《Vehicles》：Air-Curtain Microclimate Control for Energy-Efficient HVAC Operation in Electric Vehicles
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本文研究了局部空气幕微气候控制在降低电动汽车（EV）HVAC能耗的同时保持乘员热舒适的潜力。研究比较了在32 °C受控环境条件下，传统全车厢冷却与驾驶员聚焦和乘客聚焦空气幕配置。实验框架结合了分析性气流和传热建模与使用功耗、达到热舒适的时间和预测平均投票（PM
本文研究了局部空气幕微气候控制在降低电动汽车（EV）HVAC能耗的同时保持乘员热舒适的潜力。研究比较了在32 °C受控环境条件下，传统全车厢冷却与驾驶员聚焦和乘客聚焦空气幕配置。实验框架结合了分析性气流和传热建模与使用功耗、达到热舒适的时间和预测平均投票（PMV）分析的比较性HVAC性能评估。结果表明，空气幕配置将传统冷却的3.2 kW HVAC功耗降低至驾驶员聚焦配置的2.3 kW和乘客聚焦配置的2.5 kW，相当于节能约22–28%。此外，局部气流显著加速了热舒适的达成，将稳定时间从8分钟缩短至4–5分钟，同时将PMV值维持在可接受的舒适范围内。研究结果表明，以乘员为中心的空气幕微气候策略可以提高HVAC能效，降低辅助能源需求，并支持下一代电动汽车的更可持续和更高效续航运行。
随着电动汽车（EV）的快速普及，非推进能耗（如HVAC系统）对续航里程的影响日益突出。传统HVAC策略倾向于均匀调节整个车厢，导致能源浪费，尤其在单乘员或短途行驶场景下。研究人员探索局部化、以乘员为中心的热管理方案，其中空气幕（air-curtain）系统通过定向气流形成局部热屏障，有望在保持热舒适的同时降低能耗。然而，针对空气幕微气候（microclimate）控制与传统全车厢冷却的定量实验比较仍有限。本研究旨在填补这一空白，通过整合分析建模与实验评估，量化空气幕策略在电动汽车中的节能与舒适性潜力。
研究人员在32 °C受控环境下，使用大众e-up (2022)电动乘用车、热假人（anthropomorphic thermal manikin）和热成像仪，比较了三种HVAC配置：传统全车厢冷却、驾驶员聚焦空气幕和乘客聚焦空气幕。实验框架结合了基于连续性方程、Navier–Stokes方程和能量守恒方程的理论模型（未进行数值求解），以及HVAC功耗、达到热舒适时间和预测平均投票（PMV）的评估。实验在罗马尼亚“Gheorghe Asachi”技术大学机械工程学院进行。主要发现：空气幕配置将HVAC功耗从3.2 kW降至2.3–2.5 kW（节能22–28%），将稳定时间从8分钟缩短至4–5分钟（缩短40–50%），同时PMV值维持在–0.2至0.0的舒适范围内。研究表明，以乘员为中心的气流限制可提高HVAC能效，减少辅助能源需求，支持更可持续的电动汽车运行。该论文发表在《Vehicles》期刊。
主要关键技术方法包括：
- **实验设计**：在32 °C受控环境下，使用生产型电动乘用车（Volkswagen e-up 2022）和热假人，通过定制穿孔管状空气分布装置实现空气幕，评估传统全车厢冷却、驾驶员聚焦和乘客聚焦三种HVAC配置。
- **评估指标**：平均HVAC功耗（kW）、达到热舒适时间（PMV稳定在±0.5内至少2分钟）、预测平均投票（PMV，依据ISO 7730）。
- **理论框架**：基于连续性方程、Navier–Stokes方程和能量守恒方程描述气流与传热，但未进行数值求解，仅作为物理基础支持实验比较。
**3.1 空气幕微气候与气流行为**
通过理论建模和热成像可视化，研究人员揭示了空气幕如何通过定向射流形成局部冷却包络（localized cooling envelope）。该结构通过增强对流换热（convective heat transfer）加速乘员区域热移除，同时减少有效调节体积。
**3.2 HVAC功耗与能效**
实验测量显示，传统全车厢冷却平均功耗为3.2 kW，驾驶员聚焦空气幕为2.3 kW，乘客聚焦空气幕为2.5 kW。相比基线，节能分别为约28%和22%。这归因于空气幕限制了需要主动调节的空气体积，降低冷却负荷。
**3.3 达到热舒适时间**
传统冷却需约8分钟达到热舒适，而驾驶员聚焦和乘客聚焦空气幕分别缩短至约4分钟和5分钟，减少40–50%。快速响应源于局部气流加速了乘员区域的热交换，无需均匀冷却整个车厢。
**3.4 PMV与HVAC功耗关系**
PMV–功耗分析表明，传统冷却PMV约为–0.1（功耗3.2 kW），驾驶员聚焦空气幕PMV约为–0.2（功耗2.3 kW），乘客聚焦空气幕PMV约为0.0（功耗2.5 kW）。所有配置的PMV均处于–0.5至+0.5舒适区间，证实空气幕在降低能耗的同时维持了热舒适。
**讨论与结论**
讨论部分强调，传统全车厢调节能耗高，而空气幕通过物理限制调节体积提供了简单有效的替代方案。与以往侧重于组件效率或预测控制的策略相比，本研究在舱室–乘员交互层面实现节能，且未牺牲舒适性。观察到22–28%的功耗降低与先前个性化通风研究一致，加速热舒适响应（40–50%缩短）则凸显了瞬态优势。PMV分析确认舒适性保持，这点对于用户接受度至关重要。研究还指出，空气幕策略主要依赖于气流再分配而非硬件修改，具有可行性优势。局限性包括：未评估气流噪音（NVH）、简化乘员配置（单乘员）、未进行详细统计分析。未来需验证多乘员、真实驾驶条件下的性能，并结合大涡模拟（LES）分析瞬态气流结构。
结论部分翻译：已证明，基于空气幕（air-curtain）的微气候HVAC策略是电动汽车传统全车厢冷却的有效节能替代方案。在受控高温条件下，与常规车厢调节相比，局部空气幕冷却的HVAC功耗降低约22–28%。除了降低能耗，空气幕方法还显著缩短了达到热舒适的时间，从8分钟减少到约4–5分钟。基于PMV的分析确认，尽管HVAC功率输入降低，热舒适仍保持在可接受范围内。总体而言，通过以乘员为中心的气流限制，提高了HVAC效率，而不损害感知热舒适。
