某款房车空调系统热负荷计算与校核

梁辉耀， 陈小青， 方 馨， 叶福裕， 冯还红， 吴辉阳

(厦门金龙联合汽车工业有限公司， 福建 厦门 361023)

我司将某款车型改装成房车，为了合理地匹配房车空调系统，对房车夏季空调制冷热负荷进行计算校核，以有效避免因制冷量不足而造成乘员不适，或因制冷量过大而造成能源浪费的情况[1-2]。

1 房车空调特点及设计参数

该房车为长5 m级左右的客车改装车型，房车在行驶过程中使用行车空调。由于行车空调不适宜于发动机长时间怠速运行，且其NVH性能较差以及排放不适合于驻车阶段长时间使用，尤其是夜晚休息期间，因此，为了获得更好的休息环境，驻车阶段使用接外电的220 V家用一体机空调。

空调设计有关参数为：车外温度te为40 ℃;车内温度ti为27 ℃;车内成员数N为5人;在te为40 ℃时，水平面上太阳辐射强度I=1 000 W/m2；为使计算相对保守点，平均行驶车速v取40 km/h。

2 空调制冷热负荷计算

夏季，车外温度远高于车内温度，太阳辐射热会通过车身壁面、车窗玻璃等传入车内，同时，乘员散热负荷、用电设备散热也会使车内温度升高[3]，综合各种热负荷，房车车内总热负荷方程式如下：

Qt=QB+QG+QV+QP+QM+QL，Q=α0Qt

式中：α0为储备系数，一般在1.08～1.15之间；Q为空调系统的制冷量；Qt为车内总热量；QB为车顶、车侧壁、前后围传入的热量；QG为门玻璃传入的热量；QV为新风热负荷；QP为人员散热负荷；QM为用电设备散发的热量；QL为车内零件产生的热量。

2.1 通过车身壁面传入的热量

车身壁面不含玻璃部分，根据房车参数设置要求，结合各材料导热系数，将各层厚度导热系数代入式(1)后即得通过车身各壁面热阻。

Ri=∑δi/λi

(1)

式中：δi为各层材料厚度；λi为各层导热系数；Ri为各壁面热阻，热阻是导热材料对热流传导的阻碍能力，导热材料的热阻系数越大，其对热传导的阻碍能力越强。

要计算车身各壁面的热负荷需要先计算出各壁面热阻。车顶板多层结构为0.7 mm钢板+25 mm空气夹层+4 mm内饰板，其热阻R1取值0.037 9；车身侧壁面、后围结构为0.7 mm钢板+95.3 mm空气夹层+4 mm内饰板，其热阻R2取值0.040 8；地板结构为0.7 mm钢板+15 mm隔热材料+5 mm地毯，其热阻R3取值0.040。

其中，钢板、空气、内饰板的导热系数λ1、λ2、λ3分别为54 W/(m·℃)、6.4 W/(m·℃)、0.03 W/(m·℃)。

即车身壁面热负荷计算公式为：QB=Q顶板+Q侧壁面+Q地板+Q前围+Q后围。其中，每单项的传热量计算公式如式(2)：

Qi=KiSi(te-ti)

(2)

式中：Ki、Si分别表示顶板、侧壁面、地板、后围的传热系数和传热面积；经实车测得S顶=4.2 m2，S侧=8.12 m2，S地=4.93 m2；te为车外温度，取40 ℃；ti为车内温度，取27 ℃。

由于后围接收太阳辐射热量较小，加上车身壁面多属均匀壁面，因此后围接受的热负荷包含在车身侧壁面进行计算，即后围不用单独考虑。而对于前围，受到太阳辐射较小，主要考虑温差传热的影响，通过这部分传入的热量根据经验值大概Q前围=100 W左右。

2.1.1 车身壁面传热系数Ki的计算：

传热系数Ki与车身表面放热系数及隔热层热阻有关，所以车身各壁面的传热系数Ki是不同的。对于车顶板、侧壁面(包含后围)、地板，传热系数计算式见式(3)：

Ki=1/(1/αe+Ri+1/αi)

(3)

式中：αe为外表面放热系数，与表面相对气流速度有关。当车速v为40 km/h时，αe≈148 kJ/(m2·h·℃)；αi为内表面放热系数，在汽车空调状态，αi≈62 kJ/(m2·h·℃)。

1) 顶板传热系数。根据以上参数计算出顶板传热系数：

2) 车身侧壁面(包含后围)传热系数。根据以上参数计算出侧壁面、后围传热系数：

3) 地板传热系数。根据以上参数计算出地板传热系数：

2.1.2 日照表面综合温度的计算

由于太阳辐射的作用，通过车身壁面的综合温度是由环境温度与辐射吸热升温两部分组成的，则车壁传入的总热量：

QB=SiKi(tci-ti)

表1 日照车身壁面相关参数

由于各个壁面太阳辐射角度不同，车顶、侧壁接受到的辐射强度也不一样，具体公式见式(4)和式(5)：

tc顶=te+ρ顶I顶/(αe+K顶)

(4)

tc侧=te+ρ侧I侧/(αe+K侧)

(5)

其中I顶=I垂直,I顶=(I阳+I阴)/2。

车内地板，由于没有太阳直接辐射，只是受到地面及发动机热的影响，根据以往设计经验：

tc地=te+2 ℃

(6)

将数据代入式(4)、式(5)、式(6)计算可得：tc地=42 ℃,tc顶=60.2 ℃,tc侧=43.5 ℃。

则车壁通过温差传热和太阳辐射传热的总传热量分别为：

Q顶=S顶K顶(tc顶-ti) =4.2×16.48×33.2/3.6=638 W

Q侧=S侧K侧(tc侧-ti) =8.12×15.76×16.5/3.6=586 W

Q地=S地K地(tc地-ti) =4.93×15.83×15/3.6=325 W

随着车辆使用一段时间后，车身表面光亮程度减低、表面粗糙度增大，尘土污垢附着量增加，车身外表面对太阳辐射量的吸收系数增大，则车身吸热量也随之增加。另外，车辆长期使用后，空调系统中冷凝器外表面会积灰，使得其换热能力下降。考虑诸多因素的影响，在计算了车身总的热负荷的基础上，乘以储备系数加以修正[4-5]。包含热桥修正因子和简化计算修正因子，经多种算法计算比较，建议取顶板、侧壁传热系数取修正因子a1=1.5；取地板传热系数修正因子a2=1.3进行修正，则有：

Q顶板+Q侧壁面=a1·(Q顶+Q侧)=1.5×(638+586)=1 836 W

Q地板=a2·Q地=1.3×325=422 W

则车身壁面传入的总热量QB=Q顶板+Q侧壁面+Q地板+Q前围+Q后围=1 836+422+100=2 358 W。

2.2 通过门窗玻璃传入的热量

考虑到太阳辐射，通过门窗玻璃传入的热量由两部分组成：QG=QG1+QG2。

1) 由环境温度温差传入的热量：

QG1=K玻S玻(te-ti)

2) 由太阳辐射通过玻璃传入的热量：

代入参数计算可得：QG1=1 898 kJ/h,QG2=5 142 kJ/h。

根据计算可得：QG=QG1+QG2=7 040 kJ/h=1 955 W。

2.3 新风热负荷

新风热负荷QV计算公式见式(7)：

QV=V·ρ·(he-hi)/3.6

(7)

式中：ρ为空气密度，当te=40 ℃时，ρ=1.128 kg/m3；V为车内新风量,V=N·V1=22×11×1.3/1.7×0.75=138.8 m3/h；he和hi分别为车外、车内空气的焓值，其值分别为115 kJ/kg和60 kJ/kg。

根据计算可得：QV=2 120 W。

2.4 乘员人体散发的热量

人体散发的热量计算公式如下：

QP=116·N·n

式中：QP为车内人体散热量；N为乘员人数，按照5人计算；n为群集系数，取0.90；116为一个成年男子的散热量，单位W。

则有：QP=116·N·n=116×5×0.90=522 W.

2.5 用电设备散发的热量

1) 房车的基础用电(包括车内的照明、基础电器等)，根据经验值取100 W。

2) 房车的普通用电(包括电视、冰箱、手机充电等)，根据经验值取150 W。

3) 房车的最大用电(包括电磁炉、烧水壶等)，根据经验值取200 W。

则有QM=100+150+200=450 W。

2.6 车内零件产生的热量

车内零件产生的热量，根据式(8)计算：

QL=αLiSLi(tLi-ti)

(8)

式中：αLi为车内零件的热传导率；SLi为车内零件的表面积；tLi为车内零件的表面温度，取33 ℃；ti为车内温度，取27 ℃。

由于车内零件表面积(包括座椅、睡铺等)不容易测算，只能采用试验测得的αLiSLi值，按照日本丰田公司测得的经验数据αLiSLi=376.2 kJ/(h·℃)。

由此可得：QL=376.2×(33-27)/3 600=627 W.

2.7 行车空调制冷热负荷计算

根据以上计算结果，可得：

车身总热负荷：Qt=QB+QG+QV+QP+QM+QL≈8 032 W。

行车空调系统制冷量：Q=α0Qt=8.83 kW。

式中：α0为储备系数，取1.1。

经校核该空调所需配备的空调机组制冷容量至少应在8.83 kW，该房车实际采用9.5 kW的分体式空调系统，可满足使用需求。

由于新车运行一段时间后，空调系统中冷凝器外表面会积灰，使得其换热能力下降，并且由于运行时间加长后车身各种磨损，以及通风及密封性变差，车身吸热量也随之增加[6-7]。因此，实际采用的空调制冷量大于理论计算出来的空调制冷量方可满足用车需求[8]。

2.8 驻车空调制冷热负荷计算

在驻车状态下使用的空调是外接220 V家用一体机，使用条件与行车空调有差别，体现在以下方面：停车使用，发动机停止工作，不需要平衡发动机热负荷；车上电器件停止工作，不需要平衡车内零件散热量；主要用于夜间使用，不需要平衡太阳光热辐射；停车休息时使用，新风换热量减少。

根据以上计算结果，可得：

车身总热负荷：Qt=QG+QP=2.477 kW

驻车空调系统制冷量：Q=α0Qt=2.73 kW

式中：α0为储备系数，取1.1。

房车实际采用制冷量3 100 W的220 V电源独立空调，可满足使用需求。

3 结束语

汽车空调系统不仅能够提高汽车的乘坐舒适性，而且还能使驾驶员在舒适的温度环境中保持清醒的头脑，提高警惕，可以很大程度上缓解疲劳，避免车祸的发生。因此，进行汽车空调制冷热负荷的计算，对于新车型开发空调制冷量的选择具有重大意义[9-10]。