摘要：本文通過實驗研究了電動汽車三換熱器熱泵空調(diào)系統(tǒng)在冬季運行時的采暖性能，研究分析了壓縮機在不同轉(zhuǎn)速(2 000～5 000 r/min)下，室內(nèi)外環(huán)境溫度和相對濕度對系統(tǒng)內(nèi)壓縮機排氣特性、汽車HVAC總成出風溫度和COP等系統(tǒng)性能參數(shù)的影響。結(jié)果表明：較高的壓縮機轉(zhuǎn)速使出風溫度和制熱量明顯上升，但系統(tǒng)COP有所降低；當保持壓縮機轉(zhuǎn)速不變時，環(huán)境溫度每升高5 ℃時，制熱量升高9%～22%，出風溫度上升6～9 ℃，COP上升7%～11%；室外相對濕度由40%增至80%時，制熱量增加了15%～20%，出風溫度上升2～3 ℃，COP上升6%～9%。

電動汽車與燃油汽車的空調(diào)系統(tǒng)的驅(qū)動動力不同，電動汽車在冬季采暖方面沒有發(fā)動機余熱可以利用，主要采用PTC(positive temperature coefficient,正溫度系數(shù))電加熱器為低溫空氣供熱。雖然PTC結(jié)構(gòu)簡單且制熱效果好，但耗電量較大，會影響電動汽車的續(xù)航里程，因此近年來熱泵系統(tǒng)在電動汽車上的應(yīng)用也得到越來越多的關(guān)注。

電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)可以采用類似于家用空調(diào)的兩換熱器四通換向閥結(jié)構(gòu)，也可采用三換熱器形式。王穎等針對現(xiàn)有汽車空調(diào)三換熱器熱泵系統(tǒng)，與四通閥熱泵系統(tǒng)進行對比分析，結(jié)果表明，兩種系統(tǒng)在相同工況下的制冷和制熱能力相近，但四通閥系統(tǒng)的COP高出10%～15%，而三換熱器系統(tǒng)在除濕、除霜以及穩(wěn)定性方面更具優(yōu)勢。Liu Cichong等針對采用丙烷制冷劑的電動汽車熱泵系統(tǒng)，研究室外環(huán)境溫度、室內(nèi)回風率、室內(nèi)風量對系統(tǒng)供熱性能的影響，結(jié)果表明，室外環(huán)境溫度對系統(tǒng)供熱能力有較大影響，對系統(tǒng)COP的影響較小，而室內(nèi)溫度對系統(tǒng)COP影響較大，降低室內(nèi)風量會導(dǎo)致室內(nèi)空氣質(zhì)量下降。Qin Fei等研究了低溫環(huán)境下應(yīng)用三換熱器的電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制熱性能，在-10、-15、-20 ℃的工況下進行實驗，結(jié)果表明：即使在-20 ℃工況，系統(tǒng)最大制熱量的COP仍超過1.7，并可通過提高回風比來進一步提高制熱能力。此外，軒小波等也對三換熱器的熱泵系統(tǒng)進行了研究。

綜上所述，目前三換熱器是汽車熱泵空調(diào)的主要形式，而針對該種熱泵系統(tǒng)的研究主要集中在室內(nèi)外環(huán)境溫度和風量對系統(tǒng)制熱性能的影響。但對于汽車空調(diào)而言，室外側(cè)濕度對于其性能的影響也很重要。因此，本文針對電動汽車R134a熱泵空調(diào)系統(tǒng)，通過實驗方法模擬其在冬季不同環(huán)境溫度和相對濕度下的運行特性。通過搭建實驗臺架，在不同的壓縮機轉(zhuǎn)速下，分析環(huán)境溫度和相對濕度對乘員艙HVAC總成出風溫度、壓縮機排氣特性等運行參數(shù)的影響，為電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

1  實驗裝置和方法

1.1  實驗裝置

電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理如圖1所示。該系統(tǒng)由壓縮機、室外換熱器HEX1、室內(nèi)冷凝器HEX2、室內(nèi)蒸發(fā)器HEX3以及膨脹閥等組成，通過控制4個閥件的通斷來切換制冷和制熱模式。當系統(tǒng)運行制冷模式時，電磁閥1和帶截止功能的熱力膨脹閥TXV開啟，電磁閥2和電子膨脹閥EXV關(guān)閉，此時室外換熱器作冷凝器，制冷劑吸收乘員艙內(nèi)的熱量并通過室外換熱器向環(huán)境中散熱；當系統(tǒng)運行制熱模式時，電磁閥2和電子膨脹閥EXV開啟，電磁閥1和熱力膨脹閥TXV關(guān)閉，此時室外換熱器作蒸發(fā)器，制冷劑吸收環(huán)境中的熱量并通過室內(nèi)冷凝器向乘員艙散熱。


圖1 熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理
Fig.1 Principle of heat pump air conditioning system

本實驗中使用的壓縮機為電動渦旋式壓縮機，并采用功率計測量壓縮機功耗。室外換熱器選用單排四流程微通道換熱器，室內(nèi)冷凝器和室內(nèi)蒸發(fā)器均選用雙排四流程微通道換熱器，主要零部件規(guī)格參數(shù)如表1所示。

表1 零部件參數(shù)
Tab.1 Component specifications


1.2  實驗方法與測試工況

本實驗中制冷劑采用R134a，通過制熱模式下的充注量實驗確定其最佳充注量為650 g，電子膨脹閥開度為100%，以確保熱泵始終保持最佳的制熱性能。本實驗為模擬冬季運行工況，以室內(nèi)外送風溫度、室外送風相對濕度和壓縮機轉(zhuǎn)速為變量。汽車HVAC總成為全新風模式，即室內(nèi)外環(huán)境溫度相同，以保證乘員艙內(nèi)的空氣潔凈度。制熱量及COP計算式如式(1)和式(2)所示，其中制熱量取室內(nèi)冷凝器制冷劑側(cè)換熱量。實驗工況參數(shù)如表2所示。


(1)


(2)

式中：Q為制熱量，kW；m為制冷劑質(zhì)量流量，kg/h；hcond,in、hcond,out分別為冷凝器側(cè)進、出口焓值，kJ/kg；Wcomp為壓縮機功耗，kW。

表2 實驗工況
Tab.2 Experimental conditions


1.3  數(shù)據(jù)采集與處理

圖2所示為實驗系統(tǒng)臺架實物圖，管路均采用鋁管連接，并用保溫材料對鋁管進行包裹。圖3所示為實驗裝置及測試系統(tǒng)，整套系統(tǒng)搭建在一個多功能人工環(huán)境實驗室中。該實驗室由兩套可分別控制的完全獨立的測試室組成，能夠控制環(huán)境室的溫度和濕度，并且有可控制風量的送風管路。臺架在壓縮機、室內(nèi)冷凝器、蒸發(fā)器和室外換熱器的進出口分別布置壓力傳感器和溫度傳感器，同時在汽車HVAC總成處于全熱、吹腳模式下的進、出風口分別布置溫度熱電偶，通過安捷倫數(shù)據(jù)采集儀采集數(shù)據(jù)，主要參數(shù)測量精度如表3所示。


圖2 實驗系統(tǒng)臺架外觀
Fig.2 Physical drawing of experimental system


圖3 實驗裝置及測試系統(tǒng)
Fig.3 The experimental device and test facility

表3 實驗臺主要參數(shù)測量精度
Tab.3 Measured parameters and the precision


2  實驗結(jié)果與分析

2.1  不同工況下HVAC總成出風溫度的變化

在電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)采暖性能實驗中，認為HVAC總成的出風溫度是最能反映系統(tǒng)采暖能力的參數(shù)。圖4所示為HVAC總成出風溫度在不同環(huán)境工況下隨壓縮機轉(zhuǎn)速的變化。由圖4可知，在所有工況下，壓縮機轉(zhuǎn)速每增加1 000 r/min，由于壓縮機的壓比隨轉(zhuǎn)速的增加而不斷變大，導(dǎo)致系統(tǒng)冷凝溫度升高，所以HVAC總成的出風溫度升高5～8 ℃；當壓縮機轉(zhuǎn)速和室內(nèi)外溫度不變，相對濕度從40%增至80%時，由于室外換熱器在高濕工況下運行，室外蒸發(fā)器表面會產(chǎn)生凝結(jié)水，但因重力與風速的作用，凝結(jié)水會被迅速排出，反而增強了氣流擾動，起到強化傳熱的效果，而換熱量的增加會導(dǎo)致系統(tǒng)冷凝溫度升高，所以出風溫度升高2～3 ℃；當壓縮機轉(zhuǎn)速和室外相對濕度不變時，室內(nèi)外環(huán)境溫度每增加5 ℃，系統(tǒng)內(nèi)蒸發(fā)溫度和冷凝溫度均逐漸升高，所以出風溫度也升高6～9 ℃。


圖4 不同工況下HVAC總成出風溫度的變化
Fig.4 Variations of outlet temperature of HVAC module under different conditions

當汽車行駛在0 ℃低溫工況下時，通過調(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速，可使出風溫度在6～21 ℃范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，當在雨天等高濕度(80%)工況下行駛時，出風溫度可在8～24 ℃范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，并且可以通過調(diào)節(jié)空調(diào)箱循環(huán)風門來控制回風比進行能量調(diào)節(jié)；當室內(nèi)外環(huán)境溫度為10 ℃、室外相對濕度為80%、壓縮機轉(zhuǎn)速為5 000 r/min時，出風溫度達到峰值39 ℃。綜上所述，環(huán)境溫度和室外相對濕度的增加均會導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)冷凝溫度升高，進而導(dǎo)致HVAC總成出風溫度升高。

2.2  不同工況下系統(tǒng)內(nèi)制熱量及COP的變化

圖5和圖6所示分別為系統(tǒng)制熱量和COP在不同環(huán)境工況下隨壓縮機轉(zhuǎn)速的變化。


圖5 不同工況下制熱量的變化
Fig.5 Variations of heating capacity under different conditions


圖6 不同工況下COP的變化
Fig.6 Variations of COP under different conditions

在所有工況下，隨著壓縮機轉(zhuǎn)速的不斷增加，制冷劑的質(zhì)量流量不斷增加，導(dǎo)致系統(tǒng)在冷凝器內(nèi)的制熱量不斷增加，但COP卻不斷減小，這是因為壓縮機的排量也隨轉(zhuǎn)速不斷增加，導(dǎo)致壓縮機功耗增加；當壓縮機轉(zhuǎn)速和室內(nèi)外溫度不變，相對濕度從40%增至80%時，制熱量增加了15%～20%，COP也增加6%～9%，這是由于濕空氣中的焓值大于干空氣，且相對濕度的增加對壓縮機運行時的功耗幾乎沒有影響，所以制熱量與COP變化趨勢近似相同；當壓縮機轉(zhuǎn)速和室外相對濕度不變時，環(huán)境溫度每增加5 ℃，制冷劑冷凝時的傳熱溫差也逐漸增加，導(dǎo)致制熱量增加9%～22%，COP增加7%～11%。

當汽車行駛在0 ℃低溫工況下時，通過調(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)制熱量范圍可達到1.1～3.8 kW，COP范圍為1.87～2.96；當在雨天等高濕度(80%)工況下行駛時，制熱量和COP略有提升，范圍分別為1.4～4.5 kW，2.14～3.06；當環(huán)境溫度為10 ℃、相對濕度為80%、壓縮機轉(zhuǎn)速為5 000 r/min時，制熱量和COP達到峰值，分別為5 kW和3.7。

2.3  熱力學循環(huán)分析

為了研究該熱泵系統(tǒng)運行時的熱力學特性，可以使用表示熱力學循環(huán)的壓焓圖。所有循環(huán)均發(fā)生在過熱蒸氣區(qū)、氣液兩相區(qū)和過冷液相區(qū)。在過熱區(qū)，制冷劑經(jīng)壓縮機壓縮后，具有較高的排氣壓力，繼而在系統(tǒng)中導(dǎo)致較高的冷凝壓力。結(jié)合壓焓圖可知，壓縮機轉(zhuǎn)速越高其功耗越大，因為壓縮機吸排氣兩端的制冷劑焓差越大。在氣液兩相區(qū)，制冷劑進行室內(nèi)冷凝放熱過程和室外蒸發(fā)吸熱過程，兩端的制冷劑焓差代表系統(tǒng)的冷凝和蒸發(fā)量，系統(tǒng)中較低的蒸發(fā)壓力也使壓縮機具有較低的吸氣壓力。

圖7所示為系統(tǒng)在4種不同工況下運行時的壓焓圖。由圖7可知，當壓縮機轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時，室外相對濕度不變，隨著環(huán)境溫度的升高，壓縮機吸氣壓力和排氣壓力均逐漸增加；當室內(nèi)外環(huán)境溫度不變，隨著室外相對濕度的增加，壓縮機吸氣壓力降低，排氣壓力升高。


圖7 不同工況下熱泵運行p-h圖
Fig.7 The system p-h diagram of heat pump operation under different operating conditions

2.4  不同工況下壓縮機排氣溫度的變化

圖8所示為壓縮機的排氣溫度在不同環(huán)境工況下隨壓縮機轉(zhuǎn)速的變化。由圖8可知，在所有工況下，排氣溫度均隨壓縮機轉(zhuǎn)速的增加而升高，這是因為壓縮機的排量隨轉(zhuǎn)速的增加而逐漸增大，且在高轉(zhuǎn)速運行時，壓縮效率較高，壓比較大，導(dǎo)致排氣溫度較高。此外，轉(zhuǎn)速每增加1 000 r/min，排氣溫度增加約20 ℃。當環(huán)境溫度為10 ℃、壓縮機轉(zhuǎn)速為5 000 r/min時，排氣溫度達到峰值103.81 ℃，接近壓縮機的高溫保護，因此，本實驗選定5 000 r/min作為壓縮機的轉(zhuǎn)速上限。

當壓縮機轉(zhuǎn)速和室內(nèi)外溫度不變時，隨著室外相對濕度由40%增至80%，在0 ℃工況下壓縮機排氣溫度逐漸降低。雖然濕度的增加會導(dǎo)致系統(tǒng)冷凝溫度增加，但其吸氣溫度不斷降低，且壓縮機壓比變化較小，所以排氣溫度也降低了8～14 ℃；在5 ℃和10 ℃工況下，低轉(zhuǎn)速時與0 ℃工況變化趨勢相同，而在高轉(zhuǎn)速時排氣溫度略有波動，這可能是壓縮機運行不穩(wěn)定或數(shù)據(jù)采集誤差造成的；當壓縮機轉(zhuǎn)速和室外相對濕度不變時，室內(nèi)外環(huán)境溫度每增加5 ℃時，由于車內(nèi)熱負荷需求隨環(huán)境溫度的升高而逐漸降低，導(dǎo)致系統(tǒng)冷凝溫度增加，所以壓縮機排氣溫度也增加8～10 ℃。

2.5  不同工況下壓縮機排氣壓力的變化

圖9所示為壓縮機的排氣壓力在不同環(huán)境工況下隨壓縮機轉(zhuǎn)速的變化。由圖9可知，當環(huán)境溫度為10 ℃、相對濕度為80%、壓縮機轉(zhuǎn)速為5 000 r/min時，排氣壓力達到峰值1.23 MPa。當環(huán)境溫度和相對濕度不變，壓縮機轉(zhuǎn)速增加時，結(jié)合渦旋壓縮機自身特點，其效率和壓比逐漸增加，所以其排氣壓力逐漸增加12%～42%；當壓縮機轉(zhuǎn)速和室內(nèi)外溫度不變，室外相對濕度由40%升至80%時，排氣壓力增加9%～12%；當壓縮機轉(zhuǎn)速和室外相對濕度不變，室內(nèi)外溫度每增加5 ℃時，系統(tǒng)內(nèi)冷凝壓力逐漸增加，故排氣壓力也增加16%～20%。綜上可知，壓縮機轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度是導(dǎo)致壓縮機排氣壓力升高的重要因素，而相對濕度對排氣壓力的影響相對較小。


圖8 不同工況下壓縮機排氣溫度的變化
Fig.8 Variation of discharge temperature of compressor under different conditions


圖9 不同工況下壓縮機排氣壓力的變化
Fig.9 Variations of discharge pressure of compressor under different conditions

3  結(jié)論

本文通過搭建以R134a為制冷劑的電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)實驗臺，研究不同環(huán)境工況對系統(tǒng)性能的影響。在壓縮機轉(zhuǎn)速不變時，通過分析系統(tǒng)內(nèi)性能參數(shù)受室內(nèi)外環(huán)境溫度、室外相對濕度影響的變化趨勢，得到如下結(jié)論：

1)較高的室內(nèi)外環(huán)境溫度可使熱泵系統(tǒng)的性能發(fā)揮更優(yōu)。當室內(nèi)外環(huán)境溫度每升高5 ℃時，制熱量升高9%～22%，出風溫度上升了6～9 ℃，COP提升7%～11%。

2)較高的室外相對濕度可使熱泵系統(tǒng)的性能發(fā)揮更優(yōu)。當室外相對濕度由40%增至80%時，制熱量增加15%～20%，出風溫度上升了2～3 ℃，COP增加6%～9%；受濕度影響，系統(tǒng)在0 ℃工況下的最大制熱量為3.8～4.5 kW，此時出風溫度為22～25 ℃，COP為1.87～2.14。

3)室內(nèi)外環(huán)境溫度每升高5 ℃時，壓縮機排氣溫度上升8～10 ℃，排氣壓力上升16%～20%；室外相對濕度由40%升至80%時，壓縮機排氣溫度下降8～14 ℃，但排氣壓力上升9%～12%。