太阳辐射对安装驻车空调车舱内降温情况的影响及分析

温晓杰 白泽远 翁俊杰

（1.青岛海尔空调器有限总公司 青岛 266000； 2.威凯检测技术有限公司 广州 510663）

引言

驻车空调器是一种后装在不同类型乘用车上的空调器，是车辆在停驻期间使用的空调器。因其特有的车载使用特点，导致工作环境、工作时间、地理位置都在不断的变化，由此带来的空气温度、湿度、太阳辐射等环境条件的变化将对驻车空调的各项运行指标产生较大的影响。其中驻车空调运行时的太阳辐射环境包括直接太阳辐射和到达地面的散射太阳辐射。太阳辐射是太阳以电磁波形式向外传递的能量，太阳辐射穿过大气直接到达地面的为直接太阳辐射，通过大气的分子、微尘、水汽等吸收、散射和反射到达地面的为散射。太阳辐射对于车辆而言，太阳辐射能够使车身表面的温度升高，既高于车内的温度，也高于周围大气的温度。太阳辐射对安装有驻车空调的车舱也同样存在影响降温速度的问题，但是一直以来关于评价这方面影响的测试，国内外并无统一的标准，只能通过统计、试验等手段进行不断进行经验总结。

1 车舱内各热负荷理论存在情况

对于安装有空调器的汽车驾驶舱内热量等式可以表达为式（1）[1]

车舱内热量输入记为QH

其中，

QB—通过车顶与车门传入车厢的热负荷，W；

QG—通过各玻璃表面以对流方式进入车厢的热负荷，W；

QBi—通过各玻璃表面以辐射方式直接进入车厢的热负荷，W；

QE—从发动机室一侧传入车厢的热负荷，W；

QC—从行李厢及车厢地板处传入车厢的热负荷，W；

QM—空调风机造成的热负荷，W；

QP—乘员散发的热负荷，W；

QV—由通风和密封性泄漏进入车厢的热负荷，W；

当空调释放的冷量等于车舱内总热量的时候，即时驾驶舱内的空气温度可以达到理论的平衡。

2 试验方案及结果

为了研究太阳辐射对安装驻车空调车舱内降温情况的影响，实验选择在我国太阳辐射量最高的新疆吐鲁番地区展开。新疆吐鲁番属干热盆地气候，四周高山环抱，增热迅速快、散热速度慢，具有较为典型的气候特点，气候特征如表1所示，其日照太阳辐射强烈，对于驻车空调进行实地实验较为有利。

实验选择吐鲁番地区一年中处于最高温度及最强太阳辐射量的时间区间，在国家环境适应性重点实验室吐鲁番试验场进行。试验期间，分别测得实验场空气温度及太阳辐射量如图1、图2所示。

由图2可以看到，2019年7月26日的天气情况较好，试验场没有云朵遮蔽导致太阳辐射量突变，因此选择2019年7月26日测试情况进行说明，当天的空气温度及太阳辐射量情况如图3、图4所示。

由图4可以看到，太阳辐射的峰值和当天空气温度的峰值不并同步，太阳辐射的峰值出现在14点05分，高点出现在888.545 5 W/m2，而当天的气温峰值出现在17点55分，最高温度为39.6 ℃。所以，在对驻车空调按照实际情况进行试验时，不能将太阳辐射和空气温度混为一谈。

表1 吐鲁番气候特征[2]

图1 整个试验期间吐鲁番试验场温度曲线

图2 整个试验期间吐鲁番试验场太阳辐射曲线

图3 2019年7月26日吐鲁番试验场温度曲线

图4 2019年7月26日吐鲁番试验场太阳辐射曲线

2.1 试验样品及试验方案

为了达到排除干扰增加可比性的目的，试验样品及方案要求如下：

1）选择制冷量相同，结构和工艺不同的两套驻车空调，一套为比较组（样品1#），一套为普通组（样品2#），按照实际使用车载环境将样机按照正常要求分别安装在两辆同一型号的卡车上。

2）室内机安装在卡车乘舱内副驾驶侧门上方，室外机安装在卡车乘舱外顶部。

3）将卡车置于空旷场地，四周无其它遮蔽物，保证太阳充分照射。

4）车头正面朝向太阳停放，但应避免太阳直接照射测量设备。

5）打开车门，让舱内空气与外界空气充分换热，

6）然后关闭车门和车窗，

7）同时开启比较组（1#）和普通组（2#）样品。

8）驻车空调设定为制冷模式，16 ℃，固定出风方向使之不能对着测点直吹，室内风扇选择最高风档运行，对驻车空调进行实地制冷降温速度试验。

2.2 试验结果

选择车舱正中温度测点和主驾驶座乘员头部位置测点进行观察，分别测得比较组（样品1#）不同时段、不同太阳辐射量下的制冷下降温度/时间曲线如图5～图8所示。

测试结果表明，普通组样品2#的降温性能优于比较组样品1#，并且两组样品在一天的测试中，夜间无太阳辐射和日间不同太阳辐射下的车舱降温试验结果均不同。

3 测试分析

图5

图6

通过对等式（1）的分析可以知道，由于驻车空调为车辆在停驻时使用的空调，所以发动机热负荷QE为零；卡车底盘较高，离地距离较大，且无行李厢，车厢地板的温度正常等于或低于车内气温，不会对车内温度产生较为明显的影响；空调采用无刷直流塑封电机，产生热负荷QM较小；测试时未有乘员进入舱内，QP为零；并且由于车舱的车门，车窗均密闭，舱内与室外的空气对流被隔绝，温度交换较为缓慢，QG和QV短时间内可以忽略不计。因此，造成车内温度升高的主要原因在于车顶与车门传入车厢的热负荷QB，以及通过各玻璃表面以辐射方式直接进入车厢的热负荷QBi。

图7

图8

3.1 测试结果现象1

在夜间时间00:18开始的测试中，对比查看图4，太阳辐射已降为零。两套样机测试结果如图5所示，此时不存在由于太阳辐射导致的车舱表面热传递，车舱内的测点温度没有出现上升的情况，初始段缓慢下降，至样机开启后12 min后温度开始迅速下降。但是对比图6、图7、图8的测试结果，乘用舱内的测点温度的样机开启的一段时间内均出现了不同程度的上升。主要是由于舱内的温度是一个动态变化的过程，当空调释放的冷量QC等于车舱内总热量QH的时候，即QC=QH时舱内空气可以达到理论的平衡。当在日间时间11:14开始至15:40的3个时间段的测试中，对比查看图4，太阳辐射快速上升，并攀升至峰值。所以，在驻车空调刚开启的一段时间内，由于太阳辐射的作用，车体表面将吸收太阳辐射，并将热量传导致舱内，空调释放的冷量QC小于车舱内总热量QH，即QC＜QH，空调释放的冷量不足以让车舱内的空气温度下降，舱内温度将继续上升。

对比图5和图6、图7、图8的实验结果不难发现，有辐照和没有辐照的情况完全不同。

3.2 测试结果现象2

根据图6、图7、图8的测试结果来看，样机开启的一段时间内，关于车舱内温度上升的速度：图6结果＞图7结果＞图8结果。对比查看图3，车舱内各测点初始温度比相对应的空气温度更高。并且对比查看图4，图6测试的时间段对应太阳辐射上升很快；图7对应的太阳辐射达日内峰值，变化较为缓慢；图8对应的太阳辐射在达到日内峰值后，开始有所下降。

由于太阳辐射使车舱外表面温度升高，车身表面吸收的一部分热量传入车厢内，车身外表面单位面积从太阳辐射中吸收的热量可以表示为

表2 表面吸收系数ε

I为太阳的总辐射。ε为表面的吸收系数，它与车身的颜色和使用状况有关，各类车身表面太阳辐射吸收系数如表2所示[4]。

由外表单位面积进入车仓内的热可以表示为：

式中，tm为综合温度，是室外空气计算温度与太阳辐射的等效温度之和，即由于太阳辐射使车身外表面温度升高，将太阳辐射强度转化成相当的温度形式，与车外温度叠加一起组成太阳照射表面的综合温度

tn为车室内空气温度；K为车身的传热系数，W/(m2·K)

tw是车外空气温度，aw是室外空气和日照表面的对流放热系数，W/(m2·K)。

所以，当测试开始时，车舱内的温度是一个叠加温度，并高于室外温度。并且当单位时间内太阳辐射变化率大的时候，车舱内的温度变化较大；当单位时间内太阳辐射I变化率小的时，车舱内的温度变化也将随之变小。

3.3 测试结果现象3

从图5～8的测试结果可以看到，车舱内的两个测点温度变化有先有后，并不同步。主要是由于车舱内的温度不均匀性造成的。由于在测试的过程中，采用的是定向吹风模式，车舱内的温度主要靠热力传导作用进行热量交换，所以离空调较近的车舱中间位置测点会较先发生降温，离空调较远的主驾驶座位置的温度下降会有迟滞效果。同时，由于主驾驶座位置靠近侧门及侧面玻璃，除了车舱侧表面由于太阳辐射的作用发生的吸热传导之外，太阳辐射到玻璃后还将形成三个效果：一部分被反射，一部分被吸收，还有一部分透过玻璃以短波辐射的形式直接进入车室内，从而导致车舱局部温度不均匀。

4 结论

通过对测试结果的对比分析可以知道，驻车空调在正常使用过程中所经受的太阳辐射量将对车舱内的降温效果将产生较大的影响。在夜间太阳辐射下降至零值附近时，驻车空调进行降温测试过程中车舱内温度变化主要表现为空气逐步扩散的热交换；在日间随着太阳辐射量的逐步升高，降温测试过程中车舱内温度变化还表现为太阳辐射通过车身表面产生的热传导叠加作用和通过车窗玻璃产生的吸收和短波辐射叠加作用。所以，对安装有驻车空调的车舱，不论是在实际使用中，还是在模拟测试验证中，将太阳辐射作为考核驻车空调制冷降温性能的条件是十分必要的。