（车辆工程专业论文）空调客车车室流场的数值模拟.pdf

摘要 随着经济发展和人们生活水平的提高，以及高等级公路网的联网贯通和旅游市场的 逐步升温，国民出行对客车舒适性提出了更高的要求。为适应市场需要，各大客车制造 厂不断改进设计，努力提高产品乘坐舒适性水平。其中，采用空调系统提高车内环境的 舒适气候条件是主要措施之一。而在众多的客车空调制冷设备中，最常用的是顶置式空 调结构。 本文针对采用顶置式客车空调的车身结构，首先分析讨论了车室内空气品质对人体 舒适性的影响，并结合空调客车这样一个特殊的研究对象，确定了影响人体热舒适性的 各个因素及评价指标。随后分析了采用顶置式空调设备的客车室内气流组织情况，建立 了客车车室内流场的c f d 仿真模型，分析了空调工况下客车车室内的空气流场和温度 场。 用c f d 模拟仿真时，采用稳态不可压缩雷诺平均n s 方程，紊流模型选择r n g k s 模型，并考虑了辐射换热和太阳辐射对车室内的影响。 计算结果表明：采用顶置空调的客车，由于结构限制和设计缺陷，其车内温度和气 流速度分布不均匀，气流组织也不尽合理。由于车内空气的温度、流速以及相对湿度等 因素共同作用的结果，使乘坐在其中的旅客经受着不同的生理及心理感受，处于舒适度 极不平衡的状态。 最后，针对上述空调结构和设计不足提出了改进措施。 关键词：空调客车，计算流体动力学，气流组织，数值模拟，混合网格，顶置式空调， 车室气候环境 a b s t r a c t w i t he c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n di m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d ，h i g h g r a d e h i g h w a yn e t w o r kt h r o u g hn e t w o r k i n ga n dt o t e d s mm a r k e ta r eg r a d u a l l yw a r m i n gu p p e o p l e w a n tt oam o r ec o m f o r t a b l ee n v i r o n m e n tt ot h et o u r i s tb u s i no r d e rt om e e tt h en e e d so ft h e m a r k e t ，t h eb u sf a c t o r i e sa r ec o n t i n u i n gt oi m p r o v ed e s i g na n ds t r i v et or a i s et h ec o m f o r tl e v e l o fp r o d u c t u s i n go fa i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mi so n eo ft h em a i nm e a s u r e st oi m p r o v et h e c o m f o r t a b l ee n v i r o n m e n to ft h ew e a t h e rc o n d i t i o n s a m o n gt h em a n yb u sa i r - c o n d i t i o n i n g & r e f r i g e r a t i o ne q u i p m e n t ，t h em o s tc o m m o n l yu s e da i r - c o n d i t i o n i n gi ss t i l lt h er o o fm o u n t e d s t r u c t u r e t h i sp a p e ra g a i n s tt h eb o d ys t r u c t u r ew i t hr o o fm o u n t e ds t r u c t u r eo ft h ea i r - c o n d i t i o n e d b u s ，f i r s t l y , d i s c u s st h ei n o ra i rq u a l i t yo ft h ei m p a c to nh u m a nc o m f o r t ，a n di nc o n j u n c t i o n w i t ha i r - c o n d i t i o n e dp a s s e n g e rc a r st oas p e c i a ls t u d yt od e t e r m i n et h ei m p a c to nh u m a n t h e r m a lc o m f o r to fv a r i o u sf a c t o r sa n de v a l u a t i o ni n d i c a t o r s t h e nt h e a n a l y s i s o f a i r - c o n d i t i o n e d p a s s e n g e rc a r s o v e r h e a di n d o o ra i r o r g a n i z a t i o n , a n de s t a b l i s h e dt h e p a s s e n g e rc o m p a r t m e n to fc f ds i m u l a t i o nm o d e l ，t h ep a s s e n g e rc o m p a r t m e n to ft h ef l o wa n d t e m p e r a t u r ef i e l d sw e r ea n a l y z e d u s i n gc f ds i m u l a t i o n ，w ec h o o s eas t e a d yi n c o m p r e s s i b l er e n a u l ta v e r a g en s e q u a t i o n a n dr n gk 一占o ft u r b u l e n c em o d e l ，a n dc o n s i d e r i n gt h e s o l a rr a d i a t i o nh e a t t i a n s 向a n dt h ei m p a c to fr a d i a t i o no nt h ei n t e r i o r t h er e s u l t ss h o wt h a t ：u s eo fr o o fm o u n t e da i r - c o n d i t i o n e db u s ，b e c a u s eo fl i m i t a t i o n s a n dd e s i g nf l a w s ，b o t ht h et e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o nu n e v e n l y , a n dt h ea i r f l o w o r g a n i z a t i o ni nc o m p a r t m e n ti su n r e a s o n a b l e t h e s ef a c t o r s ，s u c ha s t h et e m p e r a t u r ei n c o m p a r t m e n t ，t h er e l a t i v eh u m i d i t ya n dv e l o c i t y , t a k ee f f e c to np a s s e n g e r si nw h i c ht h e p a s s e n g e r so nad i f f e r e n tw i t h s t a n dt h ep s y c h o l o g i c a la n dp h y s i c a lf e e l i n g s f i n a l l y , w ep u tf o r w a r di m p r o v i n gm e a s u r e sa g a i n s tt h el a c ko fs n u c t l 姐ea n dd e s i g n k e yw o r d s ：a i r - c o n d i t i o n e db u s ，c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，a i r f l o wo r g a n i z a t i o n ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，h y b r i dg r i d s ，r o o f m o u n t e da i r - c o n d i t i o n i n g ， c l i m a t ea n de n v i r o n m e n ti nb u s c o m p a r t m e n t i i 论文论独创声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：多久红确彤8 年6 月争日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：汲红确切力8 年易月争日 扒pr 嘶咖脚 长安大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早三百 下匕 1 1 概述 随着国民经济发展和人们生活水平的不断提高，以及高等级公路网的联网贯通和旅 游市场的逐步升温，公路客运和旅游产业在国民经济中已占有越来越重要的地位。纷拥 而至的客流不仅加速了地区和人员之间的交流，而且也给旅游市场带来无限商机，并带 动客运车辆的需求和升级换代。 客车的升级换代，不但要求整车性能好，外形设计要时尚、符合潮流发展的趋势， 而且乘坐的舒适条件也是主要的内容之一。其中，对空调装置进行升级、更新，创造最 佳的舒适气候条件也是各客车制造企业追求的目标。由于是否采用空调装置已成为客车 现代化的重要标志之一，因此空调技术已经成为提高客车市场竞争力的重要手段。事实 上，在经济发达国家和我国的旅游客车上，已1 0 0 地安装了空调装置，而长途客车的 装用率也在8 0 以上。 众所周知，客车安装空调装置是为了提高乘客的乘坐舒适性。但由于中高档客车车 厢基本上都具有很好的密闭性( 采用全密封粘接车窗) ，因此在密闭的车厢中，车内气 候环境主要依靠空调和通风系统来维持。目前，大多数空调客车存在的主要问题之一是 车厢内温度分布不均匀和吹冷风感，极大地影响了乘坐舒适性。因此，合理地控制车内 温度分布，以此创造舒适的乘车环境、降低能耗和运行成本，具有很重要的现实意义n 哪。 1 2 空调客车车室气候环境研究状况 1 2 1 国外空调客车车室气候环境研究状况 在国外，从2 0 世纪7 0 年代初开始利用c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 研究通风 空调中的空气动力学问题。1 9 7 0 年，丹麦的n i e l s e 首次将c f d 技术应用于暖通空调领 域，推进了c f d 技术的快速发展。c f d 在暖通领域的研究方向可分为：基础研究和应 用研究。其中，在基础研究方面主要包括：室内空气流动的简化模拟、室内外空气流动 的大涡模拟以及建筑能耗的耦合模拟；在应用研究方面主要包括：自然通风的数值模拟、 置换通风的数值模拟、高大空间的数值模拟和洁净室的数值模拟等。 随着湍流技术的发展，1 9 9 4 年，s h u z o 等利用代数应力模型( a s m ) 和微分应力模型 ( d s m ) 等二阶封闭模型对三维非等温室内空气流动进行了模拟。1 9 9 8 年，e m m e r i c h 等 利用大涡模拟技术对三维房间内热空气流动和烟气传播进行了模拟。2 0 0 0 年，t o p p 等 对全方位通风房间内的空气流动情况进行了数值模拟h 1 。 1 第一章绪论 在客车空调技术领域，国外研究人员采用气流分析方法，通过数字模拟技术，成功 地进行了客车车内空气流速、温度及污染物浓度的时空分布二维计算，定性分析了进、 出气口的位置对客车内部空气质量和热舒适性的影响并指出了合理的进、出口方位。现 在，国外已经可以进行车内空气分布的三维计算，定量地对客车车内空气品质进行预测 和评价，辅助完成客车的空调系统设计。目前，美国、日本和欧洲发达国家对c f d 的 基础和应用研究处于世界领先水平。 1 2 2 国内空调客车车室气候环境研究状况 国内在上世纪8 0 年代中期便开始了空调客车的开发，经过多年努力，空调客车从 无到有，并且在整体技术水平上有了长足的进步，不仅在国内占领了8 0 以上的市场份 额，还走出了国门参与国际市场的竞争。尽管如此，与世界先进水平相比还存在较大差 距。此外，由于国内对中高档客车的研究和开发重点主要集中在底盘和车身的关键技术， 以及总成和附件产品上，引进也是围绕整车和关键总成，忽略了对基础理论和辅助系统 的研究，以及对先进设计技术的引进。其中，客车车室气候环境就是一项未作深入研究 的内容，因此客车空调系统的设计技术也基本举步不前，停留在空调客车的初、中期阶 段。虽然国内客车行业己经引进和开发了多种计算机辅助设计软件，并广泛用于结构计 算、车身造型以及零部件的机械设计等方面，但对用于车内空气环境研究的气流分析软 件，在开发和应用上还基本处于初期阶段。 国内的相关研究工作主要集中在上海交通大学的制冷与低温研究所，其它少数高校 和科研单位虽有涉及，但研究工作没有延续性。此外，还没有发现汽车企业从事相关研 究工作的文献。国内具有代表性的研究工作主要有：刘军朴等、陈江平等5 1 将空调风 道系统纳入车室计算区域，对车室内流场和温度场的分布进行了数值仿真和试验研究。 叶晓江w 1 对空调列车卧铺车厢内空气品质和热舒适状况的影响进行了研究，对车厢内三 维空气流场进行数值模拟研究，为空调客车室内舒适环境的优化研究提供依据u 1 。林凡 对公路卧铺客车车室的热环境进行了数值模拟与试验研究，为客车企业提高长途卧铺客 车的舒适性研究提供了参考和依据晗引。 由于国内对客车空调系统的c f d 研究还基本停留在起步和初步应用阶段，很多工 作有待深入和全面展开。其中，尤其是对车室内空气环境的三维数值模拟，以及c f d 的全面应用等还有待进一步深入和加强惮1 。 2 长安大学硕士学位论文 1 3 本文的研究背景和意义 1 3 1 研究背景 乘客在旅行途中，客车车室是他们临时的居所，都希望能居住在结构安全、温度适 宜、空气清新的这一“寓所 里。对客车，我们不但希望它具有良好的安全性、可靠性 及动力性，还要求它能为乘客提供良好的乘坐舒适性。现在，已经可以通过检测噪声和 平顺性指标来衡量客车舒适性的优劣。随着社会进步、人民生活质量的改善以及人们对 环境认识的提高，国外已经将车内空气品质方面( 简称i a q ) 的内容纳入客车乘坐舒适 性评价体系中。因为车内空气质量的优劣和热舒适性的好坏，不但直接影响乘客的乘坐 感受，还影响他们的身体健康例。 据中国汽车工业协会统计，近8 年来，大中型客车市场的总需求呈扩张之势，除了 2 0 0 3 年在“非典 的影响下出现过短暂的回调以外，中国客车行业大中型客车的年度销 量从1 9 9 9 年的3 6 7 2 8 辆增长到2 0 0 6 年的9 6 3 3 1 辆，总量增长近两倍，平均增长速度达 到了1 4 7 7 。此外，据海关统计，从1 9 9 9 年到2 0 0 6 年2 0 座以上的客车出口量分别是 2 7 3 辆、8 9 0 辆、8 5 6 辆、8 9 7 辆、1 2 7 1 辆、3 0 2 5 辆、5 0 4 7 辆、9 9 4 9 辆，这是一条非常 美丽的曲线，出口平均增速达到了6 7 1 4 ，是行业平均增速的4 5 倍憎1 。 从世界范围看，虽然客车发展速度较快，但与之匹配的空调系统的软、硬件发展则 相对比较缓慢，国内外尤其是国内对客车室内空气环境的研究相对比较薄弱，虽然豪华 客车因为其装有空调而提升了档次，可事实上，国内现有的客车空调系统无论是设计还 是基础试验研究等方面都存在一系列问题和不足恻。 ( 1 ) 空调设备选型不匹配 由于国内对客车室内空气环境的研究甚少，空调机组的选型只是依靠一些基础知识 和手册上提供的参数。而以此确定并选择的产品在空调系统上多半存在缺陷，如有的提 供新鲜空气量过度，导致系统能耗增加，车内环境温度总达不到要求；有的则换气量不 足，造成车内空气中污染物质的浓度过高，空气不新鲜等。 ( 2 ) 空调风道设计不合理 目前，大多数空调客车的空调风道是等截面风道，这种设计虽然工艺简单、制造成 本低，但难以达到均匀送风的目的，再加上空调选型与风道本身不匹配( 主要是压力不 匹配) ，送( 回) 风1 2 1 设置不合理，不能有效组织车内空气的合理流动，造成车内空气 冷热不均，加之气流不畅，车内污染物不能被及时带走。 3 第一章绪论 ( 3 ) 气流组织不合理 目前，国产空调客车绝大多数都采用上送风上回风方式，这种设计布置极易造成局 部气流短路。其次，为节省能源，相当一部分车型采用了室内回风循环( 内循环) ，仅 依靠在回风口设置的滤网进行简单的过滤，因此室内污浊的空气被再次吸入蒸发器并送 入室内，从而导致送风不洁净，也无法达到设计所要求的空气品质。此外，现有空调客 车大多数把排风口布置于车项，离送风口太近，不仅造成气流短路，更严重的是使部分 空调送风口送出的冷、热风未进入乘员活动区就被排出了室外，导致了能量的浪费。 ( 4 ) 设计水平低、先进技术采用少 国产客车空调系统大多采用传统的设计布置方法，仅用空调设备的简单组合来满足 使用要求，未考虑系统的合理匹配、车室内温度场和速度场的合理分布，以及整体经济 效益。且自动控制等先进技术采用少，仅靠驾驶员感觉进行控制。 ( 5 ) 试验和基础研究投入少，限制了整体水平的提高 由于国内大多数客车企业的研究和关注重点主要集中在底盘、动力总成、车身外形、 制造工艺、产品质量和销售等方面，忽略了客车室内的乘坐环境舒适性，加之科研和试 验投入经费少，缺少一整套的研究体系，因此，一定程度上限制了整体水平的提高。 1 3 2 研究意义 ( 1 ) 开展空调客车车室流场的研究，对合理设计空调系统、创造舒适的车室气候 环境具有重要的意义。它不但可以有效改善客车车内乘客的热舒适性，而且可以保证内 部空气质量优良，对提高整车的乘坐舒适性及确保乘客的身心健康也起着积极的作用。 ( 2 ) 除了给乘客提供良好的乘坐环境外，还为驾驶人员创造了舒适的驾乘环境， 从而减轻了驾驶员的工作疲劳，大大提高了行驶安全性。 ( 3 ) 通过分析空调系统设计及布置的优缺点，可以更好地对车室内的空气流动进 行组织，进而降低能耗、节约能源。 1 4 本文的主要研究内容与技术路线 1 4 1 主要研究内容。 本文主要研究大型空调客车车室内的气流组织并对室内温度场进行模拟仿真，找出 空调系统设计布置上的不足和缺陷，并提出合理的改进措施。主要研究内容包括以下几 个方面： ( 1 ) 空调客车的建模 4 长安大学硕士学位论文 空调客车建模是进行c f d 研究的基础，依据物体所在二维或三维空间的相互关系 ( 物理模型) 来确定外形尺寸和位置，并借助建模软件在屏幕上生成物体；还可以利用 计算机以数学方程( 数学模型) 描述物体之间的相对空间位置关系。 ( 2 ) 空调客车室内速度场和温度场的数值模拟 本文主要研究空调客车室内乘员的乘坐舒适性，因此有必要对车室内的速度场和温 度场进行数值模拟。在仿真计算过程中使用f l u e n t 软件进行计算，并对计算结果进行后 处理。 ( 3 ) 模拟仿真结果的分析处理 通过后处理可以得到所研究对象的直观图形或图标，以便更好地对其进行分析处 理，从而找出客车整车、车身结构和空调系统设计、布置上的不足和缺陷，并提出改进 方案。 ( 4 ) 改进现有方案，重新模拟仿真 依据改进方案，对客车模型做必要的修改，重新仿真，最后对仿真结果进行后处理。 1 4 2 主要技术路线 ( 1 ) 分析影响空调客车乘员的人体舒适性因素及评价指标 人体的舒适感不但与客车室内的空气温度、湿度、气流速度、座椅表面及车厢内表 面的温度和空气品质等客观因素有着密切的关系，还和人的生活习惯、衣着情况以及年 龄、性别等有关。相应的评价指标有：客车室内的平均温度和温差、车内的相对湿度、 空气的平均流速及车室内的污染物浓度等。 ( 2 ) 研究空调客车结构及车内送、回风口的空气流动规律和气流组织方式 分析空调客车采用顶置式、内置式和整体下置式空调设备的气流组织情况以及使用 方面的优、缺点，以及不同送、回风口的空气流动规律及车室内的气流组织方式。 ( 3 ) 分析c f d 在工程领域的应用，选择仿真软件 研究c f d 在发动机缸内燃烧、客车排放噪声、车室内的乘坐舒适度、汽车外部气 流流动等工程领域方面的主要应用情况。分析各种c f d 软件的优缺点，选择适合本文 研究的软件。本文研究所用的软件主要包括：r h i n o c e r o s 犀牛建模软件、g a m b i t 前处理 软件、t e c p l o t 后处理软件和f l u e n t 数值模拟软件。 ( 4 ) 建立空调客车车体模型 以国内某大型客车为例，借助r h i n o c e r o s 犀牛软件建立空调客车的物理模型，并在 假设条件下，给出数学模型及其控制方程的通用形式。 5 第一章绪论 ( 5 ) 空调客车室内速度场和温度场的数值模拟 把在r h i n o 犀牛软件中建立的物理模型以s t e p 格式输出，导入g a m b i t 中进行前处 理。生成计算域并网格划分，以m e s h 网格文件输出并导入f l u e n t ，进行模拟计算，分 析计算结果，通过可视化的后处理，将单调繁杂的数值求解结果形象直观地表示出来， 便于理解。计算结果不仅能显示静态的速度、温度场图片，而且能显示流场的流线或迹 线动画。 ( 6 ) 对仿真结果进行后处理并找出设计布置方面的不足，给出改进方案，重新计 算，对比分析前后结果，得出结论和下一步工作建议 对后处理的结果进行分析，找出空调客车室内温度场云图中出现温度集中( 热源) 的部位和速度场云图中速度过大的部位，并结合客车空调系统设计布置的特点进行分 析，找出设计的不足并提出改进方案。依据改进意见对客车模型做适当修改后，重新仿 真计算，将前后两次结果进行对比得出结论。 6 长安大学硕士学位论文 第二章空调客车车内空气品质 2 1 引言 汽车空调是汽车空气调节的简称，顾名思义就是通过一定的设备，对汽车内空气的 温度、湿度、空气质量及空气流动进行控制，为驾驶员或乘客创造清新舒适的车内环境。 为了节能，要求空调客车车身必须具有良好的密封性，因此客车空间实际上是一个密闭 空间，仅通过汽车空调的通风换气系统为乘员提供必需的新风，提供人员呼吸必需的 氧气。由于内饰材料的大量使用，不可避免的会有部分有害气体大量散发，使得保持车 内空气质量成为空调客车的突出问题。污浊空气将使乘员尤其是长期驾车的司机出现头 痛、头晕、恶心、心慌乏力、情绪不稳等生理心里故障，严重影响了乘坐舒适性及司机 的安全驾驶，给乘客的健康及安全带来了隐患。其中，新车的车内污染尤为严重。因此， 车内空气品质成为继建筑物室内空气污染后的又一关注焦点。 要提高国产客车的空调舒适性，必须首先找到影响人体舒适性的各种因素，通过对 各种因素进行比较分析与评价，从中找出对人体舒适性影响较大的因素，并确定其舒适 性范围，为下一步客车空调系统的设计、布置和改进，以及进一步的车室内流场的数值 模拟提供依据嘲。 2 2 空气品质的概念、产生原因及影响因素 目前，客车空调系统的设计计算没有现成经验可以遵循，由于缺乏车内空气参数的 相关标准，给客车空调系统设计带来一定难度。这样容易造成车内温、湿度等参数设计 不合理，无法满足乘客的热舒适性要求。车内通风效果差、低浓度污染物长期存在以及 低劣的室内空气品质，严重威胁乘客的身体健康。所以，首先必须建立起空气品质的概 念，对其进行合理定义。 车内空气品质不仅仅是影响舒适性的问题，而且会影响到人们的身心健康。因此， 对空调客车的空气品质进行评价有助于分析影响空气品质的因素，对客车空调系统的改 进设计具有指导意义。 室内空气品质问题涉及众多学科，十分复杂。由于人体是一个十分复杂的系统，人 对室内环境的感觉并不是被动的反应，而是一种自动随意志反应的复杂调节过程，调节 系统除了受物理刺激影响外，还受主观意识的左右。污染物对人体的干扰在人的心理、 精神上造成的影响，会导致植物神经系统紊乱，免疫功能减退，甚至引起病理反应。为 此，对室内空气品质不但要进行客观评价，而且要进行主观评价嫡。 7 第二章空调客车车内空气品质 2 2 1 空气品质的概念 室内空气品质( i n d o o ra i r q u a l i t y ，简称i a q ) 不同于室内污染，最初关于室内空气 品质的定义是指一系列污染物浓度指标，然而，随着研究的不断深入，人们发现单个的 污染物浓度指标不能准确地反映室内空气质量的优劣，污染物浓度低的室内人们仍然感 觉到很难受，因此室内空气品质的好坏还与居住者的主观感受、心理和生理条件紧密相 关。 p o f a n g e r 教授在1 9 8 9 年给室内空气品质的定义是：所谓品质就是反映满足人们要 求的程度，如人们满意就是高品质，不满意就是低品质。英国的c i b s e ( c h a r t e di n s t i t u t e o f b u i l d i n gs e r v i c e se n g i n e e r s ) 认为：如果室内少于5 0 的人能够觉察到任何气味，少 于2 0 的人感觉不舒服，少于1 0 的人感觉黏膜刺激，并且少于5 的人在不足2 的 时间内感到烦躁，那么此时的室内空气是可以接受的，这两者的共同点就是将室内空气 品质完全变成了人的主观感受。 在a s h r a e 标准6 2 1 9 8 9 r 中，它考虑了室内污染物浓度指标和人体主观感受两方 面的因素，提出了可接受的室内空气品质( a c c e p t a b l ei n d o o ra i rq u a l i t y ) 和感受到可接 受室内空气品质( a c c e p t a b l e p e r c e i v e d i n d o o r a i r q u a l i t y ) 概念。可接受的室内空气品质 定义为：空调中的绝大多数人对空气没有表示不满意，并且空气中没有已知放入污染物 达到了可能对人体健康产生严重威胁浓度。感受到可接受室内空气品质定义为：空调房 中的绝大多数人没有因为气味和刺激而表示不满，它是可接受的室内空气品质的必要条 件，不是充分条件，有些气体如c o 、氡、y 射线等，对人体危害非常大，但无刺激， 故仅仅用感受到可接受室内空气是不够的n 们。 该定义不仅体现了人们认识上的飞跃，更重要的是把客观评价和主观评价结合起 来，为我们对空气品质进行评价提供了一种新方法。 2 2 2 室内空气品质产生的原因 2 0 世纪7 0 年代石油危机袭击西方各国，许多建筑为了节能都减少了空调系统的新 风量，同时加强了房间密闭程度。另外，现代建筑装修更加豪华，装修材料更加多样化， 并且这些装修材料都释放化学污染物，这也进一步导致了室内空气品质的恶化。 在过去的2 0 年中，长期生活和工作在现代建筑的人们普遍感到头昏、鼻塞、喉干、 胸闷、精神不佳和关节不适等，当走出室内后，不适症状明显减轻。室内人员为何出现 不明症状? 室内为何引起与之有关的过敏性肺炎、气喘病、加湿器热病、军团病、溶剂 性脑病等被称为没有起因的病症? 严峻的事实引起了专家学者的广泛关注，并很快提出 8 长安大学硕士学位论文 了病态建筑( s i c kb u i l d i n g ) 和病态建筑综合症( s i c kb u i l d i n gs y n d r o m e ) 的概念。根 据世界卫生组织( w h o ) 1 9 8 3 年定义：病态建筑综合症是因为建筑物使用而产生的症 状。包括眼睛发红、流鼻涕、嗓子痛、困倦、头痛、恶心、头晕和皮肤瘙痒等。大量调 查研究表明，人们超过8 0 的时间都在室内度过，由于室内空气品质的原因，人们的身 心健康和工作效率受到了很大影响，而一些现代密闭写字楼的工作人员所受到影响尤其 明显。与此同时，由室内空气品质间接引起的社会问题也受到广泛的关注。另一方面， 为了改善室内空气品质，需要增加建筑和空调系统的初投资和维护费用。 由于以上种种原因，人们已经认识到了解决室内空气品质问题重要性和紧迫性，i a q 问题已成为建筑环境领域内的一个研究热点。 2 2 3 影响空气品质的因素 从以上对空气品质的定义可以得出影响空调客车室内空气品质的因素主要包括以 下几个方面： ( 1 ) 空调客车车内主要污染物 客车室内空气中的污染来源是多方面的，人体呼出的代谢物，人体通过呼吸、说话 等活动排到室内空气的病原体等。当然，此类污染与车体内饰材料产生的污染物也有着 密切的关系，那种带有挥发性的有害物质的材料对室内空气品质产生重要的影响。 空调客车车内空气污染物的来源主要包括车内人员、材料、设备以及部分车外污染 空气。其中，车内人员、材料、设备对客车空气品质的影响见表2 1 ；车外污染物对客 车空气品质的影响见表2 2 。 表2 1 车内人员、材料、设备对客车空气品质污染分析表 来源产生的污染物危害 头痛、头晕、恶心、乏力、神 内饰材料甲醛、苯、t v o c 经疲劳、咽喉刺激、流泪、 神经毒性作用 呼吸、皮肤、汗腺代谢、活动 c 0 2 、n h 3 、c o 、甲醇、乙醇、醚 吸烟 c 0 2 、c o 、n o 、烷、烯烃、 呼吸系统疾病 尼古丁、焦油、芳香烃等 发动机 c o 、汽油挥发物 不能适应 车内设备 空调设备微生物 电视微量的电磁辐射 室内微生物细菌、真菌、病毒、螨虫各种传染 9 第二章空调客车车内空气品质 表2 2 车外污染物对客车空气品质污染分析表 来源产生的污染物危害 交通污染 c o 、h c 光化学污染物 0 3破坏深部呼吸道 工业污染物 s 0 2 、n 0 3 、t s p 、h f 植物花粉、孢子哮喘、皮疹、皮炎、过敏反应 环境中的微生物各类皮肤传染病 ( 2 ) 新风质量对车厢内空气品质的影响 新风问题包括新风量和新风洁净程度两个方面。 新风量 新风量不足时，室内的污浊空气得不到稀释和换气；新风量过大时，又带来节能方 面的新问题。 车厢引入新风的目的是为了保证车内污染物的浓度不超过允许值，使车厢内保持一 定的清洁度与舒适度。因此，输入的新风量只要足以确保污染物的浓度在规定范围内即 可。但是，现有客车空调装置新风量占通风量的比例是固定不变的，无论车厢内乘客人 数多少，只要通风量不便，新风量就不会改变。这样，当乘客人数较少或在始发站预冷 时，部分新风就是多余的。 在空调场所中利用回风、减少新风是节能的需要，特别是在夏季室内、外温差较大 的情况下，混入的回风量愈多，使用的新风量愈少，就愈显得节能。然而，任意地减少 新风，必然影响室内空气品质。 新风净化 目前，在过滤方面采用了空气循环过滤装置；在消毒方面采用了空气循环紫外消毒 装置，可对车厢内的空气进行动态消毒。 ( 3 ) 气流组织对车厢内空气品质的影响 良好的气流组织能减轻室内污染物浓度，反之，不合理的气流组织则会加重污染物 对人体的危害。 。+ 2 3 影响人体舒适性的因素及评价指标阳1 2 3 1 影响舒适环境的因素 在正常的情况下，当人体产生的热量等于消耗的容量和排出的热量之和时，人就会 感觉舒适。影响人体产生热量、消耗热量和排出热量的主要因素有： 1 0 长安大学硕士学位论文 ( 1 ) 周围环境温度 当周围环境的温度低于人体温度时，人体的辐射和对流将增加，体温降低，引起手 脚不灵活，影响驾驶安全。若周围环境温度升高，空气流动速度低，则人体的辐射和对 流将减少，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液分泌蒸发散热， 在一定程度上补偿了人体的辐射和对流减少的散热量。不过，这时即使有可能维持人体 热平衡，但实际上人体并不一定感到舒适。当环境温度高于人体温度时辐射和对流换热 反过来由环境传向人体，人体汗量大幅度增加，大量消耗体内的水分，破坏人体生理平 衡，甚至虚脱；如果此时出汗量不足，人体余热难以全部散出，在体内累积，会导致体 温升高，人体因热平衡遭到破坏会感到很不舒服，甚至会生病。 周围物体表面温度决定了人体辐射散热的强度。在同样的室内空气参数条件下，围 护结构表面温度高，人体增加热感；表面温度低，则会增加冷感。 ( 2 ) 相对湿度和气流速度 人的舒适性不仅与周围空气温度有关，还和空气相对湿度、空气流动速度有关。 相对湿度愈高，空气中水蒸气分压力愈大，人体汗水蒸发量愈少。所以，增加室内 空气湿度，在高温时，会增加空气对人的热作用；在低温时，由于空气潮湿增强了导热， 会加剧空气对人的冷作用。 空气的流动速度也是影响人体对流散热和水分蒸发散热的主要因素之一。气流速度 大时，由于提高了对流换热系数及湿交换系数，因而使对流散热和水分蒸发散热随之增 强，亦即加剧了空气对人体的冷作用。 ( 3 ) 空气品质 空气品质是否良好，同样直接影响入的舒适感。特别是客车车室内空间狭小，乘客 密度大，车内极易出现缺氧和二氧化碳浓度过高的情况；而汽车发动机废气中的一氧化 碳和道路上的粉尘、烟雾、微生物等也易从车身缝隙或通过通风换气进入车内，造成车 内空气污浊，影响乘客健康。 综上可见，人体舒适感不仅与空气温度、空气湿度、空气流速、周围物体表面温度 和空气品质等客观因素有着密切的关系，还和人的生活习惯、衣着情况以及年龄、性别 等有关。因此用一个单一的物理量是不能表示空气条件以及衡量该条件是否满足人体舒 适性要求的，而应使用综合考虑人体活动情况、衣着情况、空气温度、湿度、流速和平 均辐射温度等因素的综合指标来描述。 第二章空调客车车内空气品质 2 3 2 影响舒适环境的评价指标 ( 1 ) 客车室内平均温度和平均温差 根据我国空调工业状况，结合我国国情，兼顾经济性和舒适性，同时考虑到我国夏 季比较炎热，故车内平均温度夏季可取2 4 , - - - 2 8 1 2 ，冬季1 8 - 2 2 c ；同时考虑人体各部位 对温度的敏感程度，客车室内温度分布在垂直方向上温差不超过3 。c ，在水平方向上不 超过2 c 。 ( 2 ) 车内相对湿度 采暖通风与空气调节设计规范对室内相对湿度的要求：在满足人体舒适感和健 康条件下，室内湿度在4 0 6 5 之间为宜，超出此范围，人开始感到干燥或闷热。对 于客车空调，由于其本身的特殊性，相对湿度可适当降低，夏季一般保持在3 5 - 6 0 较好。随着温度的升高，湿度应取低值。 ( 3 ) 车内空气平均流速 空调是把冷风和暖风送进车室来调节空气流动的，如果风速不同，即使室内的温度 相同，体感也不一样。如果空气流动不好，就不能很好的进行调节，虽然风的流动也可 以增加人体的舒适感，但并不希望过大的风速，因为它会使人体局部过度散热而难受， 为此最好使大流量的风遍及全身而尽量降低风速。 ( 4 ) 车内有害物的浓度 由于客车室内空间有限，乘客密度大，因此车厢内出现氧气不足和二氧化碳浓度过 高的现象极为普遍。甚者有些长途客车常年累月在外营运，大量有害物质诸如发动机废 气中的一氧化碳和道路上的粉尘、烟雾、微生物等也易从车体缝隙窜入车内，造成车内 空气污浊，导致车内污染物浓度超标，进而影响乘客的舒适性。 2 4 本章小结 ( 1 ) 本章对空调客车的车内舒适环境条件进行了分析和定义，并从主观和客观两 方面对车内舒适环境条件进行了评价，得出了影响车内舒适环境条件的各种因素； ( 2 ) 参照相关文献对舒适性空调室内设计参数的研究，结合空调客车这样一个研 究对象，确定了影响人体热舒适性的各个因素及评价指标。 ( 3 ) 从使用对象、车型级别和使用经济性出发，不同车型、不同用途空调客车的 车内气候参数是不相同的，具体确定时应综合多方面因素进行选择。 1 2 长安大学硕士学位论文 第三章客车空调的结构型式及车室气流组织 3 1 客车空调的结构及布置型式 客车空调的车室内气流组织和空调的结构及布置型式密切相关。目前，大中型客车 应用最广的有三种空调结构及布置型式。 3 1 1 顶置式空调 这种结构由四部分组成，即顶置部分、压缩机部分、管道部分和控制部分。布置设 计时，一般将蒸发器与冷凝器统一置于车顶，其中冷凝器位于顶置部分的前部，冷凝器 风机由两侧吸风从顶部排出。蒸发器位于顶置部分的后面，回风口位于蒸发器的中间， 回风经蒸发器处理后，冷风由风机通过风道送往车内，如图3 1 所示。空调压缩机由客 车主发动机驱动，通过压缩机皮带轮内的电磁离合器控制压缩机的运转和停止。对于采 用内外结合循环的空调设备，其所需的车外新鲜空气通过设在蒸发器后面的进风口进入 空调器，一般新风量能够达到总风量的2 0 左右。车外新鲜空气的进入由一个风门控制， 通常还带有空气滤清器以保持清洁。如果关闭新风进气风门，车厢内的空气只能进行内 循环，此时由于没有车外的高温空气，系统的负荷相对较小。因此，在机组刚启动时关 闭新风门可以加快车内的降温速率。 采用顶置式空调的优点是便于安装和配气。由于冷凝器和蒸发器都位于车顶，只要 将车顶骨架稍作改动便可以很方便的进行安装和布置，两者间制冷剂管路的连接也很方 便。同时，蒸发器的出风也可以很方便的导入风道中去。 l 一送风口：2 一车内回风；3 一蒸发器风机：4 - 蒸发器；5 一过渡网；6 _ 风道 图3 1 顶置空调蒸发器布置截面 顶置式空调的主要缺点： 风道较长，噪音较大； 1 3 第三章客车空调的结构型式及车室气流组织 随着风道向车两端延伸，风压逐渐减小，所以车内前后两端的风速较小； 由于道路颠簸不平，使车顶的蒙皮容易松动，空调机组和蒙皮之间的密封容开 裂，外面的雨水就会进入车内； 由于机组暴露在外，长时间的风吹日晒不仅使空调部件容易发生老化，还影响 整车的美观。 3 1 2 内置式空调 采用内置式空调的客车一般将蒸发器置于车内顶部两侧，冷凝器安装于车身其它地 方( 车顶外部或地板下) ，蒸发器的组数可根据整车长度以及空调负荷的实际情况而定。 由于风机沿着车身长度方向布置，因而车内的风速、温度更加均匀，不会产生顶置空调 客车车内前后温度极为不均匀的现象。此外，还可以通过继电器控制车内风机的串、并 联，从而控制风机的转速。 客车采用内置式空调系统的车内气流组织如图3 2 所示。车内回风从车顶两侧被吸 入蒸发器进行再循环，车外新风也从车顶外部两边进入车内。新风和回风在进入蒸发器 前汇合，通过一个风门调整它们之间的比例。当风门位于最上侧时，新风入口被关死， 只有车内空气进行循环，由于没有新风进入，空调负荷相对较小，便于对车内进行快速 降温；当风门位于最下方时，回风口被堵死，只有室外新风进入蒸发器，由于此时循环 的全是新风，因此可以最大限度地维持车内的空气品质，使长途旅行的旅客不至于感到 太疲惫。经蒸发器处理后的冷空气大部分沿着车顶流到车顶中部的网孔板，经网孔板流 入车内；另一小部分由座椅上部的轴流风机吸入，从乘客头顶的风口送入车内n 1 1 。 采用内置式空调系统的主要优点是： 贯流风机比其它形式风机噪音小，因而能大大降低车内整体噪声。由于目前大 量使用的长途客车和旅游客车内都装备有电视、音响等装置，空调噪声的减小对于提高 这些装置的使用效果和舒适性起到了很大的作用。 由于有一部分冷空气从车顶中央送出，分担了部分负荷，乘客顶部风机的风速 就减小了，因而避免了速度很大的冷空气直接吹向乘客面部所带来的不适。 这种形式的气流组织方式在保证车内温度达到要求的情况下，车内空气的流速 不会很高，从而降低了噪音。 由于风道设计直接影响空调效果，而客车空调风道设计一直是客车空调系统设计 的难点，因此采用这种空调结构和气流组织设计使冷风道变短，阻力小，效率更高。 1 4 长安大学硕士学位论文 采用内置式空调的主要缺点是结构和布置复杂，且维修麻烦、维修费用高。 1 一座椅上方送风口；2 一轴流风机；3 一车内回风；4 一外界新风入口；5 一调节风门； 6 _ 蒸发器冷却盘管；7 贯流式风机；8 一网孔送风板；9 一顶部送风；1 0 - 行李架支架 图3 2 内置空调客车的气流组织 3 1 3 整体下置式空调 整体下置式空调系统具有总成少( 集中为一体) 、结构紧凑、制冷量大、重量大( 一 般在4 0 0 - - 6 5 0 k g 之间) 、且安装于客车地板下不占车室空间、车厢乘客室完整、对车身 设计要求不高、使于车内的布置和设计，以及风道长、送风机压力较大等特点，所以布 置较为容易，多在发动机功率不大或要求空调系统工作稳定且不受主发动机工作影响的 大中型客车上采用。常见的布置型式有以下几种： ( 1 ) 制冷机组置于前轴之后( 紧靠前轴) 这种布置型式( 图3 3 ) 只适用于后置发动机后驱动或中置发动机驱动的中、大型 客车。其主要优点是： 对轴荷分配较为有利，可以改善中、后置发动机客车前轴负荷偏小的问题； 对车身设计要求不高，管道布置也较为方便； 因制冷机组紧靠前轴，使用维修比较方便，且机组通风散热良好； 对因前轴负荷偏小，方向盘发飘的情况有一定的改善，因此对客车操纵稳定性 和行驶安全性较为有利。 存在的主要缺点是： 未使用动力转向的客车采用这种布置型式会使转向沉重：