宫晓彬，孙建逵，陆 平Gong Xiaobin，Sun Jiankui，Lu Ping
单席汽车空调应用研究及节能分析
宫晓彬，孙建逵，陆 平
Gong Xiaobin，Sun Jiankui，Lu Ping
（泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201208）
汽车单席空调模式是指仅对驾驶员区域进行空气调节，其他区域出风关闭的模式。通过试验研究对比了同等工况下单席空调与全席空调的出风温度、驾驶员区域空气温度、主观舒适度、空调系统制冷量/制热量数据。研究表明，单席空调在中温度下具有适用性，在保证驾驶员区域舒适性的前提下，节能效果显着。
单席空调；汽车空调；节能
0 引 言
汽车空调通过向乘客舱提供冷风或热风对乘客舱进行温度调节，以维持车内舒适性。在传统车上，通过发动机驱动制冷系统进行制冷，利用发动机余热进行加热；在新能源车上，通过电动机驱动制冷系统进行制冷，采用电加热或热泵系统进行加热。研究表明，在NEDC（New European Driving Cycle，新欧洲标准驾驶循环）下，空调系统开启使整车平均油耗增加28%，且与乘客舱容积成正比[1]。空调开启导致车辆污染物排放及油耗不同程度增加，在环境温度30 ℃、光照强度850 W/ m2、空调设定温度22 ℃时，油耗增加1.78～3.43 L/100 km，污染物排放量增加0.002～0.138 g/km[2]。国际上为测试空调油耗制定了专门的空调循环，并给予采用空调节能新技术的企业相应的奖励[3]。单席空调是新型空调节能技术，通过关闭乘客区域空调输出达到节能目的。
1 单席空调系统介绍
汽车空调系统由制冷系统、加热系统、空调箱系统、出风系统等组成。空调箱系统将空调出风加热或冷却到控制系统设定的目标值，输送到出风系统，使空调风被送到车内不同区域。通过特别设计的空调箱，可以选择性将风输送到特定的出风风道。
单席空调增加了出风模式选择性关闭功能。当单席功能开启时，非驾驶员区域的出风风道被关闭。如图1所示，只有驾驶员区域的出风口有空调风。
图1 单席与全席空调
2 试验研究
对汽车空调系统的整车进行热力学风洞试验研究。综合考虑单席设定适用环境，在中等环境温度（0～30 ℃）选取0 ℃、15 ℃、30 ℃3个温度条件进行试验。为排除车辆本身及试验过程中的干扰因素，设定车速为80 km/h匀速行驶，并维持空调设定温度24 ℃不变。综合试验环境条件及空调设定见表1。
表1 试验工况
3 数据分析
对试验结果进行两个方面的分析与评价，首先对单席/全席设定下的空调舒适度进行对比分析，然后对空调系统的制冷/热量进行对比分析。
3.1 舒适性分析
在进行SS（Single Seat，单席）/FS（Full Seat，全席）设定下的空调舒适度分析时，采用布置在驾驶员呼吸点区域的热电偶测点表示空调舒适性，结合出风温度进行综合对比分析，如图2～图4所示。
图2 环境温度30 ℃驾驶员区域空气温度和出风温度
图3 环境温度15 ℃驾驶员区域空气温度和出风温度
图4 环境温度0 ℃驾驶员区域空气温度和出风温度
从图2～图4可知，在单席状态下，为了维持驾驶员区域的舒适性（呼吸点区域空气温度维持在20～26℃），自动空调系统增强了出风温度，以弥补其他区域对驾驶员区域的热负荷。环境温度为30 ℃时，SS相比FS，空调出风温度下降了3～5 ℃，驾驶员区域的空气温度也下降了2℃，由于在高温环境下，空调出风直接导向车内上部空间即热电偶测点所在位置，更低的出风温度使空气温度降低；环境温度为15 ℃时，SS相比FS，出风温度上升7℃，驾驶员区域的空气温度下降了3℃，驾驶员区域仍处于空调的舒适性区间；环境温度为0 ℃时，SS相比FS，在发动机升温阶段，受到水温的限制，出风温度基本相等，在稳态阶段，出风温度上升12 ℃，驾驶员区域的空气温度下降7 ℃，此时驾驶员区域处于空调舒适性区间的边缘，属于偏冷的状态。在低温状态下由于空调负荷减小，发动机达到设定水温的时间缩短了4 min。
各环境温度下的空调舒适性数据及评价结果见表2。
表2 SS相比FS的空调指标变化
在0～30℃环境温度下，采用单席空调时，空调系统的输出增强，可以保证驾驶员区域的舒适性与全席空调基本一致。在0℃环境温度时，单席空调呼吸点温度下降较多，舒适性已达边界。
3.2 制冷/热量分析
在进行空调制冷/热量对比评价时，采用空调系统的风量、进出风温差、空气比热计算空调系统风侧输出到乘客舱的能量进行分析。
图5 环境温度30 ℃空调系统制冷/热量
图6 环境温度15 ℃空调系统制冷/热量
图7 环境温度0 ℃空调系统制冷/热量
由图5～图7可知，在单席状态时，空调系统的输出能量显着降低，差值最大出现在降温或升温阶段，此时空调负荷包括了车外传热负荷与车内内饰的散热负荷。30 ℃环境温度下，在3 000 s内，SS相比FS总负荷下降了30%，在稳态时差距缩小约25%，这是由于稳态时只有车外负荷，30 ℃与车内舒适温度24 ℃相差较小；15 ℃环境温度下，在1 500 s内，SS相比FS总负荷下降了50%；0 ℃环境温度下，在3 000 s内，SS相比FS总负荷下降了38%，在稳态时差距缩小约30%，这是由于随着环境温度的下降，车外负荷所占比例越来越大。
各环境温度下的空调制冷/热量数据及评价结果见表3。
表3 SS相比FS的空调制冷/热量及变化
在0～30 ℃环境温度下，从车辆启动到车内温度达到稳态，单席空调系统的总输出能量下降30%～50%；在稳态时，单席空调系统的输出能量下降25%～50%。
4 结 论
对装备单席功能的空调系统的整车进行热力学风洞试验，对比SS/FS状态下的试验数据得到如下结论：
（1）在中等环境温度下，采用SS空调可以基本保证驾驶员区域的舒适性，0 ℃环境温度时空调舒适性达到边界。
（2）在中等环境温度下，从车辆启动到车内温度达到稳态，SS空调系统的总输出能量下降30%～50%；在稳态时，SS空调系统的输出下降25%～50%。
综合以上，在中等环境温度下，SS空调可以在维持驾驶员区域舒适性的前提下降低空调系统能量输出25%～50%，单席空调有较大的节能潜力。
[1]张旭阳，胡志远，韩维维，等.空调对轻型乘用车油耗影响的试验研究[J]. 汽车技术，2020（5）：49-54.
[2]赵伟，赵亮，王玉伟，等.汽车空调对汽车污染物排放及油耗的影响[J]. 制冷与空调，2019，19（5）：58-61，70.
[3]张旭阳，韩维维，全秩枫，等.汽车空调节能技术和法规动态分析[J]. 上海汽车，2018（11）：44-48，59.
2021-01-13
U463.85+1
A
10.14175/j.issn.1002-4581.2021.03.009
1002-4581（2021）03-0036-03
