摘要

本文通過(guò)試驗(yàn)和仿真的方法，以2款搭載同樣空調(diào)和動(dòng)力系統(tǒng)的A級(jí)車型和MPV車型為研究對(duì)象，在汽車空調(diào)法規(guī)的基礎(chǔ)上研究了試驗(yàn)循環(huán)、環(huán)境條件、車輛參數(shù)和空調(diào)技術(shù)對(duì)空調(diào)能耗的影響。結(jié)果顯示，對(duì)于同一空調(diào)系統(tǒng)，車輛 的車廂容積對(duì)空調(diào)的能耗影響最大，而車重與空調(diào)能耗無(wú)關(guān)聯(lián)性。因此本文建議法規(guī)使用車廂容積代替車重作為設(shè)定空調(diào)能耗目標(biāo)值的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：汽車空調(diào)，油耗，評(píng)價(jià)方法，影響因素

汽車空調(diào)是整車系統(tǒng)的最大耗能附件，其能耗約占發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的10% -30% （隨車速、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和環(huán)境因素變化）。以往研究和法規(guī)的重點(diǎn)主要集中在空調(diào)系統(tǒng)的制冷、制熱和舒適性等要求上，但隨著整車能耗法規(guī)的日益嚴(yán)格，汽車空調(diào)能耗也同樣被重視起來(lái)。在2017年1月，工信部頒布了《乘用車循環(huán)外技術(shù)/裝置節(jié)能效果評(píng)價(jià)方法第3部分-高效空調(diào)》征求意見(jiàn)稿，同時(shí)在2019年1月工信部公布的下一階段《乘用車燃料消耗量限值》征求意見(jiàn)稿中， 仍然保留了乘用車循環(huán)外技術(shù)條目，擬對(duì)裝備有節(jié)能效果的循環(huán)外技術(shù)車輛給予一定的油耗獎(jiǎng)勵(lì)?？梢?jiàn)，汽車空調(diào)的能耗水平在未來(lái)法規(guī)層面將會(huì)是整車能耗不可分割的一部分。因此科學(xué)合理的空調(diào)節(jié)能效果評(píng)價(jià)方法對(duì)于汽車空調(diào)市場(chǎng)的公平競(jìng)爭(zhēng)和良性發(fā)展至關(guān)重要。歐美國(guó)家很早就開(kāi)始著手研究汽車空調(diào)對(duì)整車油耗的影響，其中美國(guó)早在2013年就已開(kāi)始對(duì)裝備有節(jié)能空調(diào)的車企給予油耗獎(jiǎng)勵(lì)，而中國(guó)在這一領(lǐng)域起步晚，且研究數(shù)據(jù)十分匱乏，主要是借鑒歐美國(guó)家經(jīng)驗(yàn)修訂起草相關(guān)法規(guī)。本文首先綜述了國(guó)內(nèi)外汽車空調(diào)節(jié)能效果評(píng)價(jià)方法現(xiàn)狀，再通過(guò)試驗(yàn)與仿真結(jié)合的方式對(duì)影響空調(diào)能耗因素進(jìn)行研究，對(duì)國(guó)內(nèi)空調(diào)能耗法規(guī)提出修改建議。

1  國(guó)內(nèi)外汽車空調(diào)節(jié)能效果評(píng)價(jià)方法現(xiàn)狀

1.1  美國(guó)

美國(guó)針對(duì)空調(diào)能耗共有兩項(xiàng)測(cè)試。一是傳統(tǒng)油耗測(cè)試循環(huán)使用的EPA 5工況法，另一項(xiàng)是專門(mén)用于空調(diào)系統(tǒng)能耗測(cè)試的AC17工況法。

EPA5工況法中的SC03循環(huán)更側(cè)重于整車，主要考察車輛在極端環(huán)境條件下，空調(diào)系統(tǒng)全負(fù)荷工作時(shí)的整車油耗，不進(jìn)行同循環(huán)下的關(guān)空調(diào)測(cè)試。SC03工況的主要特征包括：高溫35°C, 40%相對(duì)濕度，850W/m2光照；時(shí)長(zhǎng)9. 9min,里程 5.8km,平均車速 34. 8km/h。

AC17工況法更側(cè)重于空調(diào)系統(tǒng)，主要考察空調(diào)系統(tǒng)在較溫和環(huán)境條件下的能耗水平，溫和的環(huán)境條件更有助于不同空調(diào)技術(shù)（如變排壓縮機(jī)技術(shù)）的節(jié)能表現(xiàn)。AC17 工況的主要特征包括：溫度25 °C, 50%相對(duì)濕度，850W/m2光照；時(shí)長(zhǎng)22. 7min,里程22.2km,平均車速58. 6km/h。AC17測(cè)試基于車型空調(diào)部件采用的先進(jìn)技術(shù)計(jì)算C02 （油耗）獎(jiǎng)勵(lì), 2017年及以后，乘用車獎(jiǎng)勵(lì)上限值為CO2 5g/mile （0. 124L/ 100km）。

1.2  歐洲

歐洲使用的空調(diào)測(cè)試循環(huán)是MACTP工況，MACTP工況是等速工況，其主要特征包括：溫度25°C,相對(duì)濕度45%, 不開(kāi)光照但會(huì)對(duì)結(jié)果進(jìn)行700W/m2的等效光強(qiáng)處理，空調(diào)設(shè)置為外循環(huán)。采用多層次的校正對(duì)最終結(jié)果的空調(diào)開(kāi)、關(guān)油耗差值進(jìn)行修正。

1.3  中國(guó)

2017年1月中國(guó)公布了《乘用車循環(huán)外技術(shù)/裝置節(jié)能效果評(píng)價(jià)方法第3部分一高效空調(diào)》征求意見(jiàn)稿。循環(huán)為NEDC工況，環(huán)境溫度30°C,相對(duì)濕度50%,光強(qiáng)850W/m2,空調(diào)溫度設(shè)置為23°C，內(nèi)循環(huán)吹面模式，關(guān)閉后排出風(fēng)口。油耗獎(jiǎng)勵(lì)值公式為式（1）、式（2）,車輛得到的油耗獎(jiǎng)勵(lì)除了與空調(diào)的實(shí)際能耗水平有關(guān)，還和通過(guò)車重十十算得到的空調(diào)能耗相關(guān)。



式中FCj表示油耗獎(jiǎng)勵(lì)值，TAC為汽車空調(diào)燃油消耗量目標(biāo)值 （L/100km） ；K為空調(diào)使用比例系數(shù)（0.25）；CM為整車裝備質(zhì)量（kg）；FCAC為汽車空調(diào)開(kāi)啟/關(guān)閉后的油耗差值。

2  汽車空調(diào)能耗影響因素分析

本文通過(guò)試驗(yàn)與仿真相結(jié)合的形式對(duì)空調(diào)能耗進(jìn)行分析，試驗(yàn)研究循環(huán)工況和空調(diào)技術(shù)對(duì)空調(diào)能耗的影響，仿真研究環(huán)境條件和車輛參數(shù)對(duì)空調(diào)能耗的影響，使用了2輛搭載同樣空調(diào)和動(dòng)力系統(tǒng)的A級(jí)車型和MPV車型作為研究對(duì)象。車輛的基本參數(shù)見(jiàn)表1。



汽車空調(diào)是一個(gè)較復(fù)雜的系統(tǒng)，它的工作狀態(tài)與車內(nèi)外環(huán)境條件、車輛動(dòng)力等因素有關(guān)。結(jié)合法規(guī)，在測(cè)試中影響空調(diào)能耗的因素可分為4個(gè)部分：測(cè)試使用的循環(huán)工況、環(huán)境條件、車輛因素和空調(diào)技術(shù)本身。

2.1  循環(huán)工況對(duì)空調(diào)能耗的影響

表2為不同循環(huán)工況下車型A的空調(diào)能耗試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果表明空調(diào)系統(tǒng)能耗與車速之間有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性：平均車速越低，空調(diào)能耗越大，且空調(diào)能耗占整車能耗比例也更大。循環(huán)工況對(duì)空調(diào)能耗影響主要在平均車速和循環(huán)時(shí)長(zhǎng)2 個(gè)方面。



2.1.1  循環(huán)平均車速的影響

在怠速情況下，空調(diào)開(kāi)啟后會(huì)增大發(fā)動(dòng)機(jī)怠速負(fù)荷，因此發(fā)動(dòng)機(jī)需提高一定的怠速轉(zhuǎn)速，使怠速時(shí)油耗增加。而高速狀態(tài)下冷凝器端風(fēng)速高，使冷凝器換熱效率提升，且此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率更高，同樣的空調(diào)額外負(fù)荷所消耗的燃油量更低。但車輛高速行駛時(shí)，車廂內(nèi)處于負(fù)壓區(qū)，空氣從車窗、車門(mén)、空調(diào)外循環(huán)風(fēng)門(mén)等處滲入量更大，使一部分發(fā)動(dòng)機(jī)余熱和外部空氣從縫隙中進(jìn)入車廂內(nèi)，增大空調(diào)的制冷需求。

2.1.2  循環(huán)時(shí)長(zhǎng)的影響

對(duì)于車型A,空調(diào)系統(tǒng)的最大負(fù)荷工作時(shí)間一般在最開(kāi)始的4min內(nèi)，這段時(shí)間變排壓縮機(jī)全負(fù)荷工作，將車內(nèi)溫 度從50℃左右降溫至23℃左右。隨著溫度的下降，變排壓縮機(jī)排量下降，能耗也降低。隨著試驗(yàn)循環(huán)時(shí)間的加長(zhǎng)，空調(diào)高負(fù)荷工作占比時(shí)間縮短，使平均空調(diào)能耗下降。

2.2  環(huán)境條件對(duì)空調(diào)能耗的影響

環(huán)境參數(shù)指環(huán)境溫度、環(huán)境相對(duì)濕度以及光照強(qiáng)度。車輛經(jīng)過(guò)30min浸車后車內(nèi)溫度在48°C左右。制冷過(guò)程中， 空調(diào)系統(tǒng)約1/3的制冷量用于抵消光照輻射的熱量，1/3制冷量用于補(bǔ)償由于漏風(fēng)引入的新空氣熱量，另外1/3用于車廂內(nèi)部制冷。NEDC工況下環(huán)境條件變化對(duì)車型A的油耗影響如圖1所示。

環(huán)境溫度主要影響車輛保溫浸車后的車廂溫度和冷凝器端的熱交換率。環(huán)境溫度升高之后，會(huì)使車內(nèi)保溫升高，同時(shí)由于外部空氣側(cè)溫度升高會(huì)使冷凝器換熱效率下降，環(huán)境溫度變化±5℃會(huì)帶來(lái)約7%的空調(diào)能耗影響。

相對(duì)濕度直接影響空調(diào)的制冷能耗。濕度越高，制冷量越大。水蒸氣冷凝為水，相變的汽化潛熱使制冷量加大，同時(shí)冷凝出來(lái)的水（與氣溫相同）就在蒸發(fā)器上，又會(huì)繼續(xù)被冷卻。這部分的水將會(huì)消耗大量的制冷量。所以環(huán)境濕度越高，制冷耗能就越高。但法規(guī)試驗(yàn)規(guī)程要求使用內(nèi)循環(huán)模式，因此環(huán)境空氣的濕度對(duì)車內(nèi)循環(huán)空氣的濕度影響不大, 對(duì)空調(diào)能耗的影響很小，±20%的相對(duì)濕度變化對(duì)空調(diào)能耗幾乎無(wú)影響。

光照強(qiáng)度主要影響車輛保溫浸車后的車廂溫度、冷凝器端熱交換率以及車輛行駛時(shí)的車廂內(nèi)外換熱率。土 150W/m2的光照強(qiáng)度變化會(huì)使保溫后的車廂內(nèi)溫度變化3℃左右。和環(huán)境溫度因素不同，溫度對(duì)浸后的車內(nèi)溫度峰值有較大影響，對(duì)降溫的過(guò)程影響較小，但光照強(qiáng)度對(duì)降溫過(guò)程影響較大，車廂吸收的熱輻射更多，意味著空調(diào)制冷量需求更多, 使空調(diào)能耗增加。土 150W/m2的光照強(qiáng)度變化會(huì)帶來(lái)約7% 的空調(diào)能耗影響。

2. 3  車輛參數(shù)對(duì)空調(diào)能耗的影響

2.3.1  車重對(duì)空調(diào)能耗的影響

車重對(duì)于空調(diào)能耗影響結(jié)果如圖2所示，結(jié)果表明不同車廂容積的車輛，在不同的整車裝備條件下，空調(diào)能耗和車重?zé)o關(guān)聯(lián)性。車重增加導(dǎo)致車輛行駛阻力增加，因此空調(diào)關(guān)閉和開(kāi)啟后的油耗都有上升，但空調(diào)能耗并不受此影響。


圖2車重對(duì)于空調(diào)能耗影響的仿真結(jié)果

2.3.2  發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)對(duì)空調(diào)能耗的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)功率與空調(diào)能耗關(guān)系如圖3所示，通過(guò)對(duì)搭載6款不同排量、不同功率發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛仿真分析得知隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率和排量的增大，車輛的基礎(chǔ)油耗和空調(diào)開(kāi)啟后油耗都顯著上升，但空調(diào)能耗卻有一定下降，這和不同發(fā)動(dòng)機(jī)的工作區(qū)間和單位輸出功率所消耗的燃油量有關(guān)。空調(diào)系統(tǒng)對(duì)于小排量、低功率發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗影響要顯著高于大排量、高功率發(fā)動(dòng)機(jī)。


2. 3. 3  車廂容積對(duì)空調(diào)能耗的影響

一般A00級(jí)車型如FIAT 500的車廂容積為2000L, A級(jí)車的車廂容積為3000L, 5座MPV的車廂容積為5000L。車廂容積越大，意味著車窗面積越大，導(dǎo)致陽(yáng)光輻射更多，車內(nèi)吸熱物體增加，且空氣也更難形成循環(huán)回路，法規(guī)要求關(guān)閉后排出風(fēng)口，進(jìn)一步惡化了后排空間的空氣循環(huán)，同時(shí)車廂容積增大后更難保證車廂的氣密性。這些因素都會(huì)增加空調(diào)的制冷量需求，導(dǎo)致空調(diào)開(kāi)啟后油耗增加。圖4是不同車廂容積與空調(diào)能耗之間關(guān)系的仿真結(jié)果，式（3）為空調(diào)能耗與車廂容積關(guān)系的二次擬合曲線，仿真時(shí)考慮了車廂容積增加帶來(lái)的氣密性下降問(wèn)題。圖5顯示了一般轎車的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)氣密性試驗(yàn)結(jié)果，車輛靜態(tài)怠速時(shí)車內(nèi)外壓差為50Pa左右，此時(shí)的漏風(fēng)量在70L/s左右。




2.4  空調(diào)技術(shù)對(duì)空調(diào)能耗的影響

空調(diào)節(jié)能技術(shù)主要有變排壓縮機(jī)、內(nèi)/外循環(huán)風(fēng)門(mén)主動(dòng)控制、高效的換熱器和座椅主動(dòng)通風(fēng)等，它們的節(jié)能效果和技術(shù)成本各不相同。本文試驗(yàn)了2項(xiàng)空調(diào)節(jié)能技術(shù)，即變排量空調(diào)壓縮機(jī)和內(nèi)置換熱器技術(shù)，前者節(jié)能效果顯著，后者成本很低但節(jié)能效果并不明顯。內(nèi)置換熱器又叫同軸管 (IHX),原理是將空調(diào)系統(tǒng)中的低溫低壓管和高溫高壓管制 成同軸管，內(nèi)管是低壓管，外部是高壓管，以實(shí)現(xiàn)更高效的換熱。



圖6為不同空調(diào)技術(shù)下的空調(diào)能耗試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果表明 變排壓縮機(jī)的節(jié)能效果顯著，其節(jié)省油耗約占空調(diào)能耗的 33. 6% 。內(nèi)置換熱器雖然在空調(diào)試驗(yàn)臺(tái)架上能提高換熱效 率，有不錯(cuò)的節(jié)能表現(xiàn)，但在整車試驗(yàn)條件下，其節(jié)能效果 難以體現(xiàn)，僅占空調(diào)能耗的0.7%。

2.5  不同因素對(duì)空調(diào)能耗影響綜合分析

各因素的影響效果如圖7所示，以車型A為參考對(duì)象, 濕度取± 20% ；整車質(zhì)量取土 200kg；環(huán)境溫度取±5℃；光照強(qiáng)度取± 150W/m2；發(fā)動(dòng)機(jī)排量對(duì)比了 1.9T/155kW和 1.4T/110kW兩款發(fā)動(dòng)機(jī)；試驗(yàn)循環(huán)對(duì)比了 NEDC和WLTC 兩個(gè)循環(huán)。


3  汽車空調(diào)能耗評(píng)價(jià)方法探索

綜合分析各因素對(duì)空調(diào)能耗影響后，可以發(fā)現(xiàn)車重和空調(diào)能耗無(wú)關(guān)聯(lián)性，而車廂容積與空調(diào)能耗關(guān)系緊密，因此相比車重，車廂容積更適合作為設(shè)定目標(biāo)值的依據(jù)。汽車空調(diào)能耗的評(píng)價(jià)方法需盡可能避免車輛不一致性帶來(lái)的差異，即對(duì)于同一空調(diào)系統(tǒng)的不同車輛，按評(píng)價(jià)方法得到的油耗獎(jiǎng)勵(lì)值應(yīng)當(dāng)相近。因此在式(3)的基礎(chǔ)上，加入A車型在原公式下的獎(jiǎng)勵(lì)值，修改后的獎(jiǎng)勵(lì)公式為式(4)、式(5)。

FCj = （TAC-FCAC）K (4)

FAC =0.0869V2 -0.3V +1.776 (5)

式中，F(xiàn)AC為空調(diào)能耗；FCj表示油耗獎(jiǎng)勵(lì)值；TAC為汽車空調(diào)燃油消耗量目標(biāo)值(L/100km)；K為空調(diào)使用比例系數(shù) (0. 25)；V為車廂容積(x1000L)；FCAC為汽車空調(diào)開(kāi)啟/ 關(guān)閉后的油耗差值。

為了保證修改后評(píng)價(jià)方法的車輛一致性要求，進(jìn)行了6 輛車的驗(yàn)證，結(jié)果見(jiàn)表4。按原獎(jiǎng)勵(lì)公式，車型A、D獲得了近0.1L/100km的油耗獎(jiǎng)勵(lì)，而使用同一空調(diào)系統(tǒng)的車型B、E沒(méi)有獲得任何獎(jiǎng)勵(lì)，這是由于車型B、E車廂容積更大導(dǎo)致空調(diào)能耗大幅增加，因此按車重設(shè)定空調(diào)能耗目標(biāo)值有局限性。而修改后的評(píng)價(jià)方法以和空調(diào)能耗關(guān)聯(lián)緊密的車廂容積為依據(jù)，避免了車輛不一致性帶來(lái)的影響，保證了這水平。些車型得到的油耗獎(jiǎng)勵(lì)相近，能更客觀地反映空調(diào)的能耗。



4  汽車空調(diào)能耗評(píng)價(jià)方法探索

本文綜述了國(guó)內(nèi)外汽車空調(diào)能耗的評(píng)價(jià)方法現(xiàn)狀，并分析了影響空調(diào)油耗的循環(huán)工況、環(huán)境條件等4個(gè)因素，結(jié)果顯示同一空調(diào)系統(tǒng)下，車廂容積對(duì)空調(diào)能耗影響最大，車重與空調(diào)能耗無(wú)關(guān)聯(lián)性，因此國(guó)內(nèi)法規(guī)選擇車重作為設(shè)定空調(diào)能耗目標(biāo)值的依據(jù)有一定局限性。在綜合各因素對(duì)空調(diào)能耗影響結(jié)果后，對(duì)法規(guī)評(píng)價(jià)方法做出修改，并對(duì)該評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了車輛一致性的驗(yàn)證。修改后的方法能更客觀地體現(xiàn)空調(diào)的能耗水平，保證了搭載同一空調(diào)系統(tǒng)的不同車型能獲得相近的油耗獎(jiǎng)勵(lì)。