汽车空调能耗评价方法研究

引言

汽车空调是整车系统的最大耗能附件,其能耗约占发动机输出功率的10%~30%(随车速､发动机负荷和环境因素变化)｡以往研究和法规的重点主要集中在空调系统的制冷､制热和舒适性等要求上,但随着整车能耗法规的日益严格,汽车空调能耗也同样被重视起来｡

在2017年1月,工信部颁布了«乘用车循环外技术/装置节能效果评价方法第3部分-高效空调»征求意见稿,同时在2019年1月工信部公布的下一阶段«乘用车燃料消耗量限值»征求意见稿中,仍然保留了乘用车循环外技术条目,拟对装备有节能效果的循环外技术车辆给予一定的油耗奖励｡可见,汽车空调的能耗水平在未来法规层面将会是整车能耗不可分割的一部分｡

本文首先综述了国内外汽车空调节能效果评价方法现状,再通过试验与仿真结合的方式对影响空调能耗因素进行研究,对国内空调能耗法规提出修改建议｡

1  国内外汽车空调节能效果评价方法现状

1.1  美国

美国针对空调能耗共有两项测试｡一是传统油耗测试循环使用的EPA5工况法,另一项是专门用于空调系统能耗测试的AC17工况法｡

EPA5工况法中的SC03循环更侧重于整车,主要考察车辆在极端环境条件下,空调系统全负荷工作时的整车油耗,不进行同循环下的关空调测试｡SC03工况的主要特征包括:高温35℃,40%相对湿度,850W/m2光照；时长99min,里程58km,平均车速348km/h｡

AC17工况法更侧重于空调系统,主要考察空调系统在较温和环境条件下的能耗水平,温和的环境条件更有助于不同空调技术(如变排压缩机技术)的节能表现｡AC17工况的主要特征包括:温度25℃,50%相对湿度,850W/m2光照；时长227min,里程222km,平均车速586km/h｡AC17测试基于车型空调部件采用的先进技术计算CO2(油耗)奖励,2017年及以后,乘用车奖励上限值为CO25g/mile(0.124L/100km)｡

1.2  欧洲

欧洲使用的空调测试循环是MACTP工况,MACTP工况是等速工况,其主要特征包括:温度25℃,相对湿度45%,不开光照但会对结果进行700W/m2的等效光强处理,空调设置为外循环｡采用多层次的校正对最终结果的空调开､关油耗差值进行修正｡

1.3  中国

2017年1月中国公布了«乘用车循环外技术/装置节能效果评价方法第3部分一高效空调»征求意见稿｡循环为NEDC工况,环境温度30℃,相对湿度50%,光强850W/m2,空调温度设置为23℃,内循环吹面模式,关闭后排出风口｡油耗奖励值公式为式(1)､式(2),车辆得到的油耗奖励除了与空调的实际能耗水平有关,还和通过车重计算得到的空调能耗相关｡

FCJ=(TAC-FCAC)K (1)

TAC=0.000918CM+0.430 (2)

式中FCJ表示油耗奖励值,TAC为汽车空调燃油消耗量目标值(L/100km)；K为空调使用比例系数(0.25)；CM为整车装备质量(kg)；FCAC为汽车空调开启/关闭后的油耗差值｡

2  汽车空调能耗影响因素分析

本文通过试验与仿真相结合的形式对空调能耗进行分析,试验研究循环工况和空调技术对空调能耗的影响,仿真研究环境条件和车辆参数对空调能耗的影响,使用了2辆搭载同样空调和动力系统的A级车型和MPV车型作为研究对象｡车辆的基本参数见表1｡



汽车空调是一个较复杂的系统,它的工作状态与车内外环境条件､车辆动力等因素有关｡结合法规,在测试中影响空调能耗的因素可分为4个部分:测试使用的循环工况､环境条件､车辆因素和空调技术本身｡

2.1  循环工况对空调能耗的影响

表2为不同循环工况下车型A的空调能耗试验结果,结果表明空调系统能耗与车速之间有较强的关联性:平均车速越低,空调能耗越大,且空调能耗占整车能耗比例也更大｡循环工况对空调能耗影响主要在平均车速和循环时长2个方面｡



2.1.1  循环平均车速的影响

在怠速情况下,空调开启后会增大发动机怠速负荷,因此发动机需提高一定的怠速转速,使怠速时油耗增加｡而高速状态下冷凝器端风速高,使冷凝器换热效率提升,且此时发动机工作效率更高,同样的空调额外负荷所消耗的燃油量更低｡但车辆高速行驶时,车厢内处于负压区,空气从车窗､车门､空调外循环风门等处渗入量更大,使一部分发动机余热和外部空气从缝隙中进入车厢内,增大空调的制冷需求｡

2.1.2  循环时长的影响

对于车型A,空调系统的最大负荷工作时间一般在最开始的4min内,这段时间变排压缩机全负荷工作,将车内温度从50℃左右降温至23℃左右｡随着温度的下降,变排压缩机排量下降,能耗也降低｡随着试验循环时间的加长,空调高负荷工作占比时间缩短,使平均空调能耗下降｡

2.2  环境条件对空调能耗的影响

环境参数指环境温度､环境相对湿度以及光照强度｡车辆经过30min浸车后车内温度在48℃左右｡制冷过程中,空调系统约1/3的制冷量用于抵消光照辐射的热量,1/3制冷量用于补偿由于漏风引入的新空气热量,另外1/3用于车厢内部制冷｡NEDC工况下环境条件变化对车型A的油耗影响如图1所示｡


环境温度主要影响车辆保温浸车后的车厢温度和冷凝器端的热交换率｡环境温度升高之后,会使车内保温升高,同时由于外部空气侧温度升高会使冷凝器换热效率下降,环境温度变化±5℃会带来约7%的空调能耗影响｡

相对湿度直接影响空调的制冷能耗｡湿度越高,制冷量越大｡水蒸气冷凝为水,相变的汽化潜热使制冷量加大,同时冷凝出来的水(与气温相同)就在蒸发器上,又会继续被冷却｡这部分的水将会消耗大量的制冷量｡所以环境湿度越高,制冷耗能就越高｡但法规试验规程要求使用内循环模式,因此环境空气的湿度对车内循环空气的湿度影响不大,对空调能耗的影响很小,±20%的相对湿度变化对空调能耗几乎无影响｡

光照强度主要影响车辆保温浸车后的车厢温度､冷凝器端热交换率以及车辆行驶时的车厢内外换热率｡±150W/m2的光照强度变化会使保温后的车厢内温度变化3℃左右｡和环境温度因素不同,温度对浸后的车内温度峰值有较大影响,对降温的过程影响较小,但光照强度对降温过程影响较大,车厢吸收的热辐射更多,意味着空调制冷量需求更多,使空调能耗增加｡±150W/m2的光照强度变化会带来约7%的空调能耗影响｡

2.3  车辆参数对空调能耗的影响

2.3.1  车重对空调能耗的影响

车重对于空调能耗影响结果如图2所示,结果表明不同车厢容积的车辆,在不同的整车装备条件下,空调能耗和车重无关联性｡车重增加导致车辆行驶阻力增加,因此空调关闭和开启后的油耗都有上升,但空调能耗并不受此影响｡



2.3.2  发动机参数对空调能耗的影响

发动机功率与空调能耗关系如图3所示,通过对搭载6款不同排量､不同功率发动机的车辆仿真分析得知随着发动机功率和排量的增大,车辆的基础油耗和空调开启后油耗都显著上升,但空调能耗却有一定下降,这和不同发动机的工作区间和单位输出功率所消耗的燃油量有关｡空调系统对于小排量､低功率发动机的油耗影响要显著高于大排量､高功率发动机｡



2.3.3  车厢容积对空调能耗的影响

一般A00级车型如FIAT500的车厢容积为2000L,A级车的车厢容积为3000L,5座MPV的车厢容积为5000L｡车厢容积越大,意味着车窗面积越大,导致阳光辐射更多,车内吸热物体增加,且空气也更难形成循环回路,法规要求关闭后排出风口,进一步恶化了后排空间的空气循环,同时车厢容积增大后更难保证车厢的气密性｡这些因素都会增加空调的制冷量需求,导致空调开启后油耗增加｡图4是不同车厢容积与空调能耗之间关系的仿真结果,式(3)为空调能耗与车厢容积关系的二次拟合曲线,仿真时考虑了车厢容积增加带来的气密性下降问题｡图5显示了一般轿车的静态和动态气密性试验结果,车辆静态怠速时车内外压差为50Pa左右,此时的漏风量在70L/s左右｡

FAC=00869V2-03V+1.376 (3)

式中,FAC为空调能耗；V为车厢容积(×1000L)｡





2.4  空调技术对空调能耗的影响

空调节能技术主要有变排压缩机､内/外循环风门主动控制､高效的换热器和座椅主动通风等,它们的节能效果和技术成本各不相同｡本文试验了2项空调节能技术,即变排量空调压缩机和内置换热器技术,前者节能效果显著,后者成本很低但节能效果并不明显｡内置换热器又叫同轴管(IHX),原理是将空调系统中的低温低压管和高温高压管制成同轴管,内管是低压管,外部是高压管,以实现更高效的换热｡




图6为不同空调技术下的空调能耗试验结果,结果表明变排压缩机的节能效果显著,其节省油耗约占空调能耗的33.6%｡内置换热器虽然在空调试验台架上能提高换热效率,有不错的节能表现,但在整车试验条件下,其节能效果难以体现,仅占空调能耗的0.7%｡

2.5  不同因素对空调能耗影响综合分析

各因素的影响效果如图7所示,以车型A为参考对象,湿度取±20%；整车质量取±200kg；环境温度取±5℃；光照强度取±150W/m2；发动机排量对比了1.9T/155kW和1.4T/110kW两款发动机；试验循环对比了NEDC和WLTC两个循环｡



3  汽车空调能耗评价方法探索

综合分析各因素对空调能耗影响后,可以发现车重和空调能耗无关联性,而车厢容积与空调能耗关系紧密,因此相比车重,车厢容积更适合作为设定目标值的依据｡汽车空调能耗的评价方法需尽可能避免车辆不一致性带来的差异,即对于同一空调系统的不同车辆,按评价方法得到的油耗奖励值应当相近｡因此在式(3)的基础上,加入A车型在原公式下的奖励值,修改后的奖励公式为式(4)､式(5)｡

FCJ=（TAC-FCAC）K (4)

FAC=0.0869V2-0.3V+1.776 (5)

式中,FAC为空调能耗；FCJ表示油耗奖励值；TAC为汽车空调燃油消耗量目标值(L/100km)；K为空调使用比例系数(0.25)；V为车厢容积(×1000L)；FCAC为汽车空调开启/关闭后的油耗差值｡

为了保证修改后评价方法的车辆一致性要求,进行了6辆车的验证,结果见表4｡按原奖励公式,车型A､D获得了近01L/100km的油耗奖励,而使用同一空调系统的车型B､E没有获得任何奖励,这是由于车型B､E车厢容积更大导致空调能耗大幅增加,因此按车重设定空调能耗目标值有局限性｡而修改后的评价方法以和空调能耗关联紧密的车厢容积为依据,避免了车辆不一致性带来的影响,保证了这些车型得到的油耗奖励相近,能更客观地反映空调的能耗水平｡