三种新型汽车空调技术简介

                       热能四班 吴迪 201113 

摘要：对余热制冷空调技术、风力制冷空调技术及太阳能制冷空调技术这三种新型车用空调

技术的应用研究作了阐述；根据国内新型汽车空调技术的发展现状，提出了目前存在的问题并对其发展前景作了展望。

关键词：汽车空调； 余热制冷； 风力制冷； 太阳能制冷

引言

1886 年世界上第一辆汽车问世以来，汽车工业发展速度惊人，如今汽车已成为人们工作、生活不可缺少的代步工具，同时人们对车内环境的要求也不断提高，几乎所有汽车都装有空调。然而，随之而来的两大问题却不容忽视：一是日益紧缺的能源问题；二是日益严重的环境问题。目前，汽车空调的动力来自汽车发动机,空调制冷系统工作时，蒸汽压缩式制冷压缩机消耗功率大约占发动机输出功率的5%~20%[1]。随着行驶速度的增大，空调系统耗油量的比重逐渐降低，对于1.8L排量的轿车，若气温为30℃，行驶速度为32km/h 时，每1L 油中空调系统制冷的耗油量约为0.1L。此外，汽车这一特殊环境要求的车载空调比普通空调的工作条件要苛刻得多[2]。在节能减排备受关注的今天，寻找新途径降低汽车空调能耗，并保证汽车空调的舒适性、可靠性及安全性，对汽车工业的持续发展及节能减排意义重大。

1.传统汽车空调现状简介

目前国外压缩机仍以斜板式、旋叶式和漩涡式压缩机为主, 为减少离合器频繁闭合产生的噪音和获得更佳的控制效果,外部控制式变排量压缩机逐渐成为世界车用空调压缩机的主导方向, 它具有结构紧凑、重量轻和节省能源的优点。以日本电装D E N SO 的变排量压缩机为例, 它采用了树脂离合器, 体积小, 质量轻, 而其中的新型控制阀能实现扭矩的估计和控制。另外,随着世界各国的环保意识的不断加强, 电动压缩机也得到了进一步的发展, 它能满足混合燃料电池车用空调的需要。DANFOSS , DENSO , ZEXEL 等国际性公司已进人二氧化碳压缩机小批量生产阶段。

2.传统汽车空调的缺点

（1）汽车空调系统降低了发动机动力性能，增加整车负载。汽车空调系统绝大部分采用压缩式制冷循环，如图1 所示，并分为直连式和式两大类。采用直连式驱动时，压缩机动力来自汽车发动机，因此空调系统工作时必然降低发动机动力性能。由于压缩机转速随车速变化，汽车制动时会停止制冷。对于式汽车空调，增设专用发动机不仅减少汽车空间，而且增加整车负载，增大燃油消耗。

（2）汽车空调系统制冷剂污染环境。目前，汽车空调系统制冷剂主要采用R134a。1996 年以前的汽车空调制冷剂多用R12，该制冷剂对臭氧层破坏严重，我国已于2010 年全面完成了CFC 类工质的替代。R134a作为R12 的替代产物，虽然不破坏臭氧层但其全球变暖潜值为1300。到2017 年，欧盟将禁止新生产的汽车空调使用GWP 值大于150 的制冷剂。因此，研究开发利用汽车余热和可再生能源驱动的汽车空调系统，是汽车空调技术发展与进步的必然

要求。

3.余热制冷汽车空调技术

目前，汽车发动机做功的效率最高可达49%，相比以前做功效率提高很多，但仍有51%甚至更多的能量以废热的形式排放到环境中[3]。一般汽车发动机排放的废热，约25%的能量被冷却水带走[4]，约35%的能量被汽车尾气带走[5]。回收利用余热以驱动汽车空调系统，可同时满足节能和环保的要求。目前国内一些科研机构及各大汽车公司都在积极研究这一技术。

3.1 余热制冷机理

目前吸收式制冷技术是汽车空调余热回收技术中比较成熟的一项技术。其中，吸收式制冷是利用液体在汽化时吸收汽化潜热这一物理特性来制冷的[6]，即利用溶液的浓度随其温度和压力变化而变化这一物理性质，通过制冷剂的蒸发而制冷，又通过溶液实现对制冷剂的吸收，如图2 所示。

金属氢化物制冷的原理是根据金属或合金在不同温度、压力下和氢进行可逆化学反应，利用金属氢化物脱氢吸热的特点，通过交替加热与冷却实现加热或制冷的目的，见下式[7]：

M + x/2H2   ↔  MHx + ΔH （1）

式中M —金属或合金，mol；

MHx—金属或合金对应的氢化物，mol；

x —氢负离子得电子数，在数值上等于金属或合金被氢化的价数；

ΔH —氢化物的焓变，即反应热，J/mol；

P1—吸氢时体系所需的压力，Pa；

T1—吸氢时体系所需的温度，K；

P2—放氢时体系所需的压力，Pa；

T2—放氢时体系所需的温度，K。

在实际中，通常是采用两种吸、放氢能力强，但平衡氢压不同的工质对，利用在放氢过程中的吸收反应热达到制冷目的。

3.2 余热制冷空调技术的应用研究

目前，我国利用余热制热的汽车空调已广泛用于军事、工程等车辆，但利用余热制冷还处于研究阶段。

汽车的余热来自两个方面：1）尾气中的余热（温度最高可以达到600～700℃，怠速时400℃）；2）发动机冷却水中的余热（正常运行时温度为75～95℃）。

以色列发明了一种新型汽车空调系统，其动力源来自汽车发动机排除的废气热量。它由两个容器组成，第一个容器内塞满粉状高温氢化物，第二个容器的导管盛满粒状高温氢化物，两容器的内导管与外导管相连。汽车排出的废气进入第一个容器，使其升温，当达到204度时，导管内的粉状氢化物就会放出氢气并通过外管道进入第二个容器的内导管。粒状低温氢化物吸收氢气后温度上升，这时外面的空气进入第二个容器而降低其温度。另外，车内的热空气也被送入第2个容器，致使粒状低温氢化物升温而放出氢气，释放氢气时的吸热过程降低了车内空气的温度，即起到了制冷作用。这样不停的释放氢气，冷却空气，把冷却后的空气又送回车厢，达到车内降温的目的。

见下图

倪久建[7]等人设计了由汽车尾气驱动的金属氢化物制冷循环系统，并提出了双合金制冷法，其循环过程如图3 所示[8，9]，有效解决了金属氢化物制冷循环不能连续制冷的问题。然而研究仅停留于理论层面，未对金属氢化物制冷循环进行负荷计算，因此该制冷法在汽车中的制冷效率如何还需进一步论证。

刘振全[10]等人将汽车尾气余热通过一个溶液热交换器引入单效溴化锂吸收式制冷系统的发生器中，可同时实现夏季制冷与冬季除霜，计算得出改进后系统体积比传统汽车空调系统更小。刘合心[11]采用了高效套管式发生器，和现有的利用余热的吸收式汽车空调系统相比该发生器更适合汽车工况。但它们都有一个的发生器使空调系统结构相对复杂，且当汽车排气量较小时可利用的余热有限。

为了简化空调系统，上海交通大学制冷与低温研究所和中科院金属研究所就这一问题进行研究和探索。肖尤明[12]等人考虑另一热源—利用冷却水中的余热驱动汽车空调制冷，即将溴化锂溶液直接充注到汽车发动机冷却空腔内，用发动机的散热加热溴化锂溶液驱动汽车空调制冷系统运行，并通过计算对比，表明此系统在夏季可节油15%～20%。此系统省去的发生器，同时简化了制冷、供热及发动机冷却水系统。

以上文献分别从尾气余热及冷却水余热两方面收集余热制冷，没有全面的利用余热资源。周东一[13]等人通过增加一个溶液交换器，同时利用汽车发动机冷却水余热和排气余热作为热源驱动溴化锂吸收式制冷机。这一改进，保证了溴化锂制冷系统在发动机低速运行时仍可正常工作，且汽车空调系统结构简单、紧凑。文中以制冷量为6.7×104kJ 的汽车为例，计算得出可利用的余热为150.58kW，完全满足溴化锂制冷系统所需的热负荷。

4 风力制冷空调技术

风能的利用形式多样，主要包括以下几种：机械能、电能、热能等。理想风力机的转化效率为60%，然而实际的风力机效率要远低于理想数值。目前以风能作为动力的制冷系统已出现在冰箱、冷库及船舶上，而风力驱动式汽车空调的实例还未见报道，相对余热制冷汽车空调而言这方面的研究较少。

4.1 风力制冷机理

风力空调制冷的基本原理如图4 所示，风能通过风轮转化为机械能，机械能驱动发电机发电，由电能驱动制冷系统工作。这一过程在实际运用中较成熟，但能量形式转化的环节过多，风能利用效率低，增加了成本且体积较大，不适用于汽车工况。近年来，汽车风力制冷技术的发展倾向于根据制冷循环所需的能量形式，将风机产生的机械能直接转化为机械能或热能制冷。

4.2 风力制冷空调技术的应用研究

风力汽车空调一般在车顶或车前部迎风处设置进风口，汽车行驶时产生的气流通过进风口推动叶轮带动发电机旋转发电，并给蓄电池组充电，再通过逆变器将直流电逆变为交流电供汽车空调系统压缩机工作[14]。加入蓄电池后，空调系统的工作将不再受汽车启停的。吴亚娟[15]在以上基础上进行改进，选用直流变频压缩机，压缩机运行更高效、更平稳且省去逆变器后节省了转换过程中的能量损失。

此外，孙斌[16]设计的风力汽车空调采用以下技术：进风带动风力机旋转，风力机再通过变速机构直接带动压缩机运动实现制冷循环。改进的制冷方式省却了机械能转化为电能，再将电能转化为机械能的环节，降低了转换过程中能量的损失。但由于能量不能储存，汽车高速行驶时可利用自然风为压缩机提供动力，但在低速行驶时仍需要汽车发动机为空调压缩机提供动力。

由于汽车现有的空调系统普遍采用蒸汽压缩式制冷循环，因此相对于热能驱动的吸收式制冷循环而言，上述技术仅需对汽车原空调系统加以改造，成本低且可行性较高，可广泛运用于现有车辆的空调节能改造。由于风力制冷空调工作效率完全依赖于使用时的风况，风量的大小与车速密切相关，因此以上风力汽车空调在车速较低时，将出现制冷功率不足的问题且停车时不能工作。

5 太阳能制冷空调技术

太阳能是指太阳光的辐射能量，每年到达地球表面的太阳辐射能相当于全世界一次能源消费总量的1.56×104 倍。太阳能的利用主要有4 个方面：1）光热转换；2）光电转换；3）光化学转换；4）光生物转换。其中太阳能制冷主要通过光热转换和光电转换这两个途径实现。

5.1 太阳能制冷机理

太阳能汽车空调主要分为以下3 种：1）利用特种半导体材料形成热电偶对，产生帕尔帖（peltire）效应，利用太阳能光伏电池板产生的直流电制冷，如图5 中的a；2）通过光电转换产生电能，由电能驱动压缩机做功，如图5 中的a；3）利用太阳能集热装置，通过光热

转换提供热能驱动吸收式制冷机工作，如图5 中的b。

4.2 太阳能制冷空调技术的应用研究

半导冷太阳能空调主要由硅型太阳能电池、半导冷芯片、测量控制电路和散热器4 大部分组成[17]，依靠光电转换效应工作。在目前的技术条件下，传统汽车机械压缩式制冷的效率要比热电制冷效率高，且价格便宜，但是在冷量比较小的场所，半导冷有明显优势。由于半导冷芯片无任何机械传动部件，因而工作起来无噪声、寿命长且不会构成任何环境污染。大量的理论分析、实验研究、软件模拟及冷负荷简化计算表明，半导冷芯可以保证汽车局部热环境的舒适性要求[18~20]。林克卫[21]发明了一种太阳能汽车空调辅助装置，运用上述制冷芯片，在停车时可维持车内的温度不致过高。该装置通过置于车顶的太阳能芯片为蓄电池充电，由蓄电池与引擎发电机提供电能驱动半导体致冷芯片工作。该发明配合汽车已有装置（蓄电池、发电机等），改造简单且能减轻汽车原有空调系统的负担。

周鹏[22]提出的一种太阳能汽车空调：太阳能电池板为蓄电池充电，电能通过逆变器、温控开关、电动马达，最终驱动汽车原有压缩机工作。然而太阳能光电转换的效率低且成本较高，所以研究较多但实际应用较少，该技术运用于汽车空调还有待进一步研究。

钟吉湘[3]将太阳能与余热回收技术相结合，驱动吸收式汽车空调工作，如图6 所示，并从原理、构造和自动控制三个方面阐述该新型汽车空调系统。其实验表明，单用余热可使发生器的温度达到92~97℃，加上太阳能集热器后温度可达120~180℃，可很好解决小功率汽车发动机余热不足的问题。此外，由于光能的稳定性不高且地域性影响明显，也有相关研究者[23]同时使用光能和风能制冷，从而提高空调工作的稳定性，在汽车空调这一领域中值得借鉴。

6 结语

（1）余热制冷汽车空调是现阶段最有发展前景的新型制冷方式。众多的理论计算和实验模拟表明，回收汽车余热驱动汽车空调制冷是可行的，且吸收式制冷可简化汽车原有的制冷、供热及发动机冷却水系统。此外，由于没有运动部件，余热吸收式制冷系统更适合汽车工况，从提高能源利用效率、实现节能减排来论，是传统车用空调最有前景的替代技术。

（2）风力制冷汽车空调技术尚处于理论研究阶段，风力的大小与产冷量之间的确切关系有待进一步的实验研究。该技术虽能很好地配合于现有的汽车空调制冷系统，但对车速有要求，且停车后无法工作，预测该制冷方式，今后将作为汽车空调的辅助制冷方式得以开发应用。

（3）太阳能汽车空调的主要优势是辐射强度与制冷量成正比。但由于光电转换材料的效率低，且价格高，目前实用性较差；光热转换的效率虽然较高，但也受太阳辐射波动的。因此，太阳能空调将作为一种辅助的制冷手段，与其它制冷技术复合后工作才可达到节能目的。但随着材料光热转换效率的不断提高以及蓄能设备的进一步发展，太阳能汽车空调技术将展现出广阔的应用前景。

（4）新能源汽车是我国“十二五计划”的一个重要课题，大力发展新型汽车空调是十分必要的。我国八十年代以来陆续开展新型汽车空调技术的研究，虽然有一定的成果但研究还不深入。例如，回收冷却水余热后产生发动机外围的温度变化对发动机的性能有无影响、风轮旋转带来的阻力对发动机耗功率的影响、新型汽车空调经济性分析等。考虑到目前新型空调技术的效率普遍不高，为了保证空调系统完全不依靠燃油动力且能高效、稳定运行，今后汽车空调可向多种能源复合制冷的方向发展。

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