我国汽车空调技术的应用及发展现状

风能
直接转化
机械能
电能
机械能 热能 储存
制冷
图 4 风能制冷机理
3.2 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 限制。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
（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。
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℃）。
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。
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。
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 同 [23] 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。
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。
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专题研讨
制冷空调 Refrigeration Air Conditioning
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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。
3 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。
3.1 风力制冷机理
截止阀 B
A
电动三通阀 （接除霜器） 溶液热交换器
溶液泵
吸收器
冷凝器 节流阀
蒸发器
图 2 汽车空调吸收式制冷原理
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 2
H2
MHx + ΔH
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我国汽车空调技术的应用及发展现状
彭 昕， 冀兆良
（广州大学 土木工程学院，广东 广州 510006）
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。
4 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。
4.1 太阳能制冷机理
太阳能
a. 光电转换
电能
b. 光热转换
热能
图 5 太阳能制冷机理
制冷芯片 压缩式制冷 吸收式制冷
4.2 太阳能制冷空调技术的应用研究
半导体制冷太阳能空调主要由硅型太阳能电池、 半导体制冷芯片、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，
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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%。此系统省去独立的
Ma Hx
Mb Hy
TH
TM
TL
Ma Hx
Mb Hy
图 3 金属氢化物连续制冷循环原理 TH - 高温热源 TM - 中温热源 TL - 低温热源 Ma Hx - 高温端金属氢化物 Mb Hy - 低温端金属氢化物
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。
2.2 余热制冷空调技术的应用研究
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。
关键词：汽车空调； 余热制冷； 风力制冷； 太阳能制冷
中图分类号：TU83，U46
文献标识码：B
文章编号：1006- 8449（2011）03- 0001- 05
0 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。
2.1 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。
接尾气用热交换器 发生器
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 独立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。
1 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，并分为直连式和独立式两大类。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。对于独立式汽车空 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。
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与电力机械 & Electric Power Machinery
专题研讨
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。
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。
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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，半导体制 冷有明显优势。由于半导体制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，半导体制冷芯可以保证汽车局部热 环境的舒适性要求[18~20]。
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。
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。
低压侧 高压侧
吸收车内空气热量
气体
蒸发器
液体
压缩机
膨胀阀
气体
液体 冷凝器及离合器
热量扩散到大气
图 1 汽车空调系统制冷机理
驾驶室 发动机舱
2 余热制冷汽车空调技术
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（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