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低溫環(huán)境下純電動(dòng)客車熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱性能試驗(yàn)研究

2021-11-26 22:53:37·  來源：AUTO行家  
　
針對(duì)純電動(dòng)客車熱泵空調(diào)系統(tǒng)在低溫環(huán)境下制熱量較低、系統(tǒng)制熱性能衰減嚴(yán)重等問題，搭建了基于R410A 的純電動(dòng)客車熱泵空調(diào)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)研究了車外風(fēng)機(jī)風(fēng)量、
針對(duì)純電動(dòng)客車熱泵空調(diào)系統(tǒng)在低溫環(huán)境下制熱量較低、系統(tǒng)制熱性能衰減嚴(yán)重等問題，搭建了基于R410A 的純電動(dòng)客車熱泵空調(diào)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)研究了車外風(fēng)機(jī)風(fēng)量、環(huán)境溫度及壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)供熱性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：車外環(huán)境溫度由7 ℃降到-20 ℃時(shí)，系統(tǒng)制熱量下降50.4%；采用補(bǔ)氣技術(shù)后，系統(tǒng)COPh 仍可達(dá)到1.46，可見該系統(tǒng)在低溫制熱方面有較高的性能；壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)? 000 r/min 增至5 000 r/min 時(shí)，制熱量提升74.4%，車外風(fēng)量由60% 增至100% 時(shí)，制熱量上升3%。
關(guān)鍵詞：純電動(dòng)客車；補(bǔ)氣技術(shù)；全微通道；制熱性能
作者：周光輝 白軍琴 李海軍 范 雅 王春艷 余 壯
單位：中原工學(xué)院 新能源汽車一體化空調(diào)技術(shù)河南省工程試驗(yàn)室
來源：流體機(jī)械 第49卷第9期
符號(hào)說明：
QH ——蒸發(fā)器的制熱量，kW；
mo ——流入冷凝器制冷劑循環(huán)質(zhì)量流量，kg/s；
h2 ——制冷劑在壓縮機(jī)出口的焓，kJ/kg；
h6 ——制冷劑在冷凝器出口的焓，kJ/kg；
W ——壓縮機(jī)功率，kW；
mr ——流入冷凝器制冷劑循環(huán)質(zhì)量流量，kg/s；
h1 ——制冷劑在壓縮機(jī)進(jìn)口的焓，kJ/kg；
COPh ——系統(tǒng)制熱系數(shù)。
隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展及人民生活水平提高，對(duì)汽車的需求量不斷增加。目前中國(guó)汽車保有量已近3 億輛，能源消耗巨大，導(dǎo)致能源危機(jī)及環(huán)境問題，而大力發(fā)展純電動(dòng)客車是一種有效緩解能源及環(huán)境問題的途徑之一［1-2］?？照{(diào)是新能源汽車的一大耗能部件，現(xiàn)行的電動(dòng)車空調(diào)制熱系統(tǒng)有兩種主要方案：
（1）利用PTC（PositiveTemperature Coefficient）電加熱裝置為乘員艙提供熱量；
（2）熱泵空調(diào)系統(tǒng)，然而PTC 制熱效率低，在供暖的同時(shí)會(huì)減少電動(dòng)汽車電池的續(xù)航能力。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)出一套集冷、熱源一體，實(shí)現(xiàn)夏季制冷冬季制暖的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，對(duì)電動(dòng)汽車的能源利用具有重大意義［3-4］。
20 世紀(jì)90 年代，SUZUKI 等［5］基于傳統(tǒng)汽車空調(diào)，改裝搭建了一套HFC134A 熱泵空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)由3 個(gè)換熱器組成，相比較于電加熱輔助系統(tǒng)，該熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有較好的制熱性能，系統(tǒng)COPh 至少提高1.3 倍。HOSOZ 等［6］在傳統(tǒng)汽車空調(diào)的基礎(chǔ)上，將其改裝成熱泵空調(diào)，并在不同環(huán)境溫度和轉(zhuǎn)速下進(jìn)行了制冷和制熱試驗(yàn)，結(jié)果表明壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)系統(tǒng)制冷量和制熱量均有影響。WANG 等［7］以R410A 為制冷劑，研究了補(bǔ)氣技術(shù)對(duì)熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能的影響。2012 年，李麗等［8］針對(duì)電動(dòng)汽車在冬季采暖時(shí)能耗較高的問題，設(shè)計(jì)了一套用于采暖的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，結(jié)果表明系統(tǒng)性能受外界環(huán)境的影響較大。周光輝等［9-10］對(duì)純電動(dòng)客車熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。2015 年，彭慶紅等［11］利用Simulink 軟件在制熱模式下為電動(dòng)汽車建立了變頻熱泵空調(diào)系統(tǒng)各部件模型，基于部件參數(shù)之間的耦合關(guān)系構(gòu)成系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)仿真模型，對(duì)系統(tǒng)的制熱量、功耗和效率等進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行過程中壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速對(duì)系統(tǒng)的制熱性能產(chǎn)生影響。王磊等［12］研究了在不同低溫工況下補(bǔ)氣技術(shù)對(duì)熱泵性能的影響。武衛(wèi)東等［13］開發(fā)了一套新的新能源汽車熱泵型空調(diào)系統(tǒng)，研究了在最佳工況時(shí)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)系統(tǒng)制冷性能的影響。王穎等［14］將三換熱器和四通閥的兩種車用熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比。張文嶸等［15］在制熱制冷5 種工況下對(duì)熱泵汽車空調(diào)的性能進(jìn)行了測(cè)試。張磊等［16］將以R410A 和R134A 為制冷劑的熱泵型空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明以R410A 制冷劑的熱泵系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定可靠。華若秋等［17］基于搭建的電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能試驗(yàn)臺(tái)，研究了EXV 開度對(duì)系統(tǒng)的冷凝和蒸發(fā)壓力、過冷度、熱泵出風(fēng)溫度、制熱量、壓縮機(jī)功耗和性能系數(shù)COPh 的影響。劉明康等［18］研究了電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)冬季運(yùn)行時(shí)的采暖性能，結(jié)果表明壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、室內(nèi)外環(huán)境溫度和相對(duì)濕度對(duì)系統(tǒng)壓縮機(jī)排氣特性、汽車HVAC 總成出風(fēng)溫度和COPh 等性能參數(shù)均有影響［19-21］。綜上所述，以上均是對(duì)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的完善。本文針對(duì)目前新能源汽車熱泵空調(diào)在寒冷地區(qū)采暖性能差、系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定等問題，設(shè)計(jì)了一套以R410A 為制冷劑的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，試驗(yàn)研究了車外風(fēng)機(jī)風(fēng)量、環(huán)境溫度及壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)供熱性能的影響，為提高熱泵空調(diào)采暖系統(tǒng)性能提供參考
01、帶補(bǔ)氣技術(shù)的純電動(dòng)客車熱泵空調(diào)系統(tǒng)
1.1 熱泵系統(tǒng)制熱循環(huán)原理
試驗(yàn)熱泵空調(diào)系統(tǒng)如圖1 所示，為保證熱泵型純電動(dòng)客車空調(diào)系統(tǒng)滿足舒適的車內(nèi)環(huán)境且高效穩(wěn)定運(yùn)行，利用目前使用的準(zhǔn)雙級(jí)壓縮循環(huán)熱泵技術(shù)和客車空調(diào)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，開發(fā)了帶補(bǔ)氣技術(shù)及經(jīng)濟(jì)器的熱泵空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、四通閥、車外微通道平行流換熱器、單向閥、儲(chǔ)液器、干燥過濾器、主路電子膨脹閥、車內(nèi)微通道平行流換熱器、補(bǔ)路電子膨脹閥、中間換熱氣（經(jīng)濟(jì)器）、截止閥等部件組成

圖1 帶補(bǔ)氣技術(shù)的純電動(dòng)客車熱泵空調(diào)系統(tǒng)
系統(tǒng)制熱工作流程為：制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)做功后變?yōu)楦邷馗邏旱臍鈶B(tài)制冷劑排出壓縮機(jī)，流經(jīng)四通閥經(jīng)管道進(jìn)入車內(nèi)平行流換熱器，向車內(nèi)放熱達(dá)到為車內(nèi)供熱的目的，此時(shí)制冷劑變?yōu)楦邷馗邏旱囊后w狀態(tài)。隨后經(jīng)閥門管道流進(jìn)儲(chǔ)液器和干燥過濾器，以便除去制冷劑在管道中流通過程中滲入的雜質(zhì)和水分，之后流經(jīng)中間換熱器。制冷劑從中間換熱器出來后分為兩路，一路流經(jīng)主路電子膨脹閥變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍庖夯旌蠎B(tài)制冷劑，流入車外平行流換熱器與空氣進(jìn)行換熱，此時(shí)制冷劑變?yōu)榈蜏氐蛪旱囊簯B(tài)流入壓縮機(jī)；一路經(jīng)補(bǔ)路電子膨脹閥節(jié)流降壓，在中間換熱器內(nèi)與流經(jīng)主路的制冷劑進(jìn)行逆流換熱，增大換熱強(qiáng)度使主路制冷劑過冷，隨后換熱后的制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。
1.2 低壓補(bǔ)氣技術(shù)理論分析
以制熱循環(huán)為例，低壓補(bǔ)氣原理為：本熱泵空調(diào)系統(tǒng)低壓補(bǔ)氣理論循環(huán)壓焓（lgp-h）曲線如圖2 所示，由狀態(tài)點(diǎn)1 經(jīng)壓縮機(jī)做功后制冷劑變?yōu)楦邷馗邏旱臍鈶B(tài)（狀態(tài)點(diǎn)2），隨后制冷劑流入冷凝器向車內(nèi)放熱（狀態(tài)點(diǎn)2- 狀態(tài)點(diǎn)5），此時(shí)制冷劑由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，制冷劑流經(jīng)中間換熱器后分為兩路：主路和補(bǔ)路。在中間換熱器內(nèi)補(bǔ)路中的制冷劑吸收主路中制冷劑的熱量使之過冷（狀態(tài)點(diǎn)5- 狀態(tài)點(diǎn)3），主路中制冷劑經(jīng)主路電子膨脹閥節(jié)流降壓后變?yōu)榈蜏氐蛪旱囊簯B(tài)（狀態(tài)點(diǎn)3-狀態(tài)點(diǎn)4），在蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)（狀態(tài)點(diǎn)4- 狀態(tài)點(diǎn)8），補(bǔ)路制冷劑經(jīng)補(bǔ)路電子膨脹閥節(jié)流（狀態(tài)點(diǎn)5- 狀態(tài)點(diǎn)6），在中間換熱器中吸收主路制冷劑的熱量蒸發(fā)（狀態(tài)點(diǎn)6- 狀態(tài)點(diǎn)7），隨后進(jìn)入壓縮機(jī)補(bǔ)氣口，在補(bǔ)氣口處與主路制冷劑混合（狀態(tài)點(diǎn)8- 狀態(tài)點(diǎn)1）進(jìn)入壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)下一個(gè)循環(huán)。熱力計(jì)算公式如下。

圖2 低壓補(bǔ)氣理論循環(huán)曲線
由系統(tǒng)理論循環(huán)圖分析可知，采用低壓補(bǔ)氣技術(shù)后，系統(tǒng)換熱量明顯增加，這是由于主路制冷劑的熱量被補(bǔ)路制冷劑吸收了一部分，使得主路制冷劑的過冷度變大，從而起到降溫增焓的效果。
02、試驗(yàn)過程
2.1 試驗(yàn)設(shè)備
根據(jù)純電動(dòng)客車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建試驗(yàn)臺(tái)，為模擬真實(shí)的車內(nèi)環(huán)境，本試驗(yàn)在恒溫恒濕測(cè)試室進(jìn)行，試驗(yàn)室測(cè)量能力為2~45 kW。該測(cè)試室的室內(nèi)可模擬-30~50 ℃、室外可以模擬-30~60 ℃的大溫差測(cè)試環(huán)境溫度，相對(duì)濕度的控制范圍10%~95%，控制精度為±0.1%。車內(nèi)最大額定風(fēng)量為17 600 m3/h（風(fēng)機(jī)占比100%），車外風(fēng)機(jī)最大額定風(fēng)量為6 000 m3/h（風(fēng)機(jī)占比100%）。車內(nèi)換熱器及循環(huán)風(fēng)機(jī)放置于室內(nèi)側(cè)，與室內(nèi)風(fēng)量測(cè)量箱的口連接，壓縮機(jī)、膨脹閥、車外換熱器等其他設(shè)備均放置于室外側(cè)。主要試驗(yàn)設(shè)備與測(cè)量裝置見表1。
2.2 試驗(yàn)測(cè)試工況
根據(jù)GB/T 21361—2008《汽車用空調(diào)器》、GB/T 19842—2005《軌道車輛空調(diào)機(jī)組》、QC-T657—2000《汽車空調(diào)制冷裝置試驗(yàn)方法》、GB/T12782—2007《汽車采暖性能要求和試驗(yàn)方法》、以及GB 7725—2004《房間空氣調(diào)節(jié)器》等國(guó)家和行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)制定本試驗(yàn)測(cè)試工況，見表2。

03、試驗(yàn)結(jié)果分析
3.1 環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)供熱性能影響
由圖3 可知，車外環(huán)境溫度由7 ℃降到-20 ℃時(shí)，系統(tǒng)壓縮機(jī)功率、COPh 以及制熱量均下降，排氣溫度升高，因?yàn)殡S著車外環(huán)境溫度的降低，系統(tǒng)蒸發(fā)溫度降低，制冷劑的比容變大壓縮機(jī)吸氣壓力降低，從而導(dǎo)致系統(tǒng)制冷劑的質(zhì)量流量減少，冷凝器向車內(nèi)放熱量減少，壓縮機(jī)功率和制熱量也隨之降低。壓縮機(jī)功率降低26.2%，COPh 和制熱量分別降低38.5% 和50.4%，排氣溫度升高23.7%。


（a）排氣溫度 （b）制熱量


（c）壓縮機(jī)功率 （d）COP
圖3 車外環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)制熱性能的影響
分析可知，車外環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)制熱量的影響較大，其次是系統(tǒng)COPh，對(duì)排氣溫度和壓縮機(jī)功率影響相對(duì)較小，由此可知，在超低溫環(huán)境下系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行是不經(jīng)濟(jì)的。
3.2 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)系統(tǒng)供熱性能的影響
由圖4 可知，系統(tǒng)排氣溫度、制熱量、壓縮機(jī)功率隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而上升，系統(tǒng)COPh隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而降低。這是因?yàn)殡S著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，壓縮機(jī)功率增加，轉(zhuǎn)速的提升使壓縮機(jī)吸入的制冷劑增加，從而使換熱量增加，制熱量的增加量小于功率的增加量。壓縮機(jī)功率增加使得排氣溫度升高，但采用補(bǔ)氣技術(shù)后，排氣溫度明顯下降。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)? 000 r/min 增加到5000 r/min 時(shí)系統(tǒng)排溫度上升12.6%、制熱量上升74.4%、壓縮機(jī)功率增加110%，而COPh 下降20.3%。


（a）制熱量 （b）壓縮機(jī)功率


（c）排氣溫度 （d）系統(tǒng)COP
圖3 車外環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)制熱性能的影響
分析可知，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)系統(tǒng)的制熱量影響較大，同時(shí)使得其功率增加較大，從而影響系統(tǒng)穩(wěn)定性和壓縮機(jī)使用壽命，因此系統(tǒng)需要選擇合適的轉(zhuǎn)速來確保系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)有效的運(yùn)行。
3.3 車外風(fēng)量對(duì)系統(tǒng)供熱性能的影響
車外風(fēng)量對(duì)系統(tǒng)制熱性能的影響如圖5 所示。

（a）系統(tǒng)COPh （b）制熱量


（c）壓縮機(jī)功率 （d）車內(nèi)出風(fēng)溫度
圖5 車外風(fēng)量對(duì)系統(tǒng)制熱性能的影響
由圖5 可知，隨著車外風(fēng)機(jī)風(fēng)量的增大，車內(nèi)出風(fēng)溫度和系統(tǒng)制熱量有小幅度提升但不明顯，壓縮機(jī)功率和COPh 略微下降，出風(fēng)溫度上升0.3%，制熱量上升3%、COPh 下降14.3%、功率下降7.8%。車外風(fēng)量的增大使得循環(huán)風(fēng)量增大提高換熱器換熱效率，減小換熱器換熱溫差，從而使蒸發(fā)溫度和冷凝溫度之間的溫差減小，使得壓縮機(jī)功率降低，同時(shí)制熱量的增加量小于風(fēng)機(jī)功率增加量所以COPh 下降。分析可知，風(fēng)量的增大對(duì)系統(tǒng)供熱性能影響較小，增大風(fēng)量導(dǎo)致風(fēng)機(jī)功率增加，從而增加功耗。
04、結(jié)論
（1）車外環(huán)境溫度由7 ℃下降到-20 ℃時(shí)，系統(tǒng)制熱量不斷下降，在超低溫-20℃時(shí)系統(tǒng)制熱量下降50.4% 為9.75 kW，此時(shí)系統(tǒng)COPh 仍可達(dá)到1.46，遠(yuǎn)高于電加熱系統(tǒng)，排氣溫度僅為58 ℃且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。
（2）壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速由3 000 r/min升至5 000 r/min時(shí)，系統(tǒng)制熱量上升74.4%，達(dá)到20.1 kW，但壓縮機(jī)功率增加110%，COPh下降20.3%，排氣溫度和排氣壓力增大，采用補(bǔ)氣技術(shù)后有效降低壓縮機(jī)排氣溫度和排氣壓力，排氣溫度不超60 ℃，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速來提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。
（3）車外風(fēng)量變化對(duì)系統(tǒng)制熱性能影響較小，車外風(fēng)量從60%提高到100%時(shí)系統(tǒng)COPh下降14.3%，制熱量?jī)H上升3%，因此盡量不要在惡劣天氣下運(yùn)行，以防減少整車能耗，減少客車行駛里程。
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