淺談夏季駐車車室溫度控制

殷云飛

摘 要：對于夏季停駐在空曠無遮陽區(qū)域的汽車而言，因被滯留在高溫車室而致使的兒童死亡案例時有發(fā)生，因此研究車室內的溫度控制及熱舒適性具有重要意義。溫度的合理控制能夠減少汽車空調系統(tǒng)啟動時的能耗，增加駕乘人員的舒適性。本文旨在簡述了現(xiàn)有的駐車車室溫度控制的方法，為該方面的研究提供參考。

關鍵詞：夏季駐車;溫度控制;熱舒適性;空調系統(tǒng)

1 介紹

在炎熱的夏季，汽車停放在無遮陽區(qū)域時，太陽輻射能通過車窗玻璃的透射作用以及汽車的金屬外殼傳熱，使得車廂內部的座椅、方向盤以及儀表板等部件的溫度升高，成為車室內的熱排放源，同時由于這些部件之間的對流換熱，使得車室內空氣溫度逐漸升高[1-6]。車室的封閉性使得車室內空氣無法與外部環(huán)境及時進行熱量交換，致使車室內的空氣溫度持續(xù)升高，當環(huán)境溫度為30～40℃時，車室內平均溫度為68℃，最高可達76℃[7]。高溫會增加汽車空調系統(tǒng)的負荷，根據數(shù)據統(tǒng)計，僅在美國每年就有大約260億升燃油用于汽車車室的冷卻[8]。同時過高的車室溫度會加速汽車內部塑料部件的老化，釋放VOC（揮發(fā)性有機物甲醛、苯及醛酮類）等有害物質，危害人的身體健康[9]。每年因被滯留在車室而中暑死亡的兒童數(shù)量也在增加[2，5，10]。同時，數(shù)以百計的兒童因被滯留在高溫車室后而患上不同程度的熱疾病[11]。因此，夏季汽車駐車時車室溫度控制越來越受到大眾的關注。

2 現(xiàn)有的溫度控制技術

近年來，對駐車車室內溫度控制和熱舒適性的研究一直在不斷發(fā)展，許多被動式和主動式技術已經被應用于解決長時間露天停放造成的車室溫度過高問題，減少了車室溫度達到熱舒適性所需要的時間，同時降低了汽車空調油耗量。被動式技術是指在汽車駐車條件下無需能量輸入就能降低駕駛室內部溫度的方法，而主動式技術則需要一定的能量輸入才能達到降溫的目的。

2.1 國內溫控技術

由于汽車在日常生活中的逐漸普及，夏季駐車時的車室溫度控制越來越受到人們的普遍關注，國內對于車室溫度控制的研究也在不斷發(fā)展。李玲[12]等提出了一種基于太陽能的車載溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠有效地保證鼓風機、排風扇和半導體制冷部件的可靠運行，實現(xiàn)車內溫度控制。針對車內溫度不同工況，該系統(tǒng)能夠自動調節(jié)降溫元件，進一步提高其經濟性。韓英斌和宋其江[13]等設計了一款基于太陽能電池供電的駐車空調系統(tǒng)，該系統(tǒng)智能控制蓄電池的充放電，根據車內溫度控制風機的功率，通過實現(xiàn)車內外空氣交換循環(huán)使車內溫度始終保持適宜狀態(tài)，而且可以通過手機GSM遠程操控。而姚燦[9]則提出在汽車原有空調系統(tǒng)中，用空氣放大器代替原有鼓風機，利用流體力學的附壁效應，以犧牲壓力來換取流量的特性，可使得流量為耗氣量的50倍。并采用了太陽能薄膜發(fā)電，既減少能耗節(jié)約資源，又能減少太陽光對汽車的輻射，同時能夠達到降溫的效果。

除此之外，孫學軍和蘇志軍[14]等對轎車空調車室空氣流場進行了數(shù)值模擬，計算了在一定進口雷諾數(shù)下，不同送風角度時空調車室內空氣流動的速度場和溫度場的變化，計算結果為空調車室內氣流組織的優(yōu)化設計和空調車室的舒適性送風控制研究奠定了基礎。

劉佳霓[15]等還建立了簡化的轎車客艙模型，采用CFD方法分析了作用時刻、駐車朝向及地理緯度等因素對客艙溫度場分布的影響。結果表明，高緯度地區(qū)客艙內部空氣平均溫度較高，而低緯度地區(qū)客艙內部空氣溫度最大值較高。對于北半球地區(qū)，露天停車場應將停車位設置為東西向，這樣更有利于減少駐車悶曬時客艙內部空氣的溫升。

2.2 國外溫控技術

近年來，伴隨著化石能源大量消耗帶來的環(huán)境污染問題，現(xiàn)階段的許多研究都集中在電動空調汽車的節(jié)能減排上[16]。利用可再生太陽能為空調提供動力，同時能夠減少能源消耗和溫室氣體的產生，已經引起了全球的關注[17-23]。另一方面，其他被動式溫控方式[24-32]、局部冷卻方式[33-37]和主被動相結合[38]的溫控方式因其能夠達到合理的溫控效果也被廣泛利用。

2.2.1 利用可再生能源的溫控方式

由于目前太陽能光伏系統(tǒng)的成本低廉，光伏集熱器越來越多地用于供應太陽能空調冷卻系統(tǒng)。Daut[17]等人提出了一種太陽能直流空調系統(tǒng)，該系統(tǒng)由光伏電池板、太陽能充電器、逆變器和電池組成，該空調系統(tǒng)在有太陽輻射的地方就能運行，無需電力支撐。Porumb[18]等人比較了太陽能吸收式空調制冷系統(tǒng)和太陽能光伏空調制冷系統(tǒng)的性能，發(fā)現(xiàn)光伏冷卻部分比熱冷卻部分大12.1% 。

Pan和Zhang [19]等人提出了一種新型的太陽能驅動的車載空調系統(tǒng)，采用無線功率傳輸（WPT）和超級電容器對車廂進行冷卻。該系統(tǒng)由太陽能集熱器、能量管道、溫度控制和冷卻模塊組成。太陽輻射能經PV組件轉化成電能，通過無線功率傳輸儲存在超級電容器中，不會破壞車體。冷卻裝置通過溫度控制和冷卻模塊實現(xiàn)自動溫度調節(jié)。實驗結果表明，樣機負載分別為3Ω和5Ω時，最大輸出功率為2.181W，最大WPT效率為60.3%。同時，仿真結果表明車內溫度平均降低了4.2℃，證明所提出的太陽能驅動的冷卻系統(tǒng)在冷卻駐車車廂方面是有效和可行的。

此外，Kolhe[20]等人研究了電動汽車車頂光伏（PV）通風技術在車廂熱管理以及通風中的應用，在車頂安裝的光伏組件用于電動汽車駐車通風系統(tǒng)的供電，有助于降低車內溫度，特別是在夏季晴天。研究表明，選擇合適的風機和直流電機對車內熱空氣的提取至關重要。由于傳統(tǒng)的太陽能通風機只有在車窗玻璃稍微打開的情況才能被放置在車內，具有容易被偷竊等缺點，區(qū)別于以太陽能電池板作為供電電源的傳統(tǒng)太陽能通風機，Basar[21]等人提出了一種便攜式汽車冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用珀耳帖電池作為供電電源，當珀耳帖電池一側為冷空氣一側為熱空氣時珀耳帖電池將發(fā)出電能，且溫差越大發(fā)電量越多。結果表明該系統(tǒng)能夠控制和維持車內溫度在25～30℃范圍內，方法簡單有效。

Yan[22]等人研究了利用冷卻裝置改善電動UXV轎車座艙熱舒適性的可行性，該裝置主要包括一個薄膜太陽能電池板、四個軸流風扇和一個可充電電池組，這些風扇完全由太陽能驅動。作者同時對轎車座艙的散熱進行了數(shù)值研究，得出該裝置可有效地用環(huán)境新風代替車室內熱空氣的結論。Vishweshwara[23]等也設計了一種由太陽能供電的通風系統(tǒng)，與Yan 不同的是，為了防止偷盜，Vishweshwara將整個系統(tǒng)全都置于車內且安裝了必要的空氣循環(huán)管道，研究結果表明當環(huán)境溫度為46℃時，在沒有通風系統(tǒng)的情況下停車的車廂的最高記錄空氣溫度為66℃，而使用通風系統(tǒng)可將車廂空氣溫度降低至56℃，溫度降低10℃。Saidur[5]等人使用了兩個改進的由太陽能電池板供電的風扇，用于排出車廂內的熱量，以將車廂溫度降低至環(huán)境溫度，試驗結果表明空氣流量從0.01 kg/s提高到0.055 kg/s，車廂內空氣溫度降低了12.4℃。

可再生太陽能在汽車空調系統(tǒng)和車室溫度控制方面的應用在一定程度上減少的石油能源消耗，同時提高了車室熱舒適性。但汽車停放方位和太陽能電池板安裝角度會對太陽能的利用效果產生一定的影響，同時太陽能電池板在駐車車頂安裝也有一定被偷盜的風險。上述研究為可再生太陽能在車室溫度控制提供了一定的參考，從實際應用角度來說，Vishweshwara[23]等人的研究具有實際可行性。

2.2.2 其他被動式溫控方式

除了可再生太陽能在汽車空調及降低車廂浸泡溫度中的應用外，其他被動式方法也在完善和改進。Mezrhab和Bouzidi[11]建立了一個數(shù)值模型，研究了太陽輻射、玻璃類型、車身顏色和材料輻射特性對車廂內熱舒適性的影響，以確定降低運行空調所需燃料的方法。他們的研究結果表明，使用反射玻璃可以顯著降低車廂內的溫度，由于反射玻璃的低透射率和吸收率，車廂內的空氣溫度降低了10℃。

NEAC?U[24]等人使用忒修斯有限元軟件（Theseus FE）評估了玻璃材料特性對中型車客室內熱舒適性的影響。在太陽高度角為90°時將車停放1h小時，并冷卻30min，數(shù)值模擬結果表明，玻璃材料的物理性能與車內的熱舒適性密切相關，其中，浸泡后帶隔熱窗的車內溫度為54.47℃，而帶標準窗的車內溫度為61.60℃，相差超過7℃。

上述研究結果表明雖然玻璃的材質對于改善車室內氣體溫度有一定的積極作用，但距離達到一個較舒適的人體適應環(huán)境還遠遠不夠，且改變玻璃材質會增加玻璃生產成本。

除此之外，Purusothaman[25]對某暴露于太陽輻照下停駐車輛的車頂結構進行了一層相變材料（PCM）的熱調節(jié)的數(shù)值模擬，并結合一個通風系統(tǒng)，以創(chuàng)造一個自然對流的情況。對采用了普通車頂、帶PCM層、不帶PCM層的單獨通風系統(tǒng)和帶通風系統(tǒng)的PCM層進行了CFD分析。結果如下所示：

結果表明，與不帶相變材料的情況相比，帶相變材料的情況下車室內溫度要低得多。因此，在車頂結構中使用PCM層時，車廂溫度大約降低30℃左右。通風系統(tǒng)有助于溫度較高的車室內空氣與外部大氣進行持續(xù)的空氣交換，降低了汽車內部溫度，所以在通風系統(tǒng)和PCM層的共同作用下，座艙溫度降低約60℃，能夠達到一個較好的溫控效果。

汽車空調系統(tǒng)在提高車輛熱舒適性的同時，也提高了車輛的能耗。Khayyam[26]提出了一種在保證熱舒適性的前提下，降低汽車空調系統(tǒng)能耗的協(xié)調能源管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)協(xié)調和管理蒸發(fā)器、鼓風機、新鮮空氣和再循環(huán)門的運行，以提供所需的舒適溫度和室內空氣質量，然后在各種環(huán)境和車輛條件下，可以優(yōu)化能耗。所開發(fā)的協(xié)調能量管理算法在模擬條件下大約減少了14%的能量使用。結果表明，合理管理新風門和再循環(huán)門的開閉，比風機和相應的空氣質量流量對降低能耗有更大的作用。

Dincer[27]提出了一種新型的便攜式制冷系統(tǒng)，可以在60秒內實現(xiàn)車艙的冷卻，而且還建立了一個三維傳熱傳質模型，并將其應用于該冷卻系統(tǒng)的性能評價。新型冷卻系統(tǒng)由一個容積為1.0升的絕緣容器構成，該容器充滿壓縮液體空氣，應用時需要對后排氣系統(tǒng)進行簡單改造。研究表明該冷卻系統(tǒng)能夠在容器壓力為5.0bar和9.0bar的情況下，將車輛溫度分別降低12.0℃和15.2℃。

Lahimer[28]等評估了太陽能反射罩（SRC）在降低溫度和燃油消耗方面的潛力。測試了四種浸泡溫度情況，情況一：同時使用兩輛相同的汽車（內部太陽反射膜（SRF）與標準車輛）;情況二：在不同時間使用同一輛汽車（帶/不帶SRC）;情況三：同時使用兩輛相同的汽車（SRC與內部SRF）;情況四：同時使用兩輛相同的汽車（帶/無SRC）。在浸泡和冷卻試驗期間，用HD32.3A監(jiān)測車內參數(shù)，以評估車內空氣溫度的降低和乘客的熱舒適性。研究表明，在車窗玻璃和車頂上覆蓋鋁蓋（情況二）是最有效的方法，因為它顯著降低了駕駛室空氣溫度（17.7℃）。在情況二的冷卻試驗中，使用SRC的駕駛室在第7分鐘達到熱舒適度水平，而基標準車輛在第14分鐘才達到熱舒適度。所以采用SRC覆蓋整個車廂可以顯著降低停車時的車廂溫度，為其他被動式溫控方式提供了一個可行的基準。

Rugh[29]等人使用太陽反射玻璃改善太陽光譜近紅外（NIR）部分的反射，并使用太陽反射涂料增加不透明車輛表面的近紅外反射，同時保持光譜可見部分的所需顏色。這兩種方法與太陽能通風機結合，通過降低車室內空氣及表面的溫度來減少燃料的使用，從而使空調負荷最小化。他們的研究結果顯示，太陽能反射玻璃（所有位置）、太陽能通風機和太陽能反射涂料的組合使得空氣溫度降低了12℃。在沒有太陽能通風機的情況下，將太陽能反射玻璃（所有位置）和太陽能反射涂料結合在一起，車輛內部溫度仍然顯著降低，空氣溫度降低了9.7℃。當作者將太陽能反射涂料和太陽能反射玻璃（僅擋風玻璃和后窗玻璃）組合在一起時，平均空氣溫度降低了7.7℃。此外，太陽能反射玻璃（所有位置）、太陽能通風機和太陽能反射涂料的組合可以使得空調負載減少30%以上，根據他們的模擬，熱負載減少30%會使得用于空調的燃料減少26%。他們還單獨測試了太陽能通風系統(tǒng)，該系統(tǒng)由六個1.7W的風扇組成，送風量為0.077kg/s。在汽車停放時，鼓風機系統(tǒng)可以通過車頂排出熱空氣或吸入冷空氣。然而，在將空氣從車輛中抽出時，由于內部空氣流動造成的對流熱損失，使得車室內空氣溫度只降低了5.6℃。此外，他們在車頂上測試了太陽反射，結果表明，車頂溫度降低了6.7℃，車室內溫度沒有明顯變化。最后，他們得出結論，太陽反射玻璃和太陽反射涂料導致機艙空氣和表面溫度顯著降低，從而導致機艙熱負荷和燃油使用量減少。

Al Kayiem[30]等人研究了遮陽簾和不同窗戶結構（開閉）對停車車廂內熱積累和分布的影響。實驗和CFD模擬結果表明，儀表板和后擋風玻璃的自然對流換熱導致了機艙頂部出現(xiàn)高溫區(qū)。前車窗打開20 mm導致前氣隙減小20%，而前遮陽板使儀表板表面溫度降低26%，使座艙空氣溫度降低27%。

Rugh和Farrington[31]評估了座艙在熱浸期間使用遮光窗簾、改進的反射遮光窗簾、改進的黑色遮光窗簾以及普通反射遮光窗簾（應用于擋風玻璃和后窗玻璃的后面）的影響。應用于所有車窗上的改進反射式車窗遮陽板使得空氣溫度降低了最大可能降低值的20%，使上儀表板溫度降低了43%。另一方面，使用改進的黑色遮光窗簾則使得座艙平均空氣溫度高于基準車輛的平均溫度。他們把空氣溫度的升高歸因于黑色窗簾的高溫而導致的空氣的熱對流，盡管窗簾阻擋了輻射的傳播。然而，在擋風玻璃和后擋風玻璃后面使用普通遮光窗簾，可將空氣溫度降低4℃，儀表板溫度降低25℃，座椅溫度降低5℃，而擋風玻璃的溫度則增加8℃。他們得出的結論是，在夏季駐車期間，用窗簾代替太陽能反射玻璃來降低太陽能負荷是比較合適的。他們還認為可切換的漫反射玻璃對于減輕車艙溫度可能是一種非常有前途的技術。

Jasni和Nasir[32]在實驗上比較了被動式方法，以確定在降低汽車內部溫度方面技術上最可行的被動方法，主要是：遮陽板、太陽能通風機和車窗色調。當整個汽車的每個車窗都安裝遮陽板時，后座艙空氣的最高溫度降低了2.3℃，而當座艙的每個側窗都安裝太陽能通風機時，座艙空氣的平均最高溫度降低了3.3℃。此外，當機艙在每個窗戶上安裝有太陽反射膜（色調）時，機艙空氣的平均最高溫度降低為5℃。作者認為，車窗色調是降低車內溫度的最佳途徑。

上述被動式溫控方式分別從車窗玻璃特性、采用相變材料（PCM）、采用太陽能反射罩、采用太陽能遮光窗簾以及采用能量協(xié)調管理系統(tǒng)等方面進行了試驗研究，結果表明采用相變材料（PCM）、采用太陽能反射罩、采用太陽能遮光窗簾等都可以改善車室環(huán)境溫度，但采用相變材料（PCM）效果更佳，而且通過與通風系統(tǒng)結合可以達到一個更舒適的車室環(huán)境。另外，采用能量協(xié)調管理系統(tǒng)可有效降低汽車空調能耗。

2.2.3 局部冷卻增加乘坐舒適性

局部冷卻的概念始于辦公樓，研究發(fā)現(xiàn)當針對人體上半身進行局部冷卻時，可以實現(xiàn)實質性的節(jié)能[33-35]。事實上，這種局部降溫的概念可以用來提高乘客的舒適性。Zhang[33]等指出提供局部冷卻是實現(xiàn)熱舒適性的一個重要方面，特別是冷卻乘客的后背，因為后背是對冷卻非常敏感的身體部位之一。此外，Corter[36]指出在確定人體整體熱舒適性評估的平均皮膚體溫時，背部溫度系數(shù)（28%）要高于胸部溫度系數(shù)（8%）。Itani[34]等人還利用相變材料（PCM）研究了冷卻背心對軀干部分的影響，結果表明，將PCM冷卻背心置于身體軀干部分可使整體熱舒適度提高94%。

為了提高乘客的舒適性，Hatoum[37]等人研究開發(fā)了一種采用座椅內置熱管的汽車座椅后冷系統(tǒng)。熱管系統(tǒng)利用乘客背部與車廂空氣之間的溫差，排出人體熱量，增強舒適性。并利用恒溫控制模式的人體模型對所建立的座椅熱管模型進行了實驗驗證，計算結果與實測值吻合較好。將驗證后的熱管與生物熱模型相結合，預測了座椅后段皮膚溫度和整體熱舒適性，并與無熱管系統(tǒng)的傳統(tǒng)座椅進行了比較。熱管能使皮膚溫度降低1℃并使身體整體熱舒適度提高30%。此外，還進行了參數(shù)研究，以確定確保乘客熱舒適的最佳熱管數(shù)量。

局部冷卻方式適用于夏季室外環(huán)境溫度不是很高的地區(qū)，如果夏季環(huán)境溫度過高，致使車室內環(huán)境急劇增加，即使采用局部冷卻，人體還是無法適應較高的車室溫度。

2.2.4 主被動結合式

Jeffers[38]等人討論了紅外反射（IRR）擋風玻璃與15分鐘JIT預通風（主動方式）的結合。結果表明，二者的結合使得車室溫度降低了9.9℃。單獨測試時，IRR擋風玻璃的使得車室溫度降低了4℃，JIT預通風使得車室溫度降低了5.8℃。利用該方式雖然能夠達到了一定的降溫效果，但對于實際應用不建議采用此二者相結合的方式，原因是此方式需要在進入車室之前進行15min的預通風，在某些情況下會帶來極大不便。

3 總結

在科學技術飛速發(fā)展的現(xiàn)代社會，人們對夏季駐車車室溫控技術的研究也在持續(xù)發(fā)展當中，隨著化石能源逐漸消耗和利用，可再生能源在未來發(fā)展中發(fā)揮著舉足輕重的作用，所以未來可再生能源在車室溫度控制和減少化石能源消耗等方面有著非常廣闊的應用前景。對于車室溫度控制，現(xiàn)階段的發(fā)展方向主要集中在如何提高熱舒適性和減少空調能耗，將二者有機融合將是未來研究的重點。通過對現(xiàn)有溫控技術的總結，被動式溫控技術由于它能帶來的顯著降溫效果而被廣泛利用，同時對于可再生太陽能在汽車空調系統(tǒng)中的應用也在發(fā)展，主要技術點在于太陽能電池板與空調系統(tǒng)匹配和提高利用效率等方面。對于太陽能通風系統(tǒng)，除了在充放電控制的研究外，還可以從智能調節(jié)風扇轉速和智能警報防止偷盜方面加以鞏固。

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本文得到“天津理工大學市級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃資助項目”編號201810060079 的資助。