汽车空调冷负荷分析与计算

2023-02-18 08:58杨子龙王一同刘良旭曹敬盼
汽车实用技术 2023年3期
关键词:汽车空调太阳辐射计算公式

杨子龙,王一同,刘良旭,曹敬盼

汽车空调冷负荷分析与计算

杨子龙,王一同,刘良旭*,曹敬盼

(华北理工大学 冶金与能源学院,河北 唐山 063210)

汽车空调作为耗能较大车身辅助设备,为了在夏季保证车内人员舒适性,并兼顾燃油消耗量。因此,通过对车室内热负荷的计算分析,对选用合适的汽车空调系统有着重要的作用。文章通过建立了热平衡模型,利用稳态分析法,计算白天不同时刻进入车内的热负荷,并分析了进入车内的不同负荷组成。结果表明,通过车窗得热和进入车内的新风负荷占比接近50%,在下午14:00时刻进入车室内热负荷最大,当车速为45 km/h和吸收率为0.85时,总负荷为3 664 W。此分析对汽车空调的制冷系统的设计有着重要的借鉴意义。

汽车空调;热负荷;稳态分析法;热平衡模型

目前,随着化石能源的消耗,环境污染和全球气候变暖等一系列问题日益突出。在国家“双碳”战略目标下,各个行业都在持续的努力。近年来,我国经济在快速发展,汽车总数量也明显增长,截至2020年底,我国汽车保有量达2.81亿辆,是全球第一大汽车生产国和主要消费市场[1]。而汽车空调作为耗能的设备,需求量也在增加。

汽车空调是用来调节车内温度、湿度和空气流速等参数,保证驾乘人员的舒适性。汽车车室通过导热、对流和辐射三种方式进行与环境换热,由于车外的环境在不断变化,车内所需制冷量也在不断变化。如何设计一个合理的空调系统,较为准确地计算车内的热负荷,是本文的研究重点。由于车身结构蓄热系数较小,传热速度快,汽车的工作环境比较复杂[2],因此,利用稳态分析法,可计算得出夏季某一天的逐时热负荷。

1 热平衡模型的建立

由于太阳辐射、车速、人体散热和发动机舱室传热等因素影响,整部车模型传热可以说是由导热、对流和辐射三部分组成。由热平衡关系可知,进入车内的热负荷由以下部分组成:

式中,Q为汽车空调总的热负荷;Q1为车门车顶和车后板进入车内的热负荷;Q2为通过车窗玻璃以导热、对流方式进入车内的热负荷;Q3为通过车窗玻璃以热辐射的方式进入车内的热负荷;Q4为通过发动机舱室前隔板进入车内的热负荷;Q5为通过汽车底板传入车内的热负荷;Q6为车内人员散热;Q7为车内电器设备散热;Q8为新风和漏风负荷。

2 参数选择

2.1 车内参数选择

汽车正南方向行驶,车漆为深蓝色。根据文献资料显示,对车内条件选择如下[3]:

(1)车室内外温差不宜过大,对车内外温差一般为5 ℃~7 ℃适宜。其中温度的选取公式规则为

n=20+0.5(0-20) (2)

式中,n为车内温度;0为车外环境温度。

(2)车内的空气流速在0.25 m/s~0.5m/s之间[4],取0.5 m/s。

(3)车内空气的相对湿度也是影响舒适性的重要因素,一般车内相对湿度取50%~60%。

2.2 车外环境参数确定

汽车车外的环境是不断变化的,包括太阳辐射、风速等因素影响。在设计计算时,需考虑一天的逐时室外温度。测试环境选取为唐山市(北纬39.36,东经118.11)、7月22日、晴朗天气、室外环境相对湿度在30%~70%时人感觉舒适。夏季室外逐时温度的确定:

式中,o.m为夏季空调室外计算日平均温度,规范规定取历年平均不保证5天的日平均气温,℃;为室外空气温度逐时变化系数,如表1所示;d为夏季空调室外计算平均日较差,℃;按式(4)计算:

式中,o.s为夏季空调室外计算干球温度,℃。

对本文计算,夏季室外计算平均温度29.6 ℃[5]。

表1 室外空气温度逐时变化系数

计算夏季室外逐时温度,如表2所示。

表2 夏季室外逐时温度

2.3 汽车车身材料物性参数

某运动型多用汽车(Sport Utility Vehicle, SUV)车身材料参数确定,根据主机厂数据,包括车身材料、厚度、导热系数、面积等参数,具体参数如表3、表4所示。

表3 车身部分物性参数

表4 车身玻璃物性参数

3 太阳辐射

3.1 太阳位置确定

1.太阳赤纬角

太阳赤纬角是地球赤道平面与太阳和地球中心连线之间的夹角,即太阳和地球中心的连线与南北极轴夹角的余角,赤纬角以年为周期,取值范围是[-23°27', +23°27']。赤纬角计算公式为

其中,∈∩[1, 365]是时间序号,也就是从每年的一月一日开始计算[6]。

2.时差

=-0.0002786109+0.11227715cos

(+1.498311)+0.11227715cos(+

1.498311)-0.1654575cos(-1.261546)-

0.00535383cos(3-1.1571) (6)

式中,为日期的时差,h;为日期的年序角,rad。

3.太阳时角

是指日面中心时角,计算地点与地心的连线和当地时间12点的太阳与地球中心的连线分别在赤道平面上的投影之间的夹角。

式中,s为地区标准时间;为当地经度,deg;s为地区标准时间的位置的经度,我国以东经120°为标准经度,deg。

4.太阳高度角

太阳高度角是指太阳光线的入射线与水平地平面的夹角,其取值范围[0,90°],其计算公式:

式中,为当地的纬度。

5.太阳方位角

太阳方位角是指太阳光线照射到目标物体,太阳光线入射线在地面上的投影与目标物体所在的子午线(正北方向)的夹角,即从物体所在的点的子午线以顺时针方向转动到太阳光线在地面上投影两者的夹角[7],其取值范围是0~360°。计算公式为

其中,的计算公式为

图2 太阳高度角

3.2 任意表面太阳辐射计算

太阳辐射计算包括太阳直射、天空散射和地面反射三部分组成。

1.水平面太阳直射计算公式为

SZ=0sinhP(11)

式中,SZ为水平面太阳直射;0为太阳常数,取1 367 W/m2;为地球大气透射系数;范围为0.65~0.75,取0.65;为大气质量。

2.含倾角的太阳直射辐射

壁面入射角:太阳入射线与壁面法线之间的夹角;壁面方位角:壁面法线在水平面的投影与正南方向的夹角;壁面太阳方位角:太阳光线的水平投影与壁面法线水平投影的夹角。其计算公式为

倾角壁面直射:

qz=0Pcosi(14)

式中,qz为壁面太阳直射。

对于垂直壁面,入射角计算公式为

3.散射计算

(1)根据柏拉治(Berlage)天空散射计算公式:

式中,ss为水平面天空散射辐射。

垂直面天空散射计算公式:

倾斜面的天空散射公式:

(2)地面反射

对于水平面接受的地面反射为零;垂直面地面散射计算公式为

式中,G为地面反射率,本文计算取0.2。

倾角的地面反射辐射强度计算公式:

4 各部分进入车内负荷计算

汽车冷负荷是指为了保持车内空气温度和湿度恒定,空调设备必须在单位时间内从车室内换出的热量,即车内空气在单位时间内得到的总负荷。车体的围护结构,包括钢板部分的不透明结构和透明的玻璃结构。在太阳辐射的作用下,车表面温度升高,一部分通过对流传热进入车内,形成冷负荷,一部分经过车表面吸收后,再以对流传热方式进入也形成了冷负荷。通过车窗透明结构进入车室内,有瞬变传热量和日射得热两部分,前者同不透明结构壁传热量一样形成相应的冷负荷,后者经过蓄热后,再以对流形式释放出来,形成冷负荷。由于汽车行驶环境的变化,蓄热系数小,周围环境不停变化,利用稳态分析法,便于计算进入车内的负荷。分析如下:

1.通过车顶、车侧向室内的热量

(1)车内围护结构受到的外界干扰量包括室外环境温度和太阳辐射热两部分,为了计算方便,可将两者视为一个“综合温度”。用来计算除车玻璃外的车身部分的逐时综合温度。其计算公式如下:

(2)换热系数的计算

对于车体含有钢板不透明部分的换热系数的确定,计算公式如下[8]:

式中,w为车身不透明外表面换热系数;其计算公式为

w=4.410.8(24)

式中,为汽车行驶速度,m/s。

n=5.678 2(2+1.03n) (25)

式中,n为车内表面空气流速。

通过车顶车侧部分的进入的逐时负荷:

=(w,z-n) (26)

式中,为计算部分的面积,单位m2。

2.通过车窗玻璃进入车室内的日射得热量

通过车窗部分进入车内的日射得热形成的冷负荷包括两部分[9]。

(1)被玻璃吸收的太阳辐射热通过对流传入车室内的热量。单位面积玻璃吸收的热量1为

1=di直2散(27)

式中,直为太阳辐射逐时总直射辐射;散为逐时散射总辐射。di为玻璃对太阳直射辐射不同入射角的吸收率;2为散射辐射的吸收率,散射辐射包括天空散射和地面漫反射。因一天内不同时刻,不同入射角对应的玻璃吸收率相差不大,故为方便计算,一般取定值[10]。

玻璃吸收了太阳辐射热后温度升高,与室内进行热交换,稳态传热计算,仅考虑某一时刻这个过程传热,热平衡方程如下:

1=w(b-w,τ)+n(b-n) (28)

式中,b为玻璃温度,℃;w为车玻璃透明结构的外表面换热系数;n为玻璃内表面的换热系数。

结合以上两式,得到在辐射和温差作用下,单位面积玻璃通过对流传入车室内的热量为

汽车行驶条件下,玻璃内外表面经验公式换热系数如下。其中,玻璃外表面:

前窗:

w=3.790.8(30)

侧窗:

w=7.20.8(31)

后窗:

w=4.650.8(32)

玻璃内表面:

前窗:

n=5.6782(0.9+1.03n) (33)

侧窗:

n=5.6782(1.10+1.03n) (34)

后窗:

n=5.6782(1.10+1.03n) (35)

各个车玻璃通过对流进入的总热量:

式中,F为各个玻璃的面积。

(2)通过玻璃透射进入车内的热量,太阳辐射透过玻璃进入车内,车内的表面物体对短波辐射进行吸收,使得表面物体温度高于车内温度,再以对流方式进行换热,形成对流辐射热。

单位面积玻璃透射进入车室内的热量

f=di直d散(37)

式中,di为入射角为玻璃对太阳直射的透射率;d为玻璃对散射辐射的透射率。

车内物体吸收率X,根据文献资料显示,取值为0.736;车内物体吸收热量,向车内放热

fifX(38)

所以通过车玻璃透射进入的总的热辐射:

ffi.F(39)

即通过玻璃进入车室内的总的逐时负荷:

df(40)

3.通过发动机舱室传入车室内的负荷

发动机舱室进入车室内的负荷利用稳态传热计算,其得热公式如下:

发(cn) (41)

式中,为发动机舱室通过传导对流进入车室内的得热量,W;发为综合传热系数,W/m2∙K;为发动机舱室一侧前围面积,m2;c为发动机舱室平均温度,一般取70 ℃;n为车室内温度;由于发动机舱室前隔板参数确定,内部换热系数n确定,w的变化对发的影响较小。因此,为了便于计算,根据文献资料显示,一般取8.42。

分析计算过程中,考虑发动机一侧温度,空气温度保持不变,则车室内的得热等于冷负荷。

4.通过汽车底板进入车室内的热量车底板综合温度

z=H+(2~3)=33.5+3=36.5 ℃ (42)

其中为了便于计算,H取室外温度最大值。

则通过车底板进入的热量:

底(zn) (43)

式中,底为车底板综合换热系数,W/m2∙K;为车底板面积,m2。

5.车内人员散热

人员散热和设备散热,由于形成条件复杂,为了计算的方便,一般将散热量直接作为冷负荷来计算,而通风换气和漏风通过对流进入车室内,进行对流换热,因此得热量等于冷负荷。

成员散发的热量包含显热和潜热两部分。显热的对流部分被车内空气直接吸收,形成瞬时热负荷;显热的辐射成分滞后且以对流形式传给车内空气,形成车内的热负荷。潜热部分是由于人的呼吸、运动排汗等产生的水蒸气散发到车室内,这一部分经过蒸发器被冷却,形成车内的热负荷。成员的散热也与性别、年龄和衣着等相关。一般在计算时还考虑了各类人员组成的比例系数,称为群集系数。所以计算成员散发热量:

116(44)

式中,为群集系数,取0.89;为车内人员数量,取4人。

6.车内电器设备散热

电器设备一般考虑蒸发器的鼓风机散热,一般选用经验值。热负荷为100 W。

7.新风和漏风负荷

根据车内外相对湿度和逐时温度数据,为保证车内人员的舒适性,需要加入的新风,以及考虑到车辆门缝泄气量的影响。一般把新风和泄气量综合考虑,泄气量并入新风量,取综合数值25 m3/h。

则进入车内的总风量:

nv(45)

式中,为人员数量;v为平均单人综合风量;m3/h。

室外空气的含湿量:

式中,为相对湿度;s为水蒸气的饱和压力。可根据室内外温度查得s值从而求得的值。

室外逐时温度的焓值:

0,τ=1.002w,τd(2501+1.86w,τ) (47)

车内干球温度26 ℃的空气焓值:

1=1.005nd(2501+1.86n) (48)

则进入车内的总的风量负荷:

V(01) (49)

式中,V为进入到车室内的质量流量,kg/s。其计算公式如下:

式中,为空气的密度,kg/m3;0,τ为室外逐时空气焓值,kJ/kg;1为车室内空气焓值,kJ/kg。

5 计算结果及分析

根据上述的太阳辐射量和传热计算方法,得出以下结论。

(1)当室外温度即太阳辐射量一定时,随着汽车车速的增加,车内所得的负荷逐渐减少,但减小的幅度不大。这是因为车速的增加,车身的换热系数增加,增强与车外环境的换热。不同车速下,汽车空调的最大冷负荷,均出现在下午14:00时刻。

图3 白天进入车内总负荷

(2)以车速为45 km/h,下午14点为例,分析进入车室内的负荷不同组成部分如下:

图4 总负荷的组成部分比例

在夏季,进入车内的负荷组成,新风负荷占比34%,车窗玻璃进入得热为24%,车体围护结构得热为22%,人体散热为11%,前围发动机舱室为7%,车内其他设备散热占比2%。

6 结论

对整车的热负荷计算,对选用合适的空调大小有重要意义。本文利用了稳态分析法,计算得到一天内在不同温度下,进入车内的热负荷。结果显示,下午14点进入车内热负荷最大,并且作为选用汽车空调制冷量大小的参考,以车速为 45 km/h为例,进入车内的最大热负荷为3 664 W。

在夏季,新风负荷和通过车窗玻璃进入车内的热负荷超过50%。针对这两者的主要热负荷来源,应该提高制造工艺技术,增加密封程度,减少车门的关开次数,减少玻璃透光率,从而减少进入车内热负荷。

[1] 申桂英.2020年中国汽车工业经济运行情况[J].精细与专用化学品,2021,29(2):5.

[2] 吴双.汽车空调车身热负荷计算方法分析与比较[J].制冷与空调,2002(6):20-23,27.

[3] 张忠于,林玲.轿车空调热负荷的计算和分析[J].装备制造技术,2008(11):64-65,68.

[4] 王若平.车室热负荷计算概述[J].江苏理工大学学报,1996(1):22-25.

[5] 崔莹,燕达,马京津.夏季空调室外计算逐时温度生成方法研究[J].暖通空调,2017,47(3):16-22.

[6] 张佳明.建筑太阳辐射作用下围护结构的传热计算优化研究[D].西安:西安建筑科技大学,2020.

[7] 陈健婷,温银婷,傅守忠.最佳太阳方位角的计算[J]. 肇庆学院学报,2014,35(2):20-22.

[8] 孙悦,陶乐仁,雷良新,等.新能源汽车空调负荷特性的研究[J].低温与超导,2020,48(5):66-73.

[9] 孙纯武,刘宪英,黄忠,等.汽车空调车室冷负荷计算方法[J].四川制冷,1997(3):1-9.

[10] 谢海容,陈友明,莫志姣,等.单层窗户玻璃贴太阳控制膜的节能性研究[J].暖通空调,2007,37(7):129-132.

Analysis and Calculation of Automotive Air Conditioning Cold Load

YANG Zilong, WANG Yitong, LIU Liangxu*, CAO Jingpan

( College of Metallurgy and Energy, North China University of Technology, Tangshan 063210, China )

As a large energy-consuming body auxiliary equipment, automotive air conditioning is used to ensure the comfort of the vehicle occupants in summer and to take into account the fuel consumption. Therefore, by calculating and analyzing the heat load inside the vehicle, it is important to select a suitable automotive air conditioning system. In the article, a heat balance model is established and the steady state analysis is used to calculate the heat load entering the car at different times of the day and to analyze the different load components entering the car. The results show that the heat gain through the windows and the fresh air load entering the car account for nearly 50%, and the maximum heat load entering the car at 14:00 p.m. The total load is 3664 W when the car speed is 45 km/h and the absorption rate is 0.85. This analysis has an important significance for the design of the cooling system of the car air conditioner.

Automotive air conditioning; Heat load; Steady state analysis method; Heat balance model

U469

A

1671-7988(2023)03-88-07

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.017

杨子龙(1995—),男,硕士研究生,研究方向为新能源汽车空调,E-mail:2743153763@qq.com。

刘良旭(1988—),男,博士,讲师,研究方向为制冷技术,E-mail:liuliangxu@tju.edu.cn。

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