方艙型應(yīng)急通信車車載空調(diào)調(diào)溫能力估算方法

馮瑞馨

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方艙型應(yīng)急通信車車載空調(diào)調(diào)溫能力估算方法

馮瑞馨

北京航天控制儀器研究所，北京 100094

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高，人們對于生活環(huán)境的舒適性要求也越來越高。空調(diào)不僅在住房等固定地點安裝，也越來越多地應(yīng)用在各種車輛上。方艙型應(yīng)急通信車是在二類底盤的基礎(chǔ)上加裝方艙建設(shè)而成，空間經(jīng)分割后用來安裝通信設(shè)備、控制臺、輔助設(shè)備。為了保證通信設(shè)備的正常使用和現(xiàn)場操作人員的舒適性，需要在方艙中加裝車載空調(diào)系統(tǒng)。方艙既是車輛的一部分也是一個小的機房。結(jié)合汽車空調(diào)設(shè)計方法和機房空調(diào)選型方法，提出一種方艙型應(yīng)急通信車車載空調(diào)調(diào)溫能力估算方法，作為方艙用空調(diào)系統(tǒng)選型的技術(shù)依據(jù)。

汽車空調(diào)；應(yīng)急通信車

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高，人們對于生活環(huán)境的舒適性要求也越來越高?？照{(diào)，作為自然環(huán)境的調(diào)節(jié)、補充手段，也越來越重要。最初，僅在住房、辦公地點等固定地點安裝有空調(diào)。19世紀80年代初，隨著少數(shù)汽車制造企業(yè)從國外引進技術(shù)和設(shè)備，在轎車和客車開始安裝空調(diào)系統(tǒng)，時至今日，在工程車、卡車上的空調(diào)系統(tǒng)也成為標準配置。

應(yīng)急通信車是工程車的一種。應(yīng)急通信是在出現(xiàn)突發(fā)緊急情況時，綜合利用有線、無線、衛(wèi)星等多種通信資源，保障應(yīng)急指揮、緊急救援的重要通信方式，應(yīng)急通信車是應(yīng)急通信設(shè)備的載體平臺，是固定指揮中心的擴展和延伸[1]。

方艙型應(yīng)急通信車是在二類底盤的基礎(chǔ)上加裝方艙建設(shè)而成，目前方艙的制造方法是金屬冷軋方管焊接成骨架，骨架空隙車填裝保溫隔音材料，內(nèi)外蒙鋁板，方艙中的空間經(jīng)分割后用來安裝通信設(shè)備、控制臺、輔助設(shè)備，為了保證通信設(shè)備的正常使用和現(xiàn)場操作人員的舒適性，需要在方艙中加裝車載空調(diào)系統(tǒng)。

但是如何確定空調(diào)的技術(shù)參數(shù)、既能滿足方艙內(nèi)空間的溫度調(diào)節(jié)需求又不造成能源浪費呢？作者認為方艙既是車輛的一部分也是一個小的機房，既有人員的散熱和新風(fēng)需求，也有較多設(shè)備的散熱冷卻需求，因此空調(diào)系統(tǒng)計算既不能按照汽車空調(diào)計算方法，也不能完全按照機房空調(diào)選型方法，同時應(yīng)急通信系統(tǒng)設(shè)計人員非空調(diào)專業(yè)設(shè)計人員，既沒能力也沒必要做過于專業(yè)和精細的空調(diào)參數(shù)設(shè)計，經(jīng)過多年實際工程經(jīng)驗，作者提出一種方艙型應(yīng)急通信車車載空調(diào)調(diào)溫能力估算方法，作為方艙用空調(diào)系統(tǒng)選型的技術(shù)依據(jù)。

1 汽車空調(diào)的計算要點及公式

汽車空調(diào)是汽車空氣調(diào)節(jié)的簡稱，即采用人工制冷和采暖的方法，調(diào)節(jié)車內(nèi)的溫度、濕度、氣流速度、潔凈度等參數(shù)指標，從而為人們創(chuàng)造清新舒適的車內(nèi)環(huán)境。汽車空調(diào)與建筑空調(diào)有許多不同之處，具體總結(jié)如下。

（1）汽車直接暴露在太陽下或風(fēng)雪下，隔熱措施困難，隔熱效率不高；

（2）汽車車廂容積小，乘員所占空間比例較大，人體散熱量大；

（3）車窗所占面積比例較大，易受陽光直射，導(dǎo)致車廂內(nèi)溫度很高；

（4）車廂內(nèi)溫度還受地面熱量反射、發(fā)動機輻射熱以及換氣熱影響，汽車空調(diào)熱負荷較大。

（5）汽車的行駛速度變化無常，難以保證穩(wěn)定的空調(diào)工況。

汽車空調(diào)應(yīng)保證在任何條件下，車廂內(nèi)部都具有舒適的溫度范圍和氣流平均速度。舒適的溫度范圍，冬季為16～20?℃，夏季為20～28?℃；舒適的氣流平均速度一般為0.25?m/s。以常用車速50??km/h、空氣焓值：29.4?kcal/kg、日射強度：860?kcal/m2h（1000??W/m2）作為設(shè)計基準，計算冷、熱負荷（汽車空調(diào)的熱負荷計算是以設(shè)計空調(diào)為目的，所以單位采用kcal）。

1.1 熱負荷的計算

Q熱= Qh+ Qt+ Qi+ Qf

其中：Qh為人體熱負荷；Qt為溫差熱負荷；Qi為太陽輻射熱負荷（kcal/h）；Qf為電器熱負荷，分別計算如下。

1.1.1人體熱負荷

Qh= 100′n （kcal/h）

其中：n為乘員數(shù)量；100為人體每小時散熱量（kcal/h）。

1.1.2溫差熱負荷

Qt= K′A′Δt（kcal/h）

其中：K為熱傳導(dǎo)率（kcal/m2h℃），一般取經(jīng)驗值2.24 kcal/m2h℃；A為車內(nèi)表面積（m2）（不包括玻璃面積）；Δt為車內(nèi)外空氣溫差（℃）。

1.1.3太陽輻射熱負荷

Qi= Ig′Ka′Ag

其中：Ig為日射熱量（kcal/m2h）；Ka為熱量取得率；Ag為玻璃投影面積（m2）。

1.1.4電器熱負荷

Qf= CL1′860′Kw

其中：CL1為發(fā)熱系數(shù)，取0.6～0.75，860∶860kcal/h；Kw為車內(nèi)電器功率（kW）。

1.2 制冷量的計算

根據(jù)經(jīng)驗制冷量取熱負荷的1.5倍，即 Q冷= 1.5 Q熱。

2 機房空調(diào)的計算要點及公式

由于電子設(shè)備對其所處的環(huán)境條件參數(shù)極為敏感，它需要特定的溫度、濕度和潔凈度來保證其高效的運行，否則，將引起數(shù)據(jù)失真、丟失甚至電子設(shè)備完全停止工作。為使機房內(nèi)設(shè)備能夠安全、可靠的運行，發(fā)揮最大工作效率，管理操作人員有一個良好的工作環(huán)境，需要在機房安裝機房空調(diào)系統(tǒng)。國家規(guī)定機房區(qū)——室溫：A級 22?℃±2?℃，濕度：40%～60%，＞5μ塵埃粒度＜18?000粒/dm3。

機房?？照{(diào)的特點總結(jié)如下：

（1）機房專用空調(diào)機運行時通常不需要除濕，循環(huán)風(fēng)量較大將使機組在空氣露點以上運行，有利于穩(wěn)定機房的溫、濕度指標；

（2）機房專用空調(diào)能夠適應(yīng)機房的幅度較大的熱負荷變化，以使元器件工作在所要求的環(huán)境條件之中，保證電氣性能的可靠性；

（3）機房專用空調(diào)機內(nèi)設(shè)有初、中效兩級過濾器，使機組送出的泠氣達到一定的凈化能力，以滿足潔凈度要求；

（4）具有報警功能、自我診斷功能、后備機組管理功能；

（5）能在室溫降至－15?℃以下時仍能制冷運行；

（6）送進機房的空氣是經(jīng)過處理后的空氣，新風(fēng)在空調(diào)系統(tǒng)中含量應(yīng)約占送風(fēng)量的5%～10%為宜。

計算機房熱負荷的是以選擇適宜的空調(diào)為目的，因此單位采用kW，同時因新風(fēng)熱負荷計算較為復(fù)雜，以空調(diào)本身的設(shè)備余量來平衡，不另外計算。

機房的總熱負荷計算公式：

Q熱= Q1+ Q2+ Q3+ Q4

其中：Q1為設(shè)備熱負荷；Q2為機房照明熱負荷；Q3為建筑圍護結(jié)構(gòu)熱負荷；Q4為人體熱負荷。分別計算如下：

設(shè)備熱負荷：

Q1=P×n1×n2×n3 （kW）

其中：P為機房內(nèi)各種設(shè)備總功耗（kW）；n1為同時使用系數(shù)；n2為利用系數(shù)；n3為負荷工作均勻系數(shù)；考慮制冷量的冗余，通常n1×n2×n3，取值為0.6～0.8。

機房照明熱負荷：

Q2=C×S （kW）

其中：C為照明功耗，取20?W/m2（根據(jù)國家標準《計算站場地技術(shù)要求》要求，機房照度大于2001x計算）；S為機房面積。

建筑維護結(jié)構(gòu)熱負荷：

Q3=K×S/1000 （kW）

其中：K為建筑維護結(jié)構(gòu)熱負荷系數(shù)（50?W/m2機房面積）；S為機房面積。

人體熱負荷：

Q4=P×N/1000 （kW）

其中：N為機房常有人員數(shù)量；P為人體發(fā)熱量，室溫為21?℃和24?℃時均取130?W/人。

3 方艙型應(yīng)急通信車空調(diào)調(diào)溫能力估算方法

綜上所述，可知方艙型應(yīng)急通信車兼具汽車和機房的使用特點，同時因應(yīng)急要求還有自身的需求，具體總結(jié)如下：

（1）工作情況下會長時間暴露在陽光或風(fēng)雪下，車體隔熱效率不高；

（2）高溫工況下，在一定時間內(nèi)艙內(nèi)空調(diào)能將艙內(nèi)環(huán)境溫度降低到理想溫度；

（3）低溫工況下，在一定時間內(nèi)艙內(nèi)空調(diào)能將艙內(nèi)環(huán)境溫度升溫到理想溫度。

因此，方艙型應(yīng)急通信車空調(diào)調(diào)溫能力計算時同時參考機房空調(diào)計算和汽車空調(diào)設(shè)計公式和系數(shù)。

3.1 熱負荷計算公式說明

艙內(nèi)主要熱源為設(shè)備熱負荷、工作人員熱負荷、太陽輻射熱負荷、溫差熱負荷、艙體內(nèi)空氣降溫的熱容量（即為了將艙體內(nèi)環(huán)境溫度降低到理想溫度，需消除的空氣中的熱量），因艙內(nèi)照明采用LED燈帶，照明熱負荷忽略不計。分別計算如下：

3.1.1 設(shè)備熱負荷Q1

Q1=P×n1×n2×n3 （W）

其中：P為機房內(nèi)各種設(shè)備總功耗（W）；n1為同時使用系數(shù)；n2為利用系數(shù)；n3為負荷工作均勻系數(shù)，考慮制冷量的冗余，通常n1×n2×n3 取值為0.6～0.8，則 Q1=0.6P（W）。

3.1.2 工作人員熱負荷Q2

Q2=P×N（W）

其中：N為機房常有人員數(shù)量；P為人體發(fā)熱量，取130 W/人，則Q2= 130 N（W）。

3.1.3 太陽輻射熱負荷Q3

太陽輻射進入艙體內(nèi)的熱量一般通過向陽面隔熱壁傳入，艙體最大面積的向陽面為頂面及側(cè)面?，F(xiàn)僅計算從這兩面?zhèn)魅肱擉w內(nèi)的熱功率。

Q3= K×FP×（Tm-T）

其中：K為艙壁的平均傳熱系數(shù)，換算后取2.5 W/ m2℃；FP為艙體頂面和側(cè)面面積總和，m2；Tm為太陽照射下向陽面的平均溫度，計算時取為Tm=（T外+20）℃；T外為艙體外環(huán)境溫度，℃。

則Q3= 2.5×FP·20=50×FP（W）

3.1.4 溫差熱負荷Q4

艙體由內(nèi)外溫差所引起的傳導(dǎo)熱可采用穩(wěn)定傳導(dǎo)熱計算法的簡化公式進行計算，計算公式如下：

Q4= K×A×（T外-T內(nèi)）

其中：K為艙壁的平均傳熱系數(shù)，取2.5?W/m2℃；A為艙體平均幾何面積，m2；T外為艙體外環(huán)境溫度，℃；T內(nèi)為艙體內(nèi)環(huán)境溫度，℃。

則Q4= 2.5×A×（T外-T內(nèi)） （W）

3.1.5 艙體內(nèi)空氣降溫的熱容量Q5

為了將艙體內(nèi)溫度降到理想溫度，需消除車內(nèi)空氣中的熱量，按下式計算：

Q5=CP×ρ×V×（T內(nèi)-23）/Zt

其中：CP為定壓比熱，取1?kJ/kg·m3；ρ為空氣比重，取1.29?kg/m3；V為艙體內(nèi)部容積，m3；T內(nèi)為艙體內(nèi)環(huán)境溫度，℃；23為艙體內(nèi)理想溫度；Zt為調(diào)節(jié)時間S，考慮應(yīng)急情況下環(huán)境應(yīng)能盡快達到設(shè)備使用要求，此項取900?s，即15?min。

則Q5=[（1000×1.29×V×（T內(nèi)-23）]/900（W）= 1.433×V×（T內(nèi)-23）

綜合上述計算：

Q熱=Q1+ Q2+ Q3+ Q4+ Q5（W）

即選用空調(diào)的制冷功率大于Q熱，此時當(dāng)環(huán)境溫度為T內(nèi)時，15分鐘內(nèi)空調(diào)能將指揮艙艙體內(nèi)的溫度降至23?℃，同時能平衡后續(xù)工作中熱備、人員、太陽輻射等熱量。

3.1.6 低溫工況下熱負荷計算公式

低溫工況下艙體熱負荷包括艙體內(nèi)外溫差傳熱、空氣升溫等幾方面，分別計算如下：

溫差熱負荷Q4’= 2.5×A×DT（W）

艙體內(nèi)空氣升溫的熱容量Q5’=1.433×V×（23-T內(nèi)）

綜合上述計算：

Q冷= Q4’+ Q5’（W）

即選用空調(diào)的制熱功率大于Q冷，此時當(dāng)環(huán)境溫度為T內(nèi)時，15 min能將指揮艙艙體內(nèi)的溫度升至23?℃，同時能平衡后續(xù)工作中環(huán)境中熱量。

[1]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003：90-92.

Estimation Method for Air Conditioning Capacity of Cabin Type Emergency Communication Vehicle

Feng Ruixin

Beijing Aerospace Control Instrument Research Institute, Beijing 100094

With the continuous improvement of science and technology, people’s comfort requirements for the living environment is also getting higher and higher. Air conditioners are not only installed in fixed locations such as housing, but also increasingly used in various vehicles. Emergency communication vehicle type is installed in the shelter shelter construction based on two types of chassis into space by the segmented to install console, communication equipment, auxiliary equipment, in order to ensure the normal use of communication equipment and operator comfort, need to install the vehicle air conditioning system in shelters. The vehicle of the shelter is a part of a small room, combined with the automobile air conditioning design method and selection method of air conditioning, emergency communications vehicles a cabin type vehicle air conditioning cooling capacity estimation method, with technical basis for selection of cabin air conditioning system.

automobile air conditioning; emergency communication vehicle

R82

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