李 全, 詹 静, 赵湘衡, 康 满, 王 唐

(1.长沙中车智驭新能源科技有限公司，长沙 410000； 2.湖南展通安全科技有限公司，长沙 410000；3.中车时代电动汽车股份有限公司，湖南 株洲 412000)

理论和实验研究表明，空调系统是纯电动客车功耗最大的辅助子系统，它的功耗约为所有辅助子系统功耗的60%～75%[1-2]。空调系统的使用会直接影响纯电动客车的经济性和续驶里程，减小空调系统的能耗是提高纯电动客车续驶里程的重要途径之一，合理匹配空调系统对纯电动客车的推广应用具有非常重要的意义[3]。

1 整车热负荷计算模型

为合理匹配空调系统,需要先计算夏季车内热负荷，再将其转化为空调的冷负荷。

夏季车内热负荷主要有：车体侧壁等结构传入到车内的热负荷QB；由门窗玻璃传入的热负荷QG；为保证车内空气质量引入的新风带来的热负荷QV；车内乘员散发的热负荷QP。因此，车内热负荷平衡方程可表示为[4-5]

Q=K×QT=K×(QB+QG+QV+QP)

(1)

式中：Q为设计制冷量；QT为整车热负荷；K为热负荷储备系数。

1.1 车体侧壁传入热负荷QB

计算公式为

QB=KC×S×Δt

(2)

式中：KC为传热系数，W/(m2·K)；S为传热面积，m2；Δt为传热温差，K。

车体侧壁多为多种材料层叠，采用多层均匀平壁传热方式简化计算，其传热系数KC为

KC=1/(1/∂o+∑δj/βj+1/∂i)

(3)

1) 侧围及顶盖。一般外表面覆盖1 mm厚的镀锌钢板，中间是30 mm厚的聚氨酯发泡，车内覆盖4 mm硅酸防火板，3种材料的导热系数分别为51.63 W/(m·K)、0.04 W/(m·K)和0.03 W/(m·K)。

2) 地板下表面。一般最下层喷涂4 mm阻尼胶，中间为18 mm PVC地板，车内覆盖2 mm地板革，3种材料的导热系数分别为0.04 W/(m·K)、0.17 W/(m·K)和0.18 W/(m·K)。

1.2 车窗玻璃传入热负荷QG

计算公式：

QG=QG1+QG2

(4)

式中：QG1为玻璃传递热量，可根据式(2)进行计算，其中传热系数KC按式(3)进行计算。式(3)中侧窗等钢化玻璃的导热系数一般取值1.1 W/(m·K)；前风挡为夹层玻璃(4 mm钢化玻璃+0.76 mm夹层+3 mm钢化玻璃结构)，其夹层材料的导热系数取2.1 W/(m·K)。QG2为太阳辐射热进入车内的热负荷，可按式(5)计算：

QG2=(η+p×∂i/∂o)×I×SG×g

(5)

式中：η为太阳辐射通过玻璃的透入系数，一般取 0.85；p为玻璃对太阳辐射的吸收系数，取 0.08；I为车窗外太阳辐射强度，一般取值1 000 W/m2；g为遮阳修正系数，取值0.97；SG为车窗面积，m2。

1.3 新风热负荷QV

新风热负荷主要有车内强制通风的热负荷和门窗缝隙泄漏的热负荷。由于门窗缝隙泄漏所带入的热负荷较少，在计算时，将其看成是空气外循环所带入热负荷的补充，两者合并计算：

QV=γ×n×VH×(ho-hi)

(6)

式中：γ为空气密度，取1.14 kg/m3；n为驾乘人员数；VH为人均所需换气量，根据JT/T 888—2014《公共汽车类型划分及等级评定》[7]要求VH≥20 m3/h；ho为室外空气的焓值；hi为车室内空气的焓值；焓值根据温度及相对湿度查询焓湿图[7-10]。

1.4 乘员散发热负荷QP

驾乘人员散发的热负荷与乘员劳动强度、周围空气温度、性别等因素相关。一般按式(7)计算：

QP=QD+n×ρ×q

(7)

式中：QD为驾驶员热负荷，取值170 W；ρ为群集系数，一般取值0.89；q为单人热负荷，一般取值120 W。

2 客车制冷系统匹配软件开发及应用

该软件的主要功能是：根据不同地区运营环境，快速计算出所需车型的空调最大负荷，对整车热负荷来源进行分析，评估不同变量对整车热负荷的影响(即热敏感度分析)，并将计算结果与相关标准进行对比，供设计人员参考。

2.1 软件方案设计

根据以上热负荷计算模型，分别计算各部分热负荷。整车结构分为车顶、地板、隔断(非必须)、前围、侧围、玻璃，共6个模块。每个模块根据自身结构不同，分别由1～3层材料组成，各材料间为间隙或均匀填充状态。根据客车实际工艺情况，该软件在设计材料层数≤3时均可进行计算。

该软件主要基于GUI搭建，允许操作人员手动输入相关数据或直接调入相关参数文件，并导入对应模块中，从而完成对整车热负荷的计算。软件主界面如图1所示。

图1 软件主界面

各模块的主要功能和操作如下：

1) 车型参数模块。车型参数模块主要对车长、车宽、车高、额定载客、车速、温度、辐射、焓值、乘员热量、新风量等参数进行设定。热负荷储备系数K为理论计算后的盈余系数，一般取值1.05～1.15。

2) 结构参数模块。结构参数模块中,由于玻璃热负荷分为传递热和辐射热，而辐射热与玻璃面积和辐射强度相关。同样的环境中，不同侧围玻璃面积受到的辐射不同。因此，在计算辐射热时增加了单独的后台对比分析过程，选取最大玻璃面积对应最大阳光辐射来计算热负荷，以满足最大热负荷需求。

3) 控制及显示模块。软件在提供界面直接输入的同时，也可采用excel编辑数据后进行数据批量导入，如图2所示，便于多变量运行计算，以减少操作复杂度。同时软件根据JT/T 888—2014《公共汽车类型划分及等级评定》[7]计算制冷量供设计参考，计算结果还可以后台输出各部分热负荷所占比值，并在设定变量基础上以设定步长对变量灵敏度进行分析，从而为车辆隔热保温设计提供方向。

客车空调制冷量匹配系统参数厚度/mm导热系数/[W·(m·K)-1]面积/m2车型参数车顶地板隔断前围侧围玻璃材料1材料2材料3材料1材料2材料3材料1材料2材料1材料1材料2材料3前玻璃左玻璃右玻璃后玻璃13004153304113044+0.76+3555510.04410.040.170.180.040.030.4510.040.031.11.11.113.7912.5401.513.52.56.88.61.1车长(内部)6.34车宽(内部)2.16车高(内部)2.08额定载客41车速40车外干球温度38车内干球温度25辐射强度1 000外空气焓值132.45内空气焓值58.03单人热量120新风量20修正系数1.05注意:1.新风量≥20 m3/h;2.修正系数1～1.15。

2.2 应用实例

根据某6 m实际车型结构，计算条件设定如下：环境温度38 ℃，相对湿度85%，辐射强度100 W/m2，以40 km/h 的速度行驶；车内温度设定为25 ℃，相对湿度50%。此工况下，由H-D图可以查得ho=132.45 kJ/kg,hi=58.03 kJ/kg,满载乘员41人，人均通风换气量20 m3/h。该车制冷负荷理论计算结果约为20 kW，此车实际安装空调为14 kW，比理论制冷需求量少约30%。因此，在满载极端环境情况下，车辆可能存在制冷不足情况。为避免后期出现客户投诉问题，在湖南、广东、广西等南方高温、高湿地区需加大空调制冷量。

整车热负荷中，玻璃和新风热负荷约为50%，由于乘员热负荷无法改变，而车辆骨架间已填充隔热材料情况下，进一步降低填充材料导热系数对整体热负荷影响较小，且性价比不高。因此，建议从改善玻璃隔热和改进新风方式等方面考虑，如采用隔热玻璃、改善车身密封。在允许范围内，可适当采取降低车内新风量或玻璃透光率等措施，以减少整车热负荷，从而降低整车空调能耗。

同时，软件对变量根据设定的步长在允许的范围内按递增或递减进行热负荷计算，分析各变量对热负荷的影响率，从而寻找出对热负荷影响最大的变量(即变量灵敏度)，发现辐射强度、新风量、焓值(与相对湿度有关)对整车热负荷的影响相对较大，而人体在相对湿度40%～70%感觉最舒适。因此，在确定车内计算参数时,允许范围内适当提高车内相对湿度，或在空调内增加除湿装置，可以降低整车制冷量需求。

3 结束语

文章对客车热负荷进行分析，建立热平衡数学模型，结合客车具体情况，开发出空调制冷量匹配软件，为降低整车能耗、设计人员进行空调快速选型及整车隔热保温设计提供指导。