电动客车空调排风热回收的设计与仿真

郎晓玥 胡广地

摘要：本文利用Amesim平台搭建了空调系统的仿真模型，研究了其在环境温度变化时的性能，并提出一种回收排风热量的方法。仿真结果表明，在冬季，热回收机组的制热量平均增加0.58kW。进一步的仿真分析发现，排风量和排风温度对热回收机组的性能影响不明显。

关键词：电动客车空调;热回收;仿真分析;Amesim

中图分类号：TU831.3 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2018）05-0131-02

汽車是科技技术发展的产物，它的才出现极大地改变了人类社会，汽车工业至今也仍是许多国家的支柱产业之一^[1]。传统内燃机汽车的大量使用，带来了能源危机和环境污染的问题，不仅影响了经济的可持续发展，更是对人体健康造成了很大威胁。为了解决这些问题，发展新能源汽车势在必行，随着国家的政策支持和国内电动汽车技术的不断提高，纯电动客车作为重要的公共交通工具，逐渐取代传统燃油客车，出现在人们的视野中。

电动空调系统是电动汽车上能耗最大的辅助子系统，电量消耗可达整车的30%^[2]，对电动汽车的续航有很大影响。汽车运行环境复杂多变^[2]，电动客车的空调又多为顶置式独立空调，所以其运行工况尤为恶劣，运行效率低。

作为一种常用的建筑空调技术，建筑热回收在一些欧洲国家得到广泛应用，特别是在瑞典和德国等高纬度国家^[4，5，6]。近些年来，在我国越来越多的商业建筑和私人住宅开始从排气通风系统中回收能量^[7，8]，热回收技术为新鲜空气、经济效率和能源效率的平衡提供了最佳解决方案^[8]。因此，针对电动客车空调在冬季运行过程中制热慢、能耗高的问题，本文提出一种利用空调机组新风系统进行排风热回收的方法，来改善空调机组的性能，并通过模型仿真进行验证。

1 空调系统仿真模型的建立

针对型号为TX12D-P的冷暖型电动客车空调（简称原机组），基于系统建模仿真平台LMS Imagine.Lab Amesim建立系统仿真模型建立仿真模型如图1，并根据原机组的相关参数进行修正，使其在额定工况下，主要性能参数的仿真值与实验值基本相同。原机组额定功率4.5kW，额定制热量为12kW。表1为额定工况下实验结果和仿真结果的对比。

2 环境温度对空调机组性能的影响

本文将通过系统仿真的方法来研究环境温度对空调机组性能的影响。使用原机组的系统模型进行仿真，改变环境温度和压缩机的输入功率，记录不同环境温度下空调制热量和压缩机功率等主要参数。表2即冬季温度变化时原机组的主要性能参数。可以看出，随着环境温度下降，制热量随之下降，而COP（coefficient of performance）反而上升。在未超过额定制热工况时，其均能提供额定制热量。当温度低于6°C时，制热量一直下降;当环境温度为-5°C时，制热量仅有9.7kW，为额定值的70%，此时需要使用 PTC（positive Temperature Coefficient）来补充热量，这会对车辆续航造成很大影响。

3 排风热回收对机组性能的影响

3.1 热回收器设计

原机组为顶置独立式电动客车空调，要适配不同型号的客车，考虑到经济性和可行性，只能改造空调本身。对原机组的新风系统进行改造，在其排风口处增加一个热回收器，使原来直接排向车外的空气，先流经热回收器进行换热后再排向车外，实现排风余热的回收利用。从经济性考虑，热回收器主体采用跟冷凝器同样规格的平行流换热器芯体。

表3中为增加热回收器后，空调机组与原机组在额定工况下的性能对比。从中可以看出在制热量相近的情况下，热回收机组相较于原机组COP提高0.04，两种机组均能满足设计需求，热回收机组热效率稍高。

3.2 环境温度对热回收机组性能的影响

由前面的仿真结果可知，在额定工况下两机组性能差别不大，在这一节我们讨论环境温度变化时机组性能的变化。在Amesim平台中调用排风热回收机组仿真模型，改变环境温度参数，记录其主要参数变化，并与原机组进行对比。

图2为环境温度变化时，两机组COP变化曲线。从中可以看出，热回收机组在整个环境温度范围内，COP值均稍髙于原机组。图3为制热量变化曲线，可以看出，在环境温度高于额定温度时，两组机组均能提供足够的热量;随着温度低于6°C，原机组制热量明显下降，而热回收机组直到0°C仍保持不错的制热能力;在-5°C时，热回收机组制热量比原机组髙10%。可以看出，热回收机组能提供更多热量，减少PTC使用，这意味着更低能耗和更长续航。

3.3 风量对热回收机组性能的影响

本文讨论的是电动客车空调系统，因此对其能耗要求较高。流经热回收器的排风量即为新风系统的新风量，是影响空调机组能耗和乘客舒适度的重要因素。不同类型车辆和行驶条件所需的新风量不同，因此流经热回收器的排风量就不同，所以本节讨论排风量变化对热回收机组性能的影响。

在Amesim平台中调用排风热回收机组仿真模型，在额定工况下，得到排风量变化时热回收机组的主要性能参数如表4。从中可以看出，当排风量由400/h下降到200m3/h时，机组COP和制热量变化都很小，即系统性能对排风量变化不敏感。

3.4 排风温度对热回收机组性能的影响

排风温度即车内温度，是影响空调机组能耗的重要因素，因此本结讨论排风温度变化对热回收机组性能的影响，主要性能参数见表5。从表中可以看出，当排风温度变化时，空调系统的主要参数变化均不大。即排风温度，也就是车室内温度对热回收空调机组性能影响不大。因此，在不同的车室温度下，排风热回收机组均有良好的性能。

4 结论

本文利用Amesim系统建模仿真平台，建立了电动客车空调系统的仿真模型，研究了环境温度对其性能的影响，提出了一种通过增加热回收器提高其性能的方法并进行仿真分析，得到以下结论：

1） 环境温度对空调机组性能影响很明显。在冬季时，环境温度降低会导致制热量明显下降。

2） 增加热回收器可以有效提升空调性能。当环境温度变化时，排风热回收机组的制热量平均提高0.58kW，能减少PTC的使用。

3） 排风量对热回收机组性能影响不大。当排风量由400m3/h降为200m3/h时，COP由3.12变为3.11，下降了0.3%。

4） 排风温度对热回收机组性能影响不大。当排风温度由10°C降到0°C时，制热量均能保持在14.0kW左右。