电动空调车室热负荷建模方法

1、山西中北大学机械与动力工程学院 陈飞 杨世文 2、北京理工大学 韩少剑

引言

电动空调系统是一个复杂的、由多个子模块构成的系统。空调系统的作用是要保持室内空气达到要求的温度，但在汽车的内外环境中必然存在一些干扰因素，它们会改变室内的温度，这些干扰因素对车室的影响就称为负荷，而使车室有热量增减的负荷称为热负荷。为了计算和有效控制这些热负荷，本文以空调系统的功率和空调系统的调温效果为基础，建立电动空调车室热负荷模型。

1 车室热负荷模型的建立

热负荷的计算方法有多种，可分为三大类：稳态传热方法、准稳态传热方法和非稳态传热方法。

在车室温度模型建立的过程中采用准稳态传热法，可以提高计算精度又不会使计算过于复杂，达到与其他模块相当的精度，是一种较好的计算方法。

车室热负荷模型的作用是计算出实时的车室内热负荷，含太阳辐射热量、通过车体传入的热量、室外空气带入的热量和人体散热量等。车室传热如图1.1所示。

图1 .1车室热负荷示意图

车室热负荷的计算是为了预测汽车运行过程中的动态负荷，选择合适的制冷量，在计算过程中涉及到的主要车辆参数如表1所示。

表1 主要车辆参数

Qe——电动车空调热负荷，W；

QB——通过车顶与侧围传入车厢的热负荷，W；

QG——通过各玻璃表面进入车厢的热负荷，W；

QC——通过车厢地板传入车厢的热负荷，W；

QP——人体散热造成的热负荷，W；

QL——新风带来的热负荷，W；

QD——用电器传入的热负荷，W。

1.1 通过车顶与侧围传入车厢的热负荷。车顶与车门传入车厢的热负荷是由多种方式共同作用的结果，在计算中主要考虑的太阳辐射包括太阳直射辐射、天空散射辐射。车身表面吸收的热量，一部分利用温差，通过车身传入车内，即QB。另一部分以对流形式散发在大气中。综合考虑人体热敏感度、传感器精度和算法复杂度，在车室的计算中采用准稳定传热模型。

准稳定传热方法是一种简化算法，由于室外空气呈周期性波动，使得车身综合温度也呈周期性波动，车身围护结构的温度从外表面逐层地跟着波动，这种波动是由外向内逐渐衰减和延迟的。准稳态计算方法将这种波动化简为一阶简谐波近似计算，得到较稳态传热更加准确的车身维护结构传热量。

车顶车侧为0.8mm钣金，填充发泡为5mm。计算车顶和侧围传入的热量其流程如图所示。

1.1.1 计算车外逐时温度

室外温度计算公式如下:

式中：Tout(t)室外温度，℃；Tout室外计算日平均温度，℃；An第n阶室外温度变化的波幅，℃；ωn第n阶室外温度变化的频率，deg/h；φn第n阶室外温度变化的初相角，deg。

工程上按一阶简谐波近似计算Tout(t)，给定气温峰值出现在下午3时，公式1.2可简化为

以北京为例，夏季车外逐时温度：Toutb(t)=28.6+4.6cos(15t-225)

1.1.2 计算车体综合温度

车体综合温度逐时值：

式中：

Te(t)车体综合温度，℃；△Te(t)车体综合温度的波动值，℃；An车体综合温度波动值的第n阶扰量的波幅；

只取一阶谐波讨论上式转化为

式中

相应北京车体综合温度如下所示，可以看出车速会影响车体综合温度。

1.1.3 计算稳定传热量和不稳定传热量

由于外扰动波动值△Te(t)引起车身内表面温度波动值。

式中：△TN(t)车内温度波动值；v1第1阶扰量的衰减度；ε1第1阶扰量的相位迟滞；

对于准稳态过程，只讨论一阶谐波，衰减度按下式计算：

Ri材料的热阻，车身材料铁为0.02m2·℃/W，填充泡沫为33.3m2·℃/W；Si各层材料的储热系数，车身材料铁为 112W/(m2·℃)，填充泡沫为 0.5W/(m2·℃)；ain内表面换热系数，取29W/(m2·℃)；Yi表面储热系数，W/(m2·℃)；

车室内层的表面储热系数为：

其余层的表面储热系数为：

相位滞后为

由以上公式即可得到单位时间内传入车室的热量。

1.1.4 计算车顶、侧围传入热量QB

车身内表面的热流量为：

式中

Ta车 室平均温度，℃；q车身综合温度与车室温度之差形成的稳定传热量，J/(m2s)；△q由外扰波动值引起的附加不稳定传热量，J/(m2s)；Ki车身侧围、车顶的传热系数，W/(m·K)；δj隔热材料厚度，m；λj材料导热系数，车身材料铁为48W/(m·2℃)，填充泡沫为0.03W/(m2·℃)；Ai车顶或侧围的面积，m2；qi车顶或侧围的热流量，J/(m2s)。

1.2 通过各玻璃表面进入车厢的热负荷包含两部分，一是通过各玻璃表面以辐射方式直接进入车厢的热负荷，另一部分是通过各玻璃表面以对流方式进入车厢的热负荷。

通过各玻璃表面以辐射方式直接进入车厢的热负荷：

η太阳辐射通过玻璃的透入系数；FG1车窗直射方向的有效面积，m2；I车窗外表面的太阳辐射强度，kW/m2；

通过各玻璃表面以对流方式进入车厢的热负荷：

KG2壁面传热系数；GA传热面积，m2；ρ车身外表面对太阳辐射的吸收系数，取0.9；α0汽车维护结构外表面与室外空气间的换热系数；

建立的车窗传热部分模型如图1.2所示，上部为以辐射方式进入车室的热量，下部为以对流传热的方式进入车室的热量，从输入量为车速信号可以看出车窗传热量是受车速影响的。

图1.2 车窗传热部分模型

1.3 车外空气渗入热负荷：

GL车身渗入空气体积，m3/h；Pair空气密度，kg/m3；hout室外空气焓，kJ/kg；hin室内空气焓，kJ/kg；

1.4 驾驶员及乘客带来的热负荷：

QJ驾驶员人体散热，W；G乘员人体散热，W；N乘员人数；n集群数，取0.89。

车室内的人体会向车室散发热量，散发的热量有显热和潜热两种形式。显热指通过对流传导或辐射方式散发出来，能影响空气温度的热量。潜热指人体散发出的水蒸汽（湿量）所包含的汽化潜热。

人体所散发的热量大小随性别、年龄、活动程度、环境温度而变化。考虑到男性、女性和儿童的比例后得到的平均值，每个人的总散热量是一定的，约为111W。

在忽略车身缝隙的情况下，新风带入的热负荷主要来自于满足人体生理需要的新鲜空气。

满足人体需要的新风热量：

式中：n乘员数；V按照人体卫生标准，每人每小时需要的新风量，可取20-30m3/(人·h);hi车内空气的比焓值；ho车外空气的比焓值。

1.5 用电器传入的热负荷一般取经验值200W。最终建立电动空调车室热负荷模型如图1.3所示。

图1.3 车室热负荷模型

2 结论

本文采用了准稳态传热的计算方法对车室热负荷进行模型设计，由于车室不同部位使用的材料、接受的太阳辐射强度、当量温度等不同，要根据不同部位、不同的热类型建立各自的传热模型。总体模型如图1.3所示，输入量为车速，输出量为车室热负荷。本文的研究为汽车空调系统的优化设计和空调车室的舒适性控制研究提供了理论依据。

[1]闵海涛,曹云波,曾小华等.电动汽车空调系统建模及对整车性能的影响[S].吉林大学学报(工学版）,2009.3,39(1):53～57.

[2]关志伟.汽车空调[M].北京人民交通出版社,2009:2～3.

[3]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,2002,2(6):17～20.