汽車空調(diào)節(jié)能環(huán)保實(shí)驗(yàn)研究

黃耿

摘要：汽車空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況不僅關(guān)系到乘客的舒適性、安全性，也關(guān)系到能源成本節(jié)約和節(jié)能環(huán)保的問題。本文通過介紹汽車空調(diào)節(jié)能環(huán)保實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及其實(shí)驗(yàn)研究過程，提出一種通過回收并有效利用汽車空調(diào)冷凝水提高汽車空調(diào)使用效能的方法，為汽車空調(diào)的節(jié)能環(huán)保優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞：汽車空調(diào);節(jié)能環(huán)保;冷凝水;實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TM92? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）24-0226-02

0? 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人民生活不斷改善，昔日被視為只有達(dá)官貴人才能乘坐的汽車，越來越多地進(jìn)入了普通百姓家。汽車空調(diào)是汽車重要的組成部分，也是汽車中的“耗能大戶”，其工作時(shí)消耗的功率約占整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的10～25%。因此，研究汽車空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保技術(shù)有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。從目前市面銷售的汽車產(chǎn)品看，雖然汽車空調(diào)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但就結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)而言，汽車空調(diào)仍有不小的潛力可挖。

1? 汽車空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其原理

無論是傳統(tǒng)的燃油車還是新能源汽車，其空調(diào)系統(tǒng)主要包括制冷系統(tǒng)、暖風(fēng)系統(tǒng)、空氣凈化系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等部分。按驅(qū)動(dòng)方式分有獨(dú)立式和非獨(dú)立式兩種。獨(dú)立式是由專用的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)工作，其特點(diǎn)是制冷量大，工作穩(wěn)定，但成本高，體積及重量大，多用于大、中型客車;非獨(dú)立式的空調(diào)壓縮機(jī)由汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，在工作過程將對(duì)主發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力產(chǎn)生一定程度的消耗，是一種變化型的制冷系統(tǒng)，其制冷過程與汽車動(dòng)力的變化有著較為緊密的聯(lián)系，多用于小型客車和汽車。除了按驅(qū)動(dòng)方式分類，還有按空調(diào)性能以及按控制方式等多種分類方法。

與其它用途的空調(diào)一樣，汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)主要是由壓縮機(jī)、膨脹閥、冷凝器、蒸發(fā)器等組成，各個(gè)部件之間通過管路串聯(lián)成一個(gè)密閉的系統(tǒng)。工作時(shí)，制冷系統(tǒng)內(nèi)的低壓、低溫制冷劑蒸氣被壓縮機(jī)吸入并壓縮為高壓、高溫的過熱蒸氣后排至冷凝器;同時(shí)車外側(cè)風(fēng)扇吸入的外部空氣流經(jīng)冷凝器，帶走制冷劑放出的熱量，使高壓、高溫的制冷劑蒸氣結(jié)為高壓液體。高壓液體經(jīng)過節(jié)流（膨脹閥）降壓降溫流入蒸發(fā)器，并在相應(yīng)的壓力下蒸發(fā)，吸取周圍熱量，同時(shí)車內(nèi)側(cè)風(fēng)扇使車內(nèi)空氣不斷進(jìn)入蒸發(fā)器的翅片間進(jìn)行熱交換，并將放熱后變冷的氣體送向車內(nèi)。這個(gè)過程周而復(fù)始的進(jìn)行，達(dá)到“搬走”車廂熱量，降低車廂空氣溫度的目的。

2? 汽車空調(diào)節(jié)能環(huán)保研究的主要方向

基于上文介紹的汽車空調(diào)結(jié)構(gòu)和原理，目前針對(duì)汽車空調(diào)節(jié)能環(huán)保技術(shù)的研究，主要集中在以下幾個(gè)方面：

2.1 對(duì)汽車空調(diào)制冷劑優(yōu)選研究? 目前，汽車空調(diào)主要使用的制冷劑有CFC-12氯氟氫類制冷劑、HFC-134a含氫氟類制冷劑和碳?xì)浠衔镏评鋭?。其中，碳?xì)浠衔锸窍鄬?duì)理想的一種制冷劑，其充注量較小，對(duì)臭氧層沒有破壞作用，也不會(huì)造成溫室效應(yīng)。但是，作為制冷空調(diào)領(lǐng)域最重要的研究方向之一，人們從來沒有停下尋找一種完美制冷劑的腳步。

2.2 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)及算法的研究? 傳統(tǒng)汽車空調(diào)控制系統(tǒng)智能化程度低導(dǎo)致能耗偏大，新型的自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)通過多傳感器自動(dòng)獲取車廂內(nèi)外溫度、車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)，借助單片機(jī)和AI技術(shù)的發(fā)展，把車廂內(nèi)的溫度、濕度、氣流溫度和空氣質(zhì)量值控制在最佳區(qū)間，在為乘客提供良好乘車體驗(yàn)的同時(shí)，減少能量的損耗，找到舒適度和能耗之間的最佳平衡點(diǎn)。

2.3 對(duì)壓縮機(jī)工作效能的研究? 壓縮機(jī)是空調(diào)制冷系統(tǒng)的心臟，很大程度上決定了空調(diào)系統(tǒng)的性能。傳統(tǒng)的壓縮機(jī)容積效率較低，專家學(xué)者和工程技術(shù)人員不斷嘗試加工制造出各種壽命更長(zhǎng)、容積效率更高、運(yùn)轉(zhuǎn)更平穩(wěn)、體積更小的壓縮機(jī)，移植到汽車上使用。目前新型的渦旋式通過先進(jìn)的制造工藝和對(duì)排氣裝置的優(yōu)化，結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，與往復(fù)式壓縮機(jī)相比，體積減小40%，重量減小15%，絕熱效率提高10%。

2.4 對(duì)提高換熱器工作效率的研究? 空調(diào)制冷的過程，實(shí)際上是一個(gè)不斷發(fā)生熱交換，轉(zhuǎn)移熱量的過程，所以換熱器特別是體積較大的冷凝器，其換熱效率對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)來說至關(guān)重要，若能通過技術(shù)手段，提高冷凝器的換熱效率，或是有效降低冷凝器的冷凝溫度和冷凝壓力，將大大降低汽車空調(diào)的輸入功率和排氣壓力，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

3? 汽車空調(diào)冷凝水回收利用的實(shí)驗(yàn)研究

空調(diào)冷凝水是指水蒸氣（即氣態(tài)水）經(jīng)過冷凝過程形成的液態(tài)水，汽車空調(diào)工作過程中，當(dāng)送風(fēng)溫度低于新風(fēng)和回風(fēng)混合點(diǎn)對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度時(shí)，冷凝水就會(huì)自然而然地產(chǎn)生。通常情況下，這部分冷凝水在重力的作用下落入蒸發(fā)器接水盤，通過排水管排至車外。實(shí)際上，由于冷凝水來源于汽車空調(diào)蒸發(fā)器表面，其溫度低，特別對(duì)于氣溫較高的地區(qū)，汽車空調(diào)運(yùn)行過程中的冷凝水量相當(dāng)可觀，若直接排除車外將造成能源（冷量）的浪費(fèi)。為此，筆者設(shè)計(jì)并制作了汽車空調(diào)節(jié)能環(huán)保實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，專門用于對(duì)汽車空調(diào)系統(tǒng)開展節(jié)能環(huán)保方向的實(shí)驗(yàn)研究，以進(jìn)一步研究改良汽車空調(diào)系統(tǒng)。

3.1 實(shí)驗(yàn)原理? 在正常運(yùn)行的汽車空調(diào)系統(tǒng)中，制冷劑在節(jié)流前冷凝溫度每下降1℃，制冷系數(shù)可提升約一個(gè)百分點(diǎn)。因此，對(duì)節(jié)流前的制冷劑進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^冷處理，可以有效提高制冷量。對(duì)于過冷過程的描述，可以借助常用的壓焓圖（如圖1）來進(jìn)行。

如圖1所示，與常規(guī)的制冷循環(huán)不同，過冷過程使得1-2-3-4-5-1變成了1-2-3-4’-5’-1，增加了4-4’-5’-5的過程，在冷凝壓力和蒸發(fā)壓力不變的情況下，單位壓縮功w0保持不變，單位制冷量增加了Δq0，能效比EER提高了Δq0/w0。

根據(jù)節(jié)流的工作原理和節(jié)流裝置的特性，在節(jié)流出口壓力一定的條件下，進(jìn)口的制冷劑過冷度直接影響了節(jié)流過程的制冷劑流量，即過冷度越大，流通量越大。所以，在制冷劑進(jìn)入節(jié)流過程之前使其“過冷”，可以增大制冷劑的流量，進(jìn)而增大系統(tǒng)的制冷量。

3.2 實(shí)驗(yàn)方案? 根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，我們?cè)O(shè)計(jì)制作出汽車空調(diào)節(jié)能環(huán)保實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖2。

模擬獨(dú)立式汽車空調(diào)的運(yùn)行方式，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用12V電機(jī)帶動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)工作，使空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行。當(dāng)集水容器中收集的冷凝水到達(dá)設(shè)定水位時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)感應(yīng)并驅(qū)動(dòng)微型水泵在容器中抽水，通過靜電噴霧器將冷凝水噴到冷凝器上，水霧附著于冷凝器翅片和銅管表面并吸熱蒸發(fā)，達(dá)到增強(qiáng)換熱效果和使制冷劑過冷的目的。要對(duì)此過程的實(shí)用效果進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，需測(cè)量和計(jì)算單位制冷量、功率和EER等主要參數(shù)并與原系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行比對(duì)。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果? 根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，通過對(duì)原系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的多次測(cè)試實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析和處理，可以對(duì)冷凝器總出溫度、制冷量、輸入功率、能效比EER進(jìn)行比較，結(jié)果如表1。

4? 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

在對(duì)汽車空調(diào)節(jié)能環(huán)保實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程中，系統(tǒng)通過微型水泵和靜電噴霧器等設(shè)備，使汽車空調(diào)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的冷凝水成功實(shí)現(xiàn)了“從空氣中來，到空氣中去”的目的。在實(shí)際應(yīng)用中，多余的冷凝水還可導(dǎo)至汽車的雨刮器水箱，儲(chǔ)存使用。這種做法解決了汽車空調(diào)冷凝水直接排放造成的浪費(fèi)和污染，體現(xiàn)了環(huán)保理念。

系統(tǒng)充分利用冷凝水的冷量和汽化熱，使冷凝液過冷，在壓縮功、蒸發(fā)壓力和冷凝壓力不變的情況下，通過測(cè)定冷凝器總出的溫度變化，可以驗(yàn)證冷凝水對(duì)冷凝液過冷度的影響情況。冷凝器總出溫度下降3.8℃，EER由2.697提高至2.804，提高幅度達(dá)到3.97%。在國(guó)家大力倡導(dǎo)建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的大背景下，回收利用汽車空調(diào)冷凝水可明顯提高系統(tǒng)的能效比EER，有效利用了冷凝水的冷量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

綜上所述，我們對(duì)于汽車空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域的研究還處于研究探索階段，一些技術(shù)細(xì)節(jié)如：冷凝水霧化時(shí)機(jī)的控制;冷凝水的霧化方式和設(shè)備的改進(jìn);汽車空調(diào)冷凝器材料的優(yōu)化等等，還需不斷的完善和深入。但是本文的論述充分證明了汽車空調(diào)節(jié)能環(huán)保實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及其實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)意義，可以為汽車空調(diào)節(jié)能環(huán)保的研究提供一點(diǎn)思路和方法上的借鑒。

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