孔凡清,龔元聰,趙雨晴,路士杰,張學(xué)敏.現(xiàn)代汽車空調(diào)HVAC研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].環(huán)境工程,2016,34(S1):627-631.

摘要: 

隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)汽車舒適性、可靠性和環(huán)保性的要求也不斷增加，汽車空調(diào)也相應(yīng)地需要作出技術(shù)推新與變革; 主要針對(duì)目前國內(nèi)外的相關(guān)研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述與分析，同時(shí)闡述了汽車空調(diào)HVAC 總成的現(xiàn)行技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)，最后提出目前的研究與技術(shù)存在的問題及未來的發(fā)展方向。

0 引言

HVAC( Heating Ventilation and Air Conditioning)是供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)的簡(jiǎn)稱。汽車空調(diào)HVAC 總成是汽車空調(diào)系統(tǒng)重要的組成部分，其功耗與噪聲是評(píng)價(jià)整車經(jīng)濟(jì)性和舒適性的指標(biāo)，其性能的優(yōu)化保證了車內(nèi)乘員的熱舒適性與吸入空氣的質(zhì)量; 隨著傳統(tǒng)能源日益枯竭、大氣環(huán)境不容樂觀，汽車空調(diào)HVAC技術(shù)朝著更加高效、節(jié)能、環(huán)境友好的方向發(fā)展，同時(shí)越來越注重對(duì)車外有害氣體與顆粒的有效防控與過濾; 與此同時(shí)，國內(nèi)外針對(duì)汽車空調(diào)HVAC 的相關(guān)研究，亦旨在分析現(xiàn)存技術(shù)的機(jī)理與不足以找出性能優(yōu)化方法。

1 汽車空調(diào)HVAC 組成與結(jié)構(gòu)

汽車空調(diào)HVAC 總成也稱空調(diào)器總成，指安裝在儀表板下具有加熱、通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)功能的單元，包含鼓風(fēng)機(jī)總成( 含過濾器) 、蒸發(fā)器芯體、加熱器芯體、混合風(fēng)門、模式風(fēng)門等主要部件; 結(jié)構(gòu)上包含進(jìn)風(fēng)段、蒸發(fā)器段、中間段、暖風(fēng)芯體段、出風(fēng)段五部分，具有吹面、吹腳、除霜除霧三種模式; 在不同車型上，HVAC 結(jié)構(gòu)不盡相同，在設(shè)計(jì)上有一定的自主性，圖1是某款汽車空調(diào)HVAC 系統(tǒng)外部結(jié)構(gòu)與內(nèi)部主要部件的示意圖; 圖2 為HVAC 系統(tǒng)內(nèi)部以及外接風(fēng)道簡(jiǎn)圖。

2 國內(nèi)外對(duì)汽車空調(diào)HVAC 的研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外針對(duì)汽車HVAC 的研究重點(diǎn)放在內(nèi)部流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的探討，通常就某一部分或整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或CFD( 計(jì)算流體力學(xué)) 分析，從而發(fā)現(xiàn)問題以提出優(yōu)化改進(jìn)，進(jìn)而提高研究所追求的特定性能，另一方面本文還關(guān)注了國內(nèi)外對(duì)HVAC 總成降低顆粒物、提升車內(nèi)空氣質(zhì)量的研究，并將其情況單獨(dú)列出表述，這方面的相關(guān)研究涵蓋空調(diào)過濾器性能、結(jié)構(gòu)管路結(jié)構(gòu)優(yōu)化與內(nèi)部氣固兩相流場(chǎng)等研究。

2. 1 國內(nèi)外對(duì)HVAC 內(nèi)流場(chǎng)與結(jié)構(gòu)的研究

國內(nèi)目前對(duì)汽車空調(diào)HVAC 總成流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的研究主要依靠CFD 技術(shù)。重慶大學(xué)陳佳就雙蒸發(fā)器的汽車空調(diào)器總成用CFD 進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了HVAC 系統(tǒng)在不同的工作模式下的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的特性，并提出結(jié)構(gòu)上增加導(dǎo)流板以消除蒸發(fā)器前渦流的優(yōu)化方案，從而得到更加均勻的內(nèi)部流場(chǎng)特性［1］; 上海交通大學(xué)的吳金玉等就某一款汽車空調(diào)HVAC 系統(tǒng)的壓力與速度場(chǎng)進(jìn)行了CFD 分析，以考察內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否合理，空氣流過是否會(huì)產(chǎn)生偏流或渦旋等不利影響，并提出優(yōu)化方向［2］。國內(nèi)具體到HVAC 內(nèi)某一部分的研究也有不少成果: 重慶大學(xué)譚傳志對(duì)蒸發(fā)器芯體的流道用FLUENT 軟件進(jìn)行了數(shù)值分析，并將原模型與優(yōu)化模型的速度與壓力分布結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，證明了CFD 分析對(duì)優(yōu)化蒸發(fā)器芯體換熱性能的可行性，同時(shí)該論文也探究了翅片結(jié)構(gòu)的CFD 優(yōu)化分析，得到了換熱系數(shù)更高的翅片優(yōu)化模型的數(shù)值結(jié)果，為空調(diào)兩器( 蒸發(fā)器、冷凝器) 的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了方法［3］; 上海交大的翟曉華等對(duì)影響鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口的流動(dòng)特性的參數(shù)( 進(jìn)風(fēng)罩形狀、進(jìn)風(fēng)口面積、外部障礙物與進(jìn)風(fēng)口的距離) 進(jìn)行了數(shù)值研究，得到了與實(shí)驗(yàn)值吻合度較好的結(jié)果，并通過模擬結(jié)果綜合考慮各參數(shù)因素得到了鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口面積的經(jīng)驗(yàn)公式［4］。

國外對(duì)空調(diào)器總成的研究也在逐步深入與創(chuàng)新。早在2002 年，L． Bennett 等人就利用了CFD 軟件對(duì)汽車空調(diào)HVAC 系統(tǒng)內(nèi)部的空氣流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究將出口及各截面的壓力與速度參數(shù)的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，得到了較好的吻合度與趨勢(shì)一致性［5］; H． S． JI 等人利用PIV( 粒子圖像測(cè)速) 技術(shù)對(duì)一臺(tái)汽車HVAC 系統(tǒng)內(nèi)部的流體特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并通過將HVAC 部分外殼替換為透明玻璃以捕捉激光光片照明的流動(dòng)圖像，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同溫控模式下的流場(chǎng)有很大差別，暖風(fēng)模式由于流通結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性造成的量損失較大，研究還得出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果可驗(yàn)證數(shù)值預(yù)測(cè)，并可輔助優(yōu)化空調(diào)模塊設(shè)計(jì)的結(jié)論［6］; NiYi-hua 等人將汽車空調(diào)常規(guī)的設(shè)計(jì)方法與計(jì)算機(jī)仿真，CFD 軟件FLUENT 相結(jié)合，開發(fā)了高效可靠的汽車空調(diào)兩器( 蒸發(fā)器、冷凝器) 的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)程序，彌補(bǔ)了當(dāng)前汽車空調(diào)設(shè)備的設(shè)計(jì)主要依靠大量實(shí)驗(yàn)的不足［7］。

2. 2 國內(nèi)外HVAC 系統(tǒng)空氣凈化的研究

目前對(duì)汽車空調(diào)空氣凈化方面的研究重點(diǎn)主要在空調(diào)濾芯上，影響過濾器過濾效率與阻力的因素較多，從內(nèi)因來講可以究其材料、填充率、幾何形狀等，外因可以探究不同的環(huán)境因素，如溫度、濕度，或者過濾器所在的流道的流場(chǎng)等。

國內(nèi)天津大學(xué)姜明秀研究了用于汽車空調(diào)的靜電濾料在不同濕熱環(huán)境下的過濾性能，通過搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)，將濾芯在恒溫恒濕箱中進(jìn)行不同時(shí)間的處理，改變其溫度與濕度，進(jìn)而影響其表面的電荷情況和過濾性能，得出了過濾效率與過濾阻力隨實(shí)驗(yàn)變量變化的結(jié)論［8］; 東南大學(xué)葉婷研究了熔噴復(fù)合非織造布的過濾性能，文中剖析了非織造布材料的過濾機(jī)理，并且改變?nèi)蹏姽に噮?shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)過濾材料物理結(jié)構(gòu)的影響，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試其性能，得出了復(fù)合的兩種非織造材料( 短纖熱軋和熔噴) 的過濾性能均要好于兩種材料單獨(dú)使用的結(jié)論，并且使得復(fù)合后的材料有了較高的拉伸與耐磨性，提高了使用壽命［9］; 天津大學(xué)溫文涌基于單纖維數(shù)學(xué)模型分析了影響過濾器性能的影響因素，并通過顆粒檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究了不同因素如顆粒物帶電、氣溶膠種類、電荷情況對(duì)過濾效率的影響［10］; 安徽工業(yè)大學(xué)錢付平對(duì)高效過濾器內(nèi)的氣－固兩相流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了不同運(yùn)行條件( 迎面風(fēng)速) 下過濾器的壓力損失和過濾器對(duì)不同粒徑的顆粒物的捕集效率并且數(shù)值結(jié)果和其他文獻(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ臀呛隙容^好［11］; 北京化工大學(xué)的李小虎等學(xué)者利用多孔介質(zhì)模型對(duì)纖維過濾器進(jìn)行優(yōu)化模擬，并且采用兩種不同的過濾器外殼出口結(jié)構(gòu)( 見圖3) ，通過數(shù)值模擬對(duì)比了兩種結(jié)構(gòu)下濾芯前后的壓力變化與流場(chǎng)分布以及其對(duì)顆粒物的過濾情況，得出了下出口的結(jié)構(gòu)利于提高過濾器綜合性能的結(jié)論［12］。

國外A． AL-SAＲKHI 等人基于均勻的壓力分布有利于過濾器的性能提高的事實(shí)，研究了過濾器外殼結(jié)構(gòu)對(duì)過濾器附近壓力、速度分布的影響，在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的同時(shí)，通過CFD 優(yōu)化程序不斷修正入口處殼體的幾何參數(shù)以得到最理想的壓力分布情況，實(shí)現(xiàn)了一種過濾器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的逆技術(shù)［13］; Uta Sager 通過實(shí)驗(yàn)分析了不同使用階段的新舊空調(diào)過濾器對(duì)氮氧化物的過濾效率以及容塵量的變化趨勢(shì)，并利用柴油機(jī)廢氣或空氣作為載氣溶膠得到了過濾器生命周期內(nèi)對(duì)氮氧化物的分離能力的合理模擬［14］; Bin Xu 等研究了附帶電荷的超細(xì)顆粒物對(duì)空調(diào)過濾器的過濾效率的提高，實(shí)驗(yàn)探究了不同的電荷特性( 電荷，電極性) 對(duì)過濾效率的影響，同時(shí)不同的風(fēng)速大小與纖維材料的種類也影響了電荷的變化時(shí)過濾效率的變化規(guī)律［15］; Jae Hong Park 等評(píng)估了碳纖維離子發(fā)生器對(duì)PM2. 5的充電特性，通過增加離子發(fā)生器的的電力功耗，并且調(diào)整合理的面風(fēng)速，得到了更高PM2. 5過濾效率的過濾效果［16］。

3 空調(diào)HVAC 發(fā)展趨勢(shì)與技術(shù)

3. 1 HVAC 整體結(jié)構(gòu)

汽車空調(diào)HVAC 總成內(nèi)含三大件( 鼓風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)器、加熱器) ，按照三大件的整體結(jié)構(gòu)分為三箱結(jié)構(gòu)，兩箱結(jié)構(gòu)和一箱結(jié)構(gòu)，目前空調(diào)器總成有著由前者向后者發(fā)展的趨勢(shì)，三箱式的結(jié)構(gòu)由于占用空間較大，增加車重等缺點(diǎn)，在講求節(jié)能和經(jīng)濟(jì)的當(dāng)下已很少繼續(xù)被采用，一箱結(jié)構(gòu)的分界面不再有多箱體那樣的限制，所以換熱器芯體的安裝也更加靈活自由，同時(shí)也減少了整體零部件，縮短了風(fēng)道長度，成本有所降低，但是同時(shí)也給更換維修換熱器芯體增加了困難，另外也橫斷面的工藝設(shè)計(jì)工作難度也更大［17］，而兩箱結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)介于兩者之間，多數(shù)推薦采用兩箱或者一箱式結(jié)構(gòu)。

3. 2 蒸發(fā)器與采暖裝置

蒸發(fā)器是HVAC 實(shí)現(xiàn)制冷功能的關(guān)鍵部位，經(jīng)過膨脹閥降壓后的液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)從而吸收蒸發(fā)器表面的熱量實(shí)現(xiàn)周圍空氣的降溫，蒸發(fā)器在結(jié)構(gòu)上分為管片式、管帶式、層疊式、平行流式，后兩者的制冷效率高且平行流式用料少，質(zhì)量輕，所以層疊式和平行流式被廣泛采用。隨著蒸發(fā)器向著輕量化、高效化發(fā)展，微通道結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)器( 如平行流式) 有著良好的使用前景，在蒸發(fā)器體積的優(yōu)化上，微通道結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式可減少35% 的空間，另外尋找制冷系數(shù)高，對(duì)大氣臭氧層無破壞的新型制冷劑也是現(xiàn)代汽車空調(diào)需要研究的內(nèi)容［18］。

采暖裝置按照工作過程分為風(fēng)暖和水暖兩種，目前采用的較為廣泛的是水暖式采暖，即將發(fā)動(dòng)機(jī)一部分的冷卻水引入熱交換器( 加熱器芯體，也稱暖風(fēng)芯體) ，使被風(fēng)機(jī)吹過來的冷空氣升溫以進(jìn)入車內(nèi)。但隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的高效率化，廢熱減少，這種采暖方式也面臨問題與挑戰(zhàn)，為了解決冬季采暖熱源不足的問題，目前出現(xiàn)了一些補(bǔ)充采暖的技術(shù): 采用獨(dú)立燃油加熱器燃燒燃油，可以提升發(fā)動(dòng)機(jī)防凍液溫度，以提升采暖效果; 輔助電動(dòng)水泵可以在發(fā)動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)將熱水送入換熱器芯; 利用摩擦取暖的方式，即增加一個(gè)Viscous 加熱器，它的原理是與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相連的圓盤與高黏度的機(jī)油旋轉(zhuǎn)摩擦產(chǎn)生熱量以供給采暖系統(tǒng); 一些電動(dòng)車等新能源汽車上采用熱泵式空調(diào)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)采暖方式達(dá)不到的高效輕量的效果，進(jìn)而提升電動(dòng)汽車行駛里程［19］。

3. 3 通風(fēng)與空氣凈化裝置

在HVAC 系統(tǒng)中對(duì)車外空氣起過濾與凈化作用的主要是空調(diào)過濾器，目前汽車空調(diào)過濾器的發(fā)展趨勢(shì)傾向于復(fù)合式過濾，即將傳統(tǒng)的纖維制微粒過濾器與活性炭過濾器相結(jié)合，另外也有不少靜電吸附式過濾器在細(xì)顆粒物的過濾上作用明顯，正被廣泛使用: 以比亞迪公司的綠凈技術(shù)( 圖4) 為例，位于通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的靜電發(fā)生器使空氣中的微粒帶電，從而改變運(yùn)動(dòng)方向，撞上過濾材料后被攔截，經(jīng)過三重過濾( 電離板、靜電棉、HAF 濾芯) 已達(dá)到減少車內(nèi)PM2. 5的目的［20］。

與主動(dòng)過濾掉有害物質(zhì)相反，被動(dòng)防控的通風(fēng)系統(tǒng)也可以有效的保障車內(nèi)空氣的清潔安全性，Vzleo公司開發(fā)了一種新型空調(diào)系統(tǒng)，它采用了一種由環(huán)境污染傳感器控制的自動(dòng)內(nèi)循環(huán)模式，當(dāng)傳感器檢測(cè)到外界空氣中的有毒氣體( 如一氧化碳) 時(shí)，會(huì)自動(dòng)開啟內(nèi)循環(huán)模式，將外界空氣與乘員艙隔絕; 沃爾沃公司的空氣質(zhì)量系統(tǒng)( IAQS) 與之類似( 見圖5) ，區(qū)別在于傳感器感知車內(nèi)空氣污染物的含量，當(dāng)超過一定數(shù)值后，自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)氣口，多重過濾器( 包含浸漬過活性炭的元件) 對(duì)車內(nèi)空氣進(jìn)行過濾與重復(fù)循環(huán)以降低超標(biāo)有害物的含量［21］。

傳統(tǒng)的通風(fēng)系統(tǒng)普遍存在冬季換氣熱量損失大的不足，原因在于冬季汽車空調(diào)為了避免風(fēng)窗結(jié)霧，回風(fēng)采取外循環(huán)方式，將外界新鮮空氣引入車內(nèi)，車內(nèi)濕潤空氣排到車外，故而熱量損失較大，由此一種新型的雙層式送風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，回風(fēng)系統(tǒng)分上下兩層，上層將新鮮空氣吹入車窗進(jìn)行除霧，而后導(dǎo)出車外，下層吹向足部且使用內(nèi)循環(huán)在車內(nèi)下層流動(dòng)，這樣可以很大程度的減少熱損失以降低燃料消耗。

4 存在的問題與建議

1) 目前針對(duì)HVAC 系統(tǒng)的研究工況比較單一，靜態(tài)實(shí)驗(yàn)存在局限性，忽略了汽車行駛時(shí)外界環(huán)境因素的動(dòng)態(tài)變化對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)的影響，因此可以研究不同外界條件對(duì)HVAC 系統(tǒng)內(nèi)部的流場(chǎng)特性的影響;再者目前研究一般將蒸發(fā)器、暖風(fēng)芯體段作多孔介質(zhì)處理，所得模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相近但與實(shí)際過程的誤差仍然較大，故需要致力于尋找能與實(shí)際情況縮小誤差的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)與模擬方案。

2) 對(duì)汽車空調(diào)通風(fēng)的研究大多數(shù)將研究對(duì)象選定為HVAC 總成后的中央風(fēng)道，即獨(dú)立研究中央風(fēng)道的氣流流動(dòng)來改進(jìn)風(fēng)量分配提高車內(nèi)舒適性，而實(shí)際上HVAC 箱體總成是與風(fēng)道相連接的，兩者的內(nèi)部流動(dòng)緊密相關(guān)，所以從HVAC 系統(tǒng)進(jìn)口段到中央風(fēng)道出風(fēng)口段來研究通風(fēng)情況更有實(shí)際意義。

3) 在空氣凈化尤其是顆粒物凈化的研究方面，目前國內(nèi)很少有研究關(guān)注汽車HVAC 系統(tǒng)內(nèi)氣相流場(chǎng)或氣固兩相流場(chǎng)的情況: 通過CFD 分析，優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)來使過濾器附近的流場(chǎng)更加均勻以提高過濾效率，或是使顆粒物盡可能滯留HVAC 流道內(nèi)部而讓空氣順暢流出進(jìn)入車內(nèi)艙室。

4) 當(dāng)前汽車HVAC 系統(tǒng)的現(xiàn)行技術(shù)多數(shù)在已有的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)上做改進(jìn)，保留了傳統(tǒng)的制冷采暖設(shè)備，尚未能從根本上解決制冷劑污染環(huán)境、空調(diào)運(yùn)行對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性降低等缺陷，故需要考慮從理論上革新空調(diào)技術(shù)，設(shè)計(jì)新型可行的空調(diào)系統(tǒng)。

5 總結(jié)

1) 本文介紹了汽車空調(diào)HVAC 總成的結(jié)構(gòu)組成，整體與部分結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)以及目前有關(guān)的新興技術(shù)與研究理念?？偟膩碚f，汽車空調(diào)HVAC 向著輕便化、緊湊化、高效節(jié)能、環(huán)境友好的趨勢(shì)發(fā)展，同時(shí)必須適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)乘用者對(duì)汽車舒適性、安全性、經(jīng)濟(jì)性的更高需求。

2) 縱貫國內(nèi)外的相關(guān)研究，可見目前對(duì)HVAC系統(tǒng)各部分與各個(gè)性能的研究已經(jīng)日趨成熟，也漸漸形成了常規(guī)化的理論體系與研究思路，但距離完備的系統(tǒng)研究還有一定的距離，分析當(dāng)前研究存在的疏漏與不足，可以為以后的研究方向提供參考。