汽车乘员舱模型，在太阳能驻车通风与遮阳系统中，如何降低能耗？
汽车乘员舱模型，在太阳能驻车通风与遮阳系统中，如何降低能耗？
近年来，随着我国汽车保有量的快速增长，地下停车位短缺的问题日益严重，导致大量车辆不得不露天停放。特别是在夏季，露天停放的车辆乘员舱内温度可高达60℃，不仅影响驾乘人员的舒适度，还会增加空调能耗，加速内饰老化，甚至引发安全隐患。为了解决这一问题，本文设计了一种太阳能驻车通风与遮阳系统，并通过建立乘员舱传热数学模型，对其降温效果和节能性进行了深入研究。
研究结果表明，在南昌市夏季典型气象条件下，相较于未采用任何乘员舱降温措施的停放车辆，采用太阳能驻车通风与遮阳系统的车辆乘员舱内热环境有明显改善，车舱内空气平均温度最高可降低 9.4 ℃；车辆启动时的制冷负荷最多可降低 27.3%。搭载该太阳能驻车通风与遮阳系统能极大地提高驾乘人员的舒适性，同时降低空调能耗。
截止2022年年底，我国机动车保有量增长至4.17亿辆，现有停车位数量的缺口已达2.1亿。车多位少的矛盾日益突出导致许多车辆被迫露天停放。夏季露天停车，汽车乘员舱内空气平均温度可达到 60℃，高温不仅会加剧人员进入乘员舱时的不舒适感，增加空调系统能耗，同时还会加速内饰甲醛挥发、电子元件加速老化、引起车内易爆品 （如打火机、易拉罐等）爆炸、致使车内遗留儿童窒息等问题。
针对夏季驻车高温问题，国内外学者展开了多方面研究。一些研究人员提出一种采用便携式压缩液体空气罐加快车舱冷却速度的方案，该方案适用于人员进入车辆时车舱的快速冷却，但制备一次性的压缩液体空气罐需要额外耗能。研究人员通过试验研究停车时使用遮阳帘对乘员舱热环境的影响；一些研究人员提出通过电致变色技术改变汽车玻璃透过率从而降低车舱内的辐射得热；这两种方案均可有效减少太阳辐射的透射作用，然而在长时间露天停车的情况下车舱内仍会有大量热量累积。
一些研究人员的实验研究表明，驻车通风能够改善闷晒车辆车舱内空气温度；另一些研究人员利用数值计算方法研究了通风对汽车乘员舱热环境的影响；通风虽然能够将乘员舱内蓄积的热量排出，但通风系统会增加汽车电池的负担。随着光伏发电技术的不断发展，一些研究人员提出在车顶放置光伏电池来维持驻车通风系统供电；另一些研究人员通过试验验证了车顶集成光伏电池驱动驻车通风系统的可行性为设计车载光伏通风系统提供了理论依据，但其降温效果并不理想。
为了探索更高效、更节能的露天停放场景下乘员舱热环境改善策略，本文设计太阳能驻车通风与遮阳系统，构建汽车乘员舱模型，并计算不同工况下的汽车乘员舱温度场，分析太阳能驻车通风与遮阳系统的降温效果和节能性。
太阳能驻车通风与遮阳系统设计
太阳能驻车通风与遮阳系统设计：太阳能驻车通风与遮阳系统利用遮阳板减少太阳辐射的透射作用，并通过光伏电池将太阳能转 化为电能，驱动乘员舱内的通风系统运行。图 1 为太阳能驻车通风与遮阳系统的结构简图。在系统设计中，光伏电池布置于汽车顶部，将太阳能转化为电能，经过稳压处理后，电能用于驱动驻车通风系统，同时盈余电量可储存至蓄电池中；遮阳板设置在车内，平行于前挡风玻璃处。系统利用原汽车空调系统风机和风口，同时车舱尾部设置排风口，并配备排风风机，通过“前吸后排”的通风方式，实现乘员舱内空气的有序流动，从而增强降温效果。
此外，传感器被用来监测太阳辐射强度和车舱内的环境温度，并将信号传输至控制单元；控制单元根据接收到的信号来调节风机和遮阳板的工作状态。驻车通风与遮阳系统控制逻辑：为了应对不同的使用环境，太阳能驻车通风与遮阳系统设计了相应的控制逻辑，图 2 展示了驻车通风与遮阳系统的控制逻辑策略。当车辆处于驻车状态时，控制单元根据传感器的信号监测环境参数，并设定阈值。当太阳辐射强度I超过阈值Ih时，遮阳板自动打开减少太阳辐射对乘员舱的影响。同时，当车内温度 T 超过阈值温 度 Th 时，系统启动通风功能。通风过程中，系统将外部温度较低的空气引入乘员舱内，同时排出温度较高的车内空气，当车内空气温度下降至阈值温度以下时，风机自动停止工作。
汽车乘员舱模型
几何模型：本文根据某家用中型轿车乘员舱内部空间的实际测量尺寸构建了汽车乘员舱的几何模型，同时忽略了部分对乘员舱内温度场影响较小的结构，如图 3 所示。几何模型长 2.6 m，宽 1.7 m，高 1.78 m；在前排中央控制台上对称分布着 4 个面积为 25 cm2的送风口；排风口面积为 40 cm2，位于车舱尾部后挡风玻璃下方平台处。
数学模型：汽车乘员舱内的流动与传热过程较为复杂，为简化分析过程本文作如下假设：车舱内空气做不可压缩流动，在升温过程中，空气密度符合 Boussinesq 假设。舱内各壁面粗糙度均匀，除玻璃外的其余各表面均为漫射灰表面；壁面温度分布均匀，材料属性按照各层材料数据取其加权平均值；考虑重力对空气的影响，计算各壁面之间的辐射换热。基于以上假设，乘员舱内空气流动和热传递控制方程如下：
模型验证：本文将所构建的汽车乘员舱传热模型应用于汽车露天停放场景下乘员舱内温度场的仿真分析， 通过对比仿真结果与试验测试数据来验证模型的准确性。试验在 8 月份某天中午进行，试验用车停放在广州某户外停车场，室外温度 34.3 ℃。试验分为暴晒升温阶段和制冷降温阶段，两个阶段连续进行。暴晒升温阶段开始时，试验车辆以空车状态在户外进行1小时太阳暴晒，期间汽车空调关闭；制冷降温阶段开始时，试验人员进入车舱副驾驶座，启动 空调制冷模式，送风温度设置 22 ℃，风量开至最 大，水平方向送风，制冷持续 0.5 小时。
图 4(a)对比了暴晒升温阶段汽车乘员舱内前排 空气温度的仿真数据与实验数据，结果显示仿真数据与实验结果吻合较好，偏差保持在6%以内；图4（a）
图 4(b)对比了制冷降温阶段乘员舱内空气温度 随时间变化的试验结果与本仿真结果，两条曲线趋势一致，偏差约为5 ℃。图4（b）
供能和能耗分析
光伏电池作为太阳能驻车通风与遮阳系统的 主要能源来源，必须满足系统中各设备的供电需求，因此，光伏电池的发电量是决定系统能否稳定运行的关键因素之一。影响光伏电池发电量的主要因素是入射太阳辐射强度，为估算光伏电池的发电量，本文通过对南昌市夏季逐时太阳辐射强度平均值进行函数拟合，得到了太阳辐射强度与时间的关系曲线，其数学表达式为：
结合实际测量经验，将太阳散射辐射与太阳直射辐射的比值简化为固定比例1: 4 。因此本文 光伏电池的实际入射辐射 Pin 和光伏电池发电功率 Pout 的计算公式为：
本文模型中光伏电池的面积为 2 m2，理想状态下光伏电池光电转换率取现有商用光伏电池参数的最高值 21.8%。当光伏电池满负荷运行时，日发电量值约 3.05 kW ∙ h；考虑到光伏电池在实际使用中正常能量损耗，取理论发电量的 75%作为实际供电量；根据汽车空调系统鼓风机运行时的实测功率96W估算太阳能驻车通风与遮阳系统日最大耗电量约为 1.8 kW ∙ h。根据公式(8)估算太阳能驻车通风与遮阳系统 的供能及能耗，见图5。结合以上分析结果，光伏电池发电量能够满足驻车通风与遮阳系统的耗电量需求。
降温效果与节能性分析
降温效果对比分析：太阳能驻车通风与遮阳系统可以减少车体对太阳辐射能的吸收，并加快乘员舱内热量的排出，改善驻车时车舱热环境。本文选取南昌(东经 115° 55′，北纬 28°36′)为研究城市，车头朝向为南方向，气象参数取自国家气象数据中心提供的南昌市 夏季典型气象日参数，如图 6 所示。为了对比分析太阳能驻车通风与遮阳系统的 降温效果，本文根据系统运行情况设置 4 种工况， 见表 1。不同工况下乘员舱模型边界条件设置如下：无措施工况作为对照组，不进行通风及遮阳的条件设置；通风工况下，当乘员舱内空气温度高于环境温度时开始送风，送风口采用速度入口边界条件，风速为 2.5 m/s，送风温度为环境温度，排风口设置为出流边界；遮阳工况下，前挡风玻璃处设置遮阳板，遮阳板透过率为0.05，吸收率为0.1；车窗、车身、仪表板及座椅参与乘员舱内的传导、对流及辐射换热过程，设置外部辐射边界条件。汽车乘员舱舱体各壁面的材料及相关物性参数如表 2 所示；闷晒车辆乘员舱内的空气温度会随着太阳辐射强度、外部环境温度等气象条件的波动而出现变化，本文通过仿真得到上述四种工况下乘员舱内的温度分布情况，并根据所得参数计算整点时乘员舱内空气的平均温度。图7为四种工况下汽车乘员舱内空气平均温度的变化曲线。
由图 7 可以看出，车辆在闷晒过程中乘员舱内的空气平均温度呈倒 U 型变化，峰值温度出现在13 h；在无措施工况下，乘员舱内空气平均温度最高可达到 54.5 ℃；对比无措施工况，采取遮阳或通风措施后乘员舱内空气平均温度有较为明显的降低。仅遮阳工况下，最高温度降低了5.6 ℃，仅通风工况下，最高温度降低了4.2 ℃；与无措施工况相比，遮阳与通风联合工况下的乘员舱内空气平均温度有较大幅度的降低，在温度最高的13 h的降温数值达到 9.4 ℃；相比于仅遮阳或仅通风工况，遮阳与通风联合工况有着更好的降温效果。
节能性分析：太阳能驻车通风与遮阳系统能够减少闷晒车辆在用车时汽车空调的制冷负荷。参照国标中乘用车空调节能效果评价方法的要求，本文以 25 ℃作为空调制冷后的期望温度，计算对应工况下的汽车空调制冷负荷,见图 8。由图 8 可以看出，在南昌市夏季典型气象条件下，未采取任何降温措施的闷晒车辆在启动时的空调制冷负荷均处于较高水平，在车舱空气温度最高的13 h，空调制冷负荷达到了1335 W。与无措施工况相比，露天停放时采取降温措施的车辆在启动时的空调制冷负荷有明显的降低，13 h的下降幅度最大。其中采取通风措施空调制冷负荷最多可降低12.9%，采取遮阳措施空调制冷负荷最多可降低14.3%，采取遮阳与通风联合降温措施空调制冷负荷最多可降低 27.3%。
结论
为了改善停车场景下汽车乘员舱的热环境，本文设计了太阳能驻车通风与遮阳系统，构建并验证了汽车乘员舱模型，并应用该模型对系统的降温效果和节能性进行了分析，得出以下结论。首先，太阳能驻车通风与遮阳系统能够有效改善车辆由于露天停放而引发的乘员舱高温问题。夏季露天停车情况下搭载了太阳能驻车通风与遮阳系统的车辆乘员舱内空气平均温度有明显降低，最高降温数值达到 9.4 ℃；其次，太阳能驻车通 风与遮阳系统具有良好的节能效果。露天停车情况下，太阳能驻车通风与遮阳系统能够减少车辆在刚启动时的空调制冷负荷，最多可降低 27.3%；最后，汽车搭载该太阳能驻车通风与遮阳系统成本不高，但能极大地提高驾乘人员的舒适性，同时降低空调能耗；另外，在发电量富余的情况下还可为新能源汽车充电。