張磊,賀春輝,張威,何林,肖彪,羅建飛.應(yīng)用R410A制冷劑的補(bǔ)氣增焓熱泵型電動(dòng)汽車空調(diào)的制熱性能實(shí)驗(yàn)研究[J].暖通空調(diào),2019,49(06):131-134.

摘要

測(cè)試了新開(kāi)發(fā)的應(yīng)用R410A制冷劑的補(bǔ)氣增焓熱泵型電動(dòng)汽車空調(diào)的制熱性能，并與原應(yīng)用R134a制冷劑的普通熱泵機(jī)組的制熱性能進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新系統(tǒng)能可靠運(yùn)行在－１５℃及以上的低溫制熱區(qū)間，壓縮機(jī)排氣溫度可以控制在56.3～83。0℃，機(jī)組制熱量比R134a系統(tǒng)提升了17％，０℃以上的整體能效提升了21％。新系統(tǒng)解決了R134a系統(tǒng)低溫工況下排氣溫度高、制熱性能衰減嚴(yán)重的問(wèn)題。

０　引言

目前大多數(shù)汽車空調(diào)普遍采用的是高溫制冷劑ＲR134a，但是R134a制冷劑在車外環(huán)境溫度低于10℃時(shí)，壓縮機(jī)排氣溫度可高達(dá)120℃，系統(tǒng)制熱量也會(huì)衰減嚴(yán)重，甚至無(wú)法正常工作，供熱仍需要配備輔助的加熱設(shè)備［１］。也有學(xué)者提出了以CO2為制冷劑的熱泵系統(tǒng)［２］，其系統(tǒng)性能要優(yōu)于R134a制冷劑的熱泵系統(tǒng)，尤其是在低溫下CO2有著很好的熱工性能，并且CO2為自然制冷劑，比R134a更加環(huán)保［３］。但是以CO2為制冷劑的熱泵系統(tǒng)壓力過(guò)高，系統(tǒng)的可靠性和安全性差［４］。R410A 具有良好的導(dǎo)熱和流動(dòng)特性，比ＲR134a滲透性低、不易產(chǎn)生滲漏、運(yùn)行溫度范圍寬廣，對(duì)于系統(tǒng)干燥性沒(méi)有R134a要求高。并且其運(yùn)行壓力較高，氣體密度較大，比R134a更容易適配更小流量的壓縮機(jī)、更細(xì)的管路，制造成本也會(huì)降低。

針對(duì)現(xiàn)有應(yīng)用R134a的汽車空調(diào)在低溫工況下，壓縮機(jī)排氣溫度高、制熱性能衰減嚴(yán)重的問(wèn)題，筆者為某款車型開(kāi)發(fā)了一套應(yīng)用R410A的補(bǔ)氣增焓熱泵型汽車空調(diào)機(jī)組，測(cè)試了新系統(tǒng)的制熱性能，并與原R134a系統(tǒng)進(jìn)行了性能比較，分析了R410A在熱泵型汽車空調(diào)上的應(yīng)用，為后續(xù)有關(guān)汽車空調(diào)開(kāi)發(fā)提供參考。

１　純電動(dòng)汽車補(bǔ)氣增焓熱泵空調(diào)系統(tǒng)

考慮到純電動(dòng)汽車對(duì)于電池能耗的節(jié)能需求，結(jié)合汽車空調(diào)的結(jié)構(gòu)及開(kāi)發(fā)車型電池的運(yùn)行溫度范圍，開(kāi)發(fā)了應(yīng)用R410A的補(bǔ)氣增焓熱泵型純電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)。開(kāi)發(fā)車型搭載的電池系統(tǒng)最低運(yùn)行溫度為-15℃，因此空調(diào)系統(tǒng)只需要運(yùn)行到-15℃的制熱溫度點(diǎn)。

該系統(tǒng)由帶補(bǔ)氣口的轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)、四通閥、氣液分離器、車外冷凝器、車內(nèi)蒸發(fā)器、節(jié)流閥、補(bǔ)氣閥零件、車內(nèi)PTC電輔熱組成，如圖１所示。制冷模式時(shí)，制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)排出，流經(jīng)四通閥、車外換熱器、節(jié)流閥１、補(bǔ)氣罐、節(jié)流閥２、車內(nèi)換熱器，再經(jīng)四通閥進(jìn)入氣液分離器回到壓縮機(jī)。制熱模式時(shí)，壓縮機(jī)補(bǔ)氣閥打開(kāi)，高溫高壓氣態(tài)制冷劑通過(guò)四通閥進(jìn)入車內(nèi)換熱器冷凝放熱，經(jīng)節(jié)流閥２進(jìn)行一次節(jié)流降壓成為氣液兩相制冷劑進(jìn)入補(bǔ)氣罐中進(jìn)行閃發(fā)，補(bǔ)氣罐上部的中壓飽和蒸氣由補(bǔ)氣閥進(jìn)入壓縮機(jī)，由于蒸氣的不斷閃發(fā)致使補(bǔ)氣罐下部的液體制冷劑過(guò)冷，這部分中壓飽和液體制冷劑經(jīng)節(jié)流閥１再次節(jié)流后，進(jìn)入車外換熱器，流經(jīng)主回路回到壓縮機(jī)，完成制熱循環(huán).

２　測(cè)試條件及測(cè)試方案

汽車空調(diào)整機(jī)的性能實(shí)驗(yàn)有２種方法：平衡型房間量熱計(jì)法和空氣焓差法。平衡型房間量熱計(jì)法優(yōu)點(diǎn)是精度高，缺點(diǎn)是測(cè)試要求較高、測(cè)試費(fèi)用較高。此次測(cè)試?yán)渺什罘?，測(cè)試方案的制定主要參考以下國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于汽車空調(diào)臺(tái)架性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，包括：GB/T 21361-2008《汽車用空調(diào)器》、QC/T 657-2000《汽車空調(diào)制冷裝置試驗(yàn)方法》、JB/T 6914-93《汽車空調(diào)器性能實(shí)驗(yàn)方法》和QC/T 656-2000《汽車空調(diào)制冷裝置性能要求》。企業(yè)在實(shí)際測(cè)試中也會(huì)借鑒國(guó)外的一些標(biāo)準(zhǔn)，如美國(guó)通用的ＧＭＷ 3037-2001《A/C System maximum performance validation for passenger vehicle》等［５］。

實(shí)驗(yàn)機(jī)組在汽車空調(diào)焓差實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試，將機(jī)組安裝在臺(tái)架上，車內(nèi)換熱器及配套總成（ＨＶＡＣ）置于實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)側(cè)，室外換熱器包括壓縮機(jī)等臺(tái)架主體部分置于室外側(cè)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖２，３所示。

實(shí)驗(yàn)所用儀表均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)QC/T 72.2-93有關(guān)規(guī)定［６］，測(cè)試方案見(jiàn)表１，車外換熱器迎面風(fēng)速為4.5ｍ／ｓ。

３　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

應(yīng)用R134a普通型熱泵系統(tǒng)與新開(kāi)發(fā)的應(yīng)用R410A補(bǔ)氣增焓熱泵系統(tǒng)壓縮機(jī)排氣溫度隨環(huán)境溫度的變化趨勢(shì)如圖４所示。由圖４可以看出，隨著環(huán)境溫度的降低，R134a制冷劑系統(tǒng)壓縮機(jī)排氣溫度從100℃升高到接近130℃。這主要是因?yàn)殡S著車外環(huán)境溫度的降低，車外換熱器的蒸發(fā)壓力也在降低，導(dǎo)致機(jī)組吸氣壓力降低，機(jī)組壓縮比升高，排氣溫度升高，接近130℃的排氣溫度已經(jīng)超過(guò)機(jī)組運(yùn)行的排氣限值，此處僅僅是為了測(cè)試機(jī)組排氣溫度的極限，在實(shí)際運(yùn)行中，機(jī)組運(yùn)行到環(huán)境溫度４℃左右時(shí)，排氣溫度已經(jīng)超過(guò)120℃，系統(tǒng)就應(yīng)停止運(yùn)行，為保證安全，更低環(huán)境溫度的取熱只能依靠輔助電加熱進(jìn)行補(bǔ)償。顯然這種系統(tǒng)會(huì)造成電動(dòng)汽車電池能量的額外消耗，并不適用于沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)余熱利用的電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)。新系統(tǒng)由于采用R410A和補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)，空調(diào)系統(tǒng)在整個(gè)制熱區(qū)間內(nèi)都可以將溫度控制在合理的范圍內(nèi)，使得新系統(tǒng)可以在整個(gè)制熱區(qū)間可靠運(yùn)行。由圖４可以看出，R410A系統(tǒng)隨著環(huán)境溫度的降低，排氣溫度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，環(huán)境溫度為10℃時(shí)，機(jī)組最高排氣溫度為83℃，環(huán)境溫度為-15℃時(shí)，機(jī)組仍能維持55℃的排氣溫度。

２種系統(tǒng)的制熱性能如圖５所示。由圖５可以看出，隨著環(huán)境溫度的降低，２種系統(tǒng)制熱量和COP 整體均呈減小的趨勢(shì)。R134a系統(tǒng)在環(huán)境溫度從15℃到０℃變化時(shí)，機(jī)組制熱量由3674Ｗ降低到1885Ｗ，COP 從2.7降低到1.7。主要原因?yàn)榄h(huán)境溫度降低，系統(tǒng)吸氣壓力降低，制冷劑比體積增大，造成機(jī)組循環(huán)工質(zhì)的質(zhì)量流量減小，空調(diào)制熱量和COP 都出現(xiàn)降低的情況。R410A 系統(tǒng)由于補(bǔ)氣增焓的原因，環(huán)境溫度為-15℃時(shí)，機(jī)組仍然有2822 Ｗ 的制熱量，COP 為1.6；15 ℃時(shí)，機(jī)組制熱量為4156 Ｗ，COP 為2.9。R410A系統(tǒng)制熱量比R134a系統(tǒng)提升了17％，０℃以上的整體能效提升了21％。

新系統(tǒng)在制熱區(qū)間車內(nèi)出風(fēng)溫度測(cè)試如圖６所示。為了單獨(dú)測(cè)試熱泵制熱出風(fēng)狀態(tài)，此次測(cè)試時(shí)將PTC電加熱進(jìn)行了程序屏蔽，根據(jù)“頭涼腳熱”的舒適性，測(cè)試熱電偶布置在車內(nèi)吹腳模式的出風(fēng)口。由圖６可以看出，隨著環(huán)境溫度的降低，車內(nèi)出風(fēng)溫度呈現(xiàn)整體降低的趨勢(shì)，主要原因還是此時(shí)空調(diào)制熱量在逐漸減小，造成車內(nèi)出風(fēng)溫度降低。機(jī)組在-15℃時(shí)，車內(nèi)出風(fēng)溫度為33.4℃，－７℃時(shí)出風(fēng)溫度為37.1℃，－５℃時(shí)出風(fēng)溫度為39.0℃。說(shuō)明-5℃及以上的環(huán)境溫度下不需要開(kāi)電輔熱已經(jīng)可以滿足車內(nèi)取暖要求，-5℃以下時(shí)采取適當(dāng)?shù)碾娸o熱進(jìn)行溫度補(bǔ)償即可。

由于R410A 的性質(zhì)決定了其比R134a的系統(tǒng)制熱區(qū)間更加寬廣，R134a并不能很好地應(yīng)用于０℃以下的環(huán)境，過(guò)高的排氣溫度導(dǎo)致系統(tǒng)在環(huán)境溫度低于０℃時(shí)必須靠電加熱進(jìn)行制熱。在這一點(diǎn)上，R410A系統(tǒng)可以有效節(jié)省電池的功率消耗。并且，由于R410A 在運(yùn)行時(shí)壓力比R134a高，會(huì)使得其具有更低的流動(dòng)損失和更好的傳熱性能，同時(shí)因?yàn)楦叩臍怏w密度，在同樣的制熱需求下，系統(tǒng)可以采用更細(xì)的管路和更小的閥門(mén)獲得與R134a相同的質(zhì)量流量工質(zhì)，直接降低制造成本。

４　結(jié)論

基于R410A制冷劑特性和補(bǔ)氣增焓熱泵技術(shù)新設(shè)計(jì)的純電動(dòng)汽車空調(diào)機(jī)組比原R134a制冷劑普通型熱泵汽車空調(diào)機(jī)組更適用于低溫制熱環(huán)境。實(shí)驗(yàn)表明：

１）采用R410A 的補(bǔ)氣增焓熱泵系統(tǒng)比R134a系統(tǒng)制熱運(yùn)行范圍更加寬廣，環(huán)境溫度-15℃時(shí)排氣溫度為56.3℃，10℃時(shí)最高排氣溫度為83.0℃，機(jī)組可以在制熱區(qū)間內(nèi)控制合理的排氣溫度。在環(huán)境溫度-5℃時(shí)，車內(nèi)出風(fēng)溫度在不開(kāi)電輔熱的情況下為39.0℃，已滿足車內(nèi)取暖要求。更低溫度只需要采取一定功率的電輔熱補(bǔ)償即可，新系統(tǒng)對(duì)于電池消耗功率的減少效果明顯。

２）新系統(tǒng)制熱量比R134a系統(tǒng)整體提升了１７％，０℃以上的整體能效提升了２１％。新系統(tǒng)解決了R134a制冷劑普通熱泵型空調(diào)機(jī)組在低溫工況下制熱性能衰減嚴(yán)重、機(jī)組排氣溫度過(guò)高的問(wèn)題，為以后汽車空調(diào)開(kāi)發(fā)應(yīng)用R410A 制冷劑系統(tǒng)的產(chǎn)品提供了技術(shù)參考。

３）對(duì)于沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)余熱利用，又對(duì)電池節(jié)能要求嚴(yán)格的電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，采用更加適宜低溫的R410A作為制冷工質(zhì)可以充分體現(xiàn)熱泵制熱的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于節(jié)省電動(dòng)汽車電池能量有很大的幫助。但是由于R410A和R134a都具有較高的全球變暖潛值GWP，因此后續(xù)仍需要開(kāi)發(fā)更加環(huán)保的制冷劑。