方舱型应急通信车车载空调调温能力估算方法

冯瑞馨



方舱型应急通信车车载空调调温能力估算方法

冯瑞馨

北京航天控制仪器研究所，北京 100094

随着科学技术的不断提高，人们对于生活环境的舒适性要求也越来越高。空调不仅在住房等固定地点安装，也越来越多地应用在各种车辆上。方舱型应急通信车是在二类底盘的基础上加装方舱建设而成，空间经分割后用来安装通信设备、控制台、辅助设备。为了保证通信设备的正常使用和现场操作人员的舒适性，需要在方舱中加装车载空调系统。方舱既是车辆的一部分也是一个小的机房。结合汽车空调设计方法和机房空调选型方法，提出一种方舱型应急通信车车载空调调温能力估算方法，作为方舱用空调系统选型的技术依据。

汽车空调；应急通信车

随着科学技术的不断提高，人们对于生活环境的舒适性要求也越来越高。空调，作为自然环境的调节、补充手段，也越来越重要。最初，仅在住房、办公地点等固定地点安装有空调。19世纪80年代初，随着少数汽车制造企业从国外引进技术和设备，在轿车和客车开始安装空调系统，时至今日，在工程车、卡车上的空调系统也成为标准配置。

应急通信车是工程车的一种。应急通信是在出现突发紧急情况时，综合利用有线、无线、卫星等多种通信资源，保障应急指挥、紧急救援的重要通信方式，应急通信车是应急通信设备的载体平台，是固定指挥中心的扩展和延伸[1]。

方舱型应急通信车是在二类底盘的基础上加装方舱建设而成，目前方舱的制造方法是金属冷轧方管焊接成骨架，骨架空隙车填装保温隔音材料，内外蒙铝板，方舱中的空间经分割后用来安装通信设备、控制台、辅助设备，为了保证通信设备的正常使用和现场操作人员的舒适性，需要在方舱中加装车载空调系统。

但是如何确定空调的技术参数、既能满足方舱内空间的温度调节需求又不造成能源浪费呢？作者认为方舱既是车辆的一部分也是一个小的机房，既有人员的散热和新风需求，也有较多设备的散热冷却需求，因此空调系统计算既不能按照汽车空调计算方法，也不能完全按照机房空调选型方法，同时应急通信系统设计人员非空调专业设计人员，既没能力也没必要做过于专业和精细的空调参数设计，经过多年实际工程经验，作者提出一种方舱型应急通信车车载空调调温能力估算方法，作为方舱用空调系统选型的技术依据。

1 汽车空调的计算要点及公式

汽车空调是汽车空气调节的简称，即采用人工制冷和采暖的方法，调节车内的温度、湿度、气流速度、洁净度等参数指标，从而为人们创造清新舒适的车内环境。汽车空调与建筑空调有许多不同之处，具体总结如下。

（1）汽车直接暴露在太阳下或风雪下，隔热措施困难，隔热效率不高；

（2）汽车车厢容积小，乘员所占空间比例较大，人体散热量大；

（3）车窗所占面积比例较大，易受阳光直射，导致车厢内温度很高；

（4）车厢内温度还受地面热量反射、发动机辐射热以及换气热影响，汽车空调热负荷较大。

（5）汽车的行驶速度变化无常，难以保证稳定的空调工况。

汽车空调应保证在任何条件下，车厢内部都具有舒适的温度范围和气流平均速度。舒适的温度范围，冬季为16～20 ℃，夏季为20～28 ℃；舒适的气流平均速度一般为0.25 m/s。以常用车速50  km/h、空气焓值：29.4 kcal/kg、日射强度：860 kcal/m2h（1000  W/m2）作为设计基准，计算冷、热负荷（汽车空调的热负荷计算是以设计空调为目的，所以单位采用kcal）。

1.1 热负荷的计算

Q热= Qh+ Qt+ Qi+ Qf

其中：Qh为人体热负荷；Qt为温差热负荷；Qi为太阳辐射热负荷（kcal/h）；Qf为电器热负荷，分别计算如下。

1.1.1人体热负荷

Qh= 100´n （kcal/h）

其中：n为乘员数量；100为人体每小时散热量（kcal/h）。

1.1.2温差热负荷

Qt= K´A´Δt（kcal/h）

其中：K为热传导率（kcal/m2h℃），一般取经验值2.24 kcal/m2h℃；A为车内表面积（m2）（不包括玻璃面积）；Δt为车内外空气温差（℃）。

1.1.3太阳辐射热负荷

Qi= Ig´Ka´Ag

其中：Ig为日射热量（kcal/m2h）；Ka为热量取得率；Ag为玻璃投影面积（m2）。

1.1.4电器热负荷

Qf= CL1´860´Kw

其中：CL1为发热系数，取0.6～0.75，860∶860kcal/h；Kw为车内电器功率（kW）。

1.2 制冷量的计算

根据经验制冷量取热负荷的1.5倍，即 Q冷= 1.5 Q热。

2 机房空调的计算要点及公式

由于电子设备对其所处的环境条件参数极为敏感，它需要特定的温度、湿度和洁净度来保证其高效的运行，否则，将引起数据失真、丢失甚至电子设备完全停止工作。为使机房内设备能够安全、可靠的运行，发挥最大工作效率，管理操作人员有一个良好的工作环境，需要在机房安装机房空调系统。国家规定机房区——室温：A级 22 ℃±2 ℃，湿度：40%～60%，＞5μ尘埃粒度＜18 000粒/dm3。

机房专空调的特点总结如下：

（1）机房专用空调机运行时通常不需要除湿，循环风量较大将使机组在空气露点以上运行，有利于稳定机房的温、湿度指标；

（2）机房专用空调能够适应机房的幅度较大的热负荷变化，以使元器件工作在所要求的环境条件之中，保证电气性能的可靠性；

（3）机房专用空调机内设有初、中效两级过滤器，使机组送出的泠气达到一定的净化能力，以满足洁净度要求；

（4）具有报警功能、自我诊断功能、后备机组管理功能；

（5）能在室温降至－15 ℃以下时仍能制冷运行；

（6）送进机房的空气是经过处理后的空气，新风在空调系统中含量应约占送风量的5%～10%为宜。

计算机房热负荷的是以选择适宜的空调为目的，因此单位采用kW，同时因新风热负荷计算较为复杂，以空调本身的设备余量来平衡，不另外计算。

机房的总热负荷计算公式：

Q热= Q1+ Q2+ Q3+ Q4

其中：Q1为设备热负荷；Q2为机房照明热负荷；Q3为建筑围护结构热负荷；Q4为人体热负荷。分别计算如下：

设备热负荷：

Q1=P×n1×n2×n3 （kW）

其中：P为机房内各种设备总功耗（kW）；n1为同时使用系数；n2为利用系数；n3为负荷工作均匀系数；考虑制冷量的冗余，通常n1×n2×n3，取值为0.6～0.8。

机房照明热负荷：

Q2=C×S （kW）

其中：C为照明功耗，取20 W/m2（根据国家标准《计算站场地技术要求》要求，机房照度大于2001x计算）；S为机房面积。

建筑维护结构热负荷：

Q3=K×S/1000 （kW）

其中：K为建筑维护结构热负荷系数（50 W/m2机房面积）；S为机房面积。

人体热负荷：

Q4=P×N/1000 （kW）

其中：N为机房常有人员数量；P为人体发热量，室温为21 ℃和24 ℃时均取130 W/人。

3 方舱型应急通信车空调调温能力估算方法

综上所述，可知方舱型应急通信车兼具汽车和机房的使用特点，同时因应急要求还有自身的需求，具体总结如下：

（1）工作情况下会长时间暴露在阳光或风雪下，车体隔热效率不高；

（2）高温工况下，在一定时间内舱内空调能将舱内环境温度降低到理想温度；

（3）低温工况下，在一定时间内舱内空调能将舱内环境温度升温到理想温度。

因此，方舱型应急通信车空调调温能力计算时同时参考机房空调计算和汽车空调设计公式和系数。

3.1 热负荷计算公式说明

舱内主要热源为设备热负荷、工作人员热负荷、太阳辐射热负荷、温差热负荷、舱体内空气降温的热容量（即为了将舱体内环境温度降低到理想温度，需消除的空气中的热量），因舱内照明采用LED灯带，照明热负荷忽略不计。分别计算如下：

3.1.1 设备热负荷Q1

Q1=P×n1×n2×n3 （W）

其中：P为机房内各种设备总功耗（W）；n1为同时使用系数；n2为利用系数；n3为负荷工作均匀系数，考虑制冷量的冗余，通常n1×n2×n3 取值为0.6～0.8，则 Q1=0.6P（W）。

3.1.2 工作人员热负荷Q2

Q2=P×N（W）

其中：N为机房常有人员数量；P为人体发热量，取130 W/人，则Q2= 130 N（W）。

3.1.3 太阳辐射热负荷Q3

太阳辐射进入舱体内的热量一般通过向阳面隔热壁传入，舱体最大面积的向阳面为顶面及侧面。现仅计算从这两面传入舱体内的热功率。

Q3= K×FP×（Tm-T）

其中：K为舱壁的平均传热系数，换算后取2.5 W/ m2℃；FP为舱体顶面和侧面面积总和，m2；Tm为太阳照射下向阳面的平均温度，计算时取为Tm=（T外+20）℃；T外为舱体外环境温度，℃。

则Q3= 2.5×FP·20=50×FP（W）

3.1.4 温差热负荷Q4

舱体由内外温差所引起的传导热可采用稳定传导热计算法的简化公式进行计算，计算公式如下：

Q4= K×A×（T外-T内）

其中：K为舱壁的平均传热系数，取2.5 W/m2℃；A为舱体平均几何面积，m2；T外为舱体外环境温度，℃；T内为舱体内环境温度，℃。

则Q4= 2.5×A×（T外-T内） （W）

3.1.5 舱体内空气降温的热容量Q5

为了将舱体内温度降到理想温度，需消除车内空气中的热量，按下式计算：

Q5=CP×ρ×V×（T内-23）/Zt

其中：CP为定压比热，取1 kJ/kg·m3；ρ为空气比重，取1.29 kg/m3；V为舱体内部容积，m3；T内为舱体内环境温度，℃；23为舱体内理想温度；Zt为调节时间S，考虑应急情况下环境应能尽快达到设备使用要求，此项取900 s，即15 min。

则Q5=[（1000×1.29×V×（T内-23）]/900（W）= 1.433×V×（T内-23）

综合上述计算：

Q热=Q1+ Q2+ Q3+ Q4+ Q5（W）

即选用空调的制冷功率大于Q热，此时当环境温度为T内时，15分钟内空调能将指挥舱舱体内的温度降至23 ℃，同时能平衡后续工作中热备、人员、太阳辐射等热量。

3.1.6 低温工况下热负荷计算公式

低温工况下舱体热负荷包括舱体内外温差传热、空气升温等几方面，分别计算如下：

温差热负荷Q4’= 2.5×A×DT（W）

舱体内空气升温的热容量Q5’=1.433×V×（23-T内）

综合上述计算：

Q冷= Q4’+ Q5’（W）

即选用空调的制热功率大于Q冷，此时当环境温度为T内时，15 min能将指挥舱舱体内的温度升至23 ℃，同时能平衡后续工作中环境中热量。

[1]余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2003：90-92.

Estimation Method for Air Conditioning Capacity of Cabin Type Emergency Communication Vehicle

Feng Ruixin

Beijing Aerospace Control Instrument Research Institute, Beijing 100094

With the continuous improvement of science and technology, people’s comfort requirements for the living environment is also getting higher and higher. Air conditioners are not only installed in fixed locations such as housing, but also increasingly used in various vehicles. Emergency communication vehicle type is installed in the shelter shelter construction based on two types of chassis into space by the segmented to install console, communication equipment, auxiliary equipment, in order to ensure the normal use of communication equipment and operator comfort, need to install the vehicle air conditioning system in shelters. The vehicle of the shelter is a part of a small room, combined with the automobile air conditioning design method and selection method of air conditioning, emergency communications vehicles a cabin type vehicle air conditioning cooling capacity estimation method, with technical basis for selection of cabin air conditioning system.

automobile air conditioning; emergency communication vehicle

R82

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