基于一维流体软件的空调性能研究

陈 皓，刘双喜

（中国汽车技术研究中心，天津300300）

随着科技的进步和人们生活水平的日益提高，对汽车舒适性提出了更高的要求，对空调系统的研究也更加深入。如何更大程度的发挥空调系统的功效，减少资源浪费，优化系统结构，是汽车工业重要的课题之一。传统的汽车空调设计方法已落后于现代社会高效率的设计理念，在此背景之下计算机仿真方法应运而生[1]。

本文以某乘用车为研究对象，针对空调制冷性能，计算空调系统制冷需求，并以此为输入，利用一维流体分析软件kuli搭建空调系统一维模型，计算空调系统在指定工况下的性能。

1 空调热负荷计算[2]

夏季车辆行驶时，由于太阳光照等影响，车辆会受到一定的热负荷，计算车辆热负荷有以下几个方面：通过车架壁面的对流换热Qb，通过玻璃的对流换热Qg，玻璃的辐射换热Qf，由于发动机热传入车厢内部的热量Qe，乘员身体散出的热量Qp，由于车厢内部密封不严造成的泄漏热量Ql，车厢内电器的散热量Qs.

热负荷Q＝Qb+Qg+Qf+Qe+Qp+Ql+Qs

车外环境：38℃，相对湿度50%

日照强度：水平面上辐射强度1 000W/m2

车辆行驶速度v：40 km/h

车内空气流速va：0.3m/s，新风量：11 m3/h·人，乘员数：5人

车架面积：顶棚面积S顶 ＝1.8 m2，地板面积S底＝3 m2，侧围面积S侧 ＝2.574 m2.

玻璃面积：前窗面积S前 ＝0.819 m2，后窗面积S后 ＝0.281 m2，左侧窗面积S左＝右侧窗面积S右＝0.584 m2.

热负荷Q＝Qb+Qg+Qf+Qe+Qp+Ql+Qs＝5.02 kW.

2 空调制冷量计算

考虑到空调热负荷和空调所需制冷量之间会有些误差，这里加上一个系数[3]，一般取1.1～1.3，本文取1.2，因此，空调制冷量为：

P＝1.2×5.02＝6.02 kW

3 空调性能计算优化

3.1 空调模型建立

根据空调系统的特点和布置方式，建立空调系统一维模型。模型中内侧（制冷剂侧）流动元件包括压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器、储液罐，见图1.外侧（空气侧）流动元件包括冷凝器和蒸发器，以及各自的温度源、湿度源、流量源，还有能量原件和车厢原件，见图2.

图1 空调系统制冷剂侧计算模型

图2 空调系统空气侧计算模型

在稳态计算中，空气侧设置两条回路，第一条回路为冷凝器空气回路，第二条为蒸发器空气回路，分别设置空气通过冷凝器和蒸发器的入口温度和湿度，见图2.

在瞬态计算中，空气测设置三条回路，见图3.第一条回路为冷凝器空气测回路；第二条回路为车厢内部空气循环回路；第三条为车厢泄露空气回路。每条回路分别设置流量、温度和湿度。其中回路二蒸发器入口温度和湿度分别由车厢原件出口温度和出口湿度决定。

图3 空调瞬态计算模型

在瞬态计算中，加入车厢元件来模拟现实情况下空气经过蒸发器之后与车厢内空气的混合后的情况，另一方面，由于车厢内空气循环经过蒸发器，加入车厢元件之后，将车厢出口空气温度和湿度分别赋给蒸发器空气侧的温度元件和湿度元件，即蒸发器空气入口状态等于车厢内空气混合后状态，实现了车厢内空气循环通过蒸发器的要求。

能量元件用于瞬态计算，用来修正软件对车体与环境的对流换热以及发动机传入车厢的热量和电器的热量。通过计算元件（Calculation controller）运行这一修正量，并将多出的能量传输给能量元件，再通过能量元件将其传输至车厢元件。

3.2 计算结果分析

根据空调系统实验进行稳态模拟计算。计算结果p-h图，如图4所示。在p-h图中，横坐标代表制冷剂的焓值，纵坐标代表制冷剂的压力。图中曲线代表制冷剂的饱和态，在曲线以左制冷剂呈液态，曲线以右制冷剂呈气态，在曲线中间制冷剂为气液共存状态。

图4 计算结果p-h图

将一维仿真计算的蒸发器空气侧出口温度与空调降温试验的吹面出风口温度值进行对比，如表1，可以看出空调一维分析的结果精度还是比较高的，可以满足在正向开发中空调匹配的设计要求，同时也能看出这款车的空调系统性能一般，出风口的温度达到了7℃左右，相对于空调制冷的性能指标偏高，需要对空调系统的零部件参数进行优化。

表1 空调出风口温度试验对比

3.3 空调性能优化

为了满足空调系统制冷的性能指标，对空调系统的蒸发器和冷凝器参数进行了局部优化，在不改变蒸发器和冷凝器大小的前提下，改变翅片的波距，提升了蒸发器和冷凝器的换热性能，计算出优化后的蒸发器出口温度，如表2，可以看出优化后的空调性能比原始状态下有了明显的提升，达到了空调制冷性能指标要求。

表2 空调出风口温度优化对比

4 结束语

汽车空调系统是车辆重要的系统之一，也是乘坐舒适性不可缺少的系统。仿真计算具有周期短，成本低，优化灵活等优势，是空调系统正向开发的有力工具。本文针对某汽车空调系统计算分析了初始状态，并与试验结果作了对比，验证了计算仿真的精度，而后在此基础上，对空调系统零部件参数进行了优化，从而提升了空调性能，满足空调性能指标要求。