：

式中Cp——材料的比熱容;

ρ——材料密度;

Δx——有限差分層厚度;

Δt——計算時間步長;

T——節點溫度;

i——待計算目標節點;

j——時間步長;

kW——節點i和i+1界面之間材料的導熱系數;

kE——節點i和i-1界面之間材料的導熱系數。

EnergyPlus已廣泛應用于建筑領域，V.Soulios和R.C.G.M.Loonen[10]等人的實驗證實了它也能夠對汽車駕乘空間內空氣的溫度、空調系統的能耗等參數進行準確的估算。

1.1 幾何模型

這次研究針對比亞迪E6展開，構建E6駕乘空間的過程綜合運用了CAD 2018三維建模和SketchUp。由于汽車車身和內部結構復雜，進行了適當的簡化。去掉汽車外形上圓角、倒角等一些細小特征[15]，用直線或圓弧代替汽車流線型。對于汽車內部空間結構，去掉了方向盤等一些對室內空間流場影響較小的設施，由于模擬背景是僅有一名駕駛人員坐在汽車內，因此忽略人員所占空間。圖3顯示了建立好的E6內部空間模型，內部空間設施包含前排左右分開的兩個座椅、后排的長椅以及前排的中央扶手。模型邊界由各表面構成，包含車身壁面和汽車玻璃。車身壁面主要有：機艙前壁，車頂，后圍壁，車底、側圍壁。而E6汽車玻璃由前擋風玻璃、后擋風玻璃和左右兩側玻璃構成，不含有天窗。

圖3 比亞迪E6幾何模型

由于EnergyPlus只能對熱工區域中的模型進行數值模擬，因此需要將前面建立好的汽車模型導入到SketchUp里面，使用添加thermal zone命令，定義汽車各邊界類型。圖4顯示了熱工區域中的比亞迪E6模型。頂部非透明區域表示汽車頂部，側面非透明區域表示汽車壁面，透明區域表示汽車窗戶。

圖4 熱工區域中比亞迪E6模型

1.2 汽車材料

汽車各表面的材料分為兩種類型：不透明的壁面和透明的玻璃。不透明的壁面根據VSOLE模型，定義為均勻的各向同性材料，可以通過插入逐層材料屬性提高模型的精確程度。表1列出了各個不透明表面的材料參數，其中反射膜的性能參數由實驗測得。

表1 汽車不透明壁面材料參數

透明的玻璃表面使用了EnergyPlus的內置開窗模型，該模型考慮了光譜和角度相關的光學特性。表2列出了汽車各玻璃的性能參數，各參數由實驗測得。由于軟件內玻璃的結構設置不允許插入逐層材料，因此將貼過透射膜的玻璃仍然設置為一塊玻璃，僅改變各項性能參數。

表2 汽車玻璃參數

1.3 模擬地點

將深圳選為本次研究的地點，輸入的具體位置是東經114.1°，北緯22.55°，東8區。車頭朝南。

1.4 人體舒適度模擬

本文采用研究人體熱舒適性常用的Fanger模型。該模型綜合4個環境變量包括空氣溫度、空氣流速、相對濕度、表面平均輻射溫度和兩個人為變量包括人體活動量、服裝熱阻。提出了兩個預測熱舒適性的指標，分別是PMV(Predicted Mean Vote)和PPD(Predicted Percentage of Dissatisfied)。其中PMV表明群體對熱感覺投票的平均指數，其正值越大，人覺得越熱；其負值越大，人覺得越冷。PPD表示群體對于環境熱舒適不滿意程度的百分比。模擬背景是汽車封閉停放，5位人員坐在汽車內感受剛進入車內的熱沖擊。設定每人的熱量為116 W，炎熱的夏季服裝熱阻一般為0.3 clo，由于車內人員坐立，人體和座椅的接觸面積大，增加了服裝熱阻，因此設定為0.5 clo。車內空氣流動是由車內各部分溫差導致，空氣流動速度很低，設定為0.05 m/s。

2 數值計算結果分析

2.1 車內空氣平均溫度比較

首先模擬全年，即1月1日～12月31日間，每小時車內空氣的平均溫度，然后選取不貼膜工況與全貼膜工況溫差較大的時間段進行數據分析。結果表明，8月11日～8月17日時間段內不貼膜工況與全貼膜工況車內溫差最大。圖5給出了這個時間段內深圳的環境溫度、太陽總輻照、未應用輻射制冷技術(即不貼膜)的汽車內空氣平均溫度、全貼膜的汽車內空氣平均溫度。

圖5 不貼和全貼膜工況下汽車內空氣平均溫度比較

圖5中，陰影區域表示太陽總輻照。根據圖中顯示，8月14日15:00，不貼膜的車內空氣平均溫度達到77.6 ℃；貼膜后的車內空氣平均溫度達到56.5 ℃。前后兩者溫度差為21.1 ℃，達到該時間段內溫度差最大值。結合夏季氣溫，統計8月11日～8月17日每天10:00～16:00時間段，溫度差平均值達到13.5 ℃。

在全貼工況基礎上，為探究汽車各貼膜表面的降溫效益，對各表面進行敏感性分析。研究僅前擋風玻璃不貼膜、僅后擋風玻璃不貼膜、僅側面玻璃不貼膜、僅車頂不貼膜、僅車體不貼膜這5種工況溫度變化。圖6描述了8月11日～8月17日每天10:00～16:00時間段內，各工況下車內空氣的溫度。

圖6 各工況下車內空氣溫度

從圖6可以看出，單一部位不貼膜時車內溫度降溫效果遠不如整車貼膜。這兩者之間的溫度差異，可以認為是這一部位貼膜的降溫效益。例如：僅前擋風玻璃不貼工況與全貼膜工況的溫度差反映了貼膜前擋風玻璃的降溫效益。根據圖6，可以得到貼透射膜的前擋風玻璃降溫效益最好，使車內空氣平均溫度最高降低7.8 ℃，平均降低4.4 ℃。其次是貼反射膜的車體，使車內空氣平均溫度最高降低5.3 ℃，平均降低3.4 ℃。然后是貼透射膜的后擋風玻璃，使車內空氣平均溫度最高降低4.4 ℃，平均降低2.4 ℃。然后是貼透射膜的側面玻璃，使車內空氣平均溫度最高降低3.4 ℃，平均降低2.0 ℃。最后是貼反射膜的車頂，使車內空氣平均溫度最高降低3.7 ℃，平均降低1.9 ℃。因此貼膜后的各表面降溫效益為：前擋風玻璃>車體>后擋風玻璃>側面玻璃>車頂。

表3 車表不同部位應用輻射制冷薄膜降溫功效

2.2 車內空間熱舒適性比較

選擇溫差最大的一天對不貼膜工況和全貼膜工況的熱舒適性進行分析比較，即8月14日。圖7描述了不貼膜工況和全貼膜工況下的PMV和PPD。

圖7 不貼-全貼工況PMV/PPD

根據圖7，可以得到上午7:00之前，人員對全貼膜工況下車內的熱舒適程度不滿意的比例大，因為此時環境溫度較低，平均為25 ℃，但通常車內人員會選擇穿上外套來滿足熱舒適度。8:00～10：00，相比于不貼膜工況，全貼膜工況下人員的熱舒適感明顯提升，不貼膜工況下的PPD平均值為92.3%，PMV平均值為4.9。全貼膜工況下的PPD平均值為66.8%，PMV平均值為2.2。人員滿意度百分比提升了22.5%，PMV值降低了2.7。10:00～19:00，兩種工況下人員的不滿意百分比均為100%，但不貼膜工況下的PMV值約為全貼膜工況的2倍，即人員的熱感程度相差很大。19:00～24:00，不貼膜工況下的PPD平均值為63.1%，PMV平均值為2.8。全貼膜工況下的PPD平均值為40.3%，PMV平均值為1.3。人員滿意度百分比提升了22.8%，PMV值降低了1.5。綜上，全貼膜工況下，人員的熱舒適感增強，在開始進入汽車時受到的熱沖擊感減小。因此，在汽車上應用輻射制冷技術能夠有效提升車內環境的熱舒適性。

2.3 汽車空調系統能耗比較

當對空調系統制冷量進行數值計算時，需要在軟件中設置空調系統，即HVAC系統。將車內空調的開放溫度范圍設置為20℃～26℃，即當汽車室內空氣溫度降低到20 ℃時，空調自動調整為制熱狀態；當室內空氣溫度升高到26℃時，空調自動調整為制冷狀態。

模擬背景是汽車以40 km/h速度勻速朝南行駛，軟件EnergyPlus默認研究對象為靜止狀態，因此考慮汽車和周圍空氣的相對運動，通過調整風速使汽車實現運動狀態。選取溫度最高的7月21日為模擬大環境，默認的風速和風向分別為3.4 m/s，220°，運用矢量運算，將設計日的風速和風向分別更改為9.3 m/s，106.26°。假設汽車在設計日行駛，行駛時間從上午10點到下午4點，全程6 h。

首先比較不貼膜工況和全貼膜工況的空調系統制冷量，將兩種工況下11:00～16:00每小時汽車空調系統的制冷量放到一張圖中，如圖8所示。

圖8 空調系統制冷量(不貼—全貼)

圖8中，陰影區域表示7月21日11:00～16:00時間段內太陽輻照強度。根據圖8，能夠明顯得到全貼膜工況下的空調系統制冷量比不貼膜工況低，兩者曲線時間變化行為相似，空調系統制冷量均在11點達到最大值，分別為2.7 kWh和1.8 kWh。因為汽車從上午10點開始行駛，即從10點汽車空調開始運行，在第一個小時內需要將10點之前汽車內部空間儲存的熱量排出，使溫度降低到設定的范圍內，因此空調系統的制冷量較大。而后保持車內溫度，因此空調系統的制冷量減少。不貼膜工況下汽車行駛6 h，每小時空調系統制冷量的平均值為2.2 kWh。而全貼膜工況下每小時空調系統制冷量的平均值為1.5 kWh，和前者相比，減少0.7 kWh。一般汽車空調系統的能效比為1.5～2，換算為耗電量，全貼膜工況節省了0.35～0.47 kWh。結合比亞迪E6這款車的電池容量為82 kWh，行駛里程為400 km，當以40 km/h勻速行駛時，平均每小時耗電約為8.2 kWh。因此全貼膜工況下空調系統能耗節省4.3%～5.7%。這個結果將有效提升電動車在開空調工況時的續航里程。

在不貼—全貼工況比較的基礎上，繼續探究汽車各貼膜表面對空調系統的能耗影響。研究僅前擋風玻璃不貼膜、僅后擋風玻璃不貼膜、僅側面玻璃不貼膜、僅車頂不貼膜、僅車體不貼膜這5種工況的空調系統制冷量。圖9描述了各工況下汽車空調系統的制冷量。

圖9 各工況空調系統制冷量

各個工況與全貼膜工況的差值，表示各貼膜表面引起的空調系統制冷量減少量。根據圖9，可以得出貼膜后的前擋風玻璃的制冷量減少最大，平均每小時減少0.28 kWh，一般汽車空調系統的能效比為1.5～2，因此換算成耗電量，大約節省0.14～0.19 kWh，節電百分比達到1.7%～2.3%。其次是貼透射膜的后擋風玻璃，空調系統制冷量平均每小時減少0.13 kWh，換算成耗電量，大約節省0.07～0.09 kWh，節電百分比達到0.9%～1.1%。然后是貼反射膜的車體，空調系統制冷量平均每小時減少0.12 kWh，換算成耗電量，大約節省0.06～0.08 kWh，節電百分比達到0.7%～1.0%。然后是貼透射膜的側面玻璃，空調系統制冷量平均每小時減少0.09 kWh，換算成耗電量，大約節省0.05～0.06 kWh，節電百分比達到0.6%～0.7%。最后是貼反射膜的車頂，空調系統制冷量平均每小時減少0.08 kWh，換算成耗電量，大約節省0.04～0.05 kWh，節電百分比達到0.5%～0.6%。因此，各貼膜表面的總能耗節省程度為：前擋風玻璃>后擋風玻璃>車體>側面玻璃>車頂，表4列出汽車表面不同部位應用輻射制冷薄膜后對空調系統能耗的影響。

表4 車表各部位應用輻射制冷技術對平均空調能耗影響

和前述研究降溫效益一樣，為了更加了解各貼膜表面自身的能耗節省程度，進一步研究各貼膜表面單位面積引起的能耗節省效益。圖10描述了貼膜后各表面單位面積引起的制冷量減少量。

圖10 各表面單位面積引起的制冷量減少量

根據圖10，能夠較清晰的看出貼膜后單位面積各表面引起的空調系統制冷量減少量的順序為：前擋風玻璃>后擋風玻璃>側面玻璃>車頂>車體。其中，貼膜后單位面積前擋風玻璃引起制冷量平均每小時減少0.20 kWh，換算成耗電量，大約節省0.10～0.13 kWh，節電百分比達到1.2%～1.6%。和前述各貼膜表面的總能耗節省效益比較，仍然是車體的順序變化較大。

綜合上述對各貼膜表面降溫效益和能耗節省效益的研究，證明了在純電動汽車上應用輻射制冷技術能夠有效改善汽車內部空間的熱舒適性，降低汽車空調系統的能耗，繼而提高汽車的行駛里程。

3 結 論

本文以黑色比亞迪E6這款純電動汽車為研究對象，運用能耗分析軟件EnergyPlus對汽車內部空氣的平均溫度、汽車內熱舒適性、汽車空調系統制冷量進行數值模擬。探究了7種不同工況，得到以下結論：

(1)在純電動汽車各表面均應用輻射制冷技術，汽車內部空氣的平均溫度顯著降低，可達到21.1 ℃，人員對車內熱舒適性滿意度可提高22.8%。汽車空調系統的能耗節電率，可達5.7%。

(2)各表面應用輻射制冷薄膜后，單位面積降溫效益/能耗節省效益的排序為：前擋風玻璃>后擋風玻璃>側面玻璃>車頂>車體。