汽车空调车室冷负荷计算方法

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汽车空调车室冷负荷计算方法

第

期

汽车空调车室冷负荷计算方法

汽车空调车室冷负荷计算方法重庆建筑大学

孙纯武闻兴旺

刘宪英

黄

忠

邮编

。。 ! 。

韦,

强。

摘要,

根据汽车的特点作者分析了汽车空调车室冷负荷的组成对车体动态传,,

热过程建立了车体非稳态传热模型编制了汽车空调车室冷负荷计算机程序并结

合实例进行了计算计算结果与实测结果基本相符表明建立的传热模型是正确的为汽车空调制冷装置的选择设计和优化提供了基础、。

关键词

汽车空调

冷负荷

#、

传递函数

一引,

言,

汽车空调车室冷负荷士算的目的不仅在于可以为制冷装置的设计提供依据而且还可以十通过对构成冷负荷的各个部份的计算与分析探讨各因素对冷负荷的影响以寻求减少空调冷,

负荷的方法与途径

。

车室结构分透明型玻璃和不透明型围护结构两大类外界环境和太阳辐射就是通过这两,

类结构传热到车室内而制冷系统则通过送风系统将制冷蒸发器产生的冷量送到车室内以保持其一定的温湿度和风速、。

通过透明玻璃窗传到室内的热量一部分通过透射直接被室内座椅围护结构内表面所吸

、

收另一部分通过室外空气对流玻璃窗导热及室内空气对流传人室内,,

。

通过不透明围护结构传到室内的热量一部分通过太阳辐射被围护结构外表面吸收另一

部分通过室外空气对流传到围护结构外表面这两部分热量一起通过围护结构传入车室内从以上分析可知整个空调车室传热过程是一个非稳定的传热过程,。

。

二太阳辐射热对车室的热作用%(

、

‘之%& 〕一

太阳位置的确定% 太阳赤

纬,

太阳光线对地球赤道的角位置称为太阳赤纬赤纬全年在 )夏至时为 +一,,( ( (

(

。

一一 #2

(

“

之间变化在 , .,433 一一%

“,

冬至时为一一 ( (

(

。

在春分秋分时为2

、

。

其计算式为(

%/ 01 2

%. /

)

(

% 一,

3 4, 3/0

)

(

%3!%

十, ,% 巴 ,

式中

+一计2

算日的太阳赤纬度

一计

算 5 6的年序角在一

一计算日

年中的顺序

月

日为第一天

。

时〔

差(

:一,

!。一

, , . 3 %,; 十 %< . .% !/ 0(

十%

(

%43

%% 一,

(

% !搜 . !/ 0 !

一% %!% 一(

, !(

吕

/ 1

一%%石.% (

一

式于

飞?计算日的时差% > 8 (

汽车空调车室冷负荷计算方法

四

川

制

冷

% 44 .

年

9 (一计算日的年序角 8+,

当地太阳时角

度。

是指计算地点与地心线在地球赤道平面的投影与正当地时间%点时的太阳与地球中

心连线在赤道平面上的投影之间的夹角(

、

(

:6/

==>十/

一

%乙

十

%一% ,廿

、

一 7万丁一一Χ%口,

入%

口

一

式中

一计算地点的经度,,。

度

0一计算日的时差盯 0Δ8一计算时间

太阳高度角队度和太阳方位角 9度

俘为太阳方向与水平面的夹角。为太阳方向的水平投影偏离南向的角度见图,

。

其计

算式为Ε 1Β

一Ε仔 1Β甲1ΕΒ+ )/0

即/ 0如/ 0 1

一

ΦΓΒΗ

式中(

邓 1ΕΒΒ 1Β阳甲一Ε+/0/0邓卿甲所在地点的纬度度一,

1Β汉ΓΕ/ 0

一 ! 一。

太阳直接辐射Ι

太阳辐射穿过大气层的直接辐射强度为。 6+Β: 6

‘

式中

+ 6

一垂直于太阳光线上的直射辐射强度,

ΚΛΜ

“Ι

图

一

太阳方位角

和太阳高度角日

6。一太阳常数 6。:% !Κ 7/

ΛΜ

(( (

! 一, . !已知垂直直接日射则某一水平面上的直接日射ΓΒ+大气透射率一般为,,

Ν,

ΛΜ

“

可

由下式得到它

6+Β: 6+Β 1ΕΒ

俘中看出直接日射将随竖直表面的方位不同而异图中,,

一3 ,。

从图

一

为竖直表面方位角它,

是竖直表面与子午线南向的夹角洲为竖直面太阳方位角它是太阳方位角

(

与竖直表面方位

角

已

之间的夹角即6+Π

了一

一氛Κ“ΛΜ 为Ι

+很方便地可以写出竖直面上的直接日射强度ΓΟ: 6+Β/0

必

Π 1,

一%, Ι

对于倾角为6甲一 6Β++1ΙΒ

甲

的某个斜面上的直接日射可用下式表示/0

份〔巧华 ),

取

Π 1ΕΒ甲

乙

一

当 6娜一。时俘甲簇式中,

+ 6甲一某一相对于水平面的倾角为小时的斜面上的直接日艺。

身ΚΛΜ寸

太阳散射日射,

晴天的日射散射成分是很小的但在浑浊天空状态下这一散,

& 钊

、

与了角,

射成分却比较大因此在空调实践中散射辐射对估计空调负荷的计算是很重要的其计算常采用贝尔拉格公式Ι

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第

期

汽车空调车室冷负荷计算方法

Γ1

。

Γ匕Γ 0ΦΓΡΣ

二

一%

%一邓一万一气万一万屯。

6Β厂

一% ,。

式中

玩一水平面上的散射辐射强度ΚΛ耐

斜面上的天空散射用下式计算Α

,,一Υ0

1‘

言

甲

,‘,

一%#。

式中理(

瑞一与水平面夹角为叫度的斜面上的天空散射辐射强度ΚΛΜ室外空气综合温度,

车室围护结构受到的外扰量包括室外温度和太阳辐射热两部分为了计算上的方便可将两者合成一个综合温度(

“

”

。

‘

一Ω>>Κ

‘

十吐

%十6二Ι

、

(

方尸)百,。

翻

。

一‘ Ξ

式中

一计算时刻室外空气综合温度

一计算时刻室外空气干球温度

“

Ξ ,

一计算时刻计算表面受到的太阳直射辐射强度算时刻计算表面受到的太阳散射辐射强度。

ΚΛΜΚΛΜ

“

6厂一计尸一

“

计算表面对太阳辐射的吸收系数,

嘶一室外空气综合放热系数ΚΛΜ。

一讨算表面材料的黑度Ν

一

%)计算表面对天空的辐射角系数一,

冲

甲一计

算表面的倾斜角度 ,,

称计算时刻计算地点的夜间辐射强度ΚΛΜ一、

。

三夏季设计日逐时气温〔〕室外逐时气温值受日照影响呈周期性变化同时因受到一系列随机因素如风雨云等 ,、、

的影响使其具体数值有一定的随机性但是一个较复杂的非简谐运动的周期函数可以用正弦或余弦函数项的级数表达亦即可将其变换为傅里叶展开式把室外温度分解为多阶谐波,,

。

的组合则,

时刻室外气温Ν

>Κ

为

>Κ

一:

广、

寸

甲‘石

ΧΓ气。Ξ 1

气Κ

十甲

一% ,“

式中

八。一零八

阶外扰即计算周期内室外空气平均温度ΒΒΒ

一第Β

阶外温变化的振幅阶变化的初相角

叭一第Κ

一第、 (

阶外温变化的频率Κ>(

。

若按简谐波近似计算ΩΚΙ

下,

则上式可简化为、。、

一>>

十Ψ/0

% 18一% !几

,。

一 Ξ ,。

式中

叼一设计日平均室外气温

八一设计口室外气温

>Κ,(

波动振幅,

Ξ八一%Ν,

二、

一>

(

,。

、

一设计最高气温亦即规范中规定的夏季空调室外计算温度,。

瓦一

,一某地区室外气温最高值发生时间%%盯

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四

川

制

冷

%44.

年

四用传递函数理论计算车室冷负荷,

、

〔〕‘

传递函数法计算得热与负荷不考虑外扰是否呈周期性也不用傅利叶级数表示而是借助室外逐时温度值用时间序列表示外扰变化将空调区域围护结构连同室内空气视为一个热力,,

系统将外扰作为系统的输入而围护结构内表面的热流和室温就是该系统对外扰的响应此响应即为系统输出%。

传递函数 # [# 。

# ΝΖ,

一Γ

式中

# 一系统的传递函数# 一输

出函数的#变换

[# 一输入函数的#变换 ,

用#传递函数法计算围护结构的得热量,。

一所谓#变换它是将一个连续函数变为脉冲序列函数也即将连续函数化成#的多项

式这一多项式的各项系数等于连续函数在相应次幂的采样时刻上的函数值##’,

变换的特点在于传递函数Ζ# 能表达成一个有理分式即 Ω和[# 可以分别写成 ,、

Ι% 的多项式于是,一Γ式写成’#“。。]# ∴ )∴ )∴#十……奋# 一寻兴二召升二一二#二一一共哥“Ν于沂云冬,于’“一+ )+# )+# )……⊥# 式中从+Ε一。Γ … 称为#传递函数系数。

一

、’、

了

。

一

—

一。

、

(

、

ΙΓ 则式 (一Γ可写成

# 一]

# Λ⊥#

[# ;

或

# ⊥# 一]# [# ,

冬

一

根据#变换的定义则Ι’“十Ω兀 #十〔#十…… +十+入一一

。

一

十+# )…… #一

“

一

∴ )∴#。

一

)∴# )…… #一

/。

Γ )/#

一

)

一

“

)…… ,

一 8

将等号两边展开并整理按等式两边同次幕项的系数相等的原则两边的第系数也相等即,城十 >一一

次项#勺的连一 !

一

+ )

。

+Ι十

一

∴ )。

/卜Γ

∴ ),

/卜Ι

∴Ι )……

取

+一%

得一

。以一ΥΧ )乌

】

∴十/Γ

∴ )…… 一 Ι

灭+ )飞+ )Γ一Ι

一Γ

“

…

一

上式可写成以下两个卷积和之差的形式〕 6

Β‘

气

人

一

甲姚‘孟Χ%

厂

一

甲‘7Χ%二

」

八去。

>ΓΓ、

一.

勺

这就是第

时刻的输出量表达式,

可知要求取

时刻的输出 8。

不但要知道此时刻及其

以前诸时刻的输人还必须知道 ,

一Γ前一时刻及其以前的输出 ,Β

当输人为室外空气综合温度并且考虑室温作用则可得车体传热得热量公式Μ,

厂

_,‘‘Χ口

之

下

一

>,,

、

式中

ΤΗ一在ΚΙ

二

一

下二‘Χ8(

甲Δ。Ε同%

」

气,8 (

一

‘7ΧΞ%

、

ΕΧ

Γ一 3

。

时刻经车体传入的得热量

(

一在Ι一时刻经车体传人的热量

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第

期

汽车空调车室冷负荷计算方法

(

卜Ε一在、

一Ε时刻的室外综合温度一Ε时刻的室内温度,。

。

卜

一在、

一车体计算面

积Μ,

“

∴

、

。

+一围护

结构#传递函数的诸系数它们取决于车壁的结构及其热工特性和内外,、

表面放热系数事先通过解一维导热微分方程用电算运算得出的 ,

ΣΜ、

、

一正整数

。

用#传递函数法计算经围护结构温差传热形成的冷负荷得热量转化为冷负荷的关系式为式中到,

6及# ΝΖ

# Η#

一4 。

Ζ8

# 一车室热,

力系统的#传递函数,

时旋为止作为输人量的得热量其采样值的#变换Η# 为丫(

Η# 一Η 6Η

)Η

一‘

卜” ),

α一

一

‘ 8

一 ,

)……)

ΒΗ#

一%,

同理作为输出量的冷负荷其采样值的#变换# 一 6几#

6众#

为,

十 6几一

一,

一

‘’

”

十 6息

一

一‘’

一

“’

)

… ) 6几#

一ΜΙ

一%% ,

空调车室热力系统传递函数一般用#的高次多项式之比表示即Ι‘” )β#Δβ十β#十矶# )>,‘#“ ) #十 #十…… ) 么将以上各式整理经#变换的一系列运算并将#传递函数式’

一

# 一

。

一

一% 一中只取三项系数即 ,

Ζ 6

# Ν

’从十矶# Λ一

一

%十 ,#一,

一

’

于是最后得出,

时刻的冷负荷计算式为

,>几一ΟΗ十⊥α一 Γ几ΤΤ Γ式中息 6几一时刻和一Γ时刻的冷负荷,、一

一%

αα、

Δβ

、

一时刻和一%时刻的得热量Ι矶一#传递函数诸系数一

丫

、

。

五各部分冷负荷的计算%

、

车体瞬变传热所形成的冷负荷 Γ假设Ι

车体传热为一维传热车室内气流组织良好空气温度均匀一致,

!车体外表面直接接受的辐射部分只考虑太阳辐射 #

得热量计算)

由式一计算出 (区&%

时刻经车体传人的得热量 )

小

二。

+冷负荷计算时刻的冷负荷息、

由式一&+计算出 (区, #

. )

、

。

车体稳态传热所形成的冷负荷。

发动机室侧壁进入车室内的那部分得热量可作为稳态传热进行计算为)

其得热量计算式 7一&&

/一0

义

1 下一2 ,

式中

/一发动机室侧壁传导进入车室内的得热量0一传热系数 3 4 5,

艺

“

计算时要考虑隔热层冷桥影响

汽车空调车室冷负荷计算方法

四

川

制

冷

%44.

年

瓜一发动机一侧的室外空气平均温度工一车室内的空气平均温度,%

“

。

[一发动机室侧壁传热面积Μ

“。

近似认为发动机室外侧室外空气温度不变则冷负荷即等于其得热量则有 6几一α,,

。

玻璃窗瞬变传热所形成的冷负荷 %得热量计算

由于玻璃窗蓄热能力微不足道可近似认为其传递函数Ζ# 一%所以其传热得热量可直,,

接从该时刻的室内外温差求得

。

α式中

江

一、

氏凡几一毛 8Ι

、

‘一 !,

α Ι

一时刻玻璃瞬变传热的得热量,

氏一玻璃的传热系数

Λ耐

“

一玻璃面积Μ(、(

艺

工

丫

一Ι时刻室外空气干球温度式计

。

冷负荷由注一%

算出玻璃窗

时刻的冷负荷 6几

、

。

透过玻璃窗日射得热引起的冷负荷 Γ透过玻璃窗的日射得热量

透过玻璃窗进人车室内的日射得热分为两部分直接透射到室内的太阳辐射热

9一爪 :。

、

)

十

毛&7

、&

7一+ 、

式中

几

、

毛

一玻璃窗对太阳的直射散射透过率,

、

)

一太阳辐射直射强度在玻璃表面法线方向的分量,

艺

;一太阳辐射散射强度 3 4 59。一> = 由一= )、、

<。

被玻璃窗吸收的太阳辐射热传向车室内的部分热量 “

7一& 、

式中

?、

一玻璃对太阳辐射直射散射的吸收率射热传向车室内的比率,,

>一玻璃吸收太阳辐

>一 Α 4 Β

、

3 4

十 ,

一玻璃窗的总热阻 5一玻璃窗的外表面热阻

。

643

之

“

3 6 4 3 一&4 3=,,

一玻璃窗的内表面热阻 5飞

。

64 3,

一&4=

&飞

=Α

、

仇

一玻璃窗外内表面放热系数,

、

之

“

6,‘

停车条件下9 29

= 3

Χ&Δ 〔毛一瓜义%

ΕΦΓ

Η一ΔΗ

〕

‘〔

一车体外表面温度,。

,。

瓜一外界空气温度运行条件下)

前窗嘶一Η)

ΙΔ

匕

侧窗叭一Ι)

#&Κ

’

后窗叭一&)

Λ 7Κ

’

”

一

汽车行驶速度 5,一

。

Ν射得热量 &

为

。、

与

9‘

之和

。

助冷负荷讨算

一

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第

期

汽车空调车室冷负荷计算方法

δ 凤一βχ )βχ卜小Χ 6式中> (凤凤Χ一和6、

ΧΙ、

、

一 6,

凤

小

>一

!一! ,

一%

一%时刻的日射冷负荷Κ,

δχ

、

Ι、

δχ

、

卜

一和一%时刻的日射得热量Τ

,β!(

、

从一#传递函数系数、

。

室外空气冷负荷,

室外空气进入车室内主要有两种来源,%一0

即新风量和泄漏风量,

。

新风量一般按,

0Γ 9Β

Λ ,

人

标准确定泄漏风量是由门缝不严而泄进车室内据文献以〕介绍%(

当车速

Με%

Λ Λ 6

缝隙宽Μ。

%.Β

时

漏风量为,。

耐Λ

当缝隙宽达

时

漏风量加大到

按上述两者确定的漏风量取大值

其室外空气冷负荷计算式为!一

几:ΖΕ一Ε 式中 6众一室外空气冷负荷、

1一进人车室的车外空气质量流量掩Λ,

值ΧΛ味玩车室内空气熔值Χ味Λ一ΕΚ一车外空气烩,

。

(

车室内驾驶人员及乘客散发的热量引起的冷负荷、、、、

人体散热散湿与性别年龄衣着劳动强度及环境条件等因素有关为了实际计算方便可按成人男子为基础乘以考虑了各类人员组成比例的系数,,

称群集系数

。

其冷负荷计算式!一.

为

厂‘

6几:飞

α )

%% Β

‘

式中

α一司机人体散热量一般取,

%.,

Ν%.Κ !

一乘客人数人,、

’Β.(

一群集系数取一α%、

,、

(

4 3

。

车室内仪器设备照明等用电散热造成的冷负荷%

67Η

!一3 、、

式中

几一仪器设备照明等用电设备造成的冷

负荷氨一用电设备的额定功率 ,。

综上汽车车室总的空调冷负荷为6几一 6

几

小

) 6几 ) 6凤十 6凤小 ) 6几十 6、

几 ) 6几

、

!一,

根据上述各部分的分析作者用。。

〔φΤ识八] 、

语言编写了汽车空调冷负荷的计算程序并在

微机上运行通过整个程序由主程序计算各部分冷负荷的子程序以及计算太阳辐射特性的辅助程序组成程序可用来计算不同地理位置不同时间以及不同条件下轿车和微型车的空调冷负荷还可以用来分析地理位置运行条件车体几何参数车体颜色玻璃材料性能等因素变化对冷负荷的影响。、

、

六计%(

、

算。

实微型.

例座面包车其外形及项围侧围和地板,、

实例车型及原始条件

计算车型为重庆长江电工厂生产的结构见图一%一一七

ΞΦ

其有关尺寸见表

一%

汽车空调车室冷负荷计算方法

四

川

制

冷

冲

‘

叮

勺

图一

哭

微型面包车外形

万 .

车

外 ,

车外内

车一

钢板 !一一& )一

。#

(

聚乙烯泡沫#二六一

沼

一聚

胺脂%&

钢板占,

.二/ 0+一空

…………气夹层 ,

车

内

二二二二二二二二二二二二二二二二

车

外

占一 1,一&1

浅灰色毛绒图%一+

小

。

&一

钢板占一(

纸板’

己+一

2一,

聚胺脂#二,竺万/、(/、(

)

聚乙烯地板% 4/0

/吕一、

艺

聚

抓乙烯泡沫 ! & ,

&一

钢板污

//、/。。 (/ 0

聚乙烯 3注/忿%一&

车顶圈护结构

几色人造革

图

圈车狈粗护结构

图

%一 )

车地板结构

表位置面积 3 67,,

%一/

义%&&。微型面包车有关规格尺寸与水平面的夹角%, 9: 8 37;。,

玻璃种类或车体壁面颜色 .&&

备

注

前窗侧窗后窗

1%#

、、 .

夹层玻璃钢化玻璃钢化玻璃蓝色蓝色

8%#

指一侧面积

2/&& 1&#)%1

车顶前围侧围后围

+/‘

。

8,8,

/,%/

蓝色

指,

一侧

面积

)++争+,性

蓝色黑色

。

地板

/#,

计算条件及相关参数确定车室内外气象参数、

车室外以重庆地区夏至时刻该车以)车室内空气干球温度#ΙΠ

)

)生Ο5 4&。%

的速度向正南方行驶为计算条件Μ 6Θ

。

空气湿球温度&Δ

)

车室内驾驶员

9人乘客,

人

。