（电力电子与电力传动专业论文）变风量汽车空调系统的研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a u t o m o t i v ea i r c o n d i t i o n i n gs y s t e r n sa so n eo ft h em a i nf a c t o r st h a ti n f l u e n c e dt h e c o m f o r to ft h ev e h i c l e s u p p l yr e f r i g e r a t i o n h e a t i n g d e f r o s t i n g a i rf i l t r a t i o na n d h u m i d i t yc o n t r o lf o rt h ec 缸 a u t o m o t i v ea i r c o n d i t i o n i n gs y s t e m sh a v eb e l c o m eo n eo f t h em a j o rm e a n si nt h ec o m p e t i t i v ea u t o m o t i v em a r k e t a u t o m o b i l ea i r c o n d i t i o n i n g a v e r a g e l yc o n s u m e8 t o12 p a r t i o n so ft h ec a r se n g i n ep o w e r t h ec o m p r e s s o r o d n s o m o s8 0 t 08 5 a n df a nc o n s u m e s15 t o2 0 s u c hap o w e r c o n s u m p t i o nn o t o n l yi n c r e a s e dt h ef u e lc o n s m n p t i o n b u ta l s os e r i o u s l ya f f e c tt h ec a r se n g i n ep o w e r o u t p u t t h en o wg e n e r a t i o no fe n v i r o n m e n t a l l y f r i e n d l yv e h i c l e s s u c h 弱e l e c t r i c h y b r i d f u e lc e l la n do t h e rl o w e m i s s i o nv e h i c l e s b e c a u s eo ft h e i rp o w e ri sm u c h s m a l l e rt h a nc o n v e n t i o n a lv e h i c l e s t os u p p l yt h ed r i v i n gf o r c et ot h ea i r c o n d i t i o n i n g s y s t e mi se x t r e m e l yl i m i t e d n o wv a r i a b l ea i rv o l u m ea i r c o n d i t i o n i n gs y s t e m sh a s g r a d u a l l yb e c o m et h em a i n s t r e a mi nt h ed o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a la i r c o n d i t i o n i n g s y s t e mm a r k e tb e c a u s eo fe n e r g y s a v i n g i ti sd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a lc o 璐t a n ta i r v o l u m ea i r c o n d i t i o n i n g i th a st h ed y n a m i ca d j u s t m e n to ft h ea i rf l o wi n t ot h er o o mt o b a l a l i c et h ei n d o o rh e a tc h a n g e s s ot h a t 翰矿a i r c o n d i t i o n i n gs y s t e m sm a k et h e t e m p e r a t u r ea n dt h ei n d o o ra i rq u a l i t ym e e t i n gt h er e q u i r e m e n t s i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mb e t w e e nt h ec o m f o r to ft h ec a rw i t ht h e a i r c o n d i t i o n i n gp o w e rc o n s u m p t i o n w es h o u dm a k et e c h n o l o g i c a li n n o v a t i o n0 1 1t h e a u t o m o t i v ea i r c o n d i t i o n i n g t h en e wt e c h n o l o g yt h a tv a vs y s t e m su s e di na u t o m o t i v e a i rc o n d i t i o n i n gw a sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f a u t o m o t i v e a i r c o n d i t i o n i n g 力 e a u t h o r d e s i g n s t h ea u t o m o t i v e 泓矿s y s t e m a r c h i t e c m r e s e tu pa na u t o m o b i l ec a r r i a g em a t h e m a t i c a lm o d e la n ds i m u l a t e a u t o m o b i l ec a r r i a g et e m p e r a t u r ec e n t r e ls y s t e mb yt h em a t l a bs o f t w a r e t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tc a rv a va i r c o n d i t i o n i n gs y s t e r nh a sg o o dt e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 k e y w o r d s a u t o m o t i v e a i r c o n d i t i o n i n gs y s t e m v a r i a b l e a i rv o l u m e a i r c o n d i t i o n i n gs y s t e m s s i m u l a t i o n n 潮班二量大謦 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师指导下 独立进行研究工作所取 得的研究成果 除文中已经标明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出贡献的个人和集体 均已在文中以明确方 式标明 本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 素日菲日期 二 霹年f 月巧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采 用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 学位论文作者签名 嗣菲 日期 2 韶年歹月2 j 6 日 指导教师签名 日期 z 稻年 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景 汽车是一种重要的交通运输工具 随着国际汽车市场竞争日趋激烈 为获得市 场 生产出廉价 安全 舒适和低排放的汽车是各大汽车生产厂商的努力目标 汽车制造商不断地根据用户的要求更新汽车设计 并期望通过利用新技术来提供 更好的性能 汽车空调系统作为影响汽车舒适性的主要因素之一 为汽车提供制冷 取暖 除霜 除雾 空气过滤和湿度控制等功能 汽车空调系统已成为汽车市场竞争的 主要手段之一 其中 采暖系统可使乘员避免过量着装 为车窗提供除雾和除霜 功能 提供舒适性和安全服务 冷气系统则通过制冷 除湿来提供舒适性 通过 使司机保持警醒 允许关窗等措施提供了安全服务 采暖和冷气系统还可提供除 尘 除臭的功能 这些功能已成为车辆必不可少的要求 目前 在汽车空调中 主要使用的是蒸汽压缩式空调系统 一般要消耗8 1 2 的汽车发动机动力 其中压缩机占到其中的8 0 8 5 风机占其中的1 5 2 0 这样大的功耗不仅增加了油耗 而且可能引起水箱过热 影响汽车的动力 性能 对于新一代的环保型汽车 如电动 混合动力 燃料电池和其它的低排放 车辆 由于本身动力远小于传统动力车辆 能够提给空调系统的动力极为有限 因此 解决舒适性与空调功耗之间的矛盾已成为现代汽车空调研制中的突出问题 变风量空调系统 v a i l a b l e a i r v o l u m e a i r c o n d i t i o ns y s t e m v a v 于2 0 世纪6 0 年代诞生在美国 它不同于传统的定风量空气调节方式 而是能够动态的调整送 入房间的风量以平衡室内负荷的变化 从而使被控温度和室内空气质量指标达到 要求 在空调系统的运行过程中 最大冷负荷出现的时间不到空调运行总时间的 1 0 全年平均负荷率仅为5 0 在绝大部分时间内 空调系统处在部分负荷运行 状态 变风量系统通过减少送风量 降低了风机输送功耗 固定送风温度 降低 空调压缩机功耗 从而起到了明显的节能效果 剀比引 变风量空调系统一直运用在建筑当中 现已成为商业建筑中最流行和最节能的 空调系统 将这种先进的空调系统运用在汽车上 可以发挥变风量空调的优点 解决传统汽车空调的舒适性与空调功耗之间的矛盾 同时能够节约能源的消耗 所以对汽车空调变风量控制系统的研究具有十分必要的现实意义 湖北工业大学硕士学位论文 1 2 汽车空调研究现状综述 1 2 1 汽车空调目前的发展阶段 最早的汽车空调装置始于1 9 2 7 年 它仅由加热器 通风装置和空气过滤器三部 分组成 且只能对车厢供暖 准确地讲 汽车空调的历史 应该从制冷技术应用 在汽车上开始 3 0 年代末期美国的凡部公共汽车上安装了应用制冷技术的冷气装 置 直到6 0 年代 应用制冷技术的汽车空调才开始逐步地普及起来 此后 人们 对汽车空调的兴趣逐年增加 汽车空调技术日趋完善 功能也越来越全面 它的 发展大体上可以分为如下几个阶段 3 单一供暖空调装置阶段 始于1 9 2 7 年 目前在寒冷的北欧 亚洲北部等地区 汽车空调仍使用单一供热系统 单一供冷空调装置阶段 始于1 9 3 9 年 美国帕克汽车公司率先在轿车上安装 机械制冷降温空调器 目前单一降温的汽车空调仍在热带 亚热带部分地区应用 冷暖型汽车空调阶段 始于1 9 5 4 年 原美国汽车公司 a m c 率先在轿车上安 装了冷暖一体化空调器 这样汽车空调才真正具备了降温 除湿 通风 过滤 除霜等对空气的调节功能 冷暖型汽车空调方式目前仍然大量地用在低档车上 是目前使用量最大的一种空调方式 自动汽车空调装置阶段 由于前述的冷暖型空调需要依靠人工调节 这既增加 了司机的工作量 还使控制效果不够理想 通用汽车公司1 9 6 4 年在轿车上应用了 自动控制的汽车空调 自控空调只需预先设定好温度控制装置 它便能自动地在 设定的温度范围内运行 装置根据传感器随时检测车内外温度 自动地调控装置 各部件工作 达到控制车内温度 湿度等目的 目前 大部分的中高级轿车和大 客车都配置了自控空调 电脑控制汽车空调阶段 自1 9 7 7 年美国通用汽车公司 日本五十铃汽车公司 同时将自行研制的电脑控制汽车空调系统安装到各自轿车上后 即预示着汽车空 调技术已发展到一个新阶段 电脑控制的汽车空调系统功能增强 实现冷 暖 通风调控三位一体 由电脑按照车内外的环境 实现调节的精细化 从而提高了 汽车的整体性能和舒适程度 目前电脑控制的空调都安装在豪华型汽车上 未来新型汽车空调系统的开发必须与汽车开发同步 以适应新的变化 如发动 机效率提高 余热量减少 电气化 混合驱动动力及其它新型零部件使用后导致 空调系统特性的变化 汽车空调系统的发展有如下的趋势p 2 湖北工业大学硕士学位论文 1 汽车电气化日益加强 新型的电子元件如加热座椅 娱乐系统 电子导航等在 汽车上的应用日渐广泛 为了适应这些技术 汽车生产厂商正在拟转向4 2 v 汽车电 源系统 采用高电压系统后有可能去除皮带驱动的系统 如发电机 空调压缩机 水泵及动力转向泵等 这使在汽车空调系统中应用全封闭压缩机成为可能 2 电动车及一些混合动力车需要高效的空调系统 对于新一代的环保型汽车 如 电动 混合动力 燃料电池和其它的低排放车辆 由于本身动力远小于传统动力 车辆 能够提给空调系统的动力极为有限 拥有一套节能高效 性能可靠的空调 系统至关重要 3 采用新的零部件可减少空调或采暖负荷 增强车身隔热 改进门封结构 玻璃 镀层和其它新技术的应用都可减少车厢内的热负荷 从而减少用于空调或采暖的 能耗而减少温室气体排放 1 2 2 传统汽车空调制冷系统的结构和工作原理 尽管目前汽车空调系统多种多样 但其基本结构相差不大 一般空调冷却系 统由下面几部分组成 压缩机 冷凝器 干燥过滤器 膨胀阀 蒸发器 送风机 等部分 典型的汽车空调制冷系统如图i 1 所示瞄 图1 1 汽车空调制冷系统工作原理示意图 3 湖北工业大学硕士学位论文 它的工作原理如下 压缩机运转时 将蒸发器内产生的低温低压制冷剂蒸气吸 入并压缩后 在高温高压 约7 0 c 1 4 7 1 k p a 的状况下捧出这些气态制冷剂流入冷 凝器 并在此受到散热器和冷却风扇的作用强制冷却到5 0 左右 这时 制冷剂 由气态变成液态 被液化了的制冷剂 进入干燥过滤器 除去水分和杂质后 流 入膨胀阀 高压的液态制冷剂从膨胀阀的小孔流出 变为低压雾状后流入蒸发器 雾状制冷剂在蒸发器内吸热气化变成气态制冷剂 从而使蒸发器表面温度下降 从送风机进来的空气 不断流过蒸发器表面 被冷却后送进车厢内 使车厢内降 温 气态制冷剂通过蒸发器后又重新被压缩机吸入 这样反复循环即可达到制冷 的目的u 汽车空调制冷压缩机的动力不是利用电力 汽车空调所需的动力均来自发动 机 其中 轿车 轻型汽车 中小型客车及工程机械 空调所需的动力和驱动汽 车的动力均来自同一发动机 这种空调叫非独立式空调系统 大型客车和豪华型 大 中客车 由于所需制冷量和暖气量大 一般采用专用发动机驱动制冷压缩机 和设立独立的取暖设备 故称之为独立式空调系统 虽然非独立式空调系统会影 响汽车的动力性能 但它相对于独立式空调 在设备成本 运行成本上都较经济 1 2 3 汽车空调加热系统的工作原理 轿车 卡车和中小型客车 需要的热量较少 可以利用发动机的余热来直接 供暖 余热供暖设备简单 使用安全 运行经济 但其缺点是热量较小 受汽车 运行工况的影响 发动机停止运行时 即没有暖气提供 余热供暖系统又分为水 暖式和气暖式两种 水暖式加热系统工作原理如图1 2 所示 从发动机出来的冷却液经过节温器 在温度达到8 0 时 节温器开启 让发动机冷却液流到供暖系统的加热器心 在 节温器和加热器心之间设置了一个热水开关 用来控制热水的流动 冷却液的另一 部分流到水箱散热 冷却液在加热器心散热 用来加热周围的空气 然后再用风 扇送到车内 冷却液从加热器心出来 在水泵的泵吸下 又重新进入发动机的水 腔内 冷却发动机 完成一次供暖循环p 1 下面再简单介绍一下气暖式加热系统的工作原理 气暖式加热系统是利用含 热量较高的发动机的废气 提供足够的热量来调节车内的温度 柴油发动机 一 般使用空气冷却发动机 对于柴油机汽车 只能使用气暖式暖风系统 4 湖北工业大学硕士学位论文 1 2 1 3 l 一溢流管2 一回液管3 一加热器进水管4 一风扇5 一加热器心6 一加热器出水 管7 l 溢流罐 副水箱 醐水开关卜发动机l 卜出液管1 1 一节温器 1 2 一风扇1 3 一散热器1 4 水泵 图1 2 水暖系统工作原理 1 2 4 汽车空调的性能评价指标 汽车空调的性能评价指标有如下五个啊1 1 温度指标 温度指标是最重要的一个指标 人感到最舒服的温度是2 0 2 2 8 2 超过2 8 人就会觉得燥热 当温度超过4 0 1 2 会对人体健康造成损害 即为有害温度 低于1 4 1 2 人就会感到 冷 当温度下降到o 时 又有可能会冻伤人体某些部 位 因此 空调应控制车内温度夏天在2 5 1 2 冬天在1 8 t 2 保证司乘人员在舒适 的状态下旅行 从而使驾驶员集中精力正常操作 防止事故发生 2 湿度指标 湿度的指标用相对湿度来表示 它是指大气中水汽含量距离大气饱和的程度 在一定气温条件下 大气中相对湿度越小 水汽蒸发也就越快 反之 大气中湿 度越大 水气蒸发也就越慢 因为人觉得最舒适的相对湿度在5 0 7 0 所以汽 车空调的湿度参数应控制在此范围内 3 空气的清新度 由于车内空间小 乘员密度大 在密闭的空间内极易产生缺氧和二氧化碳浓 5 湖北工业大学硕士学位论文 度过高 汽车发动机废气中的一氧化碳和道路上的粉尘 野外有毒的花粉都容易 进入车厢内 造成车内空气混浊 影响驾乘人员身体健康 这样汽车空调必须具 有对车外空气进行过滤的功能 以保证车内空气的清新度 4 除霜功能 由于有时汽车内外温度相差太大 会在玻璃上出现雾式霜 影响司机的视线 所以汽车空调必须具有除霜功能 5 操作简单 容易 稳定 汽车空调的操作必须做到不增加驾驶员的劳动强度 不影响驾驶员的正常驾 驶 1 2 5 传统的汽车空调车厢温度控制系统 汽车空调的主要任务是控制车厢内的温度 使其尽可能保持在所要求的范围 内 它根据蒸发器 车厢内 车厢外的温度传感器接受到的温度信号 控制压缩 机的运行 控制加热器水阀的开度以及各种模式风门 如 新风门 回风门 冷 热调温门等 的开度 改变送风温度 从而影响车厢内的温度 汽车空调中的压缩机是由汽车发动机来带动的 而不是使用电力作为能量来 源 这就使得无法利用调节压缩机转速的方法来控制制冷量 目前控制压缩机的 运行主要依靠一个电磁离合器 汽车空调电磁离合器的功能是控制发动机与压缩 机之间的动力联系 当电源接通时 电磁离合器将发动机的动力传递给压缩机主 轴 使压缩机处于工作状态 当电源断开 电磁离合器便切断发动机与压缩机的 联系 使压缩机停止工作 所以电磁离合器就象电路中的开关 比较典型的车厢内送风温度控制系统如图1 3 所示瞄儿m 6 湖北工业大学硕士学位论文 8 1 1 l 一新风风门2 一回风风门3 轴流风机4 一蒸发器5 一调温门6 一加热器 7 一车厢内上风门8 车厢内中风门卜车厢内下风门l 卜新鲜空气 1 1 车厢回风 图1 3 典型汽车空调送风温度调节原理 车外新鲜空气通过新风风门后与车厢内的回风混合 在风扇的输送下 流过蒸 发器 发生降温除湿变化 调温f 1 5 的作用是调节空气的温度 当调温门在a 位置 时 冷空气不经过加热器 这样得到的空气温度最低 供夏天室外气温较高时使 用以降低车内温度 当调温门在b 位置时 有一部分冷气经过加热器心 温度升高 一部分空气不经过加热器心 两部分不同温度的空气混合后 得到某一温度的空 气 输送到车内 调温门在a 至c 之间的任一位置 可以得到所需调配温度的空气 这样 可以根据实际需要 调节调温门的位置 可以得到不同温度的空气 来调 配车内的温度 当调温门在c 位置时 全部新鲜空气进入加热器心 则得到较高温 度的空调风 经过温度调节后的空调风 通过上风门 中风门和下风门输送入车 厢内 1 3 本论文研究的主要内容 由于大部分汽车空调采暖系统采用余热式加热系统 利用汽车发动机产生的余 热来直接供暖 运行设备简单 本论文内容主要是关于汽车空调制冷系统方面的 研究 后文在计算汽车空调负荷时是指空调制冷负荷 本文所提到的空调系统若 未经特别说明指的是空调制冷系统 由于汽车的特殊性 车厢内的湿度要求并不 是很高 一般空调系统均可达到要求 所以本论文没有对空调系统的湿度控制进 7 湖北工业大学硕士学位论文 行研究 本论文主要对汽车空调的变风量控制系统进行了深入研究 首先根据变风量空 调控制系统和汽车空调的特点进行了汽车空调的变风量控制系统理论上的可行性 分析 然后结合汽车空调自身的特点设计了汽车空调的变风量控制系统 包括送 风温度控制回路 送风静压控制回路 新风量控制回路 车厢温度控制回路四个 控制子系统 比较了汽车空调负荷与建筑空调负荷的不同 最后建立了车厢温度 控制系统的数学模型 并利用m a t l a b 软件对其进行了仿真 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章变风量汽车空调系统的理论分析 2 1 变风量空调技术 2 1 1 概述 二十世纪6 0 年代最早在美国提出了变风量 v a v v a r i a b l ea i rv o l u m e 空调 系统 但是该系统出现后并没有得到迅速地推广 当时美国占主导地位的仍是定 风量系统加末端再热和双风道系统 西方7 0 年代爆发的石油危机促使变风量空调 系统在美国得到广泛应用 并在其后不断发展 随着智能建筑的出现 变风量空 调系统在空调系统中占据了主导地位 目前已经成为美国空调系统的主流 并在 其他国家也得到大量应用 变风量空调系统的根本原理就是通过改变送风量以适应空调负荷的变化 维 持空调房间的空调参数 在空调系统运行过程中 最大冷负荷出现的时间不到总 时间的1 0 全年平均负荷率仅为5 0 9 6 在绝大部分时间内 空调系统处于部分负 荷运行状态 v a v 系统根据负荷的变化 通过减少送风量 降低了风机输送功耗 固定送风温度 降低空调压缩机功耗 从而起到了明显的节能效果 2 1 2 变风量空调技术原理 变风量空调系统是属于全空气空调系统的一种空调方式 全空气空调系统设计 的基本要求是 确定向空气调节区输送足够数量的 经过一定处理后的空气 用 以吸收室内的余热和余湿 从而维持室内所需要的温度和湿度 计算公式为 三 卫 j l 2 1 5 y 0 一 弦 f 0 一 式中 厶一送入房间的风量 单位 m 3 s y 一空气的密度 单位 k g m 3 q 余热热量 单位 k w 线一余热中的显热热量 单位 k w c 一空气的定压比热容 单位 k j k g t 一送风状态空气的焓值 单位 k j k g 屯一室内空气的焓值 单位 k j k g 9 湖北工业大学硕士学位论文 l 送风状态空气温度值 单位 乞一室内空气温度值 单位 从上式中 p a 看出 当室内余热线值发生变化而又需要使室内温度 保持不 变时 可将送风量丘固定 而改变送风温度f 也可以将送风温度f 固定 而改变 送风量丘 那种固定送风量而改变送风温度的空调系统 称其为定风量 c a v c o n s t a n ta i rv o l u m e 系统 而固定送风温度 改变送风量的空调系统 则称其 为变风量 w v a r i a b l ea i rv o l u m e 系统 2 1 3 变风量空调系统的特点 变风量系统作为一种节能的空气调节方式 具有如下特点 小加1 由于变风量系统的末端装置可以根据负荷的变化和个人的舒适要求自动调节空 调送风量 这意味着整个空调系统可以随负荷的变化调节总送风量 特别是在部 分负荷运转时可以最大限度地减少整个系统的负荷总量 从而减小了相关设备的 规格 节省相应的费用 配以合理的自动控制 空调制冷机组也可以按实际负荷需要运行 降低能耗和 运行费用 系统的灵活性较好 易于改 扩建 能实现局部区域 各个房间 的灵活控制 可根据负荷的变化或个人的舒适要求自动调节工作环境 不用再加热方式或双风 管方式就能适应多种室内舒适要求或工艺设计要求 完全消除再加热方式或双风 管方式的冷热混合损失 室内无过热过冷现象 由此可减少空调负荷1 5 3 0 变风量 v a v 空调系统是全空气系统 a l la i rs y s t e m 空气品质好 在过渡 季节 还可以充分利用天然冷源甚至全新风 其节能效益较高 变风量空调系统的其它优点还包括具有良好的舒适性及自平衡特性 维护非常 方便 运行费用低等 和定风量再热系统相比 变风量系统对室内相对湿度的控制质量要差一些 但 对于一般要求不高的场合 变风量系统对湿度的控制足以满足要求 由于增加了控制环节 系统初投资会有所增加 2 1 4 变风量空调系统的结构原理图 变风量 v a v 空调系统主要包括空气处理机组 a i r h a n d l i n gu n i t s a h u 送风道 回风道 变容量送风机 末端装置 t e r m i n a lu n i t s 和送风口以及必要 的自动控制装置 其中末端装置是变风量系统的重要设备 它可以接受室温调节 l o 湖北工业大学硕士学位论文 器的指令 根据室温的高低 自动调节送风量 以满足室内负荷的需求 其它组 成部分与定风量空调系统相应部分的作用基本相同 图2 1 所示是一个单风道变风 量 v a v 空调系统的结构原理图 捧 新 c 1 一新风门2 一回风门3 一排风门4 一过滤器5 表面冷却器6 变容量风 机7 v a v 末端装置8 一温度传感器 图2 1 单风道变风量 v a v 空调系统的结构原理图 2 1 5 变风量空调自动控制系统的控制回路 变风量技术的关键是控制 变风量系统送至各房间的风量和系统的总风量 都 会随着房间负荷的变化而变化 因此 它必然会有较多和较复杂的控制要求 只 有实现了这些控制要求 系统的运行才能稳妥可靠 使它的节能性和经济性充分 体现出来 v a v 空调系统一般由5 个部分组成 新风段 空气处理段 送风段 末端 段 回风段 房间的控制参数是我们控制的最终目标 具体的房间控制参数有温 度 正压度 空气品质等 这个目标是通过对变风量系统的各个部分的控制来实 现的 单风道变风量空调系统的控制回路包括水阀 送风温度控制 变容量风机 一送风管道静压点静压控制 送风量一室内温度控制以及新风量一二氧化碳浓度 控制四个回路组成u 1 送风温度控制回路 图2 2 为变风量空调系统送风温度控制回路框图 由于变风量空调系统采用固 定送风温度而改变送风量的方式 所以必须对送风温度加以控制使其维持在一定 值 对送风温度的控制可以通过送风温度传感器测量实际送风温度与设定送风温 度的差值 并调节电动三通水阀的开度控制冷冻水流量来实现 湖北工业大学硕士学位论文 图2 2 送风温度控制回路框图 2 送风静压控制回路 由于变风量末端装置的送风量不仅取决于风阀的开度 实际上还于入口处风 道内的静压有关 当风阀的位置不变时 入口静压的增高会使送风量增大 在建 筑当中 由于房间众多 当其它房间的末端装置做调节时 会引起风道内静压发 生变化 因而该末端装置的送风量也会发生改变 所以变风量空调系统有三种控 制方式 定静压控制方式 所谓定静压控制就是通过调节风机转速来保持风道上某一点的静压恒定不 变 从而保证各个末端装置进行风量调节时其它末端装置在该设定静压值下可获 得自己所需风量 它是变风量 空调系统最早使用的控制方式 变静压控制方式 变静压控制是在定静压控制的基础上 不断的改变送风静压设定值 在保证 系统送风量要求的同时始终保证系统中至少有一个末端装置的风阀置于全开状 态 即尽量使静压保持在允许的最低值 变静压控制方式虽然仍属于静压控制方 式 但与定静压相比 它显然可以节能 总风量控制方式 所谓总风量控制就是根据各末端设定的风量之和调节送风机转速 以满足各 房间所要求的的风量 该控制法与静压控制的主要区别就是总风量控制法不再监 测 调控静压点的压力值 而是直接统计各末端要求的风量之和 据此总风量而 调节风机的转速 该控制方法需借助于现代建筑的d c s 控制系统 图2 1 为单风道变风量系统 它的送风静压控制回路采用定静压控制 图2 3 为单风道变风量空调系统送风管道静压点静压控制回路框图 在变风量空调系统 中 根据静压传感器的信号来测量送风管道静压点的静压变化 并将其与静压设 定值相比较 根据其差值来改变风机转速 使送风管道静压点的静压值保持不变 1 2 湖北工业大学硕士学位论文 图2 3 静压控制回路框图 3 室内温度控制回路 图2 4 为变风量空调系统室内温度控制回路框图 房间温度控制是通过变风量 末端装置对送入室内风量的控制来实现的 这是变风量系统的基本控制环节 由 于末端装置结构比较复杂 但它的功能相当于一个可以调节的风阀 所以在室内 温度控制回路的框图中我们用风阀来代替末端装置 图2 4 室内温度控制回路框图 4 新风量控制回路 图2 5 为变风量空调系统新风量控制回路框图 图中采用二氧化碳浓度控制 法 通过测量空调系统中空气的二氧化碳浓度 并与设定的二氧化碳浓度相比较 控制新风阀门的丌度 来达到控制新风量的目的 在美国以室内空气中二氧化碳浓度作为新风量的调节对象 是从上世纪八十 年代开始 到了九十年代得到逐步发展 目前美国已经在一些空调区域内逗留人 数有变动或变动大的场所 如办公楼 商场 体育馆等建筑应用二氧化碳浓度变 化作为调节对象 进行新风量的需求控制 碳浓度 图2 5 新风量控制回路框图 变j x l 量 系统的控制相对于定风量 c a 系统的控制要复杂的多 图 2 6 是典型的单风道变风量控制系统的结构示意图 1 3 湖北工业大学硕士学位论文 卜流量传感器卜压力传感器1 i 盛度传感器c 一二氧化碳浓度传感器 图2 6 单风道变风量控制系统的结构示意图 系统的工作原理是 夏季 当某个房间的温度低于设定值时 温度控制器就 会调节变风量末端装置中的风阀开度减少送入该房间的风量 由于系统阻力增加 引起送风静压升高 当静压超过设定值时 静压控制器通过调节风机转速减少系 统的总送风量 送风量的减少导致送回风量差值的减少 送回风量匹配控制器减 少回风量以维持设定值 同时 风道压力的变化将导致新 排风量的变化 控制 器将调节新风阀 回风阀和排风阀来保证新 排风量 由于新 回风量的变化 为保证送风温度 表冷器冷冻水流量会相应减少 当房间温度高于设定值时 调 节过程则相反 可见 各房间的风量调节和系统总风量调节是变风量 空调 系统的控制关键 其他回路的调节必须紧密配合才能使变风量 w 空调系统正 常工作 2 1 6 变风量系统的应用 目前变风量系统常应用于办公性建筑物或学校建筑物 因为这些建筑物的各 个房间往往都需要对室温进行单独控制 但是 变风量系统不仅限于这些应用场 合 它还可以广泛应用于商店 购物中心 图书馆 医院等各类民用建筑中 甚 至也可以在某些工业建筑中使用 几乎能采用全空气空调系统的地方 都可以采 用变风量系统 2 2 汽车空调的特点 上面介绍了变风量空调系统的相关知识 变风量空调系统自从诞生起就一直在 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 建筑中使用 并且已成为商业建筑中最流行和最节能的空调系统 汽车空调与建 筑空调之间有相同点 也有其自身的特点 汽车空调主要有如下特点 3 1 埔1 1 汽车空调所需的动力来自发动机 其中 轿车 轻型汽车 中小型客车及工 程机械 空调所需的动力和驱动汽车的动力均来自同一发动机 这种空调叫非独 立式空调系统 大型客车和豪华型大 中客车 由于所需制冷量和暖气量大 一 般采用专用发动机驱动制冷压缩机和设立独立的取暖设备 故称之为独立式空调 系统 据测试 汽车安装了非独立式空调后 耗油量平均增加1 0 2 0 与车速有 关 发动机输出功率减少1 0 1 2 虽然非独立式空调系统会影响汽车的动力性 能 但它相对于独立式空调 在设备成本 运行成本上都较经济 2 汽车的特定工作环境要求汽车空调的制冷 制热能力尽可能的大 其原因如下 夏天车内乘员密度大 发热量大 热负荷高 冬天采暖 人体所需吸收热量也 比较大 为了减轻自重 汽车隔热层一般都很薄 加上汽车门窗多 面积大 所以汽车 隔热性差 热损大 因为汽车的工作环境在野外 直接接受阳光 霜雪 风雨等的影响 环境变化 剧烈 要使汽车空调在最短的时间里使车厢内达到舒适的环境 就要求其制冷量 特别大 3 由于汽车本身的特点 要求汽车空调结构紧凑 质量小 重量轻 能在有限的 空间内进行安装 目前汽车空调的总重量已比6 0 年代下降了5 0 而制冷能力却提 高了5 0 4 非独立式汽车空调的供热方式与室内空调完全不同 对于非独立式汽车空调 一般利用发动机的冷却水或废气余热 而室内空调则是利用一个电磁阀 通过改 变制冷剂的流向 达到空调制热的效果 2 3 变风量空调系统适用于汽车空调的分析 比较变风量空调系统的特点和汽车空调本身所需要的特点 我们可以发现 针对汽车空调所需的动力来自发动机 对发动机输出功率有较大影响 的特 点 变风量空调系统的空调制冷机组可以按实际负荷需要运行 这样能够减少空 调压缩机的功耗 降低汽车发动机的输出功耗 针对汽车空调负荷变化大的特点 变风量空调系统的末端装置可以根据负荷 的变化和个人的舒适要求自动调节空调送风量 特别是在部分负荷运转时可以最 大限度地减少整个系统的负荷总量 并且变风量空调系统运行过程中不会有过热 过冷现象出现 湖北工业大学硕士学位论文 变风量空调系统是全空气系统 空气品质好 在过渡季节 还可以充分利用 天然冷源甚至全新风 若用于汽车空调可以避免使用传统汽车空调出现一氧化碳 中毒事故 由于汽车在行驶过程中 空气与车身有相对位移 在变风量空调系统中可以 充分利用这部分风能 降低汽车空调系统的能耗 由于汽车车厢空间较小并且是唯一的 使用变风量空调系统时 其控制方式 不存在定静压控制或变静压控制 这样一来 变风量空调系统也可以适当简化 综上所述 根据汽车空调的特点 变风量空调系统凭借自身的优势也适用于 汽车这种特殊的 移动建筑 内 1 6 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章变风量汽车空调系统的设计 3 1 变风量汽车空调系统的设计 3 1 1 变风量汽车空调系统结构图 图3 1 是变风量汽车空调系统的示意图 该系统主要包括送风道 回风道 空 气处理设备 变容量风机 变风量末端装置 新风阀和排风阀等装置 与传统的 汽车空调系统相比 变风量汽车空调系统的特点就是在车厢的送风口处装了一个 变风量末端装置 该装置实际上是一个可以进行自动控制的风阀 以增大或减小 送入车厢内的风量 从而实现对车厢内温度的控制 同时充分利用车外新风的动 能 车速为4 0 k m h 时 风速可达1 1 1 m s 将混合风送入车厢 从而可以降低风机 的功率 l 一新风风阀2 一新风风阀控制器3 一车外温度传感器4 一回风风阀5 一送风温 度传感器6 送风温度控制器7 一空调蒸发器8 一制冷剂流量控制阀9 一变容量 风机l o 一风机控制器1 1 一静压传感器1 2 一变风量末端装置1 3 一车厢温度传感 器1 4 一车厢1 5 一排风风阀1 6 一过滤器1 7 一新风流量传感器 图3 1 变风量汽车空调系统的示意图 变风量汽车空调系统的工作原理是 夏季 当车厢温度高于设定值时 变风 1 7 湖北工业大学硕士学位论文 量末端装置就会调节风阀开度增加送入房间的风量 同时由于送风道内压力发生 变化 当静压变化值超过一定范围 风机控制器通过提高风机的转速增加系统的 冷风量 从而降低车厢内的温度 当车厢温度低于设定值时 调节过程则相反 新风风阀控制器将根据车内所需新风量 车外温度及送风温度 按照一定的控制 规则 调节新风风阀的开度 在过渡季节 当车外温度 或焓值 低于设计送风温度 或焓值 时 可以 控制新风风阀的开度来调节新风与回风的混合比例来维持所需要的送风温度 当 车外温度 或焓值 高于设计送风温度 或焓值 时 新风风阀的开度应调至最 低 尽量减少新风量 从而限制冷量的消耗 当然为保证最小新风量的要求 新 风风阀不能全关 应保持在最小风量位置上 3 1 2 变风量汽车空调自动控制系统的控制回路 变风量汽车空调控制系统的控制回路由制冷剂流量控制阀一送风温度控制 变容量风机一送风管道静压点静压控制 送风量一车厢温度控制及新风量控制四 个回路组成 1 送风温度控制回路 图3 2 为变风量汽车空调系统送风温度控制回路框图 由于变风量空调系统采 用固定送风温度而改变送风量的方式 所以必须对送风温度加以控制使其维持在 一定值 对送风温度的控制可以通过安装在送风道内的温度传感器测量实际送风 温度 与设定的温度值相减后送入送风温度调节器 控制电子膨胀阀的开度 调 节制冷剂的流量 也就控制了压缩机的输出功率从而实现送风温度的控制 膨胀 阀是汽车空调制冷系统中一个重要部件 见图1 1 它安装在蒸发器的制冷剂进 口管道中 目的是将经过干燥过滤器流来的液态高压制冷剂从其小孔内喷出 急 剧膨胀 从而变成低压雾状体 以便于吸热气化 另外 它还有节流功能 通过 控制制冷剂流入蒸发器的流量 使蒸发器在各种不同负荷的情况下均能正常工作 图3 2 r p 的表冷器就是空调蒸发器 它的作用就是让制冷剂在蒸发器中与空气进行 热交换 湖北工业大学硕士学位论文 图3 2 变风量汽车空调系统送风温度控制回路框图 2 送风静压控制回路 由于变风量汽车空调系统只向单个车厢供冷 不存在末端装置相互影响的问 题 故采用定静压控制方式 图3 3 为变风量汽车空调系统送风管道静压点静压控 制回路框图 根据静压传感器的信号来测量送风管道静压点的静压变化 并将其 与静压设定值相比较 根据其差值来改变风机转速 使送风管道静压点的静压值 保持不变 力 图3 3 变风量汽车空调系统送风管道静压点静压控制回路框图 当汽车高速行驶时 车外空气与车身会产生相对位移 使得进入车厢内的新 风具有相当大的动能 表3 1 列出了车速与新风速度的关系 按照风速等级来划分 当汽车车速为4 0 k m h 时 新风为6 级风 当车速为8 0 k m h 时 此时的新风达n 8 级 风的标准 考虑到新风具有较大的动能 在设计该系统时 将新风与经过处理后 的回风混合后 利用新风的动能将混风通过在送风管道送入车厢 这样可以适当 降低风机的能耗 1 9 湖北工业大学硕士学位论文 表3 1 新风初速与车速关系表 3 新风量控制回路 图3 4 为变风量汽车空调系统新风量控制回路框图 为了补充车厢内乘员呼吸 所需的氧气 排出呼吸出的二氧化碳 需要向车厢内输送一定量的新风 按人体 卫生要求 每人所需的新风量标准为2 0 4 0m 3 h 人 新风风阀调节器还需 要根据送风温度和车外新风温度来控制新风风阀的开度 由于冬夏两季新风阀的 控制规则不同 比如 送风管内的温度高于车外温度 在夏季调节器应使新风阀 开大 而在冬季调节器应使新风阀关小 所以新风风阀控制器还具有冬夏转换的 功能 变风量汽车空调系统是一种全空气空调方式 因此它可以像任何全空气空 调系统一样 在过渡季节充分利用室外自然条件 不断改变新风 回风的混合比 以达到送风温度的要求 甚至可以以全新风运行 从而缩短压缩机的运行时间 节约能源 只有当室外温度处于冬 夏季的极端状态时 新风阀保持在其最小风 量位置上 根据前面的分析可知 调节器需在保证乘员所需新风量的同时 根据 送风温度和车外新风温度尽量减少汽车空调的新风负荷 送风温度车外温度 图3 4 变风量汽车空调系统新风量控制回路框图 4 车厢温度控制回路 车厢温度控制是通过变风量末端装置对送风量的控制来实现的 这是变风量 汽车空调系统最基本的控制环节 图3 5 是变风量汽车空调系统车厢温度控制回路 框图 湖北工业大学硕士学位论文 度 图3 5 变风量汽车空调系统车厢温度控制回路框图 变风量的末端装置是变风量系统的关键设备 通过末端装置来调节送风量 补偿变化着的室内负荷 维持室内温度 一个变风量系统运行成功与否 在很大 程度上取决于所选的末端装置的性能的好坏 末端装置的种类很多 结构各异 现在市面上所能见到的末端装置都是运用于建筑物当中的 还没有专门为变风量 汽车空调设计的末端装置 变风量汽车空调的末端装置应该具有以下特点 能够接受温度调节器的指令 根据车厢温度的高低 自动调节送风量 当车厢负荷降低时 能够控制最小风量 以满足车厢内最小新风量和气流 组织的要求 结构紧凑 质量小 重量轻 能够在有限的空间内进行安装 有足够的强度和抗震能力 具有一定消声功能 当不使用时 能够完全关闭 2 i 湖北工业大学硕士学位论文 第4 章变风量汽车空调系统车厢温度控制的数学模型 汽车车型多样 结构复杂 不同车型的结构千差万别 此外 汽车作为运动 物体 影响车厢温度的随机因素多 建立车厢的数学模型难度较大 鉴于建筑物 空调的理论研究较为成熟 因此 可以借鉴建筑物空调房间建模方法来研究汽车 车厢的建模问题 要建立车厢的数学模型首先要分析汽车空调的负荷 4 1 汽车空调的负荷 汽车空调的作用就是借助汽车空调机组在夏季排除车厢内的余热和余湿 在 冬季向车厢内补充热量 维持车厢内空气状态在人感觉舒适的范围内 夏季车厢 内的热湿空气通过汽车空调机组的蒸发器的冷表面时 将热量传递给蒸发器 同 时被冷却到露点温度以下 其中所含水分在蒸发器表面凝结析出 降温且降湿的 空气随后被送到车厢内 吸收车厢内的热量及水分 使车厢内空气温度及相对湿 度达到设定值 如果空气中的热量能完全被蒸发器吸收 则车厢内空气温度将维 持恒定 反之 则车厢内空气温度将升高 导致乘员感觉 热 或 闷 蒸发器 吸收的热量从空调机组的角度来讲 就是空调机组的制冷量或制冷能力 汽车车 厢内每时每刻空气吸收 或放出 的热量就是汽车空调负荷 在夏季 称为冷负荷 在冬季 称为热负荷 为了简化叙述及分析 考虑到冬季车厢供热系统结构简单 本文主要讨论夏季汽车空调负荷 从理论上说 若空调机组具备抵消每时刻车厢 内空调负荷的能力 就能维持车厢内空气的舒适状态 由于汽车运行过程中 其 空调负荷是动态变化的 为合理设计汽车空调变风量控制系统 首先需要对汽车 空调负荷进行分析 4 1 1 汽车空调负荷与建筑空调负荷的区别