郎曉玥 胡廣地

摘要：本文利用Amesim平臺(tái)搭建了空調(diào)系統(tǒng)的仿真模型，研究了其在環(huán)境溫度變化時(shí)的性能，并提出一種回收排風(fēng)熱量的方法。仿真結(jié)果表明，在冬季，熱回收機(jī)組的制熱量平均增加0.58kW。進(jìn)一步的仿真分析發(fā)現(xiàn)，排風(fēng)量和排風(fēng)溫度對(duì)熱回收機(jī)組的性能影響不明顯。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)客車空調(diào);熱回收;仿真分析;Amesim

中圖分類號(hào)：TU831.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2018）05-0131-02

汽車是科技技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，它的才出現(xiàn)極大地改變了人類社會(huì)，汽車工業(yè)至今也仍是許多國家的支柱產(chǎn)業(yè)之一^[1]。傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的大量使用，帶來了能源危機(jī)和環(huán)境污染的問題，不僅影響了經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，更是對(duì)人體健康造成了很大威脅。為了解決這些問題，發(fā)展新能源汽車勢(shì)在必行，隨著國家的政策支持和國內(nèi)電動(dòng)汽車技術(shù)的不斷提高，純電動(dòng)客車作為重要的公共交通工具，逐漸取代傳統(tǒng)燃油客車，出現(xiàn)在人們的視野中。

電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車上能耗最大的輔助子系統(tǒng)，電量消耗可達(dá)整車的30%^[2]，對(duì)電動(dòng)汽車的續(xù)航有很大影響。汽車運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變^[2]，電動(dòng)客車的空調(diào)又多為頂置式獨(dú)立空調(diào)，所以其運(yùn)行工況尤為惡劣，運(yùn)行效率低。

作為一種常用的建筑空調(diào)技術(shù)，建筑熱回收在一些歐洲國家得到廣泛應(yīng)用，特別是在瑞典和德國等高緯度國家^{[4，5，6]}。近些年來，在我國越來越多的商業(yè)建筑和私人住宅開始從排氣通風(fēng)系統(tǒng)中回收能量^[7，8]，熱回收技術(shù)為新鮮空氣、經(jīng)濟(jì)效率和能源效率的平衡提供了最佳解決方案^[8]。因此，針對(duì)電動(dòng)客車空調(diào)在冬季運(yùn)行過程中制熱慢、能耗高的問題，本文提出一種利用空調(diào)機(jī)組新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行排風(fēng)熱回收的方法，來改善空調(diào)機(jī)組的性能，并通過模型仿真進(jìn)行驗(yàn)證。

1 空調(diào)系統(tǒng)仿真模型的建立

針對(duì)型號(hào)為TX12D-P的冷暖型電動(dòng)客車空調(diào)（簡(jiǎn)稱原機(jī)組），基于系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)LMS Imagine.Lab Amesim建立系統(tǒng)仿真模型建立仿真模型如圖1，并根據(jù)原機(jī)組的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正，使其在額定工況下，主要性能參數(shù)的仿真值與實(shí)驗(yàn)值基本相同。原機(jī)組額定功率4.5kW，額定制熱量為12kW。表1為額定工況下實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果的對(duì)比。

2 環(huán)境溫度對(duì)空調(diào)機(jī)組性能的影響

本文將通過系統(tǒng)仿真的方法來研究環(huán)境溫度對(duì)空調(diào)機(jī)組性能的影響。使用原機(jī)組的系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，改變環(huán)境溫度和壓縮機(jī)的輸入功率，記錄不同環(huán)境溫度下空調(diào)制熱量和壓縮機(jī)功率等主要參數(shù)。表2即冬季溫度變化時(shí)原機(jī)組的主要性能參數(shù)?？梢钥闯觯S著環(huán)境溫度下降，制熱量隨之下降，而COP（coefficient of performance）反而上升。在未超過額定制熱工況時(shí)，其均能提供額定制熱量。當(dāng)溫度低于6°C時(shí)，制熱量一直下降;當(dāng)環(huán)境溫度為-5°C時(shí)，制熱量?jī)H有9.7kW，為額定值的70%，此時(shí)需要使用 PTC（positive Temperature Coefficient）來補(bǔ)充熱量，這會(huì)對(duì)車輛續(xù)航造成很大影響。

3 排風(fēng)熱回收對(duì)機(jī)組性能的影響

3.1 熱回收器設(shè)計(jì)

原機(jī)組為頂置獨(dú)立式電動(dòng)客車空調(diào)，要適配不同型號(hào)的客車，考慮到經(jīng)濟(jì)性和可行性，只能改造空調(diào)本身。對(duì)原機(jī)組的新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，在其排風(fēng)口處增加一個(gè)熱回收器，使原來直接排向車外的空氣，先流經(jīng)熱回收器進(jìn)行換熱后再排向車外，實(shí)現(xiàn)排風(fēng)余熱的回收利用。從經(jīng)濟(jì)性考慮，熱回收器主體采用跟冷凝器同樣規(guī)格的平行流換熱器芯體。

表3中為增加熱回收器后，空調(diào)機(jī)組與原機(jī)組在額定工況下的性能對(duì)比。從中可以看出在制熱量相近的情況下，熱回收機(jī)組相較于原機(jī)組COP提高0.04，兩種機(jī)組均能滿足設(shè)計(jì)需求，熱回收機(jī)組熱效率稍高。

3.2 環(huán)境溫度對(duì)熱回收機(jī)組性能的影響

由前面的仿真結(jié)果可知，在額定工況下兩機(jī)組性能差別不大，在這一節(jié)我們討論環(huán)境溫度變化時(shí)機(jī)組性能的變化。在Amesim平臺(tái)中調(diào)用排風(fēng)熱回收機(jī)組仿真模型，改變環(huán)境溫度參數(shù)，記錄其主要參數(shù)變化，并與原機(jī)組進(jìn)行對(duì)比。

圖2為環(huán)境溫度變化時(shí)，兩機(jī)組COP變化曲線。從中可以看出，熱回收機(jī)組在整個(gè)環(huán)境溫度范圍內(nèi)，COP值均稍髙于原機(jī)組。圖3為制熱量變化曲線，可以看出，在環(huán)境溫度高于額定溫度時(shí)，兩組機(jī)組均能提供足夠的熱量;隨著溫度低于6°C，原機(jī)組制熱量明顯下降，而熱回收機(jī)組直到0°C仍保持不錯(cuò)的制熱能力;在-5°C時(shí)，熱回收機(jī)組制熱量比原機(jī)組髙10%?？梢钥闯觯瑹峄厥諜C(jī)組能提供更多熱量，減少PTC使用，這意味著更低能耗和更長續(xù)航。

3.3 風(fēng)量對(duì)熱回收機(jī)組性能的影響

本文討論的是電動(dòng)客車空調(diào)系統(tǒng)，因此對(duì)其能耗要求較高。流經(jīng)熱回收器的排風(fēng)量即為新風(fēng)系統(tǒng)的新風(fēng)量，是影響空調(diào)機(jī)組能耗和乘客舒適度的重要因素。不同類型車輛和行駛條件所需的新風(fēng)量不同，因此流經(jīng)熱回收器的排風(fēng)量就不同，所以本節(jié)討論排風(fēng)量變化對(duì)熱回收機(jī)組性能的影響。

在Amesim平臺(tái)中調(diào)用排風(fēng)熱回收機(jī)組仿真模型，在額定工況下，得到排風(fēng)量變化時(shí)熱回收機(jī)組的主要性能參數(shù)如表4。從中可以看出，當(dāng)排風(fēng)量由400/h下降到200m3/h時(shí)，機(jī)組COP和制熱量變化都很小，即系統(tǒng)性能對(duì)排風(fēng)量變化不敏感。

3.4 排風(fēng)溫度對(duì)熱回收機(jī)組性能的影響

排風(fēng)溫度即車內(nèi)溫度，是影響空調(diào)機(jī)組能耗的重要因素，因此本結(jié)討論排風(fēng)溫度變化對(duì)熱回收機(jī)組性能的影響，主要性能參數(shù)見表5。從表中可以看出，當(dāng)排風(fēng)溫度變化時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)的主要參數(shù)變化均不大。即排風(fēng)溫度，也就是車室內(nèi)溫度對(duì)熱回收空調(diào)機(jī)組性能影響不大。因此，在不同的車室溫度下，排風(fēng)熱回收機(jī)組均有良好的性能。

4 結(jié)論

本文利用Amesim系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)，建立了電動(dòng)客車空調(diào)系統(tǒng)的仿真模型，研究了環(huán)境溫度對(duì)其性能的影響，提出了一種通過增加熱回收器提高其性能的方法并進(jìn)行仿真分析，得到以下結(jié)論：

1） 環(huán)境溫度對(duì)空調(diào)機(jī)組性能影響很明顯。在冬季時(shí)，環(huán)境溫度降低會(huì)導(dǎo)致制熱量明顯下降。

2） 增加熱回收器可以有效提升空調(diào)性能。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，排風(fēng)熱回收機(jī)組的制熱量平均提高0.58kW，能減少PTC的使用。

3） 排風(fēng)量對(duì)熱回收機(jī)組性能影響不大。當(dāng)排風(fēng)量由400m3/h降為200m3/h時(shí)，COP由3.12變?yōu)?.11，下降了0.3%。

4） 排風(fēng)溫度對(duì)熱回收機(jī)組性能影響不大。當(dāng)排風(fēng)溫度由10°C降到0°C時(shí)，制熱量均能保持在14.0kW左右。