现代汽车空调HVAC研究现状与发展趋势

孔凡清,龚元聪,赵雨晴,路士杰,张学敏.现代汽车空调HVAC研究现状与发展趋势[J].环境工程,2016,34(S1):627-631.

摘要: 

随着汽车行业的不断发展，人们对汽车舒适性、可靠性和环保性的要求也不断增加，汽车空调也相应地需要作出技术推新与变革; 主要针对目前国内外的相关研究现状进行综述与分析，同时阐述了汽车空调HVAC 总成的现行技术与发展趋势，最后提出目前的研究与技术存在的问题及未来的发展方向。

0 引言

HVAC( Heating Ventilation and Air Conditioning)是供热通风与空气调节的简称。汽车空调HVAC 总成是汽车空调系统重要的组成部分，其功耗与噪声是评价整车经济性和舒适性的指标，其性能的优化保证了车内乘员的热舒适性与吸入空气的质量; 随着传统能源日益枯竭、大气环境不容乐观，汽车空调HVAC技术朝着更加高效、节能、环境友好的方向发展，同时越来越注重对车外有害气体与颗粒的有效防控与过滤; 与此同时，国内外针对汽车空调HVAC 的相关研究，亦旨在分析现存技术的机理与不足以找出性能优化方法。

1 汽车空调HVAC 组成与结构

汽车空调HVAC 总成也称空调器总成，指安装在仪表板下具有加热、通风、空气调节功能的单元，包含鼓风机总成( 含过滤器) 、蒸发器芯体、加热器芯体、混合风门、模式风门等主要部件; 结构上包含进风段、蒸发器段、中间段、暖风芯体段、出风段五部分，具有吹面、吹脚、除霜除雾三种模式; 在不同车型上，HVAC 结构不尽相同，在设计上有一定的自主性，图1是某款汽车空调HVAC 系统外部结构与内部主要部件的示意图; 图2 为HVAC 系统内部以及外接风道简图。

2 国内外对汽车空调HVAC 的研究现状

目前国内外针对汽车HVAC 的研究重点放在内部流场、温度场的探讨，通常就某一部分或整体结构进行实验或CFD( 计算流体力学) 分析，从而发现问题以提出优化改进，进而提高研究所追求的特定性能，另一方面本文还关注了国内外对HVAC 总成降低颗粒物、提升车内空气质量的研究，并将其情况单独列出表述，这方面的相关研究涵盖空调过滤器性能、结构管路结构优化与内部气固两相流场等研究。

2. 1 国内外对HVAC 内流场与结构的研究

国内目前对汽车空调HVAC 总成流场、温度场的研究主要依靠CFD 技术。重庆大学陈佳就双蒸发器的汽车空调器总成用CFD 进行了数值模拟，得到了HVAC 系统在不同的工作模式下的流场、温度场的特性，并提出结构上增加导流板以消除蒸发器前涡流的优化方案，从而得到更加均匀的内部流场特性［1］; 上海交通大学的吴金玉等就某一款汽车空调HVAC 系统的压力与速度场进行了CFD 分析，以考察内部结构是否合理，空气流过是否会产生偏流或涡旋等不利影响，并提出优化方向［2］。国内具体到HVAC 内某一部分的研究也有不少成果: 重庆大学谭传志对蒸发器芯体的流道用FLUENT 软件进行了数值分析，并将原模型与优化模型的速度与压力分布结果进行了对比，证明了CFD 分析对优化蒸发器芯体换热性能的可行性，同时该论文也探究了翅片结构的CFD 优化分析，得到了换热系数更高的翅片优化模型的数值结果，为空调两器( 蒸发器、冷凝器) 的结构优化提供了方法［3］; 上海交大的翟晓华等对影响鼓风机进风口的流动特性的参数( 进风罩形状、进风口面积、外部障碍物与进风口的距离) 进行了数值研究，得到了与实验值吻合度较好的结果，并通过模拟结果综合考虑各参数因素得到了鼓风机进风口面积的经验公式［4］。

国外对空调器总成的研究也在逐步深入与创新。早在2002 年，L． Bennett 等人就利用了CFD 软件对汽车空调HVAC 系统内部的空气流动进行了数值模拟，研究将出口及各截面的压力与速度参数的模拟结果与实验结果相比较，得到了较好的吻合度与趋势一致性［5］; H． S． JI 等人利用PIV( 粒子图像测速) 技术对一台汽车HVAC 系统内部的流体特性进行了实验研究，并通过将HVAC 部分外壳替换为透明玻璃以捕捉激光光片照明的流动图像，实验发现不同温控模式下的流场有很大差别，暖风模式由于流通结构的复杂性造成的量损失较大，研究还得出了实验结果可验证数值预测，并可辅助优化空调模块设计的结论［6］; NiYi-hua 等人将汽车空调常规的设计方法与计算机仿真，CFD 软件FLUENT 相结合，开发了高效可靠的汽车空调两器( 蒸发器、冷凝器) 的结构化设计程序，弥补了当前汽车空调设备的设计主要依靠大量实验的不足［7］。

2. 2 国内外HVAC 系统空气净化的研究

目前对汽车空调空气净化方面的研究重点主要在空调滤芯上，影响过滤器过滤效率与阻力的因素较多，从内因来讲可以究其材料、填充率、几何形状等，外因可以探究不同的环境因素，如温度、湿度，或者过滤器所在的流道的流场等。

国内天津大学姜明秀研究了用于汽车空调的静电滤料在不同湿热环境下的过滤性能，通过搭建实验台，将滤芯在恒温恒湿箱中进行不同时间的处理，改变其温度与湿度，进而影响其表面的电荷情况和过滤性能，得出了过滤效率与过滤阻力随实验变量变化的结论［8］; 东南大学叶婷研究了熔喷复合非织造布的过滤性能，文中剖析了非织造布材料的过滤机理，并且改变熔喷工艺参数来实现对过滤材料物理结构的影响，通过实验测试其性能，得出了复合的两种非织造材料( 短纤热轧和熔喷) 的过滤性能均要好于两种材料单独使用的结论，并且使得复合后的材料有了较高的拉伸与耐磨性，提高了使用寿命［9］; 天津大学温文涌基于单纤维数学模型分析了影响过滤器性能的影响因素，并通过颗粒检测实验研究了不同因素如颗粒物带电、气溶胶种类、电荷情况对过滤效率的影响［10］; 安徽工业大学钱付平对高效过滤器内的气－固两相流动进行了数值模拟，得到了不同运行条件( 迎面风速) 下过滤器的压力损失和过滤器对不同粒径的颗粒物的捕集效率并且数值结果和其他文献的经验模型吻合度较好［11］; 北京化工大学的李小虎等学者利用多孔介质模型对纤维过滤器进行优化模拟，并且采用两种不同的过滤器外壳出口结构( 见图3) ，通过数值模拟对比了两种结构下滤芯前后的压力变化与流场分布以及其对颗粒物的过滤情况，得出了下出口的结构利于提高过滤器综合性能的结论［12］。

国外A． AL-SAＲKHI 等人基于均匀的压力分布有利于过滤器的性能提高的事实，研究了过滤器外壳结构对过滤器附近压力、速度分布的影响，在实验验证的同时，通过CFD 优化程序不断修正入口处壳体的几何参数以得到最理想的压力分布情况，实现了一种过滤器结构优化设计的逆技术［13］; Uta Sager 通过实验分析了不同使用阶段的新旧空调过滤器对氮氧化物的过滤效率以及容尘量的变化趋势，并利用柴油机废气或空气作为载气溶胶得到了过滤器生命周期内对氮氧化物的分离能力的合理模拟［14］; Bin Xu 等研究了附带电荷的超细颗粒物对空调过滤器的过滤效率的提高，实验探究了不同的电荷特性( 电荷，电极性) 对过滤效率的影响，同时不同的风速大小与纤维材料的种类也影响了电荷的变化时过滤效率的变化规律［15］; Jae Hong Park 等评估了碳纤维离子发生器对PM2. 5的充电特性，通过增加离子发生器的的电力功耗，并且调整合理的面风速，得到了更高PM2. 5过滤效率的过滤效果［16］。

3 空调HVAC 发展趋势与技术

3. 1 HVAC 整体结构

汽车空调HVAC 总成内含三大件( 鼓风机、蒸发器、加热器) ，按照三大件的整体结构分为三箱结构，两箱结构和一箱结构，目前空调器总成有着由前者向后者发展的趋势，三箱式的结构由于占用空间较大，增加车重等缺点，在讲求节能和经济的当下已很少继续被采用，一箱结构的分界面不再有多箱体那样的限制，所以换热器芯体的安装也更加灵活自由，同时也减少了整体零部件，缩短了风道长度，成本有所降低，但是同时也给更换维修换热器芯体增加了困难，另外也横断面的工艺设计工作难度也更大［17］，而两箱结构的优缺点介于两者之间，多数推荐采用两箱或者一箱式结构。

3. 2 蒸发器与采暖装置

蒸发器是HVAC 实现制冷功能的关键部位，经过膨胀阀降压后的液态制冷剂在蒸发器内蒸发从而吸收蒸发器表面的热量实现周围空气的降温，蒸发器在结构上分为管片式、管带式、层叠式、平行流式，后两者的制冷效率高且平行流式用料少，质量轻，所以层叠式和平行流式被广泛采用。随着蒸发器向着轻量化、高效化发展，微通道结构的蒸发器( 如平行流式) 有着良好的使用前景，在蒸发器体积的优化上，微通道结构较传统结构形式可减少35% 的空间，另外寻找制冷系数高，对大气臭氧层无破坏的新型制冷剂也是现代汽车空调需要研究的内容［18］。

采暖装置按照工作过程分为风暖和水暖两种，目前采用的较为广泛的是水暖式采暖，即将发动机一部分的冷却水引入热交换器( 加热器芯体，也称暖风芯体) ，使被风机吹过来的冷空气升温以进入车内。但随着发动机的高效率化，废热减少，这种采暖方式也面临问题与挑战，为了解决冬季采暖热源不足的问题，目前出现了一些补充采暖的技术: 采用独立燃油加热器燃烧燃油，可以提升发动机防冻液温度，以提升采暖效果; 辅助电动水泵可以在发动机停转时将热水送入换热器芯; 利用摩擦取暖的方式，即增加一个Viscous 加热器，它的原理是与发动机转轴相连的圆盘与高黏度的机油旋转摩擦产生热量以供给采暖系统; 一些电动车等新能源汽车上采用热泵式空调系统，可以实现传统采暖方式达不到的高效轻量的效果，进而提升电动汽车行驶里程［19］。

3. 3 通风与空气净化装置

在HVAC 系统中对车外空气起过滤与净化作用的主要是空调过滤器，目前汽车空调过滤器的发展趋势倾向于复合式过滤，即将传统的纤维制微粒过滤器与活性炭过滤器相结合，另外也有不少静电吸附式过滤器在细颗粒物的过滤上作用明显，正被广泛使用: 以比亚迪公司的绿净技术( 图4) 为例，位于通风系统内的静电发生器使空气中的微粒带电，从而改变运动方向，撞上过滤材料后被拦截，经过三重过滤( 电离板、静电棉、HAF 滤芯) 已达到减少车内PM2. 5的目的［20］。

与主动过滤掉有害物质相反，被动防控的通风系统也可以有效的保障车内空气的清洁安全性，Vzleo公司开发了一种新型空调系统，它采用了一种由环境污染传感器控制的自动内循环模式，当传感器检测到外界空气中的有毒气体( 如一氧化碳) 时，会自动开启内循环模式，将外界空气与乘员舱隔绝; 沃尔沃公司的空气质量系统( IAQS) 与之类似( 见图5) ，区别在于传感器感知车内空气污染物的含量，当超过一定数值后，自动关闭进气口，多重过滤器( 包含浸渍过活性炭的元件) 对车内空气进行过滤与重复循环以降低超标有害物的含量［21］。

传统的通风系统普遍存在冬季换气热量损失大的不足，原因在于冬季汽车空调为了避免风窗结雾，回风采取外循环方式，将外界新鲜空气引入车内，车内湿润空气排到车外，故而热量损失较大，由此一种新型的双层式送风系统应运而生，回风系统分上下两层，上层将新鲜空气吹入车窗进行除雾，而后导出车外，下层吹向足部且使用内循环在车内下层流动，这样可以很大程度的减少热损失以降低燃料消耗。

4 存在的问题与建议

1) 目前针对HVAC 系统的研究工况比较单一，静态实验存在局限性，忽略了汽车行驶时外界环境因素的动态变化对其内部流场的影响，因此可以研究不同外界条件对HVAC 系统内部的流场特性的影响;再者目前研究一般将蒸发器、暖风芯体段作多孔介质处理，所得模拟数据与实验数据相近但与实际过程的误差仍然较大，故需要致力于寻找能与实际情况缩小误差的优化实验与模拟方案。

2) 对汽车空调通风的研究大多数将研究对象选定为HVAC 总成后的中央风道，即独立研究中央风道的气流流动来改进风量分配提高车内舒适性，而实际上HVAC 箱体总成是与风道相连接的，两者的内部流动紧密相关，所以从HVAC 系统进口段到中央风道出风口段来研究通风情况更有实际意义。

3) 在空气净化尤其是颗粒物净化的研究方面，目前国内很少有研究关注汽车HVAC 系统内气相流场或气固两相流场的情况: 通过CFD 分析，优化内部结构来使过滤器附近的流场更加均匀以提高过滤效率，或是使颗粒物尽可能滞留HVAC 流道内部而让空气顺畅流出进入车内舱室。

4) 当前汽车HVAC 系统的现行技术多数在已有的传统结构上做改进，保留了传统的制冷采暖设备，尚未能从根本上解决制冷剂污染环境、空调运行对发动机动力性降低等缺陷，故需要考虑从理论上革新空调技术，设计新型可行的空调系统。

5 总结

1) 本文介绍了汽车空调HVAC 总成的结构组成，整体与部分结构的发展趋势以及目前有关的新兴技术与研究理念。总的来说，汽车空调HVAC 向着轻便化、紧凑化、高效节能、环境友好的趋势发展，同时必须适应现代社会乘用者对汽车舒适性、安全性、经济性的更高需求。

2) 纵贯国内外的相关研究，可见目前对HVAC系统各部分与各个性能的研究已经日趋成熟，也渐渐形成了常规化的理论体系与研究思路，但距离完备的系统研究还有一定的距离，分析当前研究存在的疏漏与不足，可以为以后的研究方向提供参考。