轿车空调热负荷的计算和分析

轿车空调热负荷的计算和分析

上海恒安空调设备有限公司 张忠于

上海燃料电池汽车动力系统有限公司 林玲

摘要：汽车空调系统已经在汽车辅助系统中占有举足轻重的地位。本文主要计算夏季汽车空调制冷量。希望能够准确合理地计算出夏季汽车空调负荷，从而有效避免因制冷量不足造成乘员不适或因制冷能力过大造成能源浪费的情况，减少设计误差。 关键词：小轿车；空调热负荷；汽车空调系统；设计误差 1 引言

众所周知，汽车空调系统的安装，不仅能够提高乘客乘坐的舒适性，同时还可以使司机在空调环境中保持清醒的头脑，提高工作效率，能很大程度上减少疲劳和车祸的发生。一般来说，汽车空调制冷系统的工作原理采用蒸汽压缩式制冷方式，其主要部件由压缩机、冷凝器、储液干燥器、膨胀阀、蒸发器、制冷管路及控制系统组成，在夏天空调制冷系统工作排除车厢内余热、余湿，达到制冷目的。汽车空调冬天制热，目前主要利用发动机冷却水的余热来实现。 2 汽车空调热负荷计算方法确定

汽车车厢与外界环境热交换通过导热、对流和辐射三种方式进行。由于外界条件千变万化，汽车运动状态也在不断地发生变化，它们间的热传递处于不稳定状态，准确计算车室热负荷变得十分困难。汽车热负荷计算有着多种不同的计算方法，本文针对目前采用较多的图表法和稳态热负荷的计算法来计算力帆（LF06）车型小轿车夏季空调制冷量，同时根据计算结果对这两种计算方式进行比较。 2.1 汽车稳态热负荷计算 2.1.1 车身热负荷来源

(1)夏季车室热负荷来源是由于车外温度高于车内，加上太阳辐射的作用，会有大量热量通过车壁及车窗玻璃传入车内；(2)车厢密封性不好，会有不少热空气通过门窗及地板缝隙漏入车内或人为地通入新风也会带来新风热负荷；(3)人体发出的汗热和湿热也会使得车内温度升高；通过发动机室也会传入部分热量；(4)同时还有地面发射热传入等等，这些热量之和就构成了车身热负荷。

2.1.2 车内、外空调设计参数选择

根据我国对轿车车内空调设计要求，结合夏季普遍气候情况，车内、外空调设计参数选择：室外干球温度35℃,相对湿度60%,室内空气流速<0.2m/s,换气量:15m/(h.人),车内干球温度

3

25℃,相对湿度55%,大气压力Pa=1.01325×105Pa,车的行驶速度40Km/h,漏风量:18m/h(经验值),地处北纬30°线,时间:6月中旬,晴天,车内驾乘人员:5人. 2.1.3 车身材料参数汇总(见表1)

表1：相关车身材料参数(主机厂提供)

3

2.1.4 车身围护结构对流传热计算

(1) 顶盖：Q顶=K顶A顶△t n -1

K=[∑ Ri+Rout+Rin] i=1

在车速为40(Km/h)时：αout=1.163(4+12v) =50［w/(m.k)］

αin =3.49+0.093△tb=4［w/(m.k) 其中:△tb=5℃（车内壁表面与车内温差） 故：Rout+Rin= 1/αn

∑ Ri=δ顶盖/λi=1 δ

顶盖

顶盖

out

2

0.5

2

+1/αin +1/50+1/4=0.27

顶蓬

+δ/λ

顶蓬

=0.09[(m2.k)/w]

-3

顶盖

=0.7×10(m) δ

-3

顶蓬

=3.6×10(m) λ=48[w/(m.k)] λ

顶盖

=0.04[w/(m.k)]

故Q顶=2.78×1.51×10=42(W) (2) 车门及侧围：Q车侧=K车侧A车侧△t

n

K车侧=1/［∑ Ri+Rout+Rin］=2.7［w/(m2.k)］ i=1

其中：Rout+Rin=0.27［(m.k)/w］ n

∑ Ri=δ铁/λ铁 +δ空气/λi=1

空气2

+δ

铁

/λ

铁

+δ

保温

/λ

保温

=0.10［(m2.k)/w］

故:Q车侧 =2.7×(1.38+1.38) ×10=74.52(W)

(3) 前围：Q前围=K前围A前围△t n

其中:K前围=［∑ Ri+Rout+Rin］ i=1

△t =30℃(考虑发动机舱温比环境高20℃) b

∑ Ri=δ铁/λ铁 +δi=1 δ

-3

铁

保温

/λ

保温

保温

=0.08［(m2.k)/w］

-3

=1×10(m) λ

2

=3.2×10(m)(按地毯厚度)

故: K前围=2.86［w/(m.k)］ Q前围=2.86×1.05×30=90.09(W) (4) 后围：Q后围=K后围A后围△t=5(W) (5) 玻璃(传热)：Q玻璃=K玻璃A玻璃△t K玻璃=［δ其中：λ

前门

玻

/λ

玻

+Rout+Rin］

-1

玻

=0.754［w/(m.k)］故：K前档=3.620［w/(m.k)］ K后档=3.646［w/(m.k)］K

=3.640［w/(m.k)］ K后门=3.646［w/(m.k)］

:

Q

玻

璃

故

×10=116.64(W)

=(3.62×1.1+3.646×0.93+3.64×0.638+3.646×0.54)

(6) 地板：Q地板=K地板A地板△t 其中△t =tH+(2~3)℃=13℃

n

K地板=[∑ Ri + Rout+Rin ]-1=2.857［(m2.k)/w］ i=1

n

其中：∑ Ri =δ地板/λ地板 +δ地毯/λ地毯 =0.08［(m2.k)/w］ i=1

故: Q地板=2.857×3.17×13=117.74(W) 2.1.5 车身围护结构太阳辐射传热计算

(1) 车顶 Q顶=Is×S顶

Is=Is+Ts.s

=INSinβ+0.5I×sinβ×[（1-Pm）/(1-1.4lnP)] =IPmSinβ+0.5I×sinβ×[(1-Pm)/ (1-1.4lnP)]

北纬30°，中午.中等透明空气,太阳高度角β=60°时：IS=231.32(w/m) 故Q顶=231.32×1.51=349.29(W)

(2) 车窗透射热 Qs=Jc.maxA车窗=1282（W） 其中：GS=Jc.max=399.625(w/m)

2

2

(3) 车身侧围辐射热Q车侧= IciA侧围×2=18.71×1.38×2=51.64(W) 其中：Ici=I

c.乙+1/2Is.s+1/2ID=18.71(w/m)

2

2.1.6 新风热负荷计算

Q换=q换ρ

空

(hout-hin)/3600

3

空

其中q换=15×5=75(m/h) ρ=1.146(Kg/m) hout=91(kJ/kg) (干球35℃,相对湿度为

3

60%时) hin=52.5(kJ/kg) (干球25℃,相对湿度为55%时)

故：Q换=75(m/h)×1.146(kg/m) ×(91-52.5)(kJ/kg) /3600=0.9192(Kw) 2.1.7 车外空气渗入热负荷计算

Q漏=G漏P空(hout-hin)/3600

故：Q漏=18(m/h)×1.146(kg/m)×(91-52.5)(kJ/kg)/3600 =0.226(Kw) 2.1.8 驾乘人员散热负荷计算

Qm=Qs+G×N×n Qs:司机人体散热：170(W) N:室内乘员：4 n:集群数:0.89 G:乘员散热:108(W)

故：Qm=170+108×4×0.89=554.48(W) 2.1.9 设备散热及照明产生的热负荷计算

Q2=(0.6~0.75)Q1=60(W) 其中Q1按照经验取100W

综合以上各项热负荷计算结果可知，根据稳态热负荷计算力帆(LF06)车室内的夏季总热负荷为： Q总 =Q换气+Q漏+Q顶对+Q侧对+Q前围+Q后围+Q波对+Q地对+Q顶辐+Q波辐+Q侧辐+Q 乘员+Q设备

=919.2+220.6+42+74.52+90.09+4+116.64+117.74+349.29+1282+51.64+ 554.48+60 =3882.2(W)

2.2 图表法计算汽车空调热负荷

图表法计算汽车空调热负荷即根据汽车室内空间大小，车内乘员人数，汽车发动机排量大小确定大致热负荷范围。这种确定汽车热负荷的方式对于确定汽车所需制冷量以及制冷装置快速选型有着参考价值。表2是轿车制冷装置制冷量选择范围。根据力帆（LF06）车型车室空间大小尺寸和设计乘员人数等综合因素，现确定此车型空调制冷量范围在3.489~4.652kw 之间。

3

3

3

3

表2：轿车制冷装置制冷量选择范围

3 分析

通过以上两种方式计算汽车热负荷来看，图表法既简单又方便，省却了繁琐的计算公式，这种根据设计经验总结得到的计算结果具有一定的参考价值，适合于要求不高的工程运用。稳态热负荷方法较图表法还考虑了汽车车速，环境因素对热负荷的影响，得出的计算结果更近似于实际汽车热负荷，是目前汽车空调设计中运用最多的方法。

对力帆（LF06）车身夏季室内热负荷稳态计算可知，车身围护结构对流及辐射热负荷占总空调负荷的比例为54.79%。按汽车空调设计标准通常围护结构对流、辐射热负荷占总空调负荷的40~60%之间，因此采用稳态热负荷计算方法计算汽车空调负荷是正确的，得出的结果是可靠的。 4 结论

根据以上两种方法计算结果，合理而准确地完成了力帆（LF06）车型汽车空调系统压缩机、冷凝器、蒸发器等各零部件的选型和配置工作，并通过了实车环境模拟试验。该车型已经投入了批量生产和销售，用户普遍反映车内环境热舒适效果理想。

参考文献：

[1] 吴双. 汽车空调车身热负荷计算方法分析与比较[J].制冷与空调，2002，6：36. [2] 申绪兵，杜子学.太阳辐射对微型面包车车室内温度场及空调热负荷的影响[J].制冷与空调，2002，4：26.

[3] 韩玉阁，陈义东. 装甲车辆空调系统动态热负荷计算[J].车辆与动力技术，2004，4：33-34. [4] 欧阳仲志.高原空调客车热工计算和空调机组试验问题探讨[J].铁道车辆，2001，4：99-101. [5] 阙雄才，陈江平等. 汽车空调实用技术.机械工业出版社，2003.3

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5b2m.html