汽车空调制冷量计算

汽车空调制冷量计算 摘要:在设计汽车空调系统前我们都会首先计算整车需要的制冷量，并以此作为汽车空调系统的设计依据。由于微型车的特点，在空调系统的计算参数选择上与轿车等车型不一样，按常规计算过程通常比较繁琐，计算工作量大，下面介绍一种按照经验公式进行计算的方法，它能够大大简化计算过程，节省计算时间，实践证明按此方法计算出的制冷量和整车实际需要的制冷量差别并不大，有一定的实用价值。 主题词:微型汽车 空调系统 制冷量简化计算 引言 随着我国汽车工业的快速发展以及人民生活水平的不断提高，汽车空调已经越来越普及，在欧美普及率甚至达到90%以上，近年来我国的汽车空调配装率也在不断稳步提高。 现代汽车设计由于采用了先进的设计手段，开发周期越来越短，汽车空调系统作为汽车一个比较大而复杂的部件，与汽车的动力、底盘、车身结构、内饰、电控等都有关系，一般在基本确定汽车外形尺寸时就可以开始进行设计，这时就需要先计算其制冷量，因为制冷量的大小直接与空调系统的结构布置方式、空调两器总成的体积等有关，如果计算偏差过大，会造成空调系统与整车不匹配，需要进行多次试验改进，从而可能会影响到整车的开发进度，并增加开发成本。 微型汽车由于与其它车型相比一般动力富余功率都较少，而乘员空间又相对较大，车厢的隔热保温性能也相对差一些，整车价格也比较低廉，故从经济性、客户群等各方面考虑在空调系统计算参数的选择上与其它车型不一样。我们一般常用的制冷量计算方法是通过分别计算影响整车的各热负荷之和，即整车的得热量，来求得整车所需要的制冷量，这个计算过程比较繁琐和复杂，也容易出错，而采用经验公式进行简化计算，就使得整个计算过程变得非常的简单了，计算结果与常规方法也差不多，它是结合我们的实际经验，通过分析计算和试验对乘员数、车内空间、车窗玻璃面积等之间的关系及主要所需(所得)制冷量(热负荷)应占整车制冷量的百分比，通过经验公式来求得整车制冷量，用此方法得出的制冷量与实际需求制冷量差别并不大。 下面分别用两种方法计算一下五菱之光的空调制冷量并作一下对比。 1. 汽车空调的计算温度选择: 我们按表1数值作为微型汽车空调系统的计算温度。 表1 微车空调计算温度 温度 车型 干球温度? 太阳辐射强度(W/m2 ) 车内设计温度? (空调压缩机1800r/min,车速约40Km/h) 相对湿度(%) 新风量 微型车 35 843 29 50,60 10,20或无 轿车 38 1000 24,27 60 20,30 从上表我们可以看到，微型车的计算温度(车内平均温度)定为29?，而轿车一般定为24,27，一般大型客车定为27,28，微型车都比它们要高一些，这其实是综合了多种因素并经过很多次试验得出的较经济合理的车内平均温度，因为对微型车来说，如果计算温度定得过高了，乘员就会明显感觉制冷不足;而如果定得过低，势必需要加大压缩机排量才能满足，这样功耗必然增加，并影响到整车的动力性，否则又可能无法实现。 2 计算方法: 2.1 微型车车内与外界热交换示意图: 为便于分析，绘制图1的微型车热交换示意图。 2.2 计算公式: 2.2.1 常规的计算方法: 考虑到汽车空调工作条件都很恶劣，其热负荷与行车时间、地点、速度、行使方向、环境状况以及乘员的数量随时发生变化，以及要求在短时间内降温等特殊性，按照常规方法来计算制冷量的计算公式为: Q0 = kQT =k(QB + QG + QF +QP + QA +QE + QS) ? 式中:Q0-------汽车空调设计制冷量，单位为W; k-------修正系数，可取k=1.05~1.15，这里取k=1.15; QT -----总得热量, 单位为W; QB -----通过车体围护结构传入的热量, 单位为W; QG -----通过各玻璃表面以对流方式传入的热量, 单位为W; QF -----通过各玻璃表面以辐射方式直接传入的热量, 单位为W; QP -----乘员散发的热量, 单位为W; QA -----由通风和密封性泄露进入车内的热量, 单位为W; QE -----发动机室传入的热量, 单位为W; QS-----车内电器散发的热量, 单位为W; 从公式中我们也可以看出它是通过分别计算各部分得热量求得总需求制冷量的。 2.2.2 简化的计算方法: 简化计算公式?是根据经验得出的，它是在实践工作中总结出来的，是一种较简单实用的汽车空调制冷量计算方法。 Q0=(A1•N•K1 + A2•V1•K2 + A3•S•K3 )•A4•A5 ? 式中:Q0-------微型车空调计算制冷量，单位为W; N--------额定乘员数; A1-------乘员制冷因素值，按额定乘员数N乘以580~610 W/人，按车辆的豪华程度取上限或下限值; A2-------车内空间制冷因素值, 取450W/ m3; V1--------车内空间体积(内容积),单位m3 ; A3------太阳热辐射制冷因素值, 对4米以下车型?900W/ m2，这里取900 W/ m2; S--------所有窗、门玻璃面积总和，单位为m2 ; A4------车型密封保温效果因素值，数值见表2，比照整车预计能够达到的保温效果取值; A5------气候条件因素值，对湿热区、极热区、常热区取1.04; K1 、K2 、 K3 -------车内热负荷配比，经验得出的重要系数，分别取0.82、0.1、0.08; 表2 车型密封保温效果因素值A4 车型密封情况 保温效果因数值 玻璃钢车顶，填充厚度大于20的隔热材料，地板及侧围保温良好，玻璃、车门密封良好 1 薄钢板外蒙皮，但车顶与侧围隔热采用整车发泡，厚度大于20，地板隔热良好，玻璃、车门密封好 1 薄钢板外蒙皮，填充厚度大于20的隔热材料，地板隔热一般，活动窗玻璃，车门密封一般 1.03 内外蒙皮隔热层小于20，地板隔热差，活动窗玻璃，车门密封一般 1.08 内外蒙皮无隔热层，密封情况差 1.20 3(计算示例: 我们以五菱之光微型客车空调系统的制冷量计算为例来看看两种方法的计算结果是否一致，设计条件和工况见表3: ?.整车乘员7人，各部分参数见下表: 表3 位置 面积(m2) 材料 与水平面夹角 前窗Sg,q 0.78 夹层玻璃 ,45? 后窗Sg,h 0.56 钢化玻璃 ,90? 侧窗Sg,c 0.95 钢化玻璃 ,90? 车顶S顶 3.9 钢板+内饰 0? 左(右)侧S侧 3.21 钢板+内饰 ,90? 前(后)侧Sq 1.22 钢板+内饰 ,90? 地板S底 3.84 钢板+内饰 0? 发动机罩盖Sf 1.3 隔热垫+钢板+内饰 ?.查文献【2】，取水平面和垂直面的太阳直射辐射强度分别为Js,z=843W/ m2和Jc,z=138 W/ m2;水平面和垂直面的天空散射辐射强度分别为Jp,s=46W/ m2和Jc,s=23 W/ m2; ?.环境温度tw =35?，相对湿度75%;车内设计温度tn =29?，相对湿度50%; ?.假设汽车向正南方以V=40km/h的速度行驶; ?.车内空气平均流速?3m/s; ?.车内容积V1?2.9x1.2x1.3=4.2 m3，玻璃窗总面积S=3.24 m2。 3.1 按公式?的常规计算: 3.1.1计算通过车体围护结构传入的热量QB: QB=Q顶 + Q侧 + Q地 Q顶=K顶•S顶•(tZ顶-tn) Q侧=K侧•S侧•(tZ侧-tn) Q地=K地•S地•(tZ地-tn) 式中:K顶、K侧、K地----分别为车顶、车身侧面、车地板的传热系数，单位为W/(?•K); S顶、S侧、S地----分别为车顶、车身侧面、车地板的传热面积，单位为?; tZ顶、tZ侧、tZ地---分别为车顶、车身侧面、车地板的室外综合空气温度，单位为?; tn----车内空气温度，单位为?; 3.1.1.1 求车体各部分的传热系数: 式中: aw -------车身外表面与车外空气的对流换热系数，W/(?•K); an -------车内表面与车内空气的对流换热系数，一般车内的对流换热系数都比较小,在车内空气流速低于3m/s时, an=29 W/(?•K); ?δi/λi----- 构成车身壁厚各层的导热热阻之和(δi为车体隔热层的厚度，λi 为车体隔热层的导热系数) 其中:aw=1.163(4+12 ) V为汽车行使速度,单位为m/s,这里V=40Km/h=11.1m/s,故 aw=1.163(4+12 )=51.2 W/(?•K) 设车顶、车底和侧围分别由1mm的钢板和8、3、6mm的内装饰板构成,钢板和内装饰板的传热系数分别为48.15 W/(?•K)和0.04 W/(?•K) 故 车顶的?δi/λi=0.001/51.2+0.008/0.04=0.2 车底的?δi/λi=0.001/51.2+0.003/0.04=0.075 侧面的?δi/λi=0.001/51.2+0.006/0.04=0.15 故 W/(?•K) W/(?•K) W/(?•K) 3.1.1.2 求车外综合空气温度tZ: 式中:tw ----车外环境温度，取35?; ρ----车体外表面吸收系数，与箱体颜色及新旧程度有关，这里取0.92; I-----太阳辐射强度,为太阳直射辐射和天空散射辐射之和; aw ----车身外表面与车外空气的对流换热系数，W/(?•K); ε-----车身外表面的长波辐射系数;……ΔR----车身外表面向外界发射的长波辐射和由天空及周围物体向车身表面的长波辐射之差; 夏季时,水平面ε•ΔR/αw=3.5,4?,这里取3.8?.垂直面ΔR=0; 水平面上，IS= Js,z+ Jp,s=843+46=889W/ m2; 垂直面上，IC= Jc,z+ Jc,s=138+23=161 W/ m2; 故 ? ? ? 3.1.1.3 结果 Q顶=K顶•S顶•(tZ顶-tn)=3.9•3.9•(47-29)=274W Q侧=K侧•S侧•(tZ侧-tn)=4.89•3.21•2(38-29)=282.5W Q地=K地•S地•(tZ地-tn)=7.7•3.84•(37-29)=236.5W QB=Q顶 + Q侧 + Q地=274+282.5+236.5=793W 3.1.2 计算通过各玻璃表面以对流方式传入的热量QG; QG= QG前+ QG侧+ QG后 已知玻璃的传热系数λG=0.754 W/(?•K),厚度δ=5mm,玻璃对太阳辐射的吸收系数ρG=0.08，车内空 气平均流速Va =2.5m/s; 玻璃内表面换热系数为: 前窗:an =5.6782(0.9+1.03Va )=19.7 W/(?•K) 侧窗:an =5.6782(1.1+1.03Va )=20.9 W/(?•K) 后窗: an =5.6782(0.9+1.03Va )= 19.7 W/(?•K) V=40km/h=11.1m/s运行时, 玻璃外表面换热系数为: 前窗:aw =3.79V0.8 =3.79X11.10.8 =26 W/(?•K) 侧窗:aw =7.21V0.8 =7.21X11.10.8 =49 W/(?•K) 后窗:aw =4.65V0.8 =4.65X11.10.8 =32 W/(?•K) 故各处玻璃的K值分别为: 前窗: W/(?•K) 侧窗: W/(?•K) 后窗: W/(?•K) 各处玻璃表面的综合温度分别为: 前窗: ? 侧窗: ? 后窗: ? 从计算结果可以看出，由于玻璃对太阳辐射的吸收率很小,故太阳辐射对玻璃的温升影响较小，其表面温升 温度与环境温度相差不多。 最后得到: 7QG前=KG前•Sg,q•(tGZ-tn)=10x0.78x(35.5-29)=50.7W QG侧=KG侧•2Sg,c•(tGZ-tn)=13.4x2x0.95x(35.3-29)=160.4W QG后=KG后•Sg,h•(tGZ-tn)=11.3x0.56x(35.4-29)=40.5W QG= QG前+ QG侧+ QG后=50.7+160.4+40.5?252W 3.1.3 通过各玻璃表面以辐射方式直接传入的热量QF; 设汽车向正南方向行使时前窗和右侧窗为朝阳面，查文献【1】，右侧窗按可能的最大值I=688W/m2 计算， 前窗I=550W/m2，左侧窗和后窗按I=182W/m2计算。 QF= QF前+ QF右+ QF左+ QF后=(η+ρG •an / aw )J•C 式中:η-----太阳辐射通过玻璃的透入系数，一般取η=0.85; C------遮阳修正系数，取C=0.93; J------车窗的太阳辐射量，单位为W; 对 右侧窗，J=I•Sg,c=688x0.95=653.4W 前风窗，J=I•Sg,q=550x0.78=429W 左侧窗，J=I•Sg,c=182x0.95=173W 后窗，J=I•Sg,h=182x0.56=102W 故 QF右=(0.85+0.08x20.9/49)x653.4x0.93=537W QF前=(0.85+0.08x19.7/26)x429x0.93=363W QF左=(0.85+0.08x20.9/49)x173x0.93=142W QF后=(0.85+0.08x19.7/32)x102x0.93=85W 最后，QF=537+363+142+85=1127W 3.1.4 乘员散发的热量QP; QP=116•N•n 式中:QP-------车内人体散热量，单位为W; N-------车内乘员数，这里按7人; n-------群集系数，取0.89; 116为成年男子散热量，单位为W; 则 QP=116x7x0.89=723W 3.1.5 密封性泄露进入车内的热量QA; 由于五菱之光开空调时都处于内循环位置，无新风导入，但微型车的密封性一般都不是太好，取QA=300W。 3.1.6 发动机室传入的热量QE ; QE =Ke•Sf•(te –tn ) 由于汽车行驶时发动机罩盖发动机侧表面的风速一般仅有外面的2/3左右，故ae=1.163(4+12 )=42.7 W/ (?•K) 另外，整个发动机的隔热除了有与地板同样的内装饰外还有一层5mm厚的隔热垫，其传热系数为0.116 W/(?•K)，故 ?δi/λi=0.001/42.7+0.005/0.116+0.003/0.04=0.118 可得到 W/(?•K) 夏季时一般发动机仓温度要达到70?,故取te =70? 最后QE =5.71x1.3x(70-29)=304W 3.1.7 车内电器散发的热量QS; 车内电器散发的热量QS?100W 由以上计算可得整车制冷量 Q0 = kQT =k(QB + QG + QF +QP + QA +QE + QS) =1.1x(793+252+1127+723+300+304+100)=1.15x3599?4140W 从上面的计算我们可以看到计算过程的确十分的繁琐。 3.2按公式?的简化计算方法: Q0=(A1•N•K1 + A2•V1•K2 + A3•S•K3 )•A4•A5 =(590x7x0.82+450x4.2x0.1+900x3.24x0.08)x1.08x1.04 =4278W 从计算结果可看出它们差别不大，并不会影响到空调的设计，但计算过程却大大简化了。 4 结束语 汽车空调制冷量的计算值无论是常规计算还是简化计算都仅是从理论上得出的，理论计算只是设计空调系统前所必需进行的一项工作，实际上由于汽车的复杂性，以及制造工艺水平等的影响，实际制冷量往往与理论值有一定差距，一般在整车空调系统制冷性能试验后还需要作必要的修正，最终的汽车空调制冷量其实是以已经满足整车制冷要求的空调系统按照行业标准(QC/T 657-2000《汽车空调制冷装置试验方法》) 经系统台架试验后得到，所以理论计算误差对汽车空调制冷性能的影响并不起决定性作用，但如果理论计算与实际值相差不多的话，却往往可以节约不少开发时间和成本。 用简化计算方法来计算微型汽车空调制冷量，使我们节省了不少计算时间，提高了我们的工作效率，现已被运用于我们的实际工作中。