合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院 趙 燦 左承基 唐景春

汽車空調(diào)能創(chuàng)造舒適的車內(nèi)環(huán)境，對于汽車來說是很重要的。但是由于我國汽車數(shù)量的快速增長，汽車停車位一直處于一種緊缺的狀態(tài)。在炎熱的夏天，很多汽車露天停靠處于太陽的暴曬下，當車主打開車門，一股熱流撲面而來，車內(nèi)溫度往往超過50℃，啟動汽車空調(diào)后車內(nèi)溫度需要一段時間才能降下來。隨著汽油價格的節(jié)節(jié)攀升，離開汽車后不停汽車發(fā)動機是非常不經(jīng)濟的，也是不現(xiàn)實的。本文提出一種太陽能車內(nèi)空氣預冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在乘員進入汽車前5-10分鐘時通過遙控器開啟，使車內(nèi)空氣達到人體舒適的溫度。

1.車內(nèi)空氣冷負荷計算

本汽車空氣預冷系統(tǒng)設計參考的車型為豐田普銳斯，車型數(shù)據(jù)如下：

長×寬×高(mm)4855×1780×1480，玻璃面積F=3.29105m2；前擋風玻璃面積F=1.1835m2；車兩側(cè)玻璃面積F=1.304m2；后擋風玻璃面積F=0.80385m2；車頂面積F=1.95m2；車底面積F=7m2；車兩側(cè)面積（不包括玻璃）F=2.8m2。

設計工況：車外溫度35℃，車內(nèi)溫度29℃。利用冷負荷系數(shù)法[1,2,3]，計算得出參考車型車內(nèi)冷負荷如表1所示。

從表1可知，車頭向北的傳熱量是最小的。而廣州12點的傳熱量為1713.1w，在其他時間、地點的傳熱量均小于此，為方便計算，總熱負荷取整數(shù)，總熱負荷取1700w是比較合適的。

2.車內(nèi)空氣預冷系統(tǒng)組成與工作原理

車內(nèi)空氣預冷系統(tǒng)組成如圖1所示，由太陽能電池板收集能量，儲存在蓄電池中，作為本文空氣預冷系統(tǒng)的全部動力來源。采用壓縮機并聯(lián)的方法，利用雙位三通電磁閥將本文電動壓縮機與汽車原有制冷系統(tǒng)中的壓縮機并聯(lián)。冷凝器、蒸發(fā)器、熱力膨脹閥、風機均采用原有制冷系統(tǒng)部件。

工作原理：當乘員進入汽車之前，通過空調(diào)開啟控制器啟動預冷系統(tǒng)，汽車原有制冷系統(tǒng)中的壓縮機不工作，這時，電動壓縮機與汽車原有制冷系統(tǒng)其他部件一起，構(gòu)成完整的制冷循環(huán)系統(tǒng)，可短時間使車內(nèi)達到使人體舒適的溫度。

圖1標示：

1-汽車空調(diào)系統(tǒng)原有壓縮機 2-電動壓縮機 3-逆變控制器 4-蓄電池 5-太陽能板6-平行流冷凝器 7-軸流風機 8-熱力膨脹閥 9-離心風機 10-平行流蒸發(fā)器11-三通閥

本文采用壓縮機并聯(lián)方法，利用汽車原有制冷系統(tǒng)中除壓縮機以外的所有部件，可以降低加裝成本和減少車內(nèi)空間的占用，有利于本系統(tǒng)的商業(yè)應用。

根據(jù)Sekurit公司太陽能板的產(chǎn)品介紹，20組100mm×100mm單晶硅電太陽電池在完全曝曬時可產(chǎn)生25W的電能。在本車型的車頂全部安裝太陽能板，可以安裝9×20組，在太陽曝曬下大約能產(chǎn)生225w的電能。將產(chǎn)生的電能儲存在蓄電池中，若短時間內(nèi)全部使用，可以帶動空氣預冷系統(tǒng)。例如，將1小時儲蓄的太陽能產(chǎn)生的電能在10分鐘內(nèi)使用掉，理論上可以帶動耗功1350w的電器?？紤]到逆變器損失和蓄電量穩(wěn)定性，認為帶動耗功1100w的電器是可行的。

表1 不同停車方向時的總傳入熱量（w）

表2 制冷循環(huán)過程各點熱力狀態(tài)參數(shù)

圖1 車內(nèi)預冷系統(tǒng)示意圖

圖2 制冷循環(huán)p-h圖

本文采用壓縮機并聯(lián)方法，利用汽車原有制冷系統(tǒng)中除壓縮機以外的所有部件，可以降低加裝成本和減少車內(nèi)空間的占用，有利于本系統(tǒng)的商業(yè)應用。

3.熱力計算及關鍵部件的選配

工質(zhì)：R134a工況：tk=64℃；過冷度5℃；t0=1℃；過熱度10℃。壓縮機轉(zhuǎn)速n=1800r/min，制冷循環(huán)的p-h圖如圖2及表2所示：

以下是表2內(nèi)容注解：

單位質(zhì)量制冷量：q0=h0-h4=112.03KJ/kg

單位容積制冷量：qv=q0/v1=1569.0KJ/kg

單位指示功：wi=h2-h1=53.645KJ/kg

單位冷凝熱：qk=h2-h4=178.59KJ/kg

制冷劑質(zhì)量流量：qm=Q0/q0=0.01517kg/s

壓縮機理論排量：qh=qmv1/λ=0.001274 m3/s；λ取0.85

制冷系數(shù)：εi=q0/wi=2.088

卡洛循環(huán)制冷系數(shù)：εc=T0/(T4-T0)

熱力完善度：η=εi/εc=0.442

壓縮機功率N=Q0/εi=814.2w，取850w。

4.太陽能動力系統(tǒng)

太陽能動力系統(tǒng)由太陽能蓄電池組、太陽能板、逆變控制器組成。其中太陽能蓄電池組由4個12V12A的太陽能蓄電池串聯(lián)而成，可儲存0.576kwh的電能。實驗的預冷系統(tǒng)的功率為1089w，1小時儲蓄的電能可用10分鐘，蓄電池蓄滿電能后，預冷系統(tǒng)可工作30余分鐘。

隨著石油等化石燃料的急劇消耗，環(huán)境污染等問題越來越受人們關注，對于清潔能源的呼聲也越來越大。太陽能就是一種取之不盡，用之不竭的清潔能源，在家電領域已有相當應用，然而受制于面積和高昂的陳本，在汽車領域的應用還有限。

提出收集電能再集中使用，為太陽能在汽車上的應用提供了新的方法。在車頂全部鋪上太陽能板，儲蓄的能量是很可觀的。眾所周知，汽車處于太陽曝曬下時汽車空調(diào)的冷負荷最大，當車頂鋪滿太陽能板后，可以有效地減少從車頂傳入的太陽輻射熱，并且太陽越酷烈，產(chǎn)生的電能越多。

應用人工智能控制系統(tǒng)，使車內(nèi)環(huán)境更符合人體舒適度的要求，進一步提高舒適性，是此系統(tǒng)的研究方向，隨著太陽能電池效率的提高及其成本的不斷降低，該系統(tǒng)的成本也會降低而效率提高，使商業(yè)應用成為可能。另該系統(tǒng)應用于電動汽車上可有效增加其行駛里程和提供舒適車內(nèi)環(huán)境。

5.結(jié)束語

1）本文采用車頂鋪設太陽能板，有效降低了通過車頂傳入車內(nèi)的太陽能輻射熱，降低車內(nèi)冷負荷峰值。

2）預冷系統(tǒng)采用壓縮機并聯(lián)的方法，可節(jié)省車內(nèi)空間并降低加裝成本。

3）車頂?shù)奶柲馨蹇商峁?25w的電量，儲存于蓄電池中，在曝曬數(shù)小時后，可驅(qū)動空氣預冷系統(tǒng)工作，短時間可使車內(nèi)達到人體舒適溫度要求。

4）本太陽能車內(nèi)空氣預冷系統(tǒng)具有良好的應用前景。

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