葉 周，朱冬生，王雨婷，陳杭生，李露露

新能源公交車新風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)*

葉 周1,2,3,?，朱冬生1,2,3，王雨婷1,2,3，陳杭生1,2,3，李露露1,2,3

（1. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；3. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室，廣州 510640）

在呼吸道疾病高發(fā)季節(jié)，新能源公交車采用開窗方式來保證車廂內(nèi)部的通風(fēng)和環(huán)境衛(wèi)生安全，導(dǎo)致新風(fēng)負荷增加，進而大幅提升空調(diào)系統(tǒng)運行功耗。利用新風(fēng)回收排風(fēng)熱量以滿足新風(fēng)負荷，是空調(diào)系統(tǒng)的有效節(jié)能措施。首先對新能源公交車目前的供新風(fēng)方式進行分析，總結(jié)出新能源公交車供新風(fēng)方式上的不足；其次對帶能量回收器的雙向供新風(fēng)方式進行優(yōu)化，依托三維變形管能量回收器設(shè)計出新能源公交車新風(fēng)系統(tǒng)；最后對該系統(tǒng)進行模擬分析，發(fā)現(xiàn)在運行工況下，該系統(tǒng)溫度交換效率可達到0.6 ～ 0.7，對比采用開窗外循環(huán)方式進行通風(fēng)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)預(yù)計可降低新能源公交車夏季空調(diào)制冷期間能耗的20% ～ 30%。

新能源公交車；新風(fēng)系統(tǒng)；節(jié)能降耗；溫度交換效率

0 引 言

近年來，我國城市公共交通建設(shè)不斷加快，同時隨著新能源公交車的普及，其帶來的電能消耗也隨著線路、車輛數(shù)的增加在不斷增長[1-2]。國際和國內(nèi)部分城市已經(jīng)建立交通行業(yè)節(jié)能減排的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，對車廂內(nèi)空氣質(zhì)量也提出了更高的要求[3-4]。SCUNGIO等[5]以高擁擠指數(shù)和換氣能力不足的空氣交換系統(tǒng)為對象，開展了旨在改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的研究，指出客車內(nèi)部通風(fēng)系統(tǒng)使用的重要性。PIROUZ等[6]確定了三種車輛的艙室環(huán)境邊界條件和所選車輛的暖通空調(diào)系統(tǒng)，并采用計算流體動力學(xué)建模方法，進行通風(fēng)車輛的加熱、通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)三維數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)車輛的通風(fēng)系統(tǒng)不僅可以改善車艙內(nèi)的空氣質(zhì)量，還可以用于車輛的能源需求管理。LI等[7]研究了環(huán)境條件、車艙內(nèi)部條件、車輛運行速度、新風(fēng)量、載客量和陽光照射時間對空調(diào)系統(tǒng)制冷量的影響。LUGER等[8]認(rèn)為采用熱軌車輛模型數(shù)值計算對于提高車輛空調(diào)系統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量和降低能源消耗具有重要意義。張麗等[9]設(shè)計的空軌車輛空調(diào)系統(tǒng)采用主動式廢排方式，通過廢排風(fēng)機工作，將車廂內(nèi)廢氣排出，簡化了獨立廢排裝置的后期維護工作。

雖然當(dāng)前我國的公共交通已經(jīng)采用了多種節(jié)能技術(shù)，但在節(jié)能發(fā)展方面仍有很大進步空間。目前大多數(shù)涉及能量回收的研究都側(cè)重于對公共交通的制動過程，還未見對新能源公交車的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)進行能量回收的研究。因此本文依托三維變形管能量回收器設(shè)計出新能源公交車新風(fēng)系統(tǒng)，并對其節(jié)能潛力進行分析和研究，為實現(xiàn)新能源公交車低碳運營節(jié)能減排創(chuàng)造條件。

1 理論分析

由于新冠疫情防控等原因加大空調(diào)通風(fēng)量，2020年，各城市軌道交通單位人均公里總電能耗0.1 kW?h，同比增長52.2%[10]。新能源公交車輛通過司機位和末端座位開窗加大空調(diào)通風(fēng)量，大幅提升了空調(diào)系統(tǒng)運行功耗。在碳達峰、碳中和與健康防疫大環(huán)境背景需求下，急需新的通風(fēng)方式來降低新能源公交車空調(diào)系統(tǒng)能耗。目前新能源公交車通風(fēng)技術(shù)方式分為開窗通風(fēng)、單向通風(fēng)和雙向流通風(fēng)三種。

（1）開窗通風(fēng)。通過車窗供應(yīng)車內(nèi)的新風(fēng)需求，對比新冠疫情前和疫情時的運營數(shù)據(jù)，廣州公交車集團新能源公交車輛由于營運期間采用開窗通風(fēng)的空氣循環(huán)方式，空調(diào)制冷系統(tǒng)運行能耗大大增加。

（2）單向通風(fēng)。單向流新風(fēng)系統(tǒng)由風(fēng)機將車廂外的新鮮空氣送入室內(nèi)或?qū)④噹麅?nèi)空氣排至室外，通過開關(guān)實現(xiàn)公交車廂內(nèi)的新風(fēng)補充，其優(yōu)點是設(shè)備簡單，易于控制和日常維護，一次性投資及日常運行費用成本較低，其缺點是排風(fēng)沒有熱回收，增加了冬季供暖的負荷。

（3）雙向流通風(fēng)。新風(fēng)系統(tǒng)由送風(fēng)機和排風(fēng)機兩個風(fēng)機提供動力，將車廂外的新鮮空氣經(jīng)過過濾滅菌殺毒后送入室內(nèi)，并將車廂內(nèi)的污濁空氣強制排至室外。

開窗通風(fēng)存在風(fēng)量不穩(wěn)定且不可控的問題，導(dǎo)致舒適性差，且?guī)順O大的能耗；單向通風(fēng)會導(dǎo)致車廂內(nèi)的冷氣（夏季）/暖氣（冬季）直接排出車廂外，增加了車輛空調(diào)系統(tǒng)的負荷?？紤]到以上缺點，本文在車輛雙向通風(fēng)系統(tǒng)中，增加三維變形管高效能量回收器，為新能源車輛低碳運營節(jié)能減排創(chuàng)造條件。

三維變形管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，由圓管壓扁扭曲而成，沿管長方向呈螺旋狀，其中為長軸長度，為短軸長度，為螺距。流體在管內(nèi)外流動時，在垂直于主流的方向產(chǎn)生二次流，加強流體對壁面邊界層的擾動，從而提高流體的湍流強度，增強流體的換熱性能[11-14]。如圖2所示，三維變形管整齊排列可形成一體化的管排，三維變形管每半個扭矩在長軸處都直接接觸，可大大提升其抗振動性能[15-16]。

圖1 三維變形管結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 管排中不同位置扭矩橫截面圖

2 新能源公交車新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)目前新能源公交公交車通風(fēng)要求，采用三維變形管進行能量回收器設(shè)計，整機設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3所示，由三維變形管能量回收器、風(fēng)機、濾網(wǎng)等結(jié)構(gòu)組成。設(shè)計參數(shù)如表1所示，由于新能源公交公交車現(xiàn)有電源為DC 24 V，因此該系統(tǒng)電源設(shè)計為DC 24 V電壓，額定功率為48 ～ 160 W，根據(jù)新能源公交車要求設(shè)計風(fēng)量為150 ～ 400 m3/h可調(diào)節(jié)，為了配合現(xiàn)有新能源公交車空調(diào)安裝，尺寸參數(shù)為1 880 mm × 350 mm × 210 mm。

圖3 新能源公交車新風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

表1 新能源公交車新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

如圖4所示，該新風(fēng)系統(tǒng)正面為新風(fēng)入口，背面為回風(fēng)入口和新風(fēng)出口，與現(xiàn)有新能源公交車空調(diào)配合安裝（圖5）。設(shè)備開啟時，一部分原空調(diào)蒸發(fā)器的回風(fēng)（車廂內(nèi)的污濁空氣）經(jīng)過能量回收器與新風(fēng)進行換熱后，通過排風(fēng)口排至車廂外部；同時一定量的新風(fēng)（車廂外部新鮮空氣）經(jīng)過濾網(wǎng)進入能量回收器與回風(fēng)進行換熱后，補充回空調(diào)蒸發(fā)器，然后進入車箱內(nèi)部，保證車廂內(nèi)氣壓穩(wěn)定。

圖4 新能源公交車新風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 新能源公交車新風(fēng)系統(tǒng)安裝圖

3 能量回收器數(shù)值模擬

3.1 物理及數(shù)學(xué)模型

對設(shè)備中的能量回收器進行模擬分析，需要進行模型簡化（見表2），減少網(wǎng)格數(shù)量，從而提高計算的準(zhǔn)確性。模型將高效能量回收器中的120只三維變形管簡化為9只，一共3排，每排3只。由10 mm × 0.3 mm的圓管作為基管，通過壓扁螺旋扭轉(zhuǎn)形成三維變形管，長軸= 12 mm，短軸= 7.77 mm，螺距= 120 mm。

表2 能量回收器模型簡化

為提高模擬準(zhǔn)確性及完成相關(guān)數(shù)值計算，做出以下假設(shè)：①能量回收器的傳熱過程處于穩(wěn)態(tài)；②相關(guān)熱物性參數(shù)在模擬過程中恒定不變；③流體為不可壓縮的理想流體；④熱交換界面密封嚴(yán)實，不存在串風(fēng)及漏風(fēng)現(xiàn)象；⑤溫度交換效率按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21087-2020要求的測試溫度（表3）進行核算。

表3 額定性能試驗工況

能量回收器中的流體傳熱和流動過程遵守三大守恒定律，即質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律和動量守恒定律。

質(zhì)量守恒方程：

動量守恒方程（、、方向）：

式中：為壓力；為動力黏度；為速度矢量；分別為三個方向的速度；S、S、S代表源項。

能量守恒方程：

本研究為流體在三維變形管高效能量回收器內(nèi)的流動換熱問題，由于三維變形管特殊的結(jié)構(gòu)外形和安裝方式，管外長軸凸點緊挨，在管間形成了類似管狀的通道，流體在這樣特殊的通道中呈現(xiàn)出類似管內(nèi)的流動，對于湍流狀態(tài)的流體流動，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)耐牧髂Ｐ瓦M行模擬[15]。

根據(jù)模擬的流動和傳熱特性及各種湍流模型的適用性，本湍流模型采用基于擴散系數(shù)和湍流動能的標(biāo)準(zhǔn)-模型。

湍動能方程：

湍流耗散率方程：

式中：GG均代表湍動能，不同之處在于G是由浮力作用而造成的，而G是因平均速度梯度而形成的；Y為總耗散率中由于可壓縮湍流脈動膨脹產(chǎn)生的影響部分；1?、2?、3?為常量；S和S分別為湍流能項和湍流耗散源項；和分別為方程和方程的湍流普朗特數(shù)。

3.2 邊界條件設(shè)置

在夏季制冷標(biāo)準(zhǔn)工況下進行邊界條件溫度設(shè)置，管程進口溫度設(shè)置為車廂內(nèi)環(huán)境溫度27 ℃，殼程進口溫度設(shè)置為車廂外環(huán)境溫度35 ℃。管程出口和殼程出口均設(shè)置為壓力型出口，為環(huán)境大氣壓101.325 kPa。能量回收器除進氣口、排氣口以外的其他部分密封良好，氣體無逸散。能量回收器外壁近似為絕熱邊界，內(nèi)部換熱管與相鄰管程和殼程的排風(fēng)通道和送風(fēng)通道之間的傳熱壁面為流固耦合面。

3.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

模型網(wǎng)格處理工作使用ANSYS18.0軟件中Fluent模塊自帶的Mesh功能進行。數(shù)值計算結(jié)果的精確程度和計算殘差的收斂性在一定程度上容易受到模型網(wǎng)格數(shù)量的影響，因此要對其進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證。

新風(fēng)溫度交換效率是一個很重要的參數(shù)，其表征了換熱效果的好壞。故在進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證時，以能量回收器的溫度交換效率為研究對象，研究網(wǎng)格數(shù)量變化對能量回收器溫度交換效率的影響，力求達到條件允許范圍內(nèi)的最佳網(wǎng)格數(shù)量，即網(wǎng)格數(shù)量的增加不再引起換熱器溫度交換效率的大幅變化。

溫度交換效率計算公式為：

對三維變形管能量回收器在30 m3/h體積流量下的溫度交換效率分別進行了網(wǎng)格數(shù)量為4.96 × 106、5.29 × 106、6.50 × 106、7.05 × 106、7.73 × 106的模擬，網(wǎng)格數(shù)量對換熱器溫度交換效率的影響見圖6。隨著網(wǎng)格數(shù)量的增多，三維變形管能量回收器溫度交換效率降低，但其降低趨勢逐漸變緩，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量超過6.50 × 106時，溫度交換效率變化較小，為了在滿足精度的條件下提高效率，將該模型的網(wǎng)格數(shù)量確定為6.50 × 106。

圖6 溫度交換效率隨網(wǎng)格數(shù)量的變化

3.4 實驗驗證

為了驗證計算模型的準(zhǔn)確性，搭建了新風(fēng)系統(tǒng)測試平臺，實驗設(shè)備由風(fēng)量測量儀表、溫度測量儀表、壓力測量儀表和連接管等組成，選取兩室法來進行測試，實驗系統(tǒng)示意圖如圖7所示。

圖7 實驗系統(tǒng)示意圖

在新風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行30 min后，采用熱電阻溫度采集模塊連續(xù)測試30 min，分別測試新風(fēng)出口溫度xc、回風(fēng)入口溫度pj、新風(fēng)進口溫度xj，每隔1 min采集1組數(shù)據(jù)，取平均值進行計算。在夏季標(biāo)準(zhǔn)工況下測量新風(fēng)系統(tǒng)溫度交換效率，排風(fēng)進口狀態(tài)點為：濕球溫度為19.5 ℃，干球溫度為27 ℃；新風(fēng)進風(fēng)狀態(tài)點為：濕球溫度為28 ℃，干球溫度35 ℃。通過改變回風(fēng)和新風(fēng)的體積流量，進而得出其對能量回收器溫度交換效率的影響。

4 數(shù)據(jù)分析

三維變形管能量回收器截面上的速度分布從圖8可以看出，軸從 ?0.36 m到 ?0.33 m三維變形管長軸圍繞橢圓圓心旋轉(zhuǎn)了90°。三維變形管能量回收器的橫截面以橢圓凸點的位置呈現(xiàn)迎風(fēng)面和背風(fēng)面兩種特點，在迎風(fēng)面的位置，速度相對較高，出現(xiàn)了一定的高速流體分布區(qū)，而背風(fēng)面則是呈現(xiàn)出了明顯的流體速度邊界層。三維變形管能量回收器的截面內(nèi)，除了速度邊界層內(nèi)空氣速度非常低之外，在其他區(qū)域都呈現(xiàn)出了漸變的過程，即速度變化相對緩和。在整個管程橫截面范圍內(nèi)三維變形管能量回收器的截面內(nèi)，速度邊界分層較為明顯。由此可推斷在三維變形管中的空氣形成了螺旋流，擾動更加劇烈，因此可以達到較好的能量回收效果。

圖8 三維變形管能量回收器速度分布特點

溫度模擬結(jié)果（圖9）顯示，三維變形管能量回收器的邊界層在每一根管子周圍的分布都呈現(xiàn)出了一種旋渦狀。在殼程內(nèi)，沿著殼程空氣流動方向（軸從 ?0.36 m到 ?0.24 m），三維變形管能量回收器的溫度從306.84 K降低到302.92 K。在管程內(nèi)，沿著管程空氣流動方向（軸從 ?0.24 m到 ?0.36 m），三維變形管能量回收器的溫度從300.98 K升高到303.97 K，空氣在三維變形管中呈螺旋流使得溫度發(fā)布更加均勻。

圖9 三維變形管能量回收器溫度分布特點

采用不同模型對能量回收器的溫度交換效率結(jié)果進行模擬，并與實驗結(jié)果進行對比，如圖10所示。從圖中可以明顯看到溫度交換效率隨著風(fēng)量的升高而降低，這種現(xiàn)象符合傳熱規(guī)律。此外，模擬結(jié)果普遍小于實驗值，主要原因有以下兩點：一是相比模擬值，實驗中新風(fēng)與回風(fēng)兩股氣流在新風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部經(jīng)歷了更長的流道，因此模擬溫度交換效率低于實驗溫度交換效率；二是實驗中的能量回收器為120只管，而模擬的能量回收器為9只管，在整個制造組裝過程中，三維變形管的長軸凸點互相緊挨，而模擬過程中長軸凸點緊挨會導(dǎo)致緊挨處網(wǎng)格過小，對計算機性能要求較高，為了避免這種情況，模擬模型三維變形管的長軸凸點有0.6 mm的間距，因此實驗值與模擬值有一定差異。

圖10 標(biāo)準(zhǔn)工況下能量回收器溫度交換效率隨風(fēng)量的變化

從圖中可以看出，在30 m3/h的風(fēng)量下實驗的溫度交換效率達到0.7，可以有效防止車廂內(nèi)提供新風(fēng)的同時增加空調(diào)負荷。對比分析采用開窗外循環(huán)方式進行通風(fēng)與密閉雙向防疫殺菌消毒帶高效能量回收器通風(fēng)時空調(diào)冷暖系統(tǒng)的能耗，外循環(huán)方式通風(fēng)量為400 m3/h時，即每小時換氣約1.5 ～ 2次的情況下，新風(fēng)負荷約占空調(diào)負荷的40%[17]，密閉雙向防疫殺菌消毒帶高效能量回收器通風(fēng)可回收新風(fēng)負荷的60% ～ 70%，考慮到實際情況下外部環(huán)境波動，預(yù)計降低新能源公交車夏季空調(diào)制冷期間能耗的20% ～ 30%。

5 結(jié) 論

采用三維變形管結(jié)構(gòu)的能量回收器應(yīng)用于新能源公交車新風(fēng)系統(tǒng)低碳節(jié)能技術(shù)研究，并對其進行數(shù)值模擬分析，得出以下結(jié)論：

（1）三維變形管結(jié)構(gòu)作為能量回收器的換熱元件，由于管束之間可形成自支撐結(jié)構(gòu)，提升了整體的抗振動性能，應(yīng)用于新能源公交運行環(huán)境，具有較大的優(yōu)勢和應(yīng)用前景。

（2）模擬分析了三維變形管能量回收器在熱交換過程中的速度場和溫度場分布，發(fā)現(xiàn)三維變形管能量回收器殼程內(nèi)空氣為螺旋流動，螺旋流動產(chǎn)生的二次流有利于增加流體的徑向混合，同時減薄邊界層，從而加強流體與管壁之間的熱量傳遞，因此可以顯著提高溫度交換效率。

（3）以設(shè)計的新能源公交車新風(fēng)系統(tǒng)為例，對其進行數(shù)值模擬研究，在標(biāo)準(zhǔn)工況下，溫度交換效率可以達到0.6 ～ 0.7，對比目前新能源公交車采用開窗外循環(huán)方式進行通風(fēng)，可降低新能源公交車夏季空調(diào)制冷期間能耗的20% ～ 30%。

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[17] 王智超, 楊英霞. 通風(fēng)對住宅夏季空調(diào)能耗的影響[J]. 暖通空調(diào), 2012, 42(4): 79-81, 75. DOI: 10.3969/j.issn. 1002-8501.2012.04.015.

Energy-Saving Technology of Fresh Air System for New Energy Buses

YE Zhou1,2,3,?, ZHU Dongsheng1,2,3, WANG Yuting1,2,3, CHEN Hangsheng1,2,3, LI Lulu1,2,3

(1. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China;2. CAS Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou 510640, China;3. Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development, Guangzhou 510640, China)

During the season of high incidence of respiratory diseases, new energy buses used window opening to ensure the ventilation and environmental health safety in the compartment, resulting in an increase in fresh air load, which significantly increased the operating power consumption of air conditioning systems. The use of fresh air to recover exhaust heat to meet the fresh air load is an effective energy-saving measure for air conditioning systems. Firstly, this study analyzed the current fresh air supply mode of new energy buses, and summarized the shortcomings of the current fresh air supply mode of new energy buses. Secondly, the two-way fresh air supply mode with heat recovery device was optimized, and the fresh air system of new energy buses was designed based on the three-dimensional deformed tube heat recovery device. Finally, the system was simulated and analyzed, and the temperature efficiency of the system could reach 0.6-0.7 under operating conditions. Compared with the ventilation mode of window opening, this system was expected to reduce the energy consumption of new energy buses during the summer air conditioning cooling period by 20% to 30%.

new energy buses; fresh air system; energy saving and consumption reduction; temperature exchange efficiency

2095-560X（2023）05-0437-07

TK11

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2023.05.007

2023-01-18

2023-04-12

廣州市重點研發(fā)計劃農(nóng)業(yè)和社會發(fā)展科技專題項目（202206010124）；吉林省與中國科學(xué)院科技合作高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化專項資金項目（2022SYHZ0027）

葉 周，E-mail：yezhou@ms.giec.ac.cn

葉周, 朱冬生, 王雨婷, 等. 新能源公交車新風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)[J]. 新能源進展, 2023, 11(5): 437-443.

： YE Zhou, ZHU Dongsheng, WANG Yuting, et al. Energy-saving technology of fresh air system for new energy buses[J]. Advances in new and renewable energy, 2023, 11(5): 437-443.

葉 周（1992-），男，碩士，助理研究員，主要從事節(jié)能減排和高效換熱設(shè)備研究。