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微型制冷/制热装置的节能空调系统

Shailendra Kaushik, Kuo-huey Chen, Taeyoung Han andBahram Khalighi

美国通用汽车公司

摘要

因为未来汽车产品更高的平均燃油经济性标准，节能空调系统正变得越来越重要。目前的研究是节能空调系统在局部加热/冷却而不影响乘客的热舒适性的初步尝试。为了达到减小能量消耗的同时增强热舒适性的目的，我们使用一个在非均匀的封闭热环境中例如汽车客舱，能够准确合理预测热舒适性的解析模型。本研究将主要着重于两个方面：（a）通过空调系统中微型冷却/加热装置来提高能源效率（b）在美国通用公司验证的分析方法将支持上述观点。本文将讨论在这个研究中所采用的分析方法，它应用于预测多种微型冷却战略的全面的舒适感觉水平，随后将这些预测结果与真人测试进行比较。当前CFD技术与热舒适性仿真相结合，探索不同微型气候的控制战略称之为“节能空调系统”。

1 介绍

一个近期由国家可再生实验室的约翰逊发起全方面基于热舒适性的各州汽车空调耗油量的调查显示美国每年大约使用70亿加仑的汽油在汽车空调上[1]。这相当于国内石油消耗的6%，或者美国进口原油的10%。这项研究进一步表明汽车空调负载是最重要的辅助负载，甚至超过其他重要负载，例如滚动阻力、空气阻力或是动力传动系统损伤。当空调压缩机负载添加到发动机上时，汽车的燃油经济性会下降。空调增加了传统汽车大约35%的燃油消耗，明显高于混合动力汽车。这相当于一辆经典轿车和一辆轻型卡车各自从22mpg和18mpg减小到17mpg和15mpg的燃油经济性能。在这样的背景下，“节能空调系统”得到汽车制造业提高燃油经济性的重要关注，并且符合更严格的CAFE标准。在汽车工业中被广泛认可。汽车节能空调系统可以使用一下三个技术得以提高：（a）优化现有的常规空调系统（b）使用新进的上釉玻璃来降低客舱温度[2]（c）局部（微型）冷却/加热方法。前述列表中第三个建议——局部冷却/加热是本文的重点。这项技术背后的关键思想是为乘客提供足够程度的热舒适性，从而减少暖通空调系统的需求。在一个传统空调系统中，一部分重要的冷却能量会流失到周围环境中。这其中的一小部分被用来为乘客提供热舒适性。这同时指出气流从空调排风口到乘客的过程中，气流速度和温度大幅度扩散。进一步假定，用冷却喷嘴将冷却降温的空气提给热敏感的身体部位，可以实现以小部分能量成本代替传统空调提供的热舒适性等级。

为了测试这个理论，我们提出一个尖端仿真的方法，结合了CFD与最先进的人体模型。运用这个可以，可以弥补人体测试昂贵的费用以及消耗的时间来最大优化能量效率和热舒适性这两个相互矛盾的需求。为了达到全局最优（最小空调能量和最大热舒适性），需要大量昂贵的测试和模拟。因此，本文提供了一个高度简化，高度自动化的分析过程，涉及CFD，用来温度调节的人体生理学模型和一个热感/舒适性的感知模型来评估各种局部或微型冷却方法在热舒适性的优点。然后，在采用这种分析技术来在车上优化局部制冷方法之前，用模型来合理预测人体热舒适测试的结果是至关重要的。所有的微型制冷技术的测试在加州大学伯克利分校（UCB）进行。他们的热环境测试设置被适当修改来模拟一个包括方向盘、玻璃车窗和一个复制太阳辐射效果的加热器的汽车乘客舱。若干个单体微型冷却装置被测试分析，如通风的汽车座椅，3个方向盘前方的排气口来冷却脖子和脸部区域，一个能够暖通空气与人体更接近的座位管道。所有的制冷装置被测试分析包括错误的通风口，同时呈现在研究中，测试数据的初步结果显示显著的热舒适性收益。

本文的组织结构如下：在第二节中，展开关于人体热舒适感的流体分析过程的细节综述；第三届秒描述多种为人体舒适性评估分析测试的微型冷却装置；第四节将而是和相应的仿真结果进行讨论，最后再第五节中给出了本次研究的结论和对未来工作的计划。

2提出人体热舒适性的分析过程

提出的人体热舒适性的分析方法论最重要的方面在下面段落中进行描述。

2.1 乘客舱模型

提出的人体热舒适性建模过程始于识别和实现所有的内表面，包括乘客舱的区域划分，座椅和CAD系统中恰当分割人体模特。在这项研究中，我们创建了乘客舱的Flunent和Radtherm模型，网格划分如图一所示。这个模型具有所有关键的设计参数，例如空调出风口位置和大小，挡风玻璃角，排气孔位置和许多其他影响暖通空调系统性能的参数。图1a和图1b显示在Fluent[3]中具有人体模特的相应的CFD模型，表示有一个50百分位的男性在驾驶座上。ANSA建模软件[4]被用来划分乘客舱的网格。在本文中，只有驾驶室一侧的人体模型，建模时被划分成21个身体部分。一个单独为在Radtherm[5]中分析的完全相同乘客舱的2D表面网格模型在图1c中呈现。

图1 a,bamp;c Fluent和Radtherm中乘客舱模型网格划分

2.2 在Fluent中乘客舱的CFD空气流体分析

对于之前提到的使用加州大学伯克利分校的人体热舒适性模型来预测人体热舒适性感觉等级，首先需要计算身体各部分的皮肤温度。这些将通过身体各部位表面的能量平衡方程在Radtherm中计算。然而，由于Radtherm依赖于CFD对流边界条件的解决方法，Fluent被用来为这项研究提供这种信息。用Fluent来捕捉乘客舱的几何图形和流量细节需要大约3000000个四面体单元。Fluent中收敛的稳流处理方法被用来为Radtherm提供对流换热系数和整个模型的成膜温度。然而，对于人体模型，Fluent表面的速度被用来计算基于Radtherm提供被证实了的热传递系数公式。整个Fluent和Radthem中数据函数过程都已经完全自动化了。

2.3 Radtherm中乘客舱的热学分析

正如前一小节提到的，分布在整个乘客舱包括人体模型的对流换热系数和成膜温度由Fluent输入，映射到更简略的Radtherm的表面网格模型。然而，王先生[6]关于速度对热传递系数的经验公式被选择，来代替Fluent的对流系数。这样做的主要原因是公式化壁面函数为相关的人体模型低速区域提供准确对流系数的局限性。当在Fluent中绘制时，可以观察到分布在人体模型上的棋盘形状的热传递系数。在这项研究中，被Radtherm推荐的人体热舒适性的标准过程紧随其后。

2.4 乘客皮肤和内部温度的预测

Radtherm中的人体生理模型可以模仿任意数量的身体部位。每个单独的身体部位由四个身体层（中心，肌肉，脂肪，皮肤组织）和一个衣服层组成。一个血池节点和一系列导体提供动脉血和组织节点之间的对流热传递以及动脉和静脉之间的逆交换。人体热调节系统主要依靠调节血液流动来实现，因此一个逼真的血液流动模型对于人体热舒适性的任何动态模型都是非常重要的。乘客的身体使用血管收缩和血管舒张来调节血液分布，从而通过增加或减少对环境的热损失来控制皮肤温度。静脉和动脉是配对的，甚至是很小的血管，静脉将热量从动脉传递到身体中心。这个人体生理模型的更多细节在[7、8、9、10]中描述。在一系列环境条件下，这个模型可以合理准确预测人体中心和肢体皮肤温度。瞬态工况更详细的描述可以再[11,12]中找到。

当前模型包括衣服节点来模拟热电容量和抵消由衣服引起的热和水分的流动。当考虑瞬时效应的时候，热容的服装是十分重要的[13]。对于正确模拟通过衣服从身体散失的蒸发热量，防潮性是很重要的。在个体中，人类生理机能是不同的，这些不同影响了热舒适性的看法；比如高代谢率或者增加身体支付可以导致人感到更加温暖。当前这个标准50百分位的生理学模型适用于一个代谢率为2MET（1MET=1千卡/公斤/小时）的人类生理机能。基于各个人体部位饿服装各不相同——短袖衬衫，裤子，袜子，鞋子等等，在冷却模拟时使用夏季服装。

在任何环境中，乘客身体是与实体表面接触的，失去或得到热量都是通过热传递。在乘客舱里，座位接触到身体相当大一部分，必须考虑进去从而精准模拟乘客。当前模型包括一个每个身体部位的接触面。接触面的热性能用来模拟它的表面温度。每个身体部位包括暴露皮肤的部位和衣服遮盖皮肤的部位。

2.5 从皮肤和中心温度来预测热感和热舒适性

一个人在特定条件下，对热舒适性的感受是非常复杂的，这包括生理和心里的状态。在同一环境下，感觉和舒适性是密切相关的：一个中立的感受对应最舒适；热一点火冷一点对应舒适性降低。在不同或瞬态环境中，然而，感觉和舒适性之间的关系变得更加复杂：比如，同样的凉爽的脸部感觉，如果整个身体很温暖有可能被当做非常舒适，或者整体较冷的时候不舒服。

在过去的几年中，加州大学伯克利分校一直在研究局部人体热舒适性。他们已经进行了人体测试，研制出舒适预测模型，从人们对局部制冷/加热的反应中获得了宝贵的知识。人体测试结果和从这些结果中发展而来的局部的舒适性预测模型为理解人们的回应和预测他们的回应提供了独特的信息。在相同的和不同的环境中，不同的人体部位感觉冷热是在不同水平的。这些差异显然取决于很多因素，例如人如何生理调节温度决于身体整体热状态，一衣着隔绝不对称，身体周围的环境条，身体皮肤和中心温度的变化率，各个部位对热的敏感程度也包括在内。

加州大学伯克利分校提出以公式（1）的形式开发一个局部感官模型。这个局部感官模型是一个局部皮肤和平均皮肤（或者中心）温度和他们的变化率的方程式。这个局部和平均皮肤温度代表稳态响应，皮肤温度和中心温度的衍生物代表瞬态响应。局部皮肤温度代表局部皮肤热状况。在模型的静态部分中，平均皮肤温度代表全身热状况。每一个身体部位将会有一个不一样的模型，因此他们可以同时捕捉环境的不均匀特征。基于人体测试局部和整体的身体感官和舒适性，加州大学伯克利分校对整体的感官和舒适性模型进行了回归分析，如图2所示。更多热感和热舒适性模型的细节可以在[14,15,16,17,18,19]中寻找。其中：

颈部/脸部喷嘴

通气座椅

座位安全带制冷/制热

前喷嘴

图 3 整个图形绘制了本文中所有的微型制冷装置

= 某部分身体的局部皮肤温度

t = 时间

= 平均皮肤温度

= 局部皮肤温度的导数

= 中心温度的导数

模型中字母i的范围是1到19，对应身体的各个部分：头部，脸部，脖子，呼吸带，胸部，背部，骨盆，左右上臂，左右下臂，左右手，左右大腿，左右小腿，左右脚。

图2 表示模型变化和他们之间关系的流程图

3 能源效率的局部/微型冷却方法

除了验证这个最新提出的分析方法，这项研究的一个关键目标是探索各种微型冷却/加热方法，随后在一小批汽车上实行。 这个想法是为了选出最优化的各类微型冷却/加热装置，以最低的能源费用提供足够的热舒适性。预计人体测试数据的初步结果，通风座椅被视为一个关键的冷却装置。结果是一共有7组微型冷却装置被作为研究对象，在这里列出如下：（1）显示在图3和7中的通风座椅 前面的一组3个微型喷嘴（2）通风座椅 图4中的安全带冷却喷嘴（3）通风座椅 图5中由安装在中立柱上的喷嘴为颈部提供冷却空气（4）通风座椅 前 颈部（5）通风座椅 前 座位安全带（6）通风座椅 颈部 座位安全带（7）所有喷嘴：通风座椅 前 脖子 座位安全带前三个微型冷却的配置，在图4,5,6,7中表明，在本文中只有他们会和真人测试的热感和热舒适性水平作比较。在写这篇论文的时候，后四个装置的测试仍在进行中。为了方便参考，前三个微型冷却/加热装置会在此后的1,2,3节中提到。

图4a和4b中显示了人体测试中使用的通风座椅和它对应的CFD模型，用于背部和底部制冷。下面描述了通过座位上的开口的冷却流量规格：

孔径=10.16cm

平均速度=0.46m/s

流量=7.9CFM

在这里值得重申是所有下面三个例子中都将通风座椅作为一个普通的装置。这意味着他们都具有通风座椅的开口提供的上述规格的制冷/加热气流。

下面一节描述了这三个微型冷却/加热方法。

3.1.案例-1：通风座椅 座位安全带

槽的尺寸=10.8cmX0.8cm

平均速度=4.2m/s

流量=7.5CFM

图5 在测试和模型中安全带冷却装置示意图

图4aamp;b 背部和底部通风座椅示意图

3.2.案例-2：通风座椅 颈部制冷

喷嘴直径=1.6cm

平均速度=8.7m/s

流量=3.65CFM

3.3.案例-3：通风座椅 前制冷喷嘴

喷嘴直径=2.1cm

平均速度=7.0m/s

流量=5.35CFM

图6 在测试和模型中的脸部和颈部制冷示意图

图7 在测试和模型中前部制冷示意图

如图所示，上述提到的微型制冷/制热装置首先在Fluent中进行了流速分析。所有的7个案例（尽管只有其中3例在下节中北讨论）都有可能与一个固定变量：温控座椅和三个浮动变量：前，颈部和座位安全带制冷方法相结合。适当的信息，比如平均在人体模特每个身体部位的空气速度和空气温度区域，从CFD分析转移到对应的Radtherm模型上。此外，Radtherm中lsquo;CFD输入rsquo;被用来从Fluent中映射传热系数和成膜温度到Radtherm中的整个

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