摘    要

随着未来车辆产品要求更高的企业平均燃油经济性 (CAFE) 标准，节能HVAC系统变得越来越重要。本研究是一项初步调查，旨在解决节能HVAC系统而不影响热舒适度的问题。车厢承受着各种热环境。乘客舱的热分析不仅涉及几何复杂性，还涉及气流与三种传热模式（即热传导、对流和热辐射）之间的强烈相互作用。目前的完整3D-CFD分析考虑了乘客舱的几何配置，包括玻璃表面以及外壳的相关物理和热性能，特别强调玻璃性能。许多与气候控制系统相关的设计参数都是相互依赖的，并且它们之间的关系相当复杂。目前对热浸和冷却的敏感性分析表明了各种车舱热环境（包括玻璃）的敏感性紧凑型车辆的性能、车身隔热和车辆内部热流量。目前的CFD工作与我们未来研究的潜在热舒适模拟相结合，将为气候控制策略提供启发，因为它们与“节能HVAC系统”的人体热舒适相关。

01  前    言

由于汽车工业面临的更好的燃料经济性的竞争压力越来越大，“节能HVAC系统”正受到汽车工业的极大关注。通过减少环境热负荷，期望实现在车辆上需要较少A/C功率同时保持乘员热舒适性的车辆气候控制系统。为了实现这一目标，需要几种减少环境热负荷的技术，包括具有太阳能反射玻璃的玻璃窗系统、高效隔热材料和车辆内部重量减轻策略。密闭环境（如汽车的乘客舱）中的乘员热舒适性一直是汽车工业的重要课题。然而，在车辆中使用更多玻璃的趋势（造型），收紧燃油经济性限制，以及环保制冷剂的变化，阻碍了乘员热舒适性的实现。由于汽车行业试图减少HVAC功耗，因为收紧燃油经济性，因此有必要开发能够在设计过程早期预测各种设计选择对乘客热舒适性影响的工具。此外，减少进入乘客舱的热负荷的需求已经成为车辆设计早期阶段的重要问题。虚拟热舒适工程已经由汽车工业开发，用于模拟乘客舱热环境和乘客热舒适性。采用Fluent CFD软件对客车车厢内的三维流动和传热进行了数值模拟，模拟了客车车厢内的浸泡和降温过程。

分析是完全瞬态的，计算的乘客舱内的速度和温度场包括湍流、热浮力和三种传热模式（即辐射、对流和传导）的相互作用。之前对简化乘客舱的“浸泡和冷却”测试用例进行了三维数值模拟验证。本研究的主要目的是了解影响乘员热舒适性的各种车舱热环境的敏感性，包括排放气流，玻璃性能，车身隔热，以及紧凑型汽车的车内热质量。这些参数中的许多是相互依赖的，并且它们之间的关系是复杂的。“节能HVAC系统”的总体性能目标是在不牺牲乘员热舒适性的情况下最小化HVAC功耗。仅依靠高效的气候控制系统无法实现预期的性能目标。为了实现这一性能，必须减少环境热负荷和内部车辆质量。下一节将介绍浸泡和冷却模拟过程。然后描述了座舱热负荷的敏感性，随后的结果和讨论，包括对乘员热舒适性的评估。

02  浸泡和冷却模拟

车厢内的流动和热分析不仅涉及复杂的几何形状，而且涉及气流与热传导、对流和热辐射三种传热方式之间的强烈相互作用。太阳辐射通过挡风玻璃、背光和侧窗将热负荷传递到乘客舱。利用商业计算流体力学软件FLUENT，可以计算出车厢内的太阳辐射负荷、三维速度场和温度场。“浸泡和冷却模拟”的CFD分析有四个步骤：1.客厢几何模型的生成和网格划分2.太阳负荷和辐射视角系数计算3.HVAC系统瞬态性能的确定4.乘客舱CFD和热分析。这四个步骤将在以下部分中描述。

1.乘员舱几何模型

2.太阳负荷模拟与辐射传热

汽车车厢上的太阳负荷取决于玻璃特性、太阳入射角和入射太阳光谱。玻璃的吸收、透射和反射取决于太阳的入射角和入射辐射的波长分布而变化。将考虑这些影响的太阳能负荷程序集成到FLUENT CFD代码中（GM和ANSYS之间的合作）。典型的太阳强度根据时间、日期、位置和车辆方向而变化。总的太阳能强度可以从NREL（国家可再生能源实验室）的SOLPOS代码中获得。通过将热通量分离为短波和长波辐射，模拟了通过玻璃进入乘客舱的太阳通量。短波辐射基于内表面吸收率被吸收，长波辐射基于内表面发射率被吸收。FLUENT CFD代码中的太阳能负荷程序分别跟踪长波辐射和短波辐射从玻璃的反射、玻璃的吸收以及透射到机舱中的情况。图2显示了简化乘客舱玻璃吸收的太阳能通量。图3显示了通过内表面传输到乘客舱内的太阳能通量。在本研究中，SOLPOS程序用于计算根据时间、日期、位置和车辆方向的太阳强度，总结如下。日期和时间：6月21日下午1：00至2：00地点：经度=-112，纬度= 33.5（亚利桑那州凤凰城）车辆方位：面向南从SOLPOS程序中，总太阳强度随时间变化，如图4所示。下午1：00时的总太阳强度为1222 w/m2，下午2：00时的总太阳强度为1170 w/m2。散射太阳辐射在下午1：00时约为350 w/m2，在下午2：00时约为323 w/m2。内表面之间的“表面到表面”辐射热传递可以通过使用FLUENT的视角因子计算来计算。在本研究中，显式模型中的FLUENT代码被用来处理的内表面之间的辐射传热

3.HVAC系统瞬态性能

用于冷却和预热分析的系统气流速率和排气温度可从A/C系统模拟代码中指定。空调和加热器出口处的系统气流速率和排气温度为乘客舱的CFD分析提供了边界条件。在本研究中，我们使用了客厢所有四个AC插座的测量平均放电温度，如图5所示。这些温度分布在FLUENT CFD软件包中指定为瞬态入口温度边界条件。

动量和能量守恒方程使用FLUENT中实施的有限体积法数值求解。控制动量方程为雷诺平均Navier-Stokes方程。流动的湍流性质由可实现的k-ε湍流模型模拟，壁函数包括浮力效应。各种热边界条件可用于模拟通过内壁的热传递。本文采用壳单元导热传热法，用有限厚壳单元模拟了热对流和热传导。使用ANSA 将内部空气体积细分为四面体单元。大约需要2，000，000个四面体单元来捕捉乘客舱的几何和流动细节。瞬态冷却分析需要初始条件，如乘客舱内的初始空气温度分布和速度分布以及边界条件。这些乘客舱内的初始空气温度和速度分布由热浸（空调关闭，太阳能负载）分析提供。在热浸泡期间，速度场主要由取决于内壁温度的自然对流驱动。在浸泡模拟过程中，在A/C出口处规定了0.027 m/s的极低空气速度，该速度是根据示踪气体衰减法进行的空气渗透试验测得的。在四个空调出口处，在整个冷却模拟过程中规定了0.136 kg/s的实测排气质量流率和实测排气温度（如图5所示）。数据点之间的排气温度被线性插值。在后货架上的两个出口通风孔处，指定了零温度梯度条件和定压边界条件。在内部固体表面，施加无滑移边界条件。在外部固体表面处，对流热传递用于解释到外部环境的任何热传递。在本研究中，外部环境温度被指定为37.5 摄氏度，估计对流传热系数（在5 - 10 W/m2/K之间变化）。

03 座舱热负荷的灵敏度分析

为了降低空调系统的功耗，最明显的解决方案是降低车辆的热负荷。空调系统总功耗的降低将从以下几个方面实现：1.减少透过玻璃系统的太阳能。PPG开发了一种名为SUNGATE-EP的新玻璃技术，该技术仅允许3%的红外（IR）能量透过玻璃。SUNGATE-EP玻璃仅允许33%的太阳能透过玻璃。考虑到至少70%的可见光通过玻璃的透射率，SUNGATE—EP在可见度要求的约束范围内接近玻璃技术的实际极限。2.减少通过身体结构传导的热能。PNGV 提出了轻质气凝胶绝缘材料和充气板（GFP），其具有极低密度的高效绝缘材料。这些绝缘材料将用于车身结构空腔，如A柱和B柱区域以及车门内部。顶棚和地板表面将使用无光泽或喷涂材料。3.减少了车辆内部的热质量。可以建议减轻气候控制和动力系统冷却系统的重量，以帮助减轻整体重量。机会包括塑料真空电机，全塑料地板管道，铝HVAC模块门和镁横梁（重量轻，吸收较少的热量，因此需要较少的冷却功率）。为了了解“节能空调系统”，FLUENT CFD流动和热分析应用于一个典型的紧凑型轿车。操作条件为： 环境温度：SOLPOS的37.5 摄氏度太阳负载：太阳强度如图4所示排放温度：试验数据如图5所示空调系统流速：245 cfm（0. 136 kg/s）稳态浸泡后冷却60分钟比较了六种不同的情况，包括基线情况，如下所述：

案例1：基准案例车内热质量：115 kg舒适容积：2. 3 m3车窗：PPG绿色玻璃

案例2：车身隔热车辆内部与外部之间的热传递比基线降低50%。

案例3：车内热质量降低车辆车内热质量从基线降低50%。

案例4：车身隔热和降低内部热质量车身隔热和降低内部热质量的组合案例。

案例5：为了隔离太阳能负荷对A/C系统性能的影响，使用SUNGATE-EP玻璃窗模拟基线情况。窗户：PPG SUNGATE-EP玻璃（性能见表2）

案例6：案例4，带太阳能反射窗

图6显示了SUNGATE—EP玻璃对机舱内总太阳能负荷的影响。大约三分之一的太阳能负荷被太阳能反射玻璃减少。

04  结果和讨论

在本节中，将讨论乘客舱的计算结果。如图7所示，计算的速度矢量显示在基线浸泡条件的驱动器中心平面处。速度场显示出由浮力驱动的多个再循环涡。然而，在冷却模拟过程中，乘客舱内的流场很快稳定下来，在随后的冷却过程中不会发生太大变化。因此，在流场稳定后，在随后的瞬态分析中跳过动量方程，仅计算能量方程。这种做法的结果在一个显着减少总的计算时间，同时保持整体的计算精度。

降温期间的速度场

在图8中显示了基线冷却期间乘客中心平面处的计算速度矢量。两个大的再循环流形成在前舱和一些气流被输送到后舱沿着顶篷，也通过差距之间的两个前排座椅。后包装架上的大的负速度矢量是由于通过出口通风孔的流动。驱动器中心平面处的流场如图9所示。来自A/C出口的强湍流射流被转向柱阻挡，并在前舱中形成局部再循环流型。这些再循环气流非常有效地将空调出口的冷空气与乘客舱内周围的热空气混合。如图8和图9所示，一些气流也沿沿着车顶线输送到后乘客舱，并在后乘客舱中形成缓慢的再循环流型。在乘客舱地板附近预计气流非常小。

基线情况下的温度场

图10显示了基线情况下座舱内表面的稳态浸泡温度。由于定向太阳能负载，预计仪表板和后包装架处的表面温度较高。模拟的空气温度显示了由于浮力效应导致的温度场分层，如图11所示。预计头条新闻附近的温度比地板附近的温度高出大约10度。在冷却过程中，瞬态内表面温度分布分别在100、600和3600秒的时间内如图12—14所示。经过3600秒的冷却后，座椅内部温度降至25 摄氏度以下。图15—17分别显示了经过时间为100、600和3600秒时的瞬态空气温度分布。当调节后的空气在前舱中再循环时，温度等值线趋向于遵循两个反向旋转的涡流，如图15—17所示。由于热内表面附近的热边界层，内表面附近的空气温度显著高于乘客舱中的整体空气温度。冷却100秒后，如图15所示，前车厢的整体空气温度下降了约27 摄氏度，后车厢的整体空气温度下降了约22 摄氏度。前舱中的大的再循环流在将冷空气与周围的热空气混合方面非常有效，这导致前排乘客座椅附近的温度相当均匀。随着时间的增加，前后乘客舱持续冷却。600秒后，如图16所示，前呼吸水平温度和后呼吸水平温度显著下降。一小时后，如图17所示，前呼吸水平温度降至13 摄氏度，后呼吸水平温度降至15 摄氏度。

挡风玻璃结构的比较

如图18所示，增加车身隔热层，情况2和情况4在浸泡期间产生了最高的挡风玻璃温度。这类似于“绿色房子”效应。如图18所示，由于高均热温度，在整个一小时冷却期间，情况2和情况4的玻璃温度高于基线情况。如图18所示，情况5和情况6（使用生产的SUNGATE-EP玻璃）由于SUNGATE-EP的高反射率而使玻璃温度低得多，特别是对于红外太阳能负载（如表2所示）。太阳能反射玻璃窗反射83%的红外太阳能，仅允许3%的太阳能通量透射到机舱内。因此，SUNGATE-EP玻璃的低太阳能吸收率在浸泡期间产生低得多的挡风玻璃温度。由于玻璃温度较低，带有太阳能反射玻璃窗的箱子也可以减少热量损失到内部客舱。

仪表板（IP）和内部座椅配置的比较

如图19所示，预测的IP表面温度与挡风玻璃温度相似。同样，在冷却期间，单独的主体绝缘产生较高的浸泡温度和较高的表面温度。一般来说，减少热质量的效果对A/C性能有积极的影响。在冷却过程中，太阳能负载本身的减少使内表面温度显著提高。经过一小时的冷却过程后，内部座椅温度降至25 ℃以下，达到稳态条件。

呼吸水平测量的比较

呼吸水平温度被定义为乘员面部前方的空气温度，并且该量已用于评估A/C系统性能。呼吸水平温度是与乘员热舒适性相关的重要参数之一。在本研究中，呼吸水平温度用于比较六个测试用例的性能。如图21和图22所示，由于“绿色房屋”效应，增加了主体绝缘，情况2产生了最高的浸泡温度。如图21和图22所示，由于高的均热温度，在整个一小时冷却期间，情况2的总体性能比基线情况差。与基线相比，减少的热质量（情况3）在瞬态冷却期间产生了明确的优势。然而，随着座舱热环境接近稳定状态，这种益处减小。由于较高的均热温度，情况4在冷却过程的前6分钟期间产生了比基线情况更差的性能，但是由于低热质量的影响，在冷却6分钟之后趋于超过基线情况的性能。太阳能反射玻璃（SUNGATE-EP）窗户通过减少车辆上的总太阳能负荷而大大降低了浸泡温度。案例6（太阳能反射窗、车身隔热和减少内部热质量）在所有各种案例中产生了最佳性能。案例5仅展示了减少的太阳能负载的影响。通过比较本研究中的所有不同情况，很明显，性能改善的很大一部分来自机舱内太阳能负荷的减少。身体隔热的效果是边际的在一小时的冷却过程中，而舱内热质量的减少对整体性能是有效的。实现内部热质量减少50%可能是不切实际的。作为基准，我们使用基线中达到的呼吸水平温度（冷却开始后30分钟的情况）。表3比较了在冷却期间达到该呼吸水平温度所需的时间。案例3和案例6非常相似，再次强调了太阳能负载减少和车辆热质量减少的重要性。单独的主体绝缘将性能从30分钟的基线降低到33分钟。

人体的热舒适感是非常复杂的。它涉及一个人在特定条件下的生理和心理状态。乘客不会“感觉”到机舱内的空气温度，但他们会感觉到身体的热量损失。影响人体热舒适的因素是影响人体热损失的所有变量。等效均匀温度（EHT）被定义为“在空气速度等于零的假想封闭空间中的均匀温度，其中人将通过辐射和对流交换与实际非均匀环境中相同的干热”。EHT是公认的在高度不均匀的热环境下人体热损失影响的量度。由于辐射和对流热通量的复杂相互作用，它在车辆乘客舱的有限空间中特别有用。EHT的主要参数是空气温度、来自热（或冷）表面的平均辐射温度、乘员服装水平和HVAC气流。EHT的优点是它以一个单一的变量来表示综合热影响的效果，该变量代表了乘员的热舒适性。EHT是居住者在实际热环境中感觉到的温度。来自UC Berkeley人体生理学模型的EHT计算基于人体体温调节系统的热平衡。在本研究中，使用一种更简单的近似形式来评估EHT。当前的热舒适性评级基于1至9的量表，如图23所示。EHT和通用汽车舒适度之间的简单相关性是以前根据夏季和冬季骑行期间积累的车辆骑行数据的完善数据库开发的。

在30分钟和60分钟的冷却过程后，对所有6例病例的EHT进行了评价。在表4中，基线情况高于舒适区的上限，并且相应的热舒适度标度被预测为"温暖"。对于情况6，预测的舒适度在舒适区内，并且预测相应的热感觉在"舒适"和"稍微温暖"之间。基线和情况6之间的热舒适性的大差异主要是由于进入机舱的直接太阳能通量的幅度低得多，周围平均辐射温度低，以及情况6的呼吸水平温度低。

作为基准，我们还使用了在冷却开始后30分钟的基线情况下实现的热舒适度。表5比较了在冷却期间达到相同舒适度所需的时间。案例5和案例6非常相似，并强调了太阳能负载减少的重要性。较低的挡风玻璃和IP温度显着改善了平均辐射温度对乘员热舒适性的影响。通过比较本研究中的所有情况，很明显，性能改善的很大一部分来自机舱内太阳能负载的减少。案例5仅展示了减少的太阳能负载的效果以及在舒适度方面的整体性能，其非常接近案例6。单独的车身绝缘将性能从30分钟的基线降低到36分钟。在未来的研究中，我们可以估计多少A/C节能可以实现情况6，以满足当前的A/C系统的性能。案例6体现了太阳能反射玻璃窗与质量减少和车身隔热相结合，以减少热负荷。可以通过降低A/C系统的输出容量直到呼吸水平温度达到基线呼吸温度来估计A/C压缩机功率节省。通过减少太阳能负载、减轻质量和身体绝缘，可以在压缩机功率中实现期望的功率节省，同时保持基线情况的呼吸温度。通过对包括冷凝器、加煤风机、蒸发器和鼓风机在内的整个A/C系统进行整体优化，预计将进一步节省成本。在未来的研究中，我们计划基于人体生理学模型和新的舒适度相关性来评估乘员热舒适度。这包括评估由于客厢热负荷减少而实际节省的HVAC功耗。

05  结    论

我们研究了各种车辆座舱热环境的敏感性，以评估车身隔热、车辆热质量减少和各种玻璃特性对A/C系统性能的影响得出以下结论：1.单独的车身绝缘，没有太阳能反射窗，在热浸泡和冷却期间产生了更差的性能。粗略地说，在冷却过程中，预测呼吸水平温度高于基线情况。2.在一小时的冷却模拟后，身体绝缘的积极效果趋于显现。在较长的时间内，更好的车身绝缘可以有助于稳态热负荷的降低。3.在冷却过程的早期阶段，内部热质量减少50%的效果对AC性能表现出积极的影响。据估计，在30分钟的冷却过程中，热舒适度比基线情况提高了大约0.4。随着时间的推移，系统接近稳定状态，这种好处会减少。然而，实现内部热质量减少50%可能是一个很大的挑战。4.结合车身隔热和内部质量减少产生了最高的浸泡温度。在最初的6分钟冷却过程后，整体性能超过了基线情况。在冷却30分钟后，预测热舒适度比基线情况下提高约0.3。5.太阳能反射窗的效果与减少身体绝缘和内部热质量减少产生更好的系统性能。在30分钟的冷却过程中，预测热舒适度的改善为1.4。6.通过简单地将太阳能反射窗添加到基线情况，A/C系统的整体性能比基线情况显著改善。大部分的改进是由于高太阳反射率。太阳窗户能反射对人体热舒适度的改善幅度约为1.2。太阳能反射窗单独优于车身隔热与内部质量减少。7.增加更多的身体隔热的概念并没有产生改善的空调系统性能的热浸泡和冷却的情况下。这个概念必须与太阳能反射窗和减少内部热质量相结合。