汽车CO2热泵节能潜力及座舱热舒适性评价

摘    要   

目前，热泵空调系统在电动汽车上得到了广泛的应用。然而，大多数先前的仿真研究侧重于一维(1D)系统性能，而不是三维(3D)座舱热舒适性。本文提出了一种基于加权预测均值投票(PMV)模型的一三维耦合跨临界CO2热泵空调系统运行控制策略。通过一维计算获得了多个热力系统的数学表征，通过三维模拟描述了机舱热环境。通过实时交互的三维客舱热环境参数计算加权预测平均投票值，同时为一维制冷系统提供控制信号。

01  前    言 

      目前还没有发表过将加权PMV作为1D/3D耦合客舱热管理系统控制策略的研究。以往的仿真研究大多侧重于系统性能分析，而忽略了客舱热舒适性。本文提出了一种基于加权预测平均投票(PMV)模型的跨临界CO2热泵空调系统运行控制策略。该方法具有以下三个优点:1)一维跨临界CO2热泵空调系统通过与三维舱室CFD求解器的实时数据交换，实现精确的回风边界条件。2)三维舱室模型为实时加权PMV计算提供了详细的流场和热场信息。3)加权PMV控制策略不仅根据实时客舱热环境计算PMV值，而且根据热舒适范围向空调热泵系统返回控制信号，从而降低了压缩机的功耗。

02  模型描述

       基于加权PMV控制策略的1D-3D耦合热管理系统如图1所示。它主要由三个部分组成：基于GT-Suite的一维(1D)空调/热泵模型、基于STAR-CCM+的三维(3D)客舱模型和热舒适模型。在运行过程中，三维舱室模型为一维热泵/空调系统提供准确的回风边界条件。

       开启加权PMV控制后，根据座舱三维热特性计算加权PMV值，反馈给一维模型进行系统运行控制。

图1 加权PMV控制策略的整体控制流程

        图2为跨临界CO2汽车热泵空调系统原理图，包括制冷和制热方式。跨临界CO2汽车热泵空调系统的主要部件包括CO2压缩机、室内换热器、室外换热器、内部换热器、蓄能器、膨胀阀(EXV)。汽车空调系统通过四通阀切换功能模式，在制冷模式和制热模式之间切换。在GT-suite 1D模型中，空气成分设置为湿润空气。湿度种类设置为GT-SUITE库中的“h2o-vap”，相对湿度初始状态设置为50%。

图2  跨临界CO2热泵空调系统原理图

       本文以一个五座的客舱为研究对象。乘客舱的几何模型是参考汽车的实际结构，在CAD软件Inventor中建立的。客舱内部容积约为2.8 m^3，在客舱内增加了5个人体模型并放置在座椅上，如图3 (a)所示。鉴于本研究的重点是建立一维热泵空调系统与三维CFD客舱的联合仿真模型，因此对人体模型和客舱几何模型进行了简化。人体模型考虑人体正常的代谢产热，而不考虑呼吸引起的湿度变化。根据ASHRAE标准，驾驶工况下驾驶员表面热流密度设定为70 W⋅m^(-2)，乘客表面热流密度设定为58 W⋅m^(-2)。客舱模型包括简化的客舱表面、座椅、空调管道、窗户和人体模型。考虑到本文的联合仿真模型需要通过两个软件的接口进行实时数据交互，过多的网格数量将大大降低计算速度和效率。因此，需要较少的网格数，以避免过多的模拟时间和足够的计算精度。当网格数为201608时，监测点的稳态温度值与栅格数较多时无显著差异，如表1所示。因此，在考虑联合仿真求解效率和精度的基础上，将网格划分方案设置为200 mm的基尺寸。乘员舱网格图如图3 (b)所示。

图3  三维乘员舱模型图及数值网格

       传统的跨临界CO2热泵空调系统一般通过一定的回风温度进行调节，如24℃或26℃。风扇通过PID控制风量，最终达到设定温度。

       本文提出了一种基于加权PMV模型的新型控制策略，如图4所示。控制策略的实现过程如下。在提出的控制策略中，目标是在满足热舒适的前提下降低功耗，这就需要一种新的PMV PID控制器。实时加权PMV是基于座舱热环境计算的。需要加权PMV作为新控制器的被控变量。然后控制器根据实际PMV与目标PMV的差值控制回风温度的设定。最后，控制器达到稳定状态，直到实际PMV等于热舒适边界。

在控制过程中，回风温度目标值的变化会引起客舱热环境的变化。因此，回风温度的变化率必须处于较低的值，以满足控制的稳定性。此外，如果新控制器的调节范围太大，则会引起系统参数的振荡，难以稳定。有必要为系统预设回风温度。在本研究中，系统仿真模型在仿真时间为500s时开启加权PMV控制。

       参照ISO标准，当PMV值在±0.5以内时，可认为环境处于热舒适状态。在本研究中，跨临界CO2热泵空调系统采用加权PMV值控制，在热舒适范围内尽可能降低压缩机转速以节约能耗。

图4  加权PMV控制策略流程图

03  结果与讨论  

       图5为不同时间舱室中部及前排温度水平等高线图，模拟工况为夏季典型制冷模式35℃下空调启动过程。从面吹风管、足吹风管和后风口吹出的冷空气进入舱内，在舱内形成空气循环，并通过回风口返回空调系统。参考温度轮廓的分布可以看出，由于冷空气循环过程的影响，更多的冷空气到达前排乘客和驾驶员的中部，例如手区。到达腿部下部的冷空气较少。即前排乘客和驾驶员的腿和脚暴露在温度较高的环境中，而手暴露在温度较低的环境中。由于更多的冷空气到达后排乘客的腿部区域和上半身，后排乘客的腿部和上半身处于较低的温度环境中。虽然到达后排乘客脚和头的冷空气较少，但后排乘客的脚和头处于较高的温度环境中。

       当空调打开时，机舱内的空气温度迅速下降。在t=20s时，驾驶员和乘客周围的空气温度降到30℃以下。同时，机舱内整体温度分布不均匀。暖通空调出口附近的空气温度较低，而回风出口附近的空气温度较高。

图5  舱内温度等高线图的演变

       本研究选取35℃和43℃作为夏季空调制冷方式的典型环境温度。两种工况的预设温度分别为24℃和26℃。预设送风温度为12℃。预设排放压力为35℃时9MPa, 43℃时11MPa。35℃和43℃时，太阳直射强度分别为800 W⋅m^(-2)和1000 W⋅m^(-2)。座舱热舒适PMV和热力学参数的轨迹如图6所示。

       35℃环境温度下的结果如图6(a)所示。在前500秒内，回风温度由风扇流量控制，客舱的热环境是不断变化的。热舒适PMV也随着体温的变化而变化。最终回风温度在200秒内达到稳定值，PMV值稳定在0.151和-0.289，均满足ISO标准PMV舒适范围。500s时开启加权PMV控制，在制冷模式下通过改变回风温度值将PMV控制在热舒适边界处。随着风机风量逐渐减小，回风温度升高，PMV值相应增大。最终PMV值逐渐稳定在0.5，回风温度稳定在27.76℃，风机风量稳定在241.9 m^3/h。

       43°C环境温度下的结果如图6(b)所示。与35°C的控制过程类似，回风温度在前500秒内由风扇流量控制。回风温度在200秒内达到稳定值，PMV值在-0.044和-0.551。26℃预设温度下PMV满足ISO标准PMV舒适范围，24℃预设温度下PMV不满足。500s时开启加权PMV控制，最终PMV值稳定在0.5，回风温度稳定在28.55℃，风机风量稳定在333m^3 /h。

       同时，冬季热泵采暖方式的典型环境温度选择为-10℃和0℃。两种工况的预设温度分别为22℃和24℃。预设送风温度42℃，预设排风压力8.5MPa。太阳辐射强度设为0。座舱热舒适PMV和热力学参数的轨迹如图7所示。

       -10◦C环境温度下的结果如图7(a)所示。在前500秒内，回风温度由风扇流量控制，客舱的热环境是不断变化的。热舒适PMV也随着体温的变化而变化。最终，回风温度在350秒内达到稳定值，PMV值稳定在-0.028和-0.217，均满足ISO标准PMV舒适范围。在500s时开启加权PMV控制，在采暖模式下通过改变回风温度值将PMV控制在热舒适边界。随着风机的气流逐渐减小，回风温度降低，PMV值也相应减小。最后PMV值逐渐稳定在-0.5，回风温度稳定在19.98℃，风机风量稳定在198.6 m3/h。

       0◦C环境温度下的结果如图7(b)所示。类似于-10◦C的控制过程，回风温度由前500秒内的风扇流量控制。回风温度在350秒内达到稳定值，PMV值分别为0.079和-0.19，均满足ISO标准PMV舒适范围。500s时开启加权PMV控制，最终PMV值稳定在-0.5，回风温度稳定在19.97℃，风机风量稳定在112.5 m^3/h。

图6  夏季条件下跨临界CO2空调系统回风温度、PMV和气流速率的轨迹

图7  冬季条件下跨临界CO2热泵系统回风温度、PMV和空气流速的轨迹

       本研究选择35℃和43℃作为夏季空调制冷方式的典型环境温度，其余详细工况已在3.2中介绍。压缩机转速和功耗的变化轨迹如图8所示。

       35℃环境温度下的结果如图8(a)所示。在前500秒内，压缩机转速控制送风温度在压缩机转速控制下稳定在12℃。系统温度为26℃时，压缩机功耗稳定为0.387 kW;系统温度为24℃时，压缩机功耗稳定为0.441 kW。加权PMV控制在500s打开。随着回风温度目标值的增大，客舱所需制冷量减小。在满足送风温度的前提下，压缩机转速相应降低，从而降低了压缩机的功耗。最后，空调系统在压缩机转速为852RPM时稳定运行，压缩机功耗稳定在0.347 kW。与关闭PMV舒适控制相比，在26◦C的预设温度下，功耗降低10.3%，在24◦C的预设温度下，功耗降低21.3%。

       43◦C环境温度下的结果如图8(b)所示。类似于35°C的控制过程，在前500秒内，送风温度由压缩机速度控制。26℃时压缩机功耗稳定在0.848 kW, 24℃时压缩机功耗稳定在0.933 kW。

       加权PMV控制在500s时打开。最后，空调系统在压缩机转速1354RPM下稳定运行，压缩机功耗稳定在0.772 kW。与关闭PMV舒适控制相比，在预设温度为26◦C时，功耗降低9.1%，在预设温度为24◦C时，功耗降低17.4%。

图8   夏季条件下跨临界CO2空调系统的压缩机转速和功耗轨迹

       压气机转速和功耗的变化轨迹如图9所示。

       -10◦C环境温度下的结果如图9(a)所示。在前500秒内，压缩机转速控制送风温度在压缩机转速控制下稳定在42℃。系统温度为24℃时，压缩机功耗稳定在0.801 kW;系统温度为22℃时，压缩机功耗稳定在0.674 kW。加权PMV控制在500s时打开。随着回风温度目标值的降低，客舱所需的制热能力降低。在满足送风温度的前提下，压缩机转速相应降低，从而降低了耗电量。最终，热泵系统在压缩机转速1216 RPM时稳定运行，压缩机功耗稳定在0.547 kW。与关闭PMV舒适控制相比，在24◦C预设温度下功耗降低31.7%，在22◦C预设温度下功耗降低18.8%。

       0◦C环境温度下的结果如图9(b)所示。与-10◦C的控制过程类似，在前500秒内，送风温度由压缩机速度控制。系统温度为24℃时，压缩机功耗稳定在0.404 kW;系统温度为22℃时，压缩机功耗稳定在0.332 kW。

       加权PMV控制在500s时打开。最终，热泵系统在压缩机转速538 RPM下稳定运行，压缩机功耗稳定在0.268 kW。与关闭PMV舒适控制相比，在24◦C的预设温度下，功耗降低33.7%，在22◦C的预设温度下，功耗降低19.2%。该加权PMV控制策略通过改变风机风量和压缩机转速，既能满足热舒适的要求，又能降低系统功耗。

图9   冬季条件下跨临界CO2热泵系统压缩机转速和功耗轨迹

图10为不同环境温度下跨临界CO2热泵空调系统冬季采暖方式与夏季制冷方式的功耗对比图。在不同的环境条件下，加权PMV控制策略与预设比温方法相比，显示出不同的节能效果。与22◦C和24◦C设定温度相比，加权PMV控制在热泵加热-10◦C工况下可分别节省18.8%和31.7%的电能，在0◦C工况下可分别节省19.2%和33.7%的电能。与24◦C和26◦C设置温度相比，加权PMV控制在35◦C热泵加热条件下可分别节省21.3%和10.3%的电能，43◦C时可分别节省17.4%和9.1%的电能。需要注意的是，具体的节能潜力与传统控制器的设定温度有关。PMV控制策略的核心优点是指出变工况下最节能的三设定点。同时，也能保证乘客在热舒适范围内。

         因此，对于跨临界CO2热泵空调系统，加权PMV控制策略在制热工况下的整体节能效果优于制冷工况。在极端环境条件下，该控制策略的节能性能更为明显。综上所述，考虑到电能节能性能，所提出的加权PMV控制策略为跨临界CO2热泵空调系统提供了良好的性能。

图10   总结不同工况下的节能性能。

04  结论

       本文提出了一种新的跨临界CO2热泵空调与客舱热管理集成仿真框架，该框架由一维制冷循环、三维计算流体动力学(CFD)客舱和热舒适控制模块组成。一维模型主要负责跨临界CO2循环各组分之间的系统关系，三维客舱模型用于获取客舱热环境瞬态响应的详细信息。提出了加权PMV控制策略来评估和满足乘客的热舒适性，为跨临界CO2热泵空调系统降低能耗提供控制信号。可得出以下结论:

       (1)采用所建立的一维和三维联合仿真模型，研究了跨临界CO2热泵空调系统对客舱热环境的响应。与一维系统仿真相比，一维和三维耦合模型可以准确地分析热泵空调系统的动态特性。

       (2)提出的一、三维耦合模型实现了客舱温度的实时传递，准确描述了客舱的非均匀热环境。加权的predict Mean Vote模型分析乘客的热舒适性，并基于predict Mean Vote值为CO2热泵空调系统提供实时控制信号。开启预测平均投票控制后，压缩机转速和室内风量均先减小后稳定。

       (3)加权预测均值投票控制策略既能满足乘客热舒适要求，又能降低系统功耗。与设定精确温度值相比，该控制策略可使夏季空调制冷模式下的耗电量至少降低9.1%;在冬季热泵采暖模式下，该控制策略可使耗电量至少降低18.8%。

       上述仿真性能和优势表明了所提出的一维和三维耦合仿真方法的应用潜力。该控制策略有助于提高车辆的续驶里程，为电动汽车综合热管理和温度控制系统的设计提供理论参考。

   本期编辑|周睿卓    

                审      核|何藤升、王艺霖    

Shuo Z ,Wenyi W ,Xiang Y , et al. evaluation of energy-saving potential and cabin thermal comfort for automobile CO2 heat pump [J]. Applied Thermal Engineering, 2023, 228.

doi:10.1016/J.APPLTHERMALENG.2023.120339.