溫曉杰 白澤遠(yuǎn) 翁俊杰

（1.青島海爾空調(diào)器有限總公司 青島 266000； 2.威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司 廣州 510663）

引言

駐車(chē)空調(diào)器是一種后裝在不同類(lèi)型乘用車(chē)上的空調(diào)器，是車(chē)輛在停駐期間使用的空調(diào)器。因其特有的車(chē)載使用特點(diǎn)，導(dǎo)致工作環(huán)境、工作時(shí)間、地理位置都在不斷的變化，由此帶來(lái)的空氣溫度、濕度、太陽(yáng)輻射等環(huán)境條件的變化將對(duì)駐車(chē)空調(diào)的各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)產(chǎn)生較大的影響。其中駐車(chē)空調(diào)運(yùn)行時(shí)的太陽(yáng)輻射環(huán)境包括直接太陽(yáng)輻射和到達(dá)地面的散射太陽(yáng)輻射。太陽(yáng)輻射是太陽(yáng)以電磁波形式向外傳遞的能量，太陽(yáng)輻射穿過(guò)大氣直接到達(dá)地面的為直接太陽(yáng)輻射，通過(guò)大氣的分子、微塵、水汽等吸收、散射和反射到達(dá)地面的為散射。太陽(yáng)輻射對(duì)于車(chē)輛而言，太陽(yáng)輻射能夠使車(chē)身表面的溫度升高，既高于車(chē)內(nèi)的溫度，也高于周?chē)髿獾臏囟?。太?yáng)輻射對(duì)安裝有駐車(chē)空調(diào)的車(chē)艙也同樣存在影響降溫速度的問(wèn)題，但是一直以來(lái)關(guān)于評(píng)價(jià)這方面影響的測(cè)試，國(guó)內(nèi)外并無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，只能通過(guò)統(tǒng)計(jì)、試驗(yàn)等手段進(jìn)行不斷進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

1 車(chē)艙內(nèi)各熱負(fù)荷理論存在情況

對(duì)于安裝有空調(diào)器的汽車(chē)駕駛艙內(nèi)熱量等式可以表達(dá)為式（1）[1]

車(chē)艙內(nèi)熱量輸入記為QH

其中，

QB—通過(guò)車(chē)頂與車(chē)門(mén)傳入車(chē)廂的熱負(fù)荷，W；

QG—通過(guò)各玻璃表面以對(duì)流方式進(jìn)入車(chē)廂的熱負(fù)荷，W；

QBi—通過(guò)各玻璃表面以輻射方式直接進(jìn)入車(chē)廂的熱負(fù)荷，W；

QE—從發(fā)動(dòng)機(jī)室一側(cè)傳入車(chē)廂的熱負(fù)荷，W；

QC—從行李廂及車(chē)廂地板處傳入車(chē)廂的熱負(fù)荷，W；

QM—空調(diào)風(fēng)機(jī)造成的熱負(fù)荷，W；

QP—乘員散發(fā)的熱負(fù)荷，W；

QV—由通風(fēng)和密封性泄漏進(jìn)入車(chē)廂的熱負(fù)荷，W；

當(dāng)空調(diào)釋放的冷量等于車(chē)艙內(nèi)總熱量的時(shí)候，即時(shí)駕駛艙內(nèi)的空氣溫度可以達(dá)到理論的平衡。

2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

為了研究太陽(yáng)輻射對(duì)安裝駐車(chē)空調(diào)車(chē)艙內(nèi)降溫情況的影響，實(shí)驗(yàn)選擇在我國(guó)太陽(yáng)輻射量最高的新疆吐魯番地區(qū)展開(kāi)。新疆吐魯番屬干熱盆地氣候，四周高山環(huán)抱，增熱迅速快、散熱速度慢，具有較為典型的氣候特點(diǎn)，氣候特征如表1所示，其日照太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，對(duì)于駐車(chē)空調(diào)進(jìn)行實(shí)地實(shí)驗(yàn)較為有利。

實(shí)驗(yàn)選擇吐魯番地區(qū)一年中處于最高溫度及最強(qiáng)太陽(yáng)輻射量的時(shí)間區(qū)間，在國(guó)家環(huán)境適應(yīng)性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室吐魯番試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行。試驗(yàn)期間，分別測(cè)得實(shí)驗(yàn)場(chǎng)空氣溫度及太陽(yáng)輻射量如圖1、圖2所示。

由圖2可以看到，2019年7月26日的天氣情況較好，試驗(yàn)場(chǎng)沒(méi)有云朵遮蔽導(dǎo)致太陽(yáng)輻射量突變，因此選擇2019年7月26日測(cè)試情況進(jìn)行說(shuō)明，當(dāng)天的空氣溫度及太陽(yáng)輻射量情況如圖3、圖4所示。

由圖4可以看到，太陽(yáng)輻射的峰值和當(dāng)天空氣溫度的峰值不并同步，太陽(yáng)輻射的峰值出現(xiàn)在14點(diǎn)05分，高點(diǎn)出現(xiàn)在888.545 5 W/m2，而當(dāng)天的氣溫峰值出現(xiàn)在17點(diǎn)55分，最高溫度為39.6 ℃。所以，在對(duì)駐車(chē)空調(diào)按照實(shí)際情況進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，不能將太陽(yáng)輻射和空氣溫度混為一談。

表1 吐魯番氣候特征[2]

圖1 整個(gè)試驗(yàn)期間吐魯番試驗(yàn)場(chǎng)溫度曲線

圖2 整個(gè)試驗(yàn)期間吐魯番試驗(yàn)場(chǎng)太陽(yáng)輻射曲線

圖3 2019年7月26日吐魯番試驗(yàn)場(chǎng)溫度曲線

圖4 2019年7月26日吐魯番試驗(yàn)場(chǎng)太陽(yáng)輻射曲線

2.1 試驗(yàn)樣品及試驗(yàn)方案

為了達(dá)到排除干擾增加可比性的目的，試驗(yàn)樣品及方案要求如下：

1）選擇制冷量相同，結(jié)構(gòu)和工藝不同的兩套駐車(chē)空調(diào)，一套為比較組（樣品1#），一套為普通組（樣品2#），按照實(shí)際使用車(chē)載環(huán)境將樣機(jī)按照正常要求分別安裝在兩輛同一型號(hào)的卡車(chē)上。

2）室內(nèi)機(jī)安裝在卡車(chē)乘艙內(nèi)副駕駛側(cè)門(mén)上方，室外機(jī)安裝在卡車(chē)乘艙外頂部。

3）將卡車(chē)置于空曠場(chǎng)地，四周無(wú)其它遮蔽物，保證太陽(yáng)充分照射。

4）車(chē)頭正面朝向太陽(yáng)停放，但應(yīng)避免太陽(yáng)直接照射測(cè)量設(shè)備。

5）打開(kāi)車(chē)門(mén)，讓艙內(nèi)空氣與外界空氣充分換熱，

6）然后關(guān)閉車(chē)門(mén)和車(chē)窗，

7）同時(shí)開(kāi)啟比較組（1#）和普通組（2#）樣品。

8）駐車(chē)空調(diào)設(shè)定為制冷模式，16 ℃，固定出風(fēng)方向使之不能對(duì)著測(cè)點(diǎn)直吹，室內(nèi)風(fēng)扇選擇最高風(fēng)檔運(yùn)行，對(duì)駐車(chē)空調(diào)進(jìn)行實(shí)地制冷降溫速度試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

選擇車(chē)艙正中溫度測(cè)點(diǎn)和主駕駛座乘員頭部位置測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀察，分別測(cè)得比較組（樣品1#）不同時(shí)段、不同太陽(yáng)輻射量下的制冷下降溫度/時(shí)間曲線如圖5～圖8所示。

測(cè)試結(jié)果表明，普通組樣品2#的降溫性能優(yōu)于比較組樣品1#，并且兩組樣品在一天的測(cè)試中，夜間無(wú)太陽(yáng)輻射和日間不同太陽(yáng)輻射下的車(chē)艙降溫試驗(yàn)結(jié)果均不同。

3 測(cè)試分析

圖5

圖6

通過(guò)對(duì)等式（1）的分析可以知道，由于駐車(chē)空調(diào)為車(chē)輛在停駐時(shí)使用的空調(diào)，所以發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷QE為零；卡車(chē)底盤(pán)較高，離地距離較大，且無(wú)行李廂，車(chē)廂地板的溫度正常等于或低于車(chē)內(nèi)氣溫，不會(huì)對(duì)車(chē)內(nèi)溫度產(chǎn)生較為明顯的影響；空調(diào)采用無(wú)刷直流塑封電機(jī)，產(chǎn)生熱負(fù)荷QM較??；測(cè)試時(shí)未有乘員進(jìn)入艙內(nèi)，QP為零；并且由于車(chē)艙的車(chē)門(mén)，車(chē)窗均密閉，艙內(nèi)與室外的空氣對(duì)流被隔絕，溫度交換較為緩慢，QG和QV短時(shí)間內(nèi)可以忽略不計(jì)。因此，造成車(chē)內(nèi)溫度升高的主要原因在于車(chē)頂與車(chē)門(mén)傳入車(chē)廂的熱負(fù)荷QB，以及通過(guò)各玻璃表面以輻射方式直接進(jìn)入車(chē)廂的熱負(fù)荷QBi。

圖7

圖8

3.1 測(cè)試結(jié)果現(xiàn)象1

在夜間時(shí)間00:18開(kāi)始的測(cè)試中，對(duì)比查看圖4，太陽(yáng)輻射已降為零。兩套樣機(jī)測(cè)試結(jié)果如圖5所示，此時(shí)不存在由于太陽(yáng)輻射導(dǎo)致的車(chē)艙表面熱傳遞，車(chē)艙內(nèi)的測(cè)點(diǎn)溫度沒(méi)有出現(xiàn)上升的情況，初始段緩慢下降，至樣機(jī)開(kāi)啟后12 min后溫度開(kāi)始迅速下降。但是對(duì)比圖6、圖7、圖8的測(cè)試結(jié)果，乘用艙內(nèi)的測(cè)點(diǎn)溫度的樣機(jī)開(kāi)啟的一段時(shí)間內(nèi)均出現(xiàn)了不同程度的上升。主要是由于艙內(nèi)的溫度是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，當(dāng)空調(diào)釋放的冷量QC等于車(chē)艙內(nèi)總熱量QH的時(shí)候，即QC=QH時(shí)艙內(nèi)空氣可以達(dá)到理論的平衡。當(dāng)在日間時(shí)間11:14開(kāi)始至15:40的3個(gè)時(shí)間段的測(cè)試中，對(duì)比查看圖4，太陽(yáng)輻射快速上升，并攀升至峰值。所以，在駐車(chē)空調(diào)剛開(kāi)啟的一段時(shí)間內(nèi)，由于太陽(yáng)輻射的作用，車(chē)體表面將吸收太陽(yáng)輻射，并將熱量傳導(dǎo)致艙內(nèi)，空調(diào)釋放的冷量QC小于車(chē)艙內(nèi)總熱量QH，即QC＜QH，空調(diào)釋放的冷量不足以讓車(chē)艙內(nèi)的空氣溫度下降，艙內(nèi)溫度將繼續(xù)上升。

對(duì)比圖5和圖6、圖7、圖8的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，有輻照和沒(méi)有輻照的情況完全不同。

3.2 測(cè)試結(jié)果現(xiàn)象2

根據(jù)圖6、圖7、圖8的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，樣機(jī)開(kāi)啟的一段時(shí)間內(nèi)，關(guān)于車(chē)艙內(nèi)溫度上升的速度：圖6結(jié)果＞圖7結(jié)果＞圖8結(jié)果。對(duì)比查看圖3，車(chē)艙內(nèi)各測(cè)點(diǎn)初始溫度比相對(duì)應(yīng)的空氣溫度更高。并且對(duì)比查看圖4，圖6測(cè)試的時(shí)間段對(duì)應(yīng)太陽(yáng)輻射上升很快；圖7對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)輻射達(dá)日內(nèi)峰值，變化較為緩慢；圖8對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)輻射在達(dá)到日內(nèi)峰值后，開(kāi)始有所下降。

由于太陽(yáng)輻射使車(chē)艙外表面溫度升高，車(chē)身表面吸收的一部分熱量傳入車(chē)廂內(nèi)，車(chē)身外表面單位面積從太陽(yáng)輻射中吸收的熱量可以表示為

表2 表面吸收系數(shù)ε

I為太陽(yáng)的總輻射。ε為表面的吸收系數(shù)，它與車(chē)身的顏色和使用狀況有關(guān)，各類(lèi)車(chē)身表面太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)如表2所示[4]。

由外表單位面積進(jìn)入車(chē)倉(cāng)內(nèi)的熱可以表示為：

式中，tm為綜合溫度，是室外空氣計(jì)算溫度與太陽(yáng)輻射的等效溫度之和，即由于太陽(yáng)輻射使車(chē)身外表面溫度升高，將太陽(yáng)輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)化成相當(dāng)?shù)臏囟刃问?，與車(chē)外溫度疊加一起組成太陽(yáng)照射表面的綜合溫度

tn為車(chē)室內(nèi)空氣溫度；K為車(chē)身的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

tw是車(chē)外空氣溫度，aw是室外空氣和日照表面的對(duì)流放熱系數(shù)，W/(m2·K)。

所以，當(dāng)測(cè)試開(kāi)始時(shí)，車(chē)艙內(nèi)的溫度是一個(gè)疊加溫度，并高于室外溫度。并且當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)太陽(yáng)輻射變化率大的時(shí)候，車(chē)艙內(nèi)的溫度變化較大；當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)太陽(yáng)輻射I變化率小的時(shí)，車(chē)艙內(nèi)的溫度變化也將隨之變小。

3.3 測(cè)試結(jié)果現(xiàn)象3

從圖5～8的測(cè)試結(jié)果可以看到，車(chē)艙內(nèi)的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度變化有先有后，并不同步。主要是由于車(chē)艙內(nèi)的溫度不均勻性造成的。由于在測(cè)試的過(guò)程中，采用的是定向吹風(fēng)模式，車(chē)艙內(nèi)的溫度主要靠熱力傳導(dǎo)作用進(jìn)行熱量交換，所以離空調(diào)較近的車(chē)艙中間位置測(cè)點(diǎn)會(huì)較先發(fā)生降溫，離空調(diào)較遠(yuǎn)的主駕駛座位置的溫度下降會(huì)有遲滯效果。同時(shí)，由于主駕駛座位置靠近側(cè)門(mén)及側(cè)面玻璃，除了車(chē)艙側(cè)表面由于太陽(yáng)輻射的作用發(fā)生的吸熱傳導(dǎo)之外，太陽(yáng)輻射到玻璃后還將形成三個(gè)效果：一部分被反射，一部分被吸收，還有一部分透過(guò)玻璃以短波輻射的形式直接進(jìn)入車(chē)室內(nèi)，從而導(dǎo)致車(chē)艙局部溫度不均勻。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果的對(duì)比分析可以知道，駐車(chē)空調(diào)在正常使用過(guò)程中所經(jīng)受的太陽(yáng)輻射量將對(duì)車(chē)艙內(nèi)的降溫效果將產(chǎn)生較大的影響。在夜間太陽(yáng)輻射下降至零值附近時(shí)，駐車(chē)空調(diào)進(jìn)行降溫測(cè)試過(guò)程中車(chē)艙內(nèi)溫度變化主要表現(xiàn)為空氣逐步擴(kuò)散的熱交換；在日間隨著太陽(yáng)輻射量的逐步升高，降溫測(cè)試過(guò)程中車(chē)艙內(nèi)溫度變化還表現(xiàn)為太陽(yáng)輻射通過(guò)車(chē)身表面產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)疊加作用和通過(guò)車(chē)窗玻璃產(chǎn)生的吸收和短波輻射疊加作用。所以，對(duì)安裝有駐車(chē)空調(diào)的車(chē)艙，不論是在實(shí)際使用中，還是在模擬測(cè)試驗(yàn)證中，將太陽(yáng)輻射作為考核駐車(chē)空調(diào)制冷降溫性能的條件是十分必要的。