汽车空调技术讲义

《汽车空调技术》讲义主要教材：张蕾主编，汽车空调.北京：机械工业出版社，2006.2（U463.85/37）参考教材：1.方贵银，李辉编著.汽车空调技术.北京：机械工业出版社，2002.1（U463.85/21）2.阙雄才，陈江平主编.汽车空调实用技术.北京：机械工业出版社，2003.3（U463.85/23）3.王宜义，王军编著.汽车空调.西安：西安交通大学出版社，1995.7第一章绪言1.1汽车空调定义空调是空气调节器的简称。汽车空调是空调领域中的一个分支，它是通过某种方式控制车室内空气的温度、湿度、清洁度、风速，并使其以一定速度在车室内流动和分配，为驾驶员及乘客提供舒适环境空气处理过程，也就是说汽车空调装置应具备制冷、供暖、通风、净化空气、加湿和除湿等多项功能。汽车空调已大众化、普及化。日本和欧美的一些发达国家，现在生产的新型轿车，绝大部分出厂时就安装了空调设备。不但轿车、旅游客车和公共汽车上装有空调设备，而且在载货汽车、拖拉机的驾驶室里以及具有特殊作业的汽车上，都装有空调设备。可见汽车空凋的使用已经相当普及。1.2汽车空调性能的评价指标评价汽车空调质量的指标主要有四个，即温度、湿度、风速和清洁度。1．温度在夏季人感到舒适的温度是22℃～28℃，冬季是16℃～18℃。温度低于14℃，人会感觉到“冷”，温度越低，手脚动作就会越僵硬，驾驶员将不能灵活操作。温度超过28℃，人就会觉得燥热，精神集中不起来，思维迟钝，容易造成交通事故。超过40℃，则称为有害温度，将对人体的健康造成损害。另外，人体面部所需求的温度比足部略低，即要求“头凉足暖”，温差大约为2℃。2．湿度人觉得舒适的相对湿度夏季是50％～60％，冬季是40％～50％。在这种湿度环境中，人会觉得心情舒畅。湿度过低，皮肤会痒；湿度过高，人会觉得闷。3．风速人在流动的空气中比在静止的空气中要舒适，这是因为流动的空气能促进人体内外散热。所以，空气流速是汽车空气调节的重要内容之一。空气流速在0.2m/s以下为好，并且以低速变动为佳。4．清洁度由于车内空间小，乘员密度大，全封闭空间的空气极易产生缺氧(O2)和二氧化碳(CO2)浓度过高的现象；汽车发动机废气中的一氧化碳(CO)和道路上的粉尘都易进入车内，造成车内空气浑浊，严重影响乘员的身体健康，因此必须对车内空气进行净化处理。1.3汽车空调的特点和房间空调器相比，由于汽车空调装置使用条件的特殊性，对整车空调系统的设计、安装调节和控制也提出了特殊要求，并增加了难度。例如，1）汽车直接暴露在室外，承受日晒雨淋和泥沙侵蚀，环境条件恶劣，乘员的出入频繁及车内乘员占空间比大，要求车室内的空气参数能迅速调节到位，因此需要空调系统必须有一定的储备能力。2）汽车的门窗面积占整车外表面积的比例较大，给密封和隔热带来一定困难。3）车速变化的偶然性（尤其是对于被动式驱动方式的汽车空调系统，因车速变化直接影响到空调系统压缩机的转速）增加了对汽车空调系统变工况运行控制的难度。4）车内空间的限制不但给空调系统的布置造成困难，而且由于部件间的间距有限，在一定程度上影响了换热器的换热效果。5）路面颠簸不平引起的振动或因沙石的撞击，泥沙的腐蚀性等容易引起制冷剂的泄漏。6)车用空调装置的结构、外观设计和布置，除必须与车身内饰和外观协调、统一，保持整车的完美以外，还必须考虑其对汽车底盘、车身等结构件及汽车行驶稳定性、安全性的影响，这是普通空调设计不会碰到的。总之，对整车空调系统的设计安装必须综合考虑动力的消耗、功率的匹配、驱动方式、车室内空气参数的要求环境及工况变化以及经济性等诸多因素。1.4汽车空调系统的组成与分类1.4.1汽车空调系统的组成汽车安装空调系统的目的是为了调节车内空气的温度、湿度，改善车内空气的流动，并且提高空气的清洁度。因此汽车空调系统主要由以下几部分组成：(1)制冷装置(系统)：对车内空气或由外部进入车内的新鲜空气进行冷却或除湿，使车内空气变得凉爽舒适。(2)暖风装置主要用于取暖，对车内空气或由外部进入车内的新鲜空气进行加热，达到取暖、除湿的目的。(3)通风装置将外部新鲜空气吸进车内，起通风和换气作用。同时通风对防止风窗玻璃起雾也起着良好作用。(4)加湿装置在空气湿度较低的时候，对车内空气加湿，以提高车内空气的相对湿度。(5)空气净化装置除去车内空气的尘埃、臭味、烟气及有毒气体，使车内空气变得清洁。将上述各部分全部或部分有机地组合在一起安装在汽车上，便组成了汽车空调系统。在一般的轿车和客、货车上，通常只有制冷装置、暖风装置和通风装置，在高级轿车和高级大客车上，才有加湿装置和空气净化装置。1.4.2汽车空调系统的分类有不同的分类方法。例如文献【阙雄才，陈江平主编.汽车空调实用技术.】按制冷压缩机的驱动方式分类，将汽车空调系统（装置）分为独立式、非独立式及电力驱动式；按制冷系统的节流减压方法分，有离合器热力膨胀阀（CCTXV系统）和离合器节流短管（CCOT系统）两类；等等。这里以教材分类方法为主。1．按驱动方式分类汽车空调系统按驱动方式可分为非独立式汽车空调系统和独立式汽车空调系统。(1)非独立式汽车空调系统(见图l-5)空调制冷压缩机由汽车本身的发动机驱动，汽车空调系统的制冷性能受汽车发动机工况的影响较大，工作稳定性较差。尤其是低速时制冷量不足，而在高速时制冷量过剩，并且消耗功率较大，影响发动机动力性。这种类型的汽车空调系统一般多用于制冷量相对较小的中、小型客车上。(2)独立式汽车空调系统(见图1-6)空调制冷压缩机由专用的空调发动机(也称副发动机)驱动，因此汽车空调系统的制冷性能不受汽车主发动机工况的影响，工作稳定、制冷量大，但由于加装了一台发动机，不仅成本增加，而且体积和质量也增加。这种类型的汽车空调系统多用于大、中型客车上。总之，两种型式的驱动各有优缺点，至于采用哪种型式，要从各种影响因素分析考虑，如整车布置、整车负荷、空间位置和发动机功率等。2．按结构型式分类汽车空调按结构型式可分为整体式空调、分体式空调以及分散式空调。(1)整体式空调将副发动机、压缩机、冷凝器和蒸发器通过传动带、管道连接成一个整体，安装在一个专用机架上，构成一个独立总成，由副发动机带动，通过车内通风管将冷风送入车内。(2)分体式空调将压缩机、冷凝器、蒸发器以及独立式空调的副发动机部分或全部分开布置，用管道联接成一个制冷系统。(3)分散式空调将蒸发器、冷凝器、压缩机等各部件分散安装在汽车各个部位，并用管道相联接。轿车、中小型客车及货车都采用这种结构形式。3．按蒸发器的布置方式分类汽车空调按蒸发器的布置方式可分为仪表台板式空调、顶置式空调。(1)仪表台板式经常称为前置式空调，蒸发器安装在仪表台板之下，与车内内饰融为一体，布置美观，如微型轿车及微型单、双排座车均采用这种方式，这种布置方式的优点是前排冷气效果好，第二排次之。但微型客车的第二排冷气效果则较差。(2)顶置式空调蒸发器吊置于车内顶上，因此俗称顶置式空调，一般常安装于中部，有的人称其为中央空调。这种布置方式的优点是车内降温平衡，整体降温平衡，克服了仪表台板式空调的缺点。4．按蒸发器和冷凝器的数量的不同分类汽车空调按蒸发器和冷凝器的数量可分为单蒸单冷式、单蒸双冷式、双蒸单冷式和双蒸双冷式。(1)单蒸单冷式一个蒸发器、一个冷凝器。微型车普遍采用这种方式，如夏利微型轿车和云雀微型轿车。(2)单蒸双冷式一个蒸发器、两个冷凝器、一般是由于冷凝器的安装位置受限，冷凝器只能平置，无迎风效果，于是安装一个副冷凝器，在主冷凝器与副冷凝器之间形成“串联”联接。(3)双蒸单冷式两个蒸发器、一个冷凝器。这种结构一般是一个前置式蒸发器(仪表台板式)和一个顶置式蒸发器，两个蒸发器之间“并联”联接，前置式蒸发器主要用于前排(驾驶员)及第二排的制冷，而顶置式蒸发器用于后两排的制冷，车内降温比较平衡。(4)双蒸双冷式两个蒸发器、两个冷凝器。双蒸发器带来了系统的不匹配，特别是高压太高，而主冷凝器又由于空间的限制不能做得太大，这时就需增加副冷凝器，系统高压会变得非常理想。但这种布置方式结构复杂、管路接头多、易泄漏、成本较高、安装也要困难些。1.5汽车空调发展史自1886年德国的卡尔.本茨（KarlBenz）造出第一辆汽车至今百余年来，汽车工业发展很快，各类汽车（普通型小轿车、大客车、旅游车等各种专用车）已经成为日前人们的重要交通工具，汽车工业也已成为国民经济的支柱产业。随着汽车工业的发展和人们物质文明水准的提高，人们逐渐注重对汽车的舒适性要求，因而汽车空调技术也得以相应发展。汽车空调的起步约比汽车的问世落后半个世纪，但它的发展速度却很快，这不但表现在数量上（全世界汽车中40％已装有空调），而且在结构性能上也有很大改善。1927年在美国问世的第一台空调系统只含有一个加热器、一个空气过滤器和一套通风系统，因此它仅能供暖。美国Packard公司第一次以机械方式制冷用于车用空调是在1940年，随后于1954年第一台冷暖一体化的整体式空调设备已安装在美国Nash牌小汽车上，不久于1960年在Cadillac轿车上即出现了第一台自动控温的汽车空调装置。1979年，美国和日本共同推出了微机控制的空调系统，它不仅实现了数字显示和操作自动化，而且对压缩机等主要部件的工作可进行最佳控制，在自动选择室内、外进出风量方面也进行了满意解决。半个多世纪来，汽车空调技术的发展主要表现在追求整个空调系统的小型轻量化，减少能源消耗和实现自动控制方面。汽车空调技术的发展是从低级到高级，由功能简单向功能齐全方向发展的，其发展过程可以概括为以下五个阶段：第一阶段：单一供暖，即利用房间取暖的方法的汽车空调。1925年首先在美国出现利用汽车冷却液通过加热器的方法取暖。到1927年发展到具有加热器、鼓风机和空气滤清器等比较完整的供热系统。目前在寒冷的北欧、亚洲北部地区，汽车空调仍然使用单一供暖系统。第二阶段：单一制冷的汽车空调。1939年，由美国通用汽车帕克公司(PACKARD)首先在轿车上安装机械制冷降温的空调器，成为汽车空调的先驱。目前在热带、亚热带地区，汽车空调仍然使用单一制冷系统。如广东、海南岛使用的空调出租汽车，大部分只有制冷降温功能。第三阶段：冷暖一体化的汽车空调。1954年美国通用汽车公司，首先在纳什(NASH)轿车上安装了冷暖一体化的空调器，汽车空调才基本上具有调节控制车内温度、湿度的功能。随着汽车空调技术的改进，目前冷暖一体的空调基本上具有降温、除湿、通风、过滤和除霜等功能。第四阶段：自动控制的汽车空调。冷暖一体汽车空调需要人工操纵，增加了驾驶员的工作量，同时控制质量也不太理想。1964年美国通用汽车公司将自动控制的汽车空调安装在凯迪拉克轿车上。这种自动空调装置只要预先设置好温度，机器就能自动地在设定的温度范围内工作，达到调节车内空气的目的。第五阶段：微型计算机控制的汽车空调。1973年美国通用汽车公司和日本五十铃汽车公司一起联合研究微型计算机控制的汽车空调系统，1977年同时安装在各自生产的汽车上。微型计算机控制的汽车空调功能增加了显示数字化，冷、暖、通风三位一体化。微型计算机根据车内外的环境条件，控制空调器的工作，实现了空调运行与汽车运行的相关统一，极大地提高了调节效果、节约了燃料，从而提高了汽车的整体性能和最佳的舒适性。目前微型计算机控制的汽车空调都装在高级汽车上，如福特公司的林肯、丰田汽车公司的凌志、本田汽车公司的雅阁和三菱大客车等。1.6我国汽车空调的发展现状在20世纪60年代，我国曾经有利用汽车发动机排出的高温废气来取暖的供热系统，并在60～70年代生产的北京吉普和北方的一些长途客车上应用。1976年以来，上海、南京、广东等地开始生产汽车空调设备，但这些产品大多数是为轿车配套的。20世纪80年代初期，我国从日本购进降温用汽车制冷系统，装在我国生产的红旗、上海、伏尔加等小轿车上，并发展成单一的降温汽车空调。20世纪80年代中后期，我国第一汽车制造厂以及上海、北京、湖南、广州、佛山等地分别从日本、德国引进先进的空调生产线和空调技术，使我国的汽车空调技术接近世界水平，为我国的汽车空调发展打下了良好的基础。我国现有主要汽车空调生产厂家20多家，其中绝大部分都引进国外技术生产线和生产设备，还有些是中外合资企业，国内汽车空调技术的研究和开发与国外的差距正在逐渐缩小。从市场占有情况看，由于目前大多数汽车空调生产未具规模，加上汽车空调种类繁多，国内汽车空调销售市场仅为几家所垄断。其中上海德尔福汽车空调系统有限公司生产的爱斯牌汽车空调为别克、帕萨特、桑塔纳、捷达、富康、切诺基等车型配套；杰克赛尔汽车空调有限公司生产的空调主要为奥迪、红旗轿车及解放牌重、中、轻型车配套；湖北沙市电工仪表集团生产为东风汽车公司、神龙富康汽车公司配套的载货车空调和富康轿车空调；广州豪华空调器有限公司生产为海南马自达、奥拓、广州本田、长安之星配套的车用空调。随着我国汽车配件市场的逐步放开，国内汽车空调生产厂家面临国外汽车空调专业生产厂家的严重挑战。因此国内汽车空调生产如何走上专业化、规模化经营之路，将成为我国未来几年汽车空调业迫切需要解决的问题。1.7汽车空调的发展方向当前，从市场需求方面看，汽车空调装置应进一步降低成本，提高燃油经济性；从制造方面看，随着车厢地板的降低以及车辆向大型化、高级化发展，需进一步提高汽车空调各组成装置的紧凑性和效率；从乘员和驾驶员方面看，车内温度要合理分布、设备操作要简便，空调装置应向全季节型发展。1．日趋自动化早期的汽车空调系统，进出风系统、冷气系统和暖气系统彼此间互相独立，因而它们的控制系统也自成一体，且汽车空调都是手动控制，仅凭人的感觉来调节开关，因而温度、湿度及风量很难控制。近年来，随着电子计算机的普及并逐步应用到汽车空调系统，使得空调系统的控制效果日趋完善，空调设备的性能也越来越高。使用这种空调系统能进行全天候的空气调节，集制冷、采暖、通风于一体。在人为设定的最佳温度、湿度及风量的情况下，该系统可根据车厢内人员数量及其他情况的变化进行多挡位、多模式的微调，从而达到设定的最佳值，使车内始终保持舒适的人工气候环境，同时可进行故障自动诊断和数字显示，从而缩短其检修和准备时间。2．提高舒适性当前不少汽车空调系统的制冷和采暖是各自独立的系统。每当梅雨季节，车窗玻璃上常常蒙上雾气，若要去掉雾气，必须起动冷气装置，但这样会使车内太冷。为了克服此缺点，目前正在开发一种全季节型的空调系统。该系统具有换气、采暖、除湿、制冷等功能，夏天由发动机驱动制冷系统，冬天由加热器制热采暖，过渡季节(如梅雨季节)则采用制冷与采暖混合吹出温和风进行除湿。使车厢内换气情况达到最佳状态。3．高效节能、小型轻量化要进一步降低空调装置的重量和外形尺寸，必须提高各组成装置的结构紧凑性和效率。在压缩机方面，以往的空调系统多采用斜板式压缩机，这种压缩机制冷能力相对较低，性能系数和容积效率也相对较小。为了提高压缩机性能，现已使用了制冷效率高的旋转式压缩机和三角转子压缩机。在冷凝器和蒸发器方面，管片式换热器已逐渐被管带式换热器取代。而目前散热性能更佳，结构更为紧凑的平行流冷凝器和层叠式蒸发器又有取代管带式换热器的趋势。在制冷管路方面，进行优化设计使管路结构更为合理，并在管路上装配防振橡胶块以防共振等。4．向环保型汽车空调发展目前所使用的汽车空调制冷剂R12对大气臭氧层有一定的破坏作用，根据“蒙特利尔议定书”规定，发达国家1996年开始禁用R12，发展中国家2006年完全禁用R12。因此世界各国都在积极研制一种更适合环境保护的新型制冷剂。目前世界各国一致公认R134a是R12的首选替代物，并基本上解决了空调系统的匹配和材料等一系列问题。5．采用空调新技术空调制冷方式有许多种，目前应用于汽车空调的制冷方式全部为蒸汽压缩式。其他制冷方式，如吸收式、吸附式、蒸汽喷射式、空气压缩式等，很少在汽车空调上采用。但利用发动机的余热来驱动制冷系统是一个理想的节能方案，所以世界各国都在研究这种新技术。(1)氢化物汽车空调系统以色列发明了一种利用汽车排气余热作动力的汽车空调。这种新型汽车空调系统利用金属氢化物作制冷剂，通过在不同温度下金属氢化物释放或吸收氢气的特点而实现制冷。详细情况可参考教材。(2)固体吸附制冷汽车空调系统固体吸附制冷是利用某些固体物质在一定温度、压力下能吸附某种气体或水蒸气，在另一温度、压力下又能把它释放出来的特性，通过吸附与解吸过程导致压力变化，从而起到了压缩机的作用。详细情况可参考教材。(3)吸收式汽车空调系统吸收式制冷也是以热能为动力，利用由两种沸点不同的物质组成溶液的气液平衡特性来完成制冷循环的。(4)二段式(也称二级)制冷循环汽车空调系统二段式制冷循环(见图1－4)是将有不安全因素的制冷工质循环放在车厢外侧(如轿车发动机机舱内)，通过中间制冷剂将车外蒸发器的冷量带入车厢内的风机热交换器中，制冷剂可以是可用于发动机冷却的乙醇冷却液。这种系统的样机已表明其制冷量与目前的R134a系统相当，很可能成为CO2、碳氢化合物或Rl52a等工质采用的空调系统。2002年底20辆丰田电动轿车上安装了日本电装公司的CO2汽车空调系统，这是世界上首次批量采用CO2空调系统的汽车。我国也开始进行这方面的科研工作，上海易初通用机器有限公司与上海交通大学正在合作进行低压CO2汽车空调系统的探索。第二章空气调节基础(王宜义，王军编著.汽车空调.西安：西安交通大学出版社，1995.7)2.1基本概念一、湿空气干空气：空气中除水蒸气以外的气体混合物湿空气：干空气和水蒸气组成的混合物（理想气体）湿空气的基本状态参数：温度T或t、压力p、比容v或密度ρ，服从理想气体状态方程：SKIPIF1<0或SKIPIF1<0式中：R表示气体常数SKIPIF1<0，取决于气体性质。干空气SKIPIF1<0；水蒸气SKIPIF1<0。大气压力是指地球表面上的空气层的重量对单位面积上所造成的压力。定义在纬度为45º处海平面上的平均压力为标准大气压。1标准大气压＝1.01325×105Pa。大气压力随地区的海拔高度不同而不同，在同一地区，由于季节变化和天气晴雨变化也有差别。例如，上海市海拔为4.5m，夏季大气压力为100.5kPa，冬季为103.5kPa，而海拔为3658m的西藏拉萨地区，夏季大气压力仅为69.19kPa，冬季为65.07kPa。大气压力SKIPIF1<0SKIPIF1<0为干空气的分压力，SKIPIF1<0为水蒸气的分压力。空气中水蒸气越多，水蒸气的分压力越大。二、含湿量d含湿量d：每千克干空气中所含水蒸气的量。对于质量为G的干空气和水蒸气，由理想气体状态方程，可写出SKIPIF1<0，SKIPIF1<0利用SKIPIF1<0，并将SKIPIF1<0，SKIPIF1<0代入，得SKIPIF1<0SKIPIF1<0因为SKIPIF1<0，所以d几乎与水蒸气分压力成正比，与空气的压力成反比。对某一地区来说，大气压力基本上不变，可视为定值。因此含湿量就只与水蒸气分压力有关。在空调计算中，往往以含湿量的变化量来表达加湿或除湿的程度。例1-1已知某地区的大气压力B＝99325Pa，空气中的水蒸气分压力Pq＝1550Pa。试求含湿量。[解]SKIPIF1<0SKIPIF1<0三、相对湿度φ在一定温度下，湿空气所含的水蒸气有一个最大限度，超过这一限度，多余的水蒸气就会从湿空气中凝结出来。含有最大限度的水蒸气的湿空气称为饱和空气。饱和空气所具有的水蒸气分压力和含湿量，称为该温度下湿空气的饱和水蒸气分压力和饱和含湿量。相对湿度φ：空气中水蒸气分压力SKIPIF1<0和同温度下的饱和水蒸气分压力SKIPIF1<0之比。SKIPIF1<0SKIPIF1<0——干空气，有很强的吸收水蒸气的能力；SKIPIF1<0——饱和空气，不能再吸收水蒸气。含湿量和相对湿度之间有联系，它们相互补充，但不能相互替代。含湿量只表示水蒸气的含量多少，不能反映空气达到饱和的程度；相对湿度则说明湿空气接近饱和的程度，不表示水蒸气在湿空气中的含量。SKIPIF1<0，SKIPIF1<0，d与φ由露点结合。四、其他状态参数（h、υ、ρ）1、空气的焓h空气的焓h是指湿空气所含有的总热量，SKIPIF1<0定压比热容cp定义为在压力不变的条件下，lkg物质温度升高1ºC所需要的热量，单位是kJ/(kg·ºC)。干空气的定压比热容SKIPIF1<0kJ/(kg·ºC)水蒸气的定压比热容SKIPIF1<0kJ/(kg·ºC)湿空气的焓等于1kg干空气和0.001d千克水蒸气两者焓之和，即SKIPIF1<0kJ/kg式中2500kJ/kg是在0ºC时把1kg水变成0ºC的水蒸气所需要的汽化热。由上式可知，在计算空气焓时是以1kg干空气作为基数进行计算的，湿空气的量是（1+0.001d）kg。h=(1.005+0.001*1.84d)t+2.5dkJ/kg第一部分直接与温度有关，为湿空气的显热部分，第二部分与温度无直接关系，为湿空气的潜热部分。在空调计算中，用焓来表示空气是得热还是失热。2、空气的比容υ和密度ρ比容υ：单位质量的空气所占有的容积，m3/kg密度ρ：单位容积中所含有的空气质量，kg/m3SKIPIF1<0m3/kg湿空气的密度由干空气和水蒸气组成，两种气体是均匀混合的，并且共同占有相同的容积和具有相同的温度，所以：SKIPIF1<0将SKIPIF1<0，SKIPIF1<0以及SKIPIF1<0代入上式，径整理得到SKIPIF1<0kg/m32.2湿空气的焓湿图（h-d图）及其应用一、焓湿图在空调的计算中，为简便起见，通常将状态参数绘制成图线形式，从而可将冗长的计算工作转化为查图工作，方便很多。常用的空气状态图为焓湿图。图1-1是焓湿图的示意图。焓湿图通常是针对某一特定的大气压力B绘制而成。以焓h为纵坐标，以含湿量d为横坐标。为使图线清晰和图面开阔起见，两坐标轴之间的夹角为135º，图上参变量为温度t和相对湿度φ。图上有四组线：等含湿量线簇d、等焓线簇h、等温线簇t、等相对湿度线簇φ。等含湿量线（d＝常数）为垂直线，等温线（t＝常数）近乎为水平线（只有t=0℃的等温线才是水平的），等相对湿度线（φ＝常数）为一组曲线。注意：图上φ＝100％的线是空气的饱和状态线，它将图分成两个区，上面部分为未饱和空气区，下面部分为过饱和空气区（雾湿区），在这个区域内空气状态是不存在的，因为空气的相对湿度不可能大于100％。二、焓湿图的应用焓湿图的应用十分广泛，并且直观，其计算方便而计算结果又是在工程允许的偏差范围内。主要应用包括：确定空气的状态参数；求空气的露点温度；求空气的湿球温度等。1．确定空气的状态参数前面介绍了湿空气的四个状态参数：焓h、含湿量d、温度t、相对湿度φ。在四个状态参数中，只有两个是独立的，即只要已知任意两个参数，其他参数也就可以相应确定。如图1-2，h-d图上的每一个点都代表了空气的一个状态，这个点是由2个参数规定的，一旦这个点确定下来，在这个点上的其他状态参数也就相应地确定。例：已知大气压为101.325kPa，室内空气温度t=26℃，相对湿度φ＝55％，求空气的含湿量和焓值。[解]选用B=101.325kPa的h-d图；在图上找出温度t=26℃的等值线和φ＝55％的相对湿度线，两条线的交点A即为所求的空气状态点；从图上读出含湿量dA=0.01156kg/kg干空气，焓值hA=55.58kJ/kg干空气。还可以从图中查出在这个状态下的水蒸气分压为1848.32Pa和水蒸气饱和压力SKIPIF1<0。2．求空气的露点温度什么是露点温度？日常生活现象：冬季玻璃窗的玻璃内表面上有结露现象，夏季在自来水管外表面上有滴水现象，它们属于物体表面的温度低于空气的露点温度所致。空气中水蒸气含量达到饱和（最大限度值）时的温度称为空气的露点温度。在含湿量不变的条件下，温度高于该露点温度，饱和空气变成未饱和空气，温度降低，会有水蒸气不断地从空气中凝结出来。露点温度可以在h-d图上很方便地求得。如图1-3，图上A点处于未饱和空气状态，具有某一温度tA和相对湿度φA。自A点作等含湿量冷却，即自A点沿垂直线向下，经冷却后的空气相对湿度增加，温度愈低相对湿度愈高。直到与饱和线φ＝100％相交，交点为露点L，与之相应的温度即为露点温度tl。露点温度与含湿量有关，含湿量大则露点温度高，含湿量相同的湿空气有相同的露点温度。3．求空气的湿球温度在空调工程中，广泛地应用干湿球温度计来测量空气的相对湿度，进而计算出其他参数。干湿球温度计是由两根相同的温度计组成，如图1-4。其中一根的感温包裸露在被测的空气中，其读数为干球温度，就是我们通常所讲的气温。另一根温度计的感温包上裹以清洁的脱脂纱布，纱布的一端浸入盛蒸馏水的容器中，在毛细现象作用下，纱布被浸润，过了一段时间后这根温度计的读数低于干球温度，包有纱布的温度计测得的温度称为湿球温度。湿球温度也是空气的状态参数之一。湿球温度为什么会低于干球温度？可从热湿交换原理加以说明，具体参考王宜义编著《汽车空调》（西安交通大学出版社，1995年）。干湿球温度之差反映了空气相对湿度的大小。如果干湿球温度差等于0，表明周围空气达到饱和。注意：空调技术中所定义的湿球温度要求流过湿球表面的风速为2.5~4m/s以上，因为风速太小时空气与湿球表面热湿交换不完善，湿球温度过高。2.3汽车空调的舒适性(阙雄才，陈江平主编.汽车空调实用技术.北京：机械工业出版社，2003.3P58－65)“舒适”是一个范围比较广的概念。汽车上的舒适性是指为乘员提供舒适、愉快、便利的乘坐环境与条件，包括良好的平顺性、低的车内噪声、适宜的空气环境、良好的居住性能，以及良好的驾驶操作性能。从上述定义中可见，空调的舒适概念是指适宜的空气环境。空调的舒适度是一个模糊量，以往一直被人们作为精确量来处理，实际上是不太科学的。如人体感觉的冷与热、干与湿，风速的大与小，舒适程度的高与低，都是一种模糊量。很难以一条明显界限来判断“是”与“否”。影响舒适度的因素是很多的，不同的年龄、性别、衣着、种族、习惯、健康状况、动作状况、心理、情绪，对舒适性的感觉都是不一样的，它们的关系可用图4-4表达。车室内舒适性是由乘员、司机、工作人员对温度、湿度、空气流速、车厢内空气的压力、洁净度、气味、噪声、振动等指标的感受和反映来决定的。经验表明，在已给定的空调车室内，并不是每一个人都能对某一组条件感到舒适，其中包括每个人衣着、年龄、性别、国别、个人活动量、身体素质等诸因素，舒适感由很多因素综合效果来决定，热舒适理论及国际标准在分析室内环境的热舒适性时，提出六个要素，其中四个与环境有关，即空气的干球温度、房间的平均辐射温度、空气中水蒸气分压力和空气的相对流动速度。另外两个要素与人有关，即人体的新陈代谢率和服装的热阻值。从影响舒适性重要性排列，其次序是温度、湿度、空气流速、噪声、压力、气味、灰尘、细菌等。一般情况下只控制上述前三个要素。2.3.1热舒适性与热感觉1．人体能量平衡人体连续不断地产生热量，在不同的状态下产生的热量并不相同，人体在静坐时产生的热量约为100W左右，在剧烈运动时产生的热量大约为1000W左右。人体靠摄取食物(糖、蛋白质等碳水化合物)获得能量维持生命。食物在人体新陈代谢过程中被分解氧化．同时释放出能量。其中一部分直接以热能形式维持体温恒定并散发到体外，其它为机体所利用的能量，最终也都转化为热能散发到体外。人体为维持正常的体温．必须使产热和散热保持平衡，人体热平衡可用下式表示：S=M－W－E－R－C(4-13)式中S——人体蓄热率（W/㎡）；M——人体能量代谢率（W/㎡），它决定于人体的活动量大小；W——人体所作的机械功（W/㎡）；E——汗液蒸发和呼出的水蒸气所带走的热量（W/㎡）；R——穿衣人体外表面与周围表面间的辐射换热量（W/㎡）；C——穿衣人体外表面与周围环境之间的对流换热量（W/㎡）。在稳定的环境条件下，s应为零，这时，人体保持了能量平衡。如果周围环境空气温度提高，则人体的对流和辐射散热量将减少；为了保持热平衡，人体会运用自身的自动调节机能来加强汗腺分泌。这样，由于排汗量和消耗在汗分蒸发上的热量的增加，在一定程度上会补偿人体对流和辐射散热的减少。当人体余热量难以全部散出时，余热量就会在体内蓄存起来．于是式(4-13)中s变为正值，导致体温上升，人体会感到很不舒适，体温增到40℃时，出汗停止，如不采取措施，则体温迅速上升，当体温上升到43.5℃时，人即死亡。2．人体与环境的热交换Fanger(1967、1970年)，Hardy(1949年)，RappandGagge(1967年)，GaggeandHardy(1967年)等人，先后给出了计算人体与环境进行热交换的方法。人体与环境的热交换主要通过对流、辐射和水分蒸发散热的方式完成的。这一传热过程受活动强度、衣着情况、空气温度、空气湿度、空气流速、车厢壁体温度等6个热舒适度参数的影响。不同的传热机理对应着总负荷的不同部分。比值的大小因不同参数而异。随着空气温度的升高，对流换热减少，而蒸发造成的潜热却增加。温度较高时，蒸发散热有时必须用来抵消射入的辐射。如在小轿车内，即使温度较低，射入车厢的太阳辐射也可以使人体的得热达到必须加以考虑的程度。这部分过高的得热，必须由体表水分的额外蒸发来加以平衡。因此从人体传到空气的热量可能会多于人体自身的产热量，其差值是靠额外蒸发来弥补的。因为与对流传热有关的参数是完全稳定的，又因为人体恒定的体温以及固定的衣着，所以通过改变热量损失的体温调节机制只能在潜热范围内。体表温度的升高只能在极小范围内发生，而且车室内空气温度和空气流速不能分别调整。对于固定的车体温度和给定的布局，辐射换热也随着不同的位置改变而改变。3．人体热调节机理在工程实际中，人体与环境的热交换及其调节照例用简图4-5来描述。人体的特点与其它脊椎(热血)动物一样，就是恒温。但是，对于整个身体不能说是恒温，因为内部器官的温度(内部温度)与身体表面的温度有明显差别。通常，恒温是指内部温度，在正常条件下，人的肌体温度保持在37±0.5℃的水平上，为了使人体产热量和散热量平衡，人的机体应该具有相应的温度调节机构。在调节人体温度的生理学过程中，保证维持恒定体温的办法有：与产热量有关的化学调节过程；与散热量有关的生理学调节过程。4．热舒适性与热感觉“热舒适”这一术语在研究人体对热环境的主观热反应时已被广泛应用。在美国供暖制冷空调工程师学会的标准(ASHRAEStandard55—1992)中，热舒适有明确定义，即热舒适是对热环境表示满意的意识状态。这一定义当前已被普遍接受。“舒适”一词解释是满意、高兴及愉快。但到目前为止，在对热舒适的解释上大致有两种不同的认识：一种认为热舒适和热感觉是相同的，或者热感觉处于中性(即不冷不热)就是热舒适。扩大一点，将微凉到微暖的主观反应区称为热舒适区，当然，在具有这些热感觉的同时，空气湿度不应过高或过低，风速也必须维持在较低的水平(如低于0.2m/s)；也有人解释热舒适为“一种对环境既不感到热也不感到冷的舒适状态，也就是人们在这种舒适状态下会有‘中性’的热感觉”。Fanger在其《热舒适》一书的解释是“热中性和热舒适是一样的，且这两个概念以后以同义来对待。”关于热舒适和热感觉的区别，早在1917年，Ebbeke就提出“热感觉与皮肤热感受器的活动有联系，而热舒适依赖于来自热调节中心的热调节反应”。从图4-6可以看出，热感觉主要是皮肤感受器在热刺激下的反应，而热舒适则是综合各种感受器的热刺激信号，形成集总的热激励而产生。图4-6中虚线表示一种可能性，热舒适则包含舒适与不舒适两种可能性。但是，通常情况下热舒适和热感觉不作区分，认为热感觉和热舒适是一回事。2.3.2稳态与非稳态热舒适性1．稳态热舒适性评价方法：PMV-PPD方法和ET*方法稳态热舒适性是以稳态热环境为条件的，以人体的主观热感觉处于中性，风速不大于0.15m/s，相对湿度为50％为最舒适的热环境。P.O.Fanger收集了1396名美国与丹麦受试对象的冷热感觉资料，提出了表征人体热反应(冷热感)的评价指标，即预期平均评价PMV：式中M——人体能量代谢率(W/m2)，它决定于人体的活动量大小；W——人体所作的机械功(W/m2)；pa——人体周围空气的水蒸气的压力(Pa)；ta——人体周围空气温度(℃)；fcl——穿衣服人体外表面积与裸身人体表面积之比，称穿衣面积系数；Tcl一一衣服外表面温度(℃)；SKIPIF1<0——车室平均辐射温度(℃)。PMV的热感觉标尺见表4-1PMV指标代表了对同一环境绝大多数人的冷热感觉，因此可用PMV指标预测热环境下人体的热反应。由于人与人之间生理的差别，故用预期不满意百分率PPD指标来表示对热环境不满意的百分数。PPD和PMV之间的关系如图4-7所示。在PMV=0处，PPD为5％。这意味着，即使室内环境为最佳热舒适状态，由于人们的生理差别，还有5％的人感到不满意。ISO7730对PMV-PPD指标的推荐值为：PPD<10％，即PMV值在-0.5～0.5之间。相当于在人群中允许有10％的人感觉不满意。在实际应用中，丹麦有关公司已研制出模拟人体散热机理，直接测得室内环境PMV和PPD指标的仪器，可以很方便地对房间热舒适性进行检测和评价。大约在1947年，就已发现了原有的有效温度的不足之处，如它过分夸大在较低温度下湿度的作用，以及在较高温度下又低估了湿度的作用。在1961年，纳维斯(Nevins)指出：热舒适标准温度已由1900年的大约21℃干球温度，变为1960年26℃。这种温度上升的倾向，可以由无论是男性或女性都已习惯穿着比较轻薄的服装来解释，它也与生活方式、饮食的改变及期望舒适有关。2．以皮肤袭面温度及其温度变化率来判断的非稳态标准应该指出，上述的研究是对稳态热环境的评价指标，如果说对建筑物是适用的，而对像汽车空调这样的动态条件则差距甚大。在开动的汽车里，其热环境是不稳定的，不断地受到内、外扰量等诸多因案的影响。具体讲，汽车行驶时车速和方向、太阳辐射的影响、车外空气渗透、进入车室内的空气的参数和数量都在不断变化。致使车室冷、热变化迅速；车室内空间相对较小，人的产热对热环境影响较大；空气的分布受到人体和座椅等的影响，不可能为均匀分布；加之噪声和振动的影响。总之，汽车内的热环境具有非恒定、非均匀的特征。虽然从原则上说，影响人体热平衡的所有参数都可能随时变化，然而大多数情况下关心的是环境温度的变化，温度的变化可以分为三种类型：1)控制系统调节引起的呈三角波或正弦波形的周期性变化。其特征变量为平均值、波幅、波动周期或频率，相应于汽车空调由于车速变化或调节作用而引起的室温波动。2)温度的单调变化，如开停机过程。特征变量为初始值、变化幅度及变化率，对应于车室降温或升温过程。3)阶跃变化，如从一种热环境走人另一个热环境。由初始值、变化方向及幅度表征，对应于人刚刚进入车室的情况。C.H.Sprague(1970年)、D.P.Wyon(1971年)、D.A.McIntyre(1974年)研究了温度波动对热舒适性的影响。Sprague和McNall(1970年)通过测定干球温度呈三角波波动的影响，考虑了平均辐射温度的影响，导出了如下方程：SKIPIF1<0(4-14)式中SKIPIF1<0——温度波幅(K)；SKIPIF1<0——循环频率(1/h)。Wyon等研究了环境温度呈正弦波动时的影响，建议波动振幅应在l～2K范围内。Nevins(1975年)的实验结果推荐舒适性环境温度与早期的稳态实验(ASHRAE标准(1985))吻合得很好，没有明显的证据说明由于波动使舒适性范围变小。但总的说来，环境温度波动频率增加时，波幅应下降，最大可达到稳态舒适区的边界值。频率对波辐的影响有一适当的阈值(约为1K)，当振幅小于该值时．频率的影响可以忽略。当频率大于1.5时，振幅随频率的减小而增大至稳态舒适条件(ASHILA标准)。可见ASHILA标准对于温度波动问题已经足够准确：“如果综合温度的波幅超过1.1K，则温度变化率不超过22K/h。而当波幅小于等于1.1K时，则温度变化率没有限制。”在1975年，Nevin测定了波动率为19K/h的周期波动，认为环境温度的波动，使舒适区减小,但影响并不显著。Hensel在20世纪50年代进行了大量的实验研究，从实验结果看，环境温度变化时，中性温度和冷(或热)的温度差(热感觉)，与温度变化量成反比。热感觉依赖于皮肤初始温度、温度变化方向、人体部位及面积，这一结论对热舒适性同样成立。在1976年，Mclnty和Gonzala对温度变化时，衣服的隔热性能及人的热感觉进行了实验研究，受试人员为大学男生，着厚装(1.1clo)或几乎全裸，在休息和骑自行车两种状态下进行试验。温度突然变化6K，温度选取使受试者在实验开始时觉得较热而稍后较冷，为了分析季节的影响，在六月和八月进行了同样的实验。实验结果显示，热感觉受着衣量、活动量及季节的影响。但是研究者发现，受试人员休息时的热感觉不受衣着与季节的影响，尽管不穿衣服体温变化肯定要快。由此，认为光凭皮肤温度还不足以判断热感觉。对没穿衣服的人来说，休息时热感觉明显，而穿着衣服的人运动时的感觉与季节有关(八月份感到较冷)。在1967年，Gagge用实验证明了变环境参数下热舒适和热感觉的不同，他们让受试人员在中性热条件下(29℃)呆lh，然后突然降温至17.5℃或升温至48℃，呆上2h后，重新进入中性热环境。受试者进入冷环境时，马上有冷感觉和不舒适感，而返回中性环境时不舒适感马上消失，此时热感觉相应滞后于热舒适性。进入热环境的试验显示了类似的结果。可见用热感觉来衡量热舒适性，可能导致空调系统的过调。也许是由于湿度对热舒适性的影响相对较小，对湿度变化的研究较少。DA．McIntpre(1976年)、R.R.Gonalez(1973、1979年)、R.G.Nevins(1975年)都证明了当综合温度在舒适区内或近舒适区时，对于采取坐姿或轻度活动、正常着装的人，湿度从20％～60％变化时，没有明显的影响。而气温较高时，热调节更多地依赖于蒸发散热，此时相对湿度便变得很重要。有关气流速度变化对影响热舒适性的研究很少。在1992年，Willms通过实验研究，提出了风速分布的舒适性标准。在1990年，Ishii用五男五女大学生为一组，测定了气流速度对热感觉的舒适性的影响。研究表明全身中，小腿对气流速度最为敏感，女性对风速及风速波动都比较敏感，气流的速度、强度及波动对热舒适性有不同程度的影响。在1988年，Fanger认为：当具有同样的平均速度时，湍流度高的气流更易引起不适。总的看来，目前对于非稳态热舒适性的研究大都针对一种或几种参数变化时的情况，迄今为止还没有一个比较全面的、成功的评判标准，实验研究依然是唯一可靠的方法。2.3.3热舒适标准与热舒适性图如何定量衡量热舒适性始终是人们探讨的课题之一。下面介绍目前提出的几种方法。1．ASHRAE标准图4-8是美国供暖、制冷、空调工程师学会(ASHRAE)1977年版手册基础篇里给出的新的等效温度图。图中斜画的一组虚线即为等效温度线，它们的数值是在φ=50％的相对湿度曲线上标注的。例如，通过t=25℃、φ=50％两线的交点的虚线，即为25℃等效温度线，该线上各个点所表示的空气状态的实际干球温度均不相等，相对湿度也不相同，但各点空气状态给人体的冷热感却相同，都相当于t=25℃和φ=50％时的感觉。这些等效温度是室内空气流速为v=0.15m/s时，通过对身着0.6clo的服装，静坐着的被试验人员实测所得的。所谓clo，是衣服的热阻单位，1clo=0.155㎡.K／W。国外资料给出，内穿衬衣外套普通衣服，其热阻为lclo；正常冬服(室外穿)为1.5～2.0clo，在北极地区的服装为4.0clo。在该图中还画出了两块舒适区，一块是菱形面积，它是美国堪萨斯州立大学通过实验所得到的；另一块平行四边形面积是ASHRAE推荐的舒适标准55-74所给出的舒适区。两者实验条件不同，前者适用于身着0.6～0.8clo服装坐着的人，后者适用于身着0.8～1.0clo服装坐着但活动量稍大的人。两块舒适区重叠处则是推荐的室内空气设计条件。25℃等效温度线正好穿过重叠区的中心。2．有效温度有效温度试图结合干球温度、湿球温度和空气流速的效应来反映热和冷的同等感觉。换句话说，为给出同样舒适的感觉．湿度越高，干球温度就需越低，而湿度越低；则干球温度就需越高。然而，由于有效温度过分地强调了在较冷区域中空气的湿度效应，忽视温暖条件下空气的湿度效应，以及没有充分考虑热湿条件下空气的流速，故原有的有效温度概念正逐渐被取代。目前它的应用仅局限于静坐的条件下。3．皮肤湿润度标准皮肤的湿润度是所观测的皮肤出汗率与该环境下最大可能皮肤出汗率之比。皮肤湿润度取决于皮肤温度、空气温度、空气湿度、空气流速和衣着。已经表明．皮肤湿润度在描述不舒服及不愉快感觉方面，是一个比常用的温度感觉更为可靠的参数。2.4汽车空调热湿负荷的计算2.4.1、汽车空调热湿负荷1．热湿负荷汽车空调装置为满足乘客的舒适性要求，就必须维持车内空气的温度、相对湿度的恒定。因此也就要对由于太阳辐射、气候变化、乘员的出入、车内发动机及物体等的散热、散湿引起的温度、湿度变化随时进行调节。为了去除车室内多余热量而所需向车室内供入的冷量，称为空调装置的冷负荷；为了补充室内耗热所需向车室内送入的热量称为热负荷。为了维持室内湿度的恒定而所需要去除的水份量，则称湿负荷。热湿负荷计算的意义：1）确定空调汽车送风量和设备设计的依据；2）可指明减少负荷的方法和途径，达到节能和优化的目的；3）可为空调系统的控制提供有益的条件。欲进行热湿负荷计算，则必须先确定计算的基数。2．热湿负荷计算的基数热湿负荷计算的基数包括：车室内外空气状态参数（t，φ）如何选取、空调参数的精度——空调区空气温度和φ的波动范围。因为基数的高低不仅直接影响道热湿负荷值而且还影响空调装置的能耗水平。基数的确定主要以舒适性要求作前提。3．舒适的概念对空调而言，主要是指适宜的空气环境，热舒适性理论及国际标准对分析室内环境的热舒适时，提出了六个要素：1）空气的干球温度；2）房间的平均辐射温度；3）空气中的水蒸气分压力；4）气流速度；5）人体新陈代谢率和服装热阻滞。前4个与环境有关，后两者与人有关。不同民族、不同年龄、性别、衣着、健康状况对舒适性的感受和要求往往是有差异的（如武汉人和北方人），但大致有t℃φ％wm/s舒适带15～1822～2730～700.75~0.2(w)(s)不舒适带0～14>27<30,>700.4热舒适的PMV－PPD指示体系7点式生理感觉标尺过冷冷稍冷正好稍热热过热①②③④⑤⑥⑦PMV＝0－3.0-2.0-1.001.02.03.0PPD=5%表明最佳舒服状态下仍有5％的人不满意。2.4.2空气参数的确定如前所述，确定车室内空气参数基数需要兼顾国情、舒适性和经济性诸方面。根据我国对舒适性方面的试验研究及我国具体条件：1．车室内温度夏季26～28℃；冬季16～18℃需要指出的是，在确定车内空气温度基数时，还必须顾及车外的环境温度，因为车内外过大的温差会使人不适应。通常车室内外Δt=5~7℃为宜，特殊时8~10℃。头部温度应低于足部温度。综合考虑，有：t(℃)φ(％)Δtw(m/s)外气量m3/(h.人)s24~28605~100.25~0.520~30w16~18>504.5~12<0.220~30冬季：头部气温最好比车内平均温度低2～3℃，足部高2～3℃。2．车室外空气参数（1）参考我国主要城市空调室外气象参数，结合新制定的客车质量检查标准，夏季车室外空气计算参数t(干球，℃)φ(％)w(m/s)外气量m3/(h.人)卡车35>50<0.210~30工程车36>50<0.210~30轿车、旅游车3560<0.210~30空调室外空气参数采用由概率论和数理统计方法得出的简化公式夏季：室外SKIPIF1<0℃trp—历年最热月平均温度的平均值；tmax—历年极端最高温度冬季：室外SKIPIF1<0℃tlp—历年最冷月平均温度的平均值；tmax—历年最冷月中最低的日平均温度或北方取－20℃为室外空气计算温度。（2）湿球温度夏季北方SKIPIF1<0℃南方SKIPIF1<0℃twp—对应历年最热月平均温度trp和平均相对湿度φrp的湿球温度；twb.max—对应历年极端最高温度tmax和最热月平均相对湿度φrp的湿球温度。冬季因空气含湿量较小，且变化也小，不需给tw，只给室外计算相对湿度值。暖通规范中规定冬季空调室室外计算相对湿度采用历年一月份月平均相对湿度的平均值。2.4.3热湿负荷计算汽车由于结构形式的复杂性，各部位所用材料尺寸、厚度及隔热方式各异，车速的变化致使汽车外壳与周围空气换热方式发生变化，再加上外界气候的变化、乘员出入等，因此很难算出汽车空调的热湿负荷。另外，由于车身材料的蓄热性，某时得到的热量并不能马上引起空气温度的变化，故制冷量应大于放热量（计算值），即SKIPIF1<0Qs为制冷能力（额定值）；Qe为计算出的得热量（空调热负荷）；K为修正系数。汽车空调室得失热量的计算是根据传热学原理进行，一般采用稳定工况下的计算。空调热负荷Qe与哪些因素有关呢？热源分析：1.车外温度大于车内;2.太阳辐射;3.人体散热;4.发动机散热;5.地面反射;6.密封具体有:SKIPIF1<0（王宜义教材P12）SKIPIF1<0—通过车顶与车门传入车厢的热负荷；SKIPIF1<0—通过各玻璃表面以对流方式进入车厢的热负荷；SKIPIF1<0—通过各玻璃表面以辐射方式直接进入车厢的热负荷；SKIPIF1<0—从发动机室一侧传入车厢的热负荷；SKIPIF1<0—从行李厢及车厢地板处传入车厢的热负荷；SKIPIF1<0—空调风机造成的热负荷；SKIPIF1<0—乘员散发的热负荷；SKIPIF1<0—由通风和密封性泄漏进入车厢的热负荷。1．SKIPIF1<0—通过车顶与车门传入车厢的热负荷在太阳辐射的作用下，通过车顶与车门传入车厢的热量由两部分组成：因车身内外空气的温差而产生的、通过车身传入的热量；车身外表面从太阳辐射中所吸收的热量。太阳辐射包括太阳直接辐射、天空散射辐射、地面反射辐射，大气长波辐射、来自地面的长波辐射。其中前两项（太阳直接辐射、天空散射辐射）为主，其他的辐射量很小，一般忽略不计。车身外表面从太阳辐射中所吸收的热量具体计算参见王宜义教材P15。热桥概念：由于车厢上有骨架（金属），骨架外有蒙皮，内有装饰材料，中间有隔热层，热量传入时，主要从骨架上传入，形成“热桥”。为了减少热桥传热，可采用断热桥设计，即将骨架分为主骨架和辅骨架，前者以承载为目的，用钢材或铝型材，后者以断热为目的，主要用木材、胶合板、玻璃钢等。2．通过窗玻璃传入车厢的热负荷太阳辐射到窗玻璃上的热分成三路：一部分被反射、一部分被吸收，还有一部分透过玻璃以短波辐射的形式直接进入车室内。吸收的这部分太阳辐射能量存贮在玻璃内，使之温度增高，当玻璃温度高于车内、车外温度时，就以对流的方式向室内、室外放热。而透过窗玻璃的太阳辐射能，被车厢内物体部分地吸收，部分地反射出去。因此，通过窗玻璃进入车厢的热负荷由三部分组成：由于车内外温差传入的热量；由于窗玻璃吸收的那部分以对流方式进入车室内的热量；透过窗玻璃直接进入车室内的辐射能所形成的热量。3．空气渗透进入车内的热负荷这主要指因门窗不严而泄入车室内的空气。由门窗缝隙带入热约占总得热量的20～30％左右。据资料介绍，当汽车车速为40km/h、宽1.5mm的缝隙的漏风量为10m3/(h.m)，而当缝隙宽增至3mm时，漏风量加大到17m3/(h.m)。漏风量带入热Q1可按下式计算：SKIPIF1<0Gv为渗透进入车内的空气流量，由实验确定（气密性试验）；hn、hw分别为车室内外的空气焓值，按湿球温度找焓值。按人体卫生标准需要，新鲜空气量为20～40m3/(h.人)，光靠门窗渗透的新风不能满足需要，需要通过空调器送进新风。SKIPIF1<0V为通风量（m3/h），γ为空气的容重。4．人体散热量人体散热受性别、年龄等多种因素影响，人体散热中，对流成分占20％，辐射成分占40％，其余为潜热（人体蒸发散热）。随室温的升高，人体散热中潜热的比例略升，但全热量仍为定值。在计算人体散热时，为了方便起见，可以成年男子为基础，再考虑群集系数例如：20℃时，成年男性散热（一般情况）：显热84W，潜热26，全热110而30℃时，显热43W，潜热65，全热108而在汽车内，坐、立、驾驶者等散热量又不同，王宜义教材P19：静坐60W，站立70W，驾驶120W（轿车），重型车驾驶186W。5．发动机室传热量发动机室向车室内的传热可按多层均匀平壁传热计算，但在计算传热系数K时，需要考虑发动机室在车室内的布置位置和发动机室风速实际情况（即无遮挡时，风速按车速；在有遮挡时，应取阻力损失后之风速）。6．空调风机传热这部分热量包括流经风管的空气因室内外温差所致在沿程吸收或放出的热量和通风机的动力热。通风机动力热按功耗Qm直接成空调热负荷。2.4.4减少热负荷的途径减少热负荷就能节约能耗。从前面分析计算知，要减少热负荷就必须从影响热负荷的各种因素入手。例如王宜义教材P19：热负荷构成主要在以下三个方面：太阳辐射、车内外温差传热、密封泄漏和通风。所以要减少热负荷采取的措施：减少温差传热：减少车身骨架与蒙皮间的接触面积；选用导热系数小的材质作隔热材料等；减少太阳辐射：采用吸收率小的车身材料，玻璃颜色、光洁度，采用红外吸收玻璃和红外反射玻璃；玻璃上贴遮阳塑料薄膜或喷涂一层遮阳塑料。红外反射和红外吸收玻璃具有单向透视功能，白天在车内可以看到车外的景象，而外面的人看不清车内的情景。提高气密性，减少缝隙泄漏形成的热负荷。第三章汽车空调系统的工作原理(方贵银，李辉编著.汽车空调技术.北京：机械工业出版社，2002.1P16－34)3.1汽车空调的制冷原理(参考文献：张蕾主编，汽车空调.)3.1.1制冷方式空调的制冷方式很多，常见的有以下四种：液体汽化制冷、气体膨胀制冷、涡流管制冷和热电制冷。其中液体汽化制冷的应用最为广泛，它是利用液体汽化时的吸热效应而实现制冷的。蒸气压缩式、吸收式、蒸气喷射式和吸附式制冷都属于液体汽化制冷方式。1．液体汽化制冷任何液体汽化时都要吸收热量。在定压状态下，1kg液体汽化时所吸收的热量称为汽化潜热。r=h’’-h’=T(s’’-s’)(2-1)式中r——单位质量工质的汽化潜热，单位为kJ／kg；h’’——单位质量工质的饱和蒸气比焓值，单位为kJ／kg；h’——单位质量工质的饱和液体比焓值，单位为kJ／kg；s’’——单位质量工质的饱和蒸气比熵值，单位为kJ／(kg·K)；s’——单位质量工质的饱和液体比熵值，单位为kJ／(kg·K)；T——此定压下对应的饱和温度，单位为K。对于任何一种液体，汽化潜热是随其蒸发压力而变的；而在相同的压力下，不同工质的汽化潜热也是不相同的。工质的分子量越小，其汽化潜热的数值越大。对任何一种工质，随着蒸发温度的提高其汽化潜热不断减小，当达到临界状态时其汽化潜热为零。在制冷机的工作过程中，在低温下蒸发的制冷剂液体都是使高压液体经节流降压而得到的。较高压力的饱和液体节流降压后即进入两相区，并闪发出一定的饱和蒸气。对于1kg制冷剂，若用x表示闪发后的干度，则当其余液体全部转变为饱和蒸气时吸收的热量为q0=r(1-x)(2—2)式中q0——单位制冷量，单位为kJ／kg；r——单位质量工质的汽化潜热，单位为kJ／kg；x——工质节流后的干度。由式(2—2)可知，单位制冷量不仅与汽化潜热有关，还随节流后的干度而变。制冷剂液体在节流膨胀前后压力变化越大，则节流过程中闪发的气体量越多，而单位制冷量就越小。由此可见，液体汽化制冷循环由工质低压下汽化、蒸气升压、高压气体液化和高压液体降压四个基本过程组成。蒸气压缩式制冷、吸收式制冷、蒸气喷射式制冷和吸附式制冷都具备上述四个基本过程。2．气体膨胀制冷在气体制冷机中，是利用高压气体的绝热膨胀达到低温状况，并利用膨胀后的气体在低压下的吸热过程制冷的。气体绝热膨胀的特性随使用的设备而变，一般有两种方式：一种方式是高压气体经膨胀机(活塞式或透平式)膨胀，此时有外功输出，因而气体温降大，发热时制冷量大，但膨胀机结构比较复杂；另一种方式是气体经节流阀膨胀(通常为节流)，此时无外功输出，气体的温降小，制冷量也小，但节流阀的结构较简单且便于气体流量的调节。这种膨胀方式在气体制冷机中使用较少。3．涡流管制冷利用气体涡流制冷是法国工程师兰克1933年提出的。涡流冷却效应的实质是利用人工方法产生旋涡使气流分为冷、热两部分，并利用分离出来的冷气流进行制冷。涡流管是一根构造比较简单的管子，如图2-l所示，主要由喷嘴、涡流室、分离孔板、调节阀及冷、热两端的管子所组成。压缩空气进入喷嘴后沿切线方向进入涡流室，形成自由涡流，且分离成温度不同的两股气流；中心部分的低温气流，经分离孔板的中心孔流出，而外围边缘部分的高温气流，则在另一端经调节阀流出。所以利用涡流管可同时获得冷、热两种不同温度的气流，冷气流的温度可达-10～-50℃，热气流的温度可达100～150℃。调节阀通过改变热气流在阀前的压力，调节两部分气流的流量比例，从而改变冷、热气流的温度。涡流管制冷的主要优点是结构简单、使用灵活、起动快、维护方便。只要有压缩空气，便可用涡流管制冷。涡流管制冷的主要缺点是效率低，制冷系数小于蒸气压缩式制冷机。4．热电制冷热电制冷又称温差电制冷，它是利用热电效应(即帕尔帖效应)的一种制冷方法。该方法的制冷效果主要取决于两种材料的热电势。纯金属材料的导电性好、导热性也好，其帕尔帖效应很弱，制冷效率极低。半导体材料具有较高的热电势，可以成功地做成小型热电制冷器。根据电流载体的不同，半导体分为N型(电子型)半导体和P型(空穴型)半导体。由N型半导体和P型半导体构成的热电制冷元件如图2-2所示。当通以直流电流I时，P型半导体内载流子(空穴)和N型半导体内载流子(电子)在外电场作用下产生运动。由于载流子(空穴和电子)在半导体内和金属片内具有的势能不一样，势必在金属片与半导体接头处发生能量的传递及转换。因为空穴在P型半导体内具有的势能高于空穴在金属内的势能，在外电场作用下，当空穴通过结点a时，就要从金属片中吸取一部分热量，以提高自身的势能，才能进入P型半导体内，这样结点。处就冷却下来。当空穴通过结点b时，空穴将多余的一部分势能传递给结点6而进入金属片Ⅱ，因此结点b处就热起来。同理，电子在N型半导体内的势能大于在金属片中的势能，在外电场作用下当电子通过结点6时，就要从金属片Ⅱ中吸取一部分热量转换成自身的势能，才能进入N型半导体内，这样结点d处就冷却下来。当电子运动到达结点c时，电子将自身多余的一部分势能传给结点c而进入金属片Ⅱ，因此结点c处就热起来。这就是电偶对制冷与发热的基本原因。空调的制冷方式有许多种，目前实际应用于汽车上的空调制冷方式，全部为蒸气压缩式。其他制冷方式，由于其制冷系数低，或者是热源不足而引起制冷效率差，或换热器过大，目前应用在汽车上较困难。3.1.2汽车空调制冷系统简介汽车空调制冷系统由压缩机、冷凝器、储液干燥器、膨胀阀、蒸发器和鼓风机等组成，如图2-3所示，各部件之间采用钢管(或铝管)和高压橡胶管联接成一个密闭系统。此空调制冷系统是典型的非独立式汽车空调系统，它采用的是单级蒸气压缩式制冷循环。压缩机有往复式和回转式两种形式。空调的蒸发冷却装置一般布置在车室仪表台面板下，与仪表台面板组装成一体；冷凝器大多布置在车头散热器前面，并有单独风扇进行冷却。汽车正常行驶产生的行驶风对冷凝器起到很大的散热效果，汽车怠速行驶时，冷凝器风扇能加强其散热能力，使其冷凝压力不至于过高，否则会影响轿车空调的正常运行。储液干燥器一般都安装在发动机室内，在系统运行时，对制冷剂进行过滤、干燥吸湿和储存多余的制冷剂。在储液干燥器的上方装有一个视液窗，用以观察制冷系统中制冷剂量，正常工作时，制冷剂应无泡沫平稳流动。蒸发冷却机组是将离心风机装在蒸发器进风口处，属于压入式送风。膨胀阀和感温包都安装在机组里面，与机组联成一体，这样便于安装和维修。在蒸发器出口，感温包感受蒸发器出口温度后，能自动调节膨胀阀的开度，控制制冷剂的流量，以维持车室内一定的温度。制冷系统工作时，制冷剂以不同的状态在这个密闭系统内循环流动，每一循环有四个基本过程：(1)压缩过程压缩机吸入蒸发器出口处的低温低压的制冷剂气体，把它压缩成高温高压的气体排出压缩机。(2)放热过程高温高压的制冷剂气体进入冷凝器，由于压力及温度的降低，制冷剂气体冷凝成液体，并放出大量的热。(3)节流过程温度和压力较高的制冷剂液体通过膨胀装置后体积变大，压力和温度急剧下降，以雾状(细小液滴)排出膨胀装置。(4)吸热过程雾状制冷剂液体进入蒸发器，此时制冷剂沸点远低于蒸发器内温度，故制冷剂液体蒸发成气体。在蒸发过程中吸收周围大量的热量，变成低温低压的蒸气又回到压缩机。制冷系统在运行条件发生变化时，冷凝温度、蒸发温度、压缩机转速也相应地发生变化。1)当冷凝温度升高，而蒸发温度和其他工况不变时，汽车空调的制冷量将减小，功耗将增加，制冷系数将减小。冷凝温度受环境温度和冷凝器的散热条件影响，环境温度升高，冷凝温度也升高。另外冷凝器的安装位置也很重要，不要太靠近散热器，要让汽车行驶风吹到冷凝器的正面(迎风面)，以增强冷凝器的散热效果。2)当蒸发温度降低，而冷凝温度和其他工况不变时，汽车空调制冷量将减小，功耗将增大，制冷系数将减小。汽车空调蒸发温度不宜调得过低，否则会在蒸发器外翅片表面产生结霜，影响换热效果。实际运行时，蒸发温度一般调为0～5℃。3)当汽车高速行驶时，压缩机转速也随之增加，这时压缩机的排量也将增加，其制冷量和功率消耗都将增加。另外高速行驶的风力使冷凝器的散热条件大为改善，冷凝效果好，制冷剂过冷度增大，因此高速行驶时，汽车空调制冷系数增大。反之，汽车在低速行驶时，压缩机转速减小，制冷剂循环量减小。另外冷凝器的散热条件恶化，压缩机的吸气压力增大，压缩机功耗增加，因此其制冷系数将减小。汽车低速行驶时，时常会导致发动机和压缩机过载，加速它们的过早损坏，所以在汽车空调系统中常常装有怠速继电器，用以在低速时切断汽车空调运行，保护压缩机和发动机。3.2汽车空调制冷系统的热力循环(参考文献：张蕾主编，汽车空调.)3.2.1制冷剂压-焓图及温-熵图压-焓图是表示制冷循环运转时，制冷系统中的制冷剂状态变化的曲线。掌握压-焓图对理解、检查、维修制冷系统非常必要。在压-焓图中，将制冷剂全部状态各点参数连续地表示在曲线上，如图2-4所示。图中横坐标表示焓值，纵坐标表示绝对压力。为了使图形清晰、紧凑，纵坐标常以对数标尺lgp表示，因此制冷剂压焓图又称为lgp-h图。在图2—4中，C点为临界点。Cm为饱和液体线，其干度x=0。干蒸气线，其干度z=1。饱和液体线与干蒸气线之间为湿蒸气区，其中绘出x值，即等干度线。Cm线左面是液态区，即未饱和液体区或称过冷液体区。Cm线右边为过热蒸气区。图中绘出了等容线、等温线、等熵线，其中等温线在液态区是一条几乎与纵坐标平行的直线，在湿蒸气区则为水平线(等压汽化过程中温度不变)，而在过热蒸气区则为急剧向下弯曲的曲线。制冷剂的一些热力过程如等压、等容、等温、等熵过程，在压-焓图中可直接表示出来。由于制冷循环中几个热力过程在压．焓图上图形简单，而且能方便地查出热力过程中焓值的变化，因此lgP-h图在制冷工程计算中得到了广泛应用。在湿蒸气区，若已知干度x，则只要知道其他任意一个参数即可确定制冷剂的状态。如图2-5所示为制冷剂温-熵图。它以熵为横坐标，温度为纵坐标。图中临界点K左边的实线为饱和液体线，右边的实线为饱和蒸气线，这两条线把整个温-熵图划分为三个区域，饱和液体线的左边为过冷液体区，饱和蒸气线的右边为过热蒸气区，两条线之间为湿蒸气两相区。图中还画有六种等参数线簇。等温线为水平实线，等熵线为垂直实线，等压线在两相区内与等温线重合，是水平线，过热区内等压线是向右上方倾斜的实线。过冷区内等压线密集于x=0的线附近，可近似用x=0的线代替。等容线用虚线表示，过热区的等容线向右上方倾斜。在过热区及两相区内，等焓线均为向右下方倾斜的实线，但两相区内的等焓线的斜率更大，过冷区液体的焓值可近似用同温度下饱和液