合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院 趙 燦 左承基 唐景春

汽車(chē)空調(diào)能創(chuàng)造舒適的車(chē)內(nèi)環(huán)境，對(duì)于汽車(chē)來(lái)說(shuō)是很重要的。但是由于我國(guó)汽車(chē)數(shù)量的快速增長(zhǎng)，汽車(chē)停車(chē)位一直處于一種緊缺的狀態(tài)。在炎熱的夏天，很多汽車(chē)露天?？刻幱谔?yáng)的暴曬下，當(dāng)車(chē)主打開(kāi)車(chē)門(mén)，一股熱流撲面而來(lái)，車(chē)內(nèi)溫度往往超過(guò)50℃，啟動(dòng)汽車(chē)空調(diào)后車(chē)內(nèi)溫度需要一段時(shí)間才能降下來(lái)。隨著汽油價(jià)格的節(jié)節(jié)攀升，離開(kāi)汽車(chē)后不停汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)是非常不經(jīng)濟(jì)的，也是不現(xiàn)實(shí)的。本文提出一種太陽(yáng)能車(chē)內(nèi)空氣預(yù)冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在乘員進(jìn)入汽車(chē)前5-10分鐘時(shí)通過(guò)遙控器開(kāi)啟，使車(chē)內(nèi)空氣達(dá)到人體舒適的溫度。

1.車(chē)內(nèi)空氣冷負(fù)荷計(jì)算

本汽車(chē)空氣預(yù)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考的車(chē)型為豐田普銳斯，車(chē)型數(shù)據(jù)如下：

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

設(shè)計(jì)工況：車(chē)外溫度35℃，車(chē)內(nèi)溫度29℃。利用冷負(fù)荷系數(shù)法[1,2,3]，計(jì)算得出參考車(chē)型車(chē)內(nèi)冷負(fù)荷如表1所示。

從表1可知，車(chē)頭向北的傳熱量是最小的。而廣州12點(diǎn)的傳熱量為1713.1w，在其他時(shí)間、地點(diǎn)的傳熱量均小于此，為方便計(jì)算，總熱負(fù)荷取整數(shù)，總熱負(fù)荷取1700w是比較合適的。

2.車(chē)內(nèi)空氣預(yù)冷系統(tǒng)組成與工作原理

車(chē)內(nèi)空氣預(yù)冷系統(tǒng)組成如圖1所示，由太陽(yáng)能電池板收集能量，儲(chǔ)存在蓄電池中，作為本文空氣預(yù)冷系統(tǒng)的全部動(dòng)力來(lái)源。采用壓縮機(jī)并聯(lián)的方法，利用雙位三通電磁閥將本文電動(dòng)壓縮機(jī)與汽車(chē)原有制冷系統(tǒng)中的壓縮機(jī)并聯(lián)。冷凝器、蒸發(fā)器、熱力膨脹閥、風(fēng)機(jī)均采用原有制冷系統(tǒng)部件。

工作原理：當(dāng)乘員進(jìn)入汽車(chē)之前，通過(guò)空調(diào)開(kāi)啟控制器啟動(dòng)預(yù)冷系統(tǒng)，汽車(chē)原有制冷系統(tǒng)中的壓縮機(jī)不工作，這時(shí)，電動(dòng)壓縮機(jī)與汽車(chē)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(shí)間使車(chē)內(nèi)達(dá)到使人體舒適的溫度。

圖1標(biāo)示：

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

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

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

表1 不同停車(chē)方向時(shí)的總傳入熱量（w）

表2 制冷循環(huán)過(guò)程各點(diǎn)熱力狀態(tài)參數(shù)

圖1 車(chē)內(nèi)預(yù)冷系統(tǒng)示意圖

圖2 制冷循環(huán)p-h圖

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

3.熱力計(jì)算及關(guān)鍵部件的選配

工質(zhì)：R134a工況：tk=64℃；過(guò)冷度5℃；t0=1℃；過(guò)熱度10℃。壓縮機(jī)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(jī)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(jī)功率N=Q0/εi=814.2w，取850w。

4.太陽(yáng)能動(dòng)力系統(tǒng)

太陽(yáng)能動(dòng)力系統(tǒng)由太陽(yáng)能蓄電池組、太陽(yáng)能板、逆變控制器組成。其中太陽(yáng)能蓄電池組由4個(gè)12V12A的太陽(yáng)能蓄電池串聯(lián)而成，可儲(chǔ)存0.576kwh的電能。實(shí)驗(yàn)的預(yù)冷系統(tǒng)的功率為1089w，1小時(shí)儲(chǔ)蓄的電能可用10分鐘，蓄電池蓄滿電能后，預(yù)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(wèn)題越來(lái)越受人們關(guān)注，對(duì)于清潔能源的呼聲也越來(lái)越大。太陽(yáng)能就是一種取之不盡，用之不竭的清潔能源，在家電領(lǐng)域已有相當(dāng)應(yīng)用，然而受制于面積和高昂的陳本，在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用還有限。

提出收集電能再集中使用，為太陽(yáng)能在汽車(chē)上的應(yīng)用提供了新的方法。在車(chē)頂全部鋪上太陽(yáng)能板，儲(chǔ)蓄的能量是很可觀的。眾所周知，汽車(chē)處于太陽(yáng)曝曬下時(shí)汽車(chē)空調(diào)的冷負(fù)荷最大，當(dāng)車(chē)頂鋪滿太陽(yáng)能板后，可以有效地減少?gòu)能?chē)頂傳入的太陽(yáng)輻射熱，并且太陽(yáng)越酷烈，產(chǎn)生的電能越多。

應(yīng)用人工智能控制系統(tǒng)，使車(chē)內(nèi)環(huán)境更符合人體舒適度的要求，進(jìn)一步提高舒適性，是此系統(tǒng)的研究方向，隨著太陽(yáng)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(huì)降低而效率提高，使商業(yè)應(yīng)用成為可能。另該系統(tǒng)應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)上可有效增加其行駛里程和提供舒適車(chē)內(nèi)環(huán)境。

5.結(jié)束語(yǔ)

1）本文采用車(chē)頂鋪設(shè)太陽(yáng)能板，有效降低了通過(guò)車(chē)頂傳入車(chē)內(nèi)的太陽(yáng)能輻射熱，降低車(chē)內(nèi)冷負(fù)荷峰值。

2）預(yù)冷系統(tǒng)采用壓縮機(jī)并聯(lián)的方法，可節(jié)省車(chē)內(nèi)空間并降低加裝成本。

3）車(chē)頂?shù)奶?yáng)能板可提供225w的電量，儲(chǔ)存于蓄電池中，在曝曬數(shù)小時(shí)后，可驅(qū)動(dòng)空氣預(yù)冷系統(tǒng)工作，短時(shí)間可使車(chē)內(nèi)達(dá)到人體舒適溫度要求。

4）本太陽(yáng)能車(chē)內(nèi)空氣預(yù)冷系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。

[1]陳孟湘.汽車(chē)空調(diào)-原理、結(jié)構(gòu)、安裝、維修[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2001:102-105.

[2]鄭賢德.制冷原理與裝置[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007:117-121.

[3]薛殿華.空氣調(diào)節(jié)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1990:85-92.

[4]Mei.VC,Chen.FC.Study of solar-assisted thermoelectric technology for automobile air conditioning.Transactions of the ASME.Journal of Solar Energy Engineering.November 1993:200-205.

[5]曾令苓.工程熱力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2004:56-59.

[6]楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1998:82-96.

[7]吳業(yè)正.小型制冷裝置設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999:35-37.

[8]向立平等.汽車(chē)空調(diào)平行流式冷凝器空氣側(cè)性能研究[J].流體機(jī)械,2007,35(10:64-67.

[9]楊詩(shī)成,王喜奎.泵與風(fēng)機(jī)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2006:61-63.

[10]莫乃榕.工程流體力學(xué)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2000:52-55.

[11]陳夢(mèng)湘.汽車(chē)空調(diào):新世紀(jì)版[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2000:99-102.