汽车空调节能环保实验研究

黄耿

摘要：汽车空调系统的运行状况不仅关系到乘客的舒适性、安全性，也关系到能源成本节约和节能环保的问题。本文通过介绍汽车空调节能环保实验系统及其实验研究过程，提出一种通过回收并有效利用汽车空调冷凝水提高汽车空调使用效能的方法，为汽车空调的节能环保优化设计提供了参考。

关键词：汽车空调;节能环保;冷凝水;实验

中图分类号：TM92                                        文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2020）24-0226-02

0  引言

随着国民经济的飞速发展，人民生活不断改善，昔日被视为只有达官贵人才能乘坐的汽车，越来越多地进入了普通百姓家。汽车空调是汽车重要的组成部分，也是汽车中的“耗能大户”，其工作时消耗的功率约占整个发动机功率的10～25%。因此，研究汽车空调系统的节能环保技术有着重大的现实意义。从目前市面销售的汽车产品看，虽然汽车空调技术已经比较成熟，但就结构和系统的节能环保设计而言，汽车空调仍有不小的潜力可挖。

1  汽车空调系统的结构及其原理

无论是传统的燃油车还是新能源汽车，其空调系统主要包括制冷系统、暖风系统、空气净化系统、电控系统、通风系统等部分。按驱动方式分有独立式和非独立式两种。独立式是由专用的发动机驱动压缩机工作，其特点是制冷量大，工作稳定，但成本高，体积及重量大，多用于大、中型客车;非独立式的空调压缩机由汽车的发动机驱动，在工作过程将对主发动机的动力产生一定程度的消耗，是一种变化型的制冷系统，其制冷过程与汽车动力的变化有着较为紧密的联系，多用于小型客车和汽车。除了按驱动方式分类，还有按空调性能以及按控制方式等多种分类方法。

与其它用途的空调一样，汽车空调制冷系统主要是由压缩机、膨胀阀、冷凝器、蒸发器等组成，各个部件之间通过管路串联成一个密闭的系统。工作时，制冷系统内的低压、低温制冷剂蒸气被压缩机吸入并压缩为高压、高温的过热蒸气后排至冷凝器;同时车外侧风扇吸入的外部空气流经冷凝器，带走制冷剂放出的热量，使高压、高温的制冷剂蒸气结为高压液体。高压液体经过节流（膨胀阀）降压降温流入蒸发器，并在相应的压力下蒸发，吸取周围热量，同时车内侧风扇使车内空气不断进入蒸发器的翅片间进行热交换，并将放热后变冷的气体送向车内。这个过程周而复始的进行，达到“搬走”车厢热量，降低车厢空气温度的目的。

2  汽车空调节能环保研究的主要方向

基于上文介绍的汽车空调结构和原理，目前针对汽车空调节能环保技术的研究，主要集中在以下几个方面：

2.1 对汽车空调制冷剂优选研究  目前，汽车空调主要使用的制冷剂有CFC-12氯氟氢类制冷剂、HFC-134a含氢氟类制冷剂和碳氢化合物制冷剂。其中，碳氢化合物是相对理想的一种制冷剂，其充注量较小，对臭氧层没有破坏作用，也不会造成温室效应。但是，作为制冷空调领域最重要的研究方向之一，人们从来没有停下寻找一种完美制冷剂的脚步。

2.2 对自动控制系统及算法的研究  传统汽车空调控制系统智能化程度低导致能耗偏大，新型的自动空调系统通过多传感器自动获取车厢内外温度、车速、发动机转速等参数，借助单片机和AI技术的发展，把车厢内的温度、湿度、气流温度和空气质量值控制在最佳区间，在为乘客提供良好乘车体验的同时，减少能量的损耗，找到舒适度和能耗之间的最佳平衡点。

2.3 对压缩机工作效能的研究  压缩机是空调制冷系统的心脏，很大程度上决定了空调系统的性能。传统的压缩机容积效率较低，专家学者和工程技术人员不断尝试加工制造出各种寿命更长、容积效率更高、运转更平稳、体积更小的压缩机，移植到汽车上使用。目前新型的涡旋式通过先进的制造工艺和对排气装置的优化，结构更为简单，与往复式压缩机相比，体积减小40%，重量减小15%，绝热效率提高10%。

2.4 对提高换热器工作效率的研究  空调制冷的过程，实际上是一个不断发生热交换，转移热量的过程，所以换热器特别是体积较大的冷凝器，其换热效率对于空调系统来说至关重要，若能通过技术手段，提高冷凝器的换热效率，或是有效降低冷凝器的冷凝温度和冷凝压力，将大大降低汽车空调的输入功率和排气压力，达到节能环保的目的。

3  汽车空调冷凝水回收利用的实验研究

空调冷凝水是指水蒸气（即气态水）经过冷凝过程形成的液态水，汽车空调工作过程中，当送风温度低于新风和回风混合点对应的露点温度时，冷凝水就会自然而然地产生。通常情况下，这部分冷凝水在重力的作用下落入蒸发器接水盘，通过排水管排至车外。实际上，由于冷凝水来源于汽车空调蒸发器表面，其温度低，特别对于气温较高的地区，汽车空调运行过程中的冷凝水量相当可观，若直接排除車外将造成能源（冷量）的浪费。为此，笔者设计并制作了汽车空调节能环保实验系统，并设计了具体的实验项目，专门用于对汽车空调系统开展节能环保方向的实验研究，以进一步研究改良汽车空调系统。

3.1 实验原理  在正常运行的汽车空调系统中，制冷剂在节流前冷凝温度每下降1℃，制冷系数可提升约一个百分点。因此，对节流前的制冷剂进行适当的过冷处理，可以有效提高制冷量。对于过冷过程的描述，可以借助常用的压焓图（如图1）来进行。

如图1所示，与常规的制冷循环不同，过冷过程使得1-2-3-4-5-1变成了1-2-3-4’-5’-1，增加了4-4’-5’-5的过程，在冷凝压力和蒸发压力不变的情况下，单位压缩功w0保持不变，单位制冷量增加了Δq0，能效比EER提高了Δq0/w0。

根据节流的工作原理和节流装置的特性，在节流出口压力一定的条件下，进口的制冷剂过冷度直接影响了节流过程的制冷剂流量，即过冷度越大，流通量越大。所以，在制冷剂进入节流过程之前使其“过冷”，可以增大制冷剂的流量，进而增大系统的制冷量。

3.2 实验方案  根据实验需要，我们设计制作出汽车空调节能环保实验系统，如图2。

模拟独立式汽车空调的运行方式，实验系统使用12V电机带动空调压缩机工作，使空调系统运行。当集水容器中收集的冷凝水到达设定水位时，系统自动感应并驱动微型水泵在容器中抽水，通过静电喷雾器将冷凝水喷到冷凝器上，水雾附着于冷凝器翅片和铜管表面并吸热蒸发，达到增强换热效果和使制冷剂过冷的目的。要对此过程的实用效果进行客观评价，需测量和计算单位制冷量、功率和EER等主要参数并与原系统参数进行比对。

3.3 实验结果  根据实验方案，通过对原系统和实验系统的多次测试实验，经过数据分析和处理，可以对冷凝器总出温度、制冷量、输入功率、能效比EER进行比较，结果如表1。

4  实验结论

在对汽车空调节能环保实验系统的实验测试过程中，系统通过微型水泵和静电喷雾器等设备，使汽车空调运行过程中产生的冷凝水成功实现了“从空气中来，到空气中去”的目的。在实际应用中，多余的冷凝水还可导至汽车的雨刮器水箱，储存使用。这种做法解决了汽车空调冷凝水直接排放造成的浪费和污染，体现了环保理念。

系统充分利用冷凝水的冷量和汽化热，使冷凝液过冷，在压缩功、蒸发压力和冷凝压力不变的情况下，通过测定冷凝器总出的温度变化，可以驗证冷凝水对冷凝液过冷度的影响情况。冷凝器总出温度下降3.8℃，EER由2.697提高至2.804，提高幅度达到3.97%。在国家大力倡导建设节约型社会的大背景下，回收利用汽车空调冷凝水可明显提高系统的能效比EER，有效利用了冷凝水的冷量，实现节能。

综上所述，我们对于汽车空调系统节能环保领域的研究还处于研究探索阶段，一些技术细节如：冷凝水雾化时机的控制;冷凝水的雾化方式和设备的改进;汽车空调冷凝器材料的优化等等，还需不断的完善和深入。但是本文的论述充分证明了汽车空调节能环保实验系统及其实验的现实意义，可以为汽车空调节能环保的研究提供一点思路和方法上的借鉴。

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