摘    要   

目前，熱泵空調(diào)系統(tǒng)在電動(dòng)汽車上得到了廣泛的應(yīng)用。然而，大多數(shù)先前的仿真研究側(cè)重于一維(1D)系統(tǒng)性能，而不是三維(3D)座艙熱舒適性。本文提出了一種基于加權(quán)預(yù)測(cè)均值投票(PMV)模型的一三維耦合跨臨界CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行控制策略。通過一維計(jì)算獲得了多個(gè)熱力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)表征，通過三維模擬描述了機(jī)艙熱環(huán)境。通過實(shí)時(shí)交互的三維客艙熱環(huán)境參數(shù)計(jì)算加權(quán)預(yù)測(cè)平均投票值，同時(shí)為一維制冷系統(tǒng)提供控制信號(hào)。

01  前    言 

      目前還沒有發(fā)表過將加權(quán)PMV作為1D/3D耦合客艙熱管理系統(tǒng)控制策略的研究。以往的仿真研究大多側(cè)重于系統(tǒng)性能分析，而忽略了客艙熱舒適性。本文提出了一種基于加權(quán)預(yù)測(cè)平均投票(PMV)模型的跨臨界CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行控制策略。該方法具有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn):1)一維跨臨界CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)通過與三維艙室CFD求解器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)精確的回風(fēng)邊界條件。2)三維艙室模型為實(shí)時(shí)加權(quán)PMV計(jì)算提供了詳細(xì)的流場(chǎng)和熱場(chǎng)信息。3)加權(quán)PMV控制策略不僅根據(jù)實(shí)時(shí)客艙熱環(huán)境計(jì)算PMV值，而且根據(jù)熱舒適范圍向空調(diào)熱泵系統(tǒng)返回控制信號(hào)，從而降低了壓縮機(jī)的功耗。

02  模型描述

       基于加權(quán)PMV控制策略的1D-3D耦合熱管理系統(tǒng)如圖1所示。它主要由三個(gè)部分組成：基于GT-Suite的一維(1D)空調(diào)/熱泵模型、基于STAR-CCM+的三維(3D)客艙模型和熱舒適模型。在運(yùn)行過程中，三維艙室模型為一維熱泵/空調(diào)系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的回風(fēng)邊界條件。

       開啟加權(quán)PMV控制后，根據(jù)座艙三維熱特性計(jì)算加權(quán)PMV值，反饋給一維模型進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行控制。

圖1 加權(quán)PMV控制策略的整體控制流程

        圖2為跨臨界CO2汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理圖，包括制冷和制熱方式?？缗R界CO2汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的主要部件包括CO2壓縮機(jī)、室內(nèi)換熱器、室外換熱器、內(nèi)部換熱器、蓄能器、膨脹閥(EXV)。汽車空調(diào)系統(tǒng)通過四通閥切換功能模式，在制冷模式和制熱模式之間切換。在GT-suite 1D模型中，空氣成分設(shè)置為濕潤空氣。濕度種類設(shè)置為GT-SUITE庫中的“h2o-vap”，相對(duì)濕度初始狀態(tài)設(shè)置為50%。

圖2  跨臨界CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理圖

       本文以一個(gè)五座的客艙為研究對(duì)象。乘客艙的幾何模型是參考汽車的實(shí)際結(jié)構(gòu)，在CAD軟件Inventor中建立的?？团搩?nèi)部容積約為2.8 m^3，在客艙內(nèi)增加了5個(gè)人體模型并放置在座椅上，如圖3 (a)所示。鑒于本研究的重點(diǎn)是建立一維熱泵空調(diào)系統(tǒng)與三維CFD客艙的聯(lián)合仿真模型，因此對(duì)人體模型和客艙幾何模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化。人體模型考慮人體正常的代謝產(chǎn)熱，而不考慮呼吸引起的濕度變化。根據(jù)ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)，駕駛工況下駕駛員表面熱流密度設(shè)定為70 W?m^(-2)，乘客表面熱流密度設(shè)定為58 W?m^(-2)?？团撃Ｐ桶ê?jiǎn)化的客艙表面、座椅、空調(diào)管道、窗戶和人體模型?？紤]到本文的聯(lián)合仿真模型需要通過兩個(gè)軟件的接口進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，過多的網(wǎng)格數(shù)量將大大降低計(jì)算速度和效率。因此，需要較少的網(wǎng)格數(shù)，以避免過多的模擬時(shí)間和足夠的計(jì)算精度。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為201608時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)溫度值與柵格數(shù)較多時(shí)無顯著差異，如表1所示。因此，在考慮聯(lián)合仿真求解效率和精度的基礎(chǔ)上，將網(wǎng)格劃分方案設(shè)置為200 mm的基尺寸。乘員艙網(wǎng)格圖如圖3 (b)所示。

圖3  三維乘員艙模型圖及數(shù)值網(wǎng)格

       傳統(tǒng)的跨臨界CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)一般通過一定的回風(fēng)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，如24℃或26℃。風(fēng)扇通過PID控制風(fēng)量，最終達(dá)到設(shè)定溫度。

       本文提出了一種基于加權(quán)PMV模型的新型控制策略，如圖4所示。控制策略的實(shí)現(xiàn)過程如下。在提出的控制策略中，目標(biāo)是在滿足熱舒適的前提下降低功耗，這就需要一種新的PMV PID控制器。實(shí)時(shí)加權(quán)PMV是基于座艙熱環(huán)境計(jì)算的。需要加權(quán)PMV作為新控制器的被控變量。然后控制器根據(jù)實(shí)際PMV與目標(biāo)PMV的差值控制回風(fēng)溫度的設(shè)定。最后，控制器達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，直到實(shí)際PMV等于熱舒適邊界。

在控制過程中，回風(fēng)溫度目標(biāo)值的變化會(huì)引起客艙熱環(huán)境的變化。因此，回風(fēng)溫度的變化率必須處于較低的值，以滿足控制的穩(wěn)定性。此外，如果新控制器的調(diào)節(jié)范圍太大，則會(huì)引起系統(tǒng)參數(shù)的振蕩，難以穩(wěn)定。有必要為系統(tǒng)預(yù)設(shè)回風(fēng)溫度。在本研究中，系統(tǒng)仿真模型在仿真時(shí)間為500s時(shí)開啟加權(quán)PMV控制。

       參照ISO標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)PMV值在±0.5以內(nèi)時(shí)，可認(rèn)為環(huán)境處于熱舒適狀態(tài)。在本研究中，跨臨界CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)采用加權(quán)PMV值控制，在熱舒適范圍內(nèi)盡可能降低壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速以節(jié)約能耗。

圖4  加權(quán)PMV控制策略流程圖

03  結(jié)果與討論  

       圖5為不同時(shí)間艙室中部及前排溫度水平等高線圖，模擬工況為夏季典型制冷模式35℃下空調(diào)啟動(dòng)過程。從面吹風(fēng)管、足吹風(fēng)管和后風(fēng)口吹出的冷空氣進(jìn)入艙內(nèi)，在艙內(nèi)形成空氣循環(huán)，并通過回風(fēng)口返回空調(diào)系統(tǒng)。參考溫度輪廓的分布可以看出，由于冷空氣循環(huán)過程的影響，更多的冷空氣到達(dá)前排乘客和駕駛員的中部，例如手區(qū)。到達(dá)腿部下部的冷空氣較少。即前排乘客和駕駛員的腿和腳暴露在溫度較高的環(huán)境中，而手暴露在溫度較低的環(huán)境中。由于更多的冷空氣到達(dá)后排乘客的腿部區(qū)域和上半身，后排乘客的腿部和上半身處于較低的溫度環(huán)境中。雖然到達(dá)后排乘客腳和頭的冷空氣較少，但后排乘客的腳和頭處于較高的溫度環(huán)境中。

       當(dāng)空調(diào)打開時(shí)，機(jī)艙內(nèi)的空氣溫度迅速下降。在t=20s時(shí)，駕駛員和乘客周圍的空氣溫度降到30℃以下。同時(shí)，機(jī)艙內(nèi)整體溫度分布不均勻。暖通空調(diào)出口附近的空氣溫度較低，而回風(fēng)出口附近的空氣溫度較高。

圖5  艙內(nèi)溫度等高線圖的演變

       本研究選取35℃和43℃作為夏季空調(diào)制冷方式的典型環(huán)境溫度。兩種工況的預(yù)設(shè)溫度分別為24℃和26℃。預(yù)設(shè)送風(fēng)溫度為12℃。預(yù)設(shè)排放壓力為35℃時(shí)9MPa, 43℃時(shí)11MPa。35℃和43℃時(shí)，太陽直射強(qiáng)度分別為800 W?m^(-2)和1000 W?m^(-2)。座艙熱舒適PMV和熱力學(xué)參數(shù)的軌跡如圖6所示。

       35℃環(huán)境溫度下的結(jié)果如圖6(a)所示。在前500秒內(nèi)，回風(fēng)溫度由風(fēng)扇流量控制，客艙的熱環(huán)境是不斷變化的。熱舒適PMV也隨著體溫的變化而變化。最終回風(fēng)溫度在200秒內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定值，PMV值穩(wěn)定在0.151和-0.289，均滿足ISO標(biāo)準(zhǔn)PMV舒適范圍。500s時(shí)開啟加權(quán)PMV控制，在制冷模式下通過改變回風(fēng)溫度值將PMV控制在熱舒適邊界處。隨著風(fēng)機(jī)風(fēng)量逐漸減小，回風(fēng)溫度升高，PMV值相應(yīng)增大。最終PMV值逐漸穩(wěn)定在0.5，回風(fēng)溫度穩(wěn)定在27.76℃，風(fēng)機(jī)風(fēng)量穩(wěn)定在241.9 m^3/h。

       43°C環(huán)境溫度下的結(jié)果如圖6(b)所示。與35°C的控制過程類似，回風(fēng)溫度在前500秒內(nèi)由風(fēng)扇流量控制?；仫L(fēng)溫度在200秒內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定值，PMV值在-0.044和-0.551。26℃預(yù)設(shè)溫度下PMV滿足ISO標(biāo)準(zhǔn)PMV舒適范圍，24℃預(yù)設(shè)溫度下PMV不滿足。500s時(shí)開啟加權(quán)PMV控制，最終PMV值穩(wěn)定在0.5，回風(fēng)溫度穩(wěn)定在28.55℃，風(fēng)機(jī)風(fēng)量穩(wěn)定在333m^3 /h。

       同時(shí)，冬季熱泵采暖方式的典型環(huán)境溫度選擇為-10℃和0℃。兩種工況的預(yù)設(shè)溫度分別為22℃和24℃。預(yù)設(shè)送風(fēng)溫度42℃，預(yù)設(shè)排風(fēng)壓力8.5MPa。太陽輻射強(qiáng)度設(shè)為0。座艙熱舒適PMV和熱力學(xué)參數(shù)的軌跡如圖7所示。

       -10?C環(huán)境溫度下的結(jié)果如圖7(a)所示。在前500秒內(nèi)，回風(fēng)溫度由風(fēng)扇流量控制，客艙的熱環(huán)境是不斷變化的。熱舒適PMV也隨著體溫的變化而變化。最終，回風(fēng)溫度在350秒內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定值，PMV值穩(wěn)定在-0.028和-0.217，均滿足ISO標(biāo)準(zhǔn)PMV舒適范圍。在500s時(shí)開啟加權(quán)PMV控制，在采暖模式下通過改變回風(fēng)溫度值將PMV控制在熱舒適邊界。隨著風(fēng)機(jī)的氣流逐漸減小，回風(fēng)溫度降低，PMV值也相應(yīng)減小。最后PMV值逐漸穩(wěn)定在-0.5，回風(fēng)溫度穩(wěn)定在19.98℃，風(fēng)機(jī)風(fēng)量穩(wěn)定在198.6 m3/h。

       0?C環(huán)境溫度下的結(jié)果如圖7(b)所示。類似于-10?C的控制過程，回風(fēng)溫度由前500秒內(nèi)的風(fēng)扇流量控制?；仫L(fēng)溫度在350秒內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定值，PMV值分別為0.079和-0.19，均滿足ISO標(biāo)準(zhǔn)PMV舒適范圍。500s時(shí)開啟加權(quán)PMV控制，最終PMV值穩(wěn)定在-0.5，回風(fēng)溫度穩(wěn)定在19.97℃，風(fēng)機(jī)風(fēng)量穩(wěn)定在112.5 m^3/h。

圖6  夏季條件下跨臨界CO2空調(diào)系統(tǒng)回風(fēng)溫度、PMV和氣流速率的軌跡

圖7  冬季條件下跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)回風(fēng)溫度、PMV和空氣流速的軌跡

       本研究選擇35℃和43℃作為夏季空調(diào)制冷方式的典型環(huán)境溫度，其余詳細(xì)工況已在3.2中介紹。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和功耗的變化軌跡如圖8所示。

       35℃環(huán)境溫度下的結(jié)果如圖8(a)所示。在前500秒內(nèi)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制送風(fēng)溫度在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制下穩(wěn)定在12℃。系統(tǒng)溫度為26℃時(shí)，壓縮機(jī)功耗穩(wěn)定為0.387 kW;系統(tǒng)溫度為24℃時(shí)，壓縮機(jī)功耗穩(wěn)定為0.441 kW。加權(quán)PMV控制在500s打開。隨著回風(fēng)溫度目標(biāo)值的增大，客艙所需制冷量減小。在滿足送風(fēng)溫度的前提下，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速相應(yīng)降低，從而降低了壓縮機(jī)的功耗。最后，空調(diào)系統(tǒng)在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為852RPM時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行，壓縮機(jī)功耗穩(wěn)定在0.347 kW。與關(guān)閉PMV舒適控制相比，在26?C的預(yù)設(shè)溫度下，功耗降低10.3%，在24?C的預(yù)設(shè)溫度下，功耗降低21.3%。

       43?C環(huán)境溫度下的結(jié)果如圖8(b)所示。類似于35°C的控制過程，在前500秒內(nèi)，送風(fēng)溫度由壓縮機(jī)速度控制。26℃時(shí)壓縮機(jī)功耗穩(wěn)定在0.848 kW, 24℃時(shí)壓縮機(jī)功耗穩(wěn)定在0.933 kW。

       加權(quán)PMV控制在500s時(shí)打開。最后，空調(diào)系統(tǒng)在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速1354RPM下穩(wěn)定運(yùn)行，壓縮機(jī)功耗穩(wěn)定在0.772 kW。與關(guān)閉PMV舒適控制相比，在預(yù)設(shè)溫度為26?C時(shí)，功耗降低9.1%，在預(yù)設(shè)溫度為24?C時(shí)，功耗降低17.4%。

圖8   夏季條件下跨臨界CO2空調(diào)系統(tǒng)的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和功耗軌跡

       壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速和功耗的變化軌跡如圖9所示。

       -10?C環(huán)境溫度下的結(jié)果如圖9(a)所示。在前500秒內(nèi)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制送風(fēng)溫度在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制下穩(wěn)定在42℃。系統(tǒng)溫度為24℃時(shí)，壓縮機(jī)功耗穩(wěn)定在0.801 kW;系統(tǒng)溫度為22℃時(shí)，壓縮機(jī)功耗穩(wěn)定在0.674 kW。加權(quán)PMV控制在500s時(shí)打開。隨著回風(fēng)溫度目標(biāo)值的降低，客艙所需的制熱能力降低。在滿足送風(fēng)溫度的前提下，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速相應(yīng)降低，從而降低了耗電量。最終，熱泵系統(tǒng)在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速1216 RPM時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行，壓縮機(jī)功耗穩(wěn)定在0.547 kW。與關(guān)閉PMV舒適控制相比，在24?C預(yù)設(shè)溫度下功耗降低31.7%，在22?C預(yù)設(shè)溫度下功耗降低18.8%。

       0?C環(huán)境溫度下的結(jié)果如圖9(b)所示。與-10?C的控制過程類似，在前500秒內(nèi)，送風(fēng)溫度由壓縮機(jī)速度控制。系統(tǒng)溫度為24℃時(shí)，壓縮機(jī)功耗穩(wěn)定在0.404 kW;系統(tǒng)溫度為22℃時(shí)，壓縮機(jī)功耗穩(wěn)定在0.332 kW。

       加權(quán)PMV控制在500s時(shí)打開。最終，熱泵系統(tǒng)在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速538 RPM下穩(wěn)定運(yùn)行，壓縮機(jī)功耗穩(wěn)定在0.268 kW。與關(guān)閉PMV舒適控制相比，在24?C的預(yù)設(shè)溫度下，功耗降低33.7%，在22?C的預(yù)設(shè)溫度下，功耗降低19.2%。該加權(quán)PMV控制策略通過改變風(fēng)機(jī)風(fēng)量和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，既能滿足熱舒適的要求，又能降低系統(tǒng)功耗。

圖9   冬季條件下跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和功耗軌跡

圖10為不同環(huán)境溫度下跨臨界CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)冬季采暖方式與夏季制冷方式的功耗對(duì)比圖。在不同的環(huán)境條件下，加權(quán)PMV控制策略與預(yù)設(shè)比溫方法相比，顯示出不同的節(jié)能效果。與22?C和24?C設(shè)定溫度相比，加權(quán)PMV控制在熱泵加熱-10?C工況下可分別節(jié)省18.8%和31.7%的電能，在0?C工況下可分別節(jié)省19.2%和33.7%的電能。與24?C和26?C設(shè)置溫度相比，加權(quán)PMV控制在35?C熱泵加熱條件下可分別節(jié)省21.3%和10.3%的電能，43?C時(shí)可分別節(jié)省17.4%和9.1%的電能。需要注意的是，具體的節(jié)能潛力與傳統(tǒng)控制器的設(shè)定溫度有關(guān)。PMV控制策略的核心優(yōu)點(diǎn)是指出變工況下最節(jié)能的三設(shè)定點(diǎn)。同時(shí)，也能保證乘客在熱舒適范圍內(nèi)。

         因此，對(duì)于跨臨界CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)，加權(quán)PMV控制策略在制熱工況下的整體節(jié)能效果優(yōu)于制冷工況。在極端環(huán)境條件下，該控制策略的節(jié)能性能更為明顯。綜上所述，考慮到電能節(jié)能性能，所提出的加權(quán)PMV控制策略為跨臨界CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)提供了良好的性能。

圖10   總結(jié)不同工況下的節(jié)能性能。

04  結(jié)論

       本文提出了一種新的跨臨界CO2熱泵空調(diào)與客艙熱管理集成仿真框架，該框架由一維制冷循環(huán)、三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)客艙和熱舒適控制模塊組成。一維模型主要負(fù)責(zé)跨臨界CO2循環(huán)各組分之間的系統(tǒng)關(guān)系，三維客艙模型用于獲取客艙熱環(huán)境瞬態(tài)響應(yīng)的詳細(xì)信息。提出了加權(quán)PMV控制策略來評(píng)估和滿足乘客的熱舒適性，為跨臨界CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)降低能耗提供控制信號(hào)?？傻贸鲆韵陆Y(jié)論:

       (1)采用所建立的一維和三維聯(lián)合仿真模型，研究了跨臨界CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)對(duì)客艙熱環(huán)境的響應(yīng)。與一維系統(tǒng)仿真相比，一維和三維耦合模型可以準(zhǔn)確地分析熱泵空調(diào)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

       (2)提出的一、三維耦合模型實(shí)現(xiàn)了客艙溫度的實(shí)時(shí)傳遞，準(zhǔn)確描述了客艙的非均勻熱環(huán)境。加權(quán)的predict Mean Vote模型分析乘客的熱舒適性，并基于predict Mean Vote值為CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)控制信號(hào)。開啟預(yù)測(cè)平均投票控制后，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和室內(nèi)風(fēng)量均先減小后穩(wěn)定。

       (3)加權(quán)預(yù)測(cè)均值投票控制策略既能滿足乘客熱舒適要求，又能降低系統(tǒng)功耗。與設(shè)定精確溫度值相比，該控制策略可使夏季空調(diào)制冷模式下的耗電量至少降低9.1%;在冬季熱泵采暖模式下，該控制策略可使耗電量至少降低18.8%。

       上述仿真性能和優(yōu)勢(shì)表明了所提出的一維和三維耦合仿真方法的應(yīng)用潛力。該控制策略有助于提高車輛的續(xù)駛里程，為電動(dòng)汽車綜合熱管理和溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論參考。

   本期編輯|周睿卓    

                審      核|何藤升、王藝霖    

Shuo Z ,Wenyi W ,Xiang Y , et al. evaluation of energy-saving potential and cabin thermal comfort for automobile CO2 heat pump [J]. Applied Thermal Engineering, 2023, 228.

doi:10.1016/J.APPLTHERMALENG.2023.120339.