作者 | 李杰/艾泰斯熱系統(tǒng)研發(fā)（上海）有限公司

摘要：本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種具有余熱回收功能的電動(dòng)車用熱泵空調(diào)系統(tǒng)，并通過實(shí)車管路狀態(tài)的系統(tǒng)臺(tái)架搭建，在焓差實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：相較于基準(zhǔn)空調(diào)系統(tǒng)中PTC 電加熱制熱方式，除霧模式余熱回收型熱泵系統(tǒng)可節(jié)能86%以上，制熱模式節(jié)能54%以上，可顯著提升電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程。比較不同的余熱回收方式發(fā)現(xiàn)，間接余熱回收方式可降低系統(tǒng)能耗8%，而直接余熱回收可降低系統(tǒng)能耗12%-19%，且環(huán)境溫度越低，節(jié)能效果越明顯。

關(guān)鍵字：電動(dòng)汽車；熱泵空調(diào)；制熱性能；余熱回收

當(dāng)今社會(huì)日趨嚴(yán)重的環(huán)境污染和能源危機(jī)已成全球性難題，傳統(tǒng)燃油車由于尾氣排放污染、油耗能耗高等弊端成為了社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。在目前能源與環(huán)保的雙重壓力下，內(nèi)燃機(jī)時(shí)代將在不遠(yuǎn)的未來(lái)被終結(jié)，新能源汽車的開發(fā)與投放已是大勢(shì)所趨，也必將成為未來(lái)汽車的發(fā)展主流與方向[1]。

新能源汽車包括四大類型：混合動(dòng)力電動(dòng)汽車HEV、純電動(dòng)汽車BEV、燃料電池電動(dòng)汽車FCEV、其它新源（如超級(jí)電容器、飛輪等高效儲(chǔ)能器）汽車等。其中，純電動(dòng)汽車BEV 以動(dòng)力電池或太陽(yáng)能為能量來(lái)源，相比于燃油汽車，取消了燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，因此乘客艙的加熱升溫?zé)o法再依靠發(fā)動(dòng)機(jī)熱水，而是需要依靠基于“逆卡諾循環(huán)”的熱泵空調(diào)系統(tǒng)。但另一方面，由于動(dòng)力電池能量密度、體積、重量等方面的局限性，使得空調(diào)系統(tǒng)的能耗占比達(dá)到了電池容量的近20%，因此以高續(xù)航為追求目標(biāo)的電動(dòng)車也必將對(duì)車用空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)匹配及優(yōu)化提出更高的要求[2]。

純電動(dòng)汽車乘員艙空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，通常夏季采用制冷劑蒸發(fā)吸熱實(shí)現(xiàn)制冷，冬季采用空氣或水PTC 輔助加熱實(shí)現(xiàn)制熱。但通過對(duì)比單PTC 加熱法、電機(jī)冷卻液余熱+PTC 加熱法與熱泵式制熱法發(fā)現(xiàn)，單PTC 輔助加熱的方式能耗高、效率低，嚴(yán)重地降低了純電動(dòng)汽車在冬季的續(xù)航里[3]。

在動(dòng)力電池沒有突破性進(jìn)展的情況下要保證低能耗制熱，熱泵空調(diào)技術(shù)是為數(shù)不多的可行技術(shù)，效能系數(shù)比PTC 加熱高出2- 3 倍，越來(lái)越被認(rèn)為是純電動(dòng)汽車制熱的有效解決方案。

Hosoz M.[4] 究了以R134a 為制冷劑的車用空氣源熱泵系統(tǒng)，其發(fā)現(xiàn)非低溫的環(huán)溫時(shí)，熱泵系統(tǒng)能提供足夠熱量且COP較高，但環(huán)溫越低時(shí)制熱量急速下降。李海軍[5]為解決低溫下電動(dòng)車用熱泵空調(diào)系統(tǒng)的壓縮機(jī)排氣溫度過高及制熱性能衰減的問題，設(shè)計(jì)了一種混氣型熱泵空調(diào)系統(tǒng)，通過數(shù)學(xué)建模與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了其有效性。彭發(fā)展[6]研究了制熱模式下不同的環(huán)境溫度和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)車內(nèi)溫度、高壓管路內(nèi)部工質(zhì)的溫度和壓力、系統(tǒng)能效比等參數(shù)的影響，為解決電動(dòng)車冬季制熱能耗高的問題提供了參考。

劉旗[7]設(shè)計(jì)了一種低溫?zé)岜孟到y(tǒng)，可將熱泵空調(diào)的使用范圍拓展到- 25℃，有效提升低溫下電動(dòng)車的續(xù)航里程。許樹學(xué)[8]提出準(zhǔn)二級(jí)壓縮- 噴射熱泵系統(tǒng)，在環(huán)溫- 20℃條件下的制熱量與能效比，較普通補(bǔ)氣系統(tǒng)均有明顯提高。這些研究對(duì)電動(dòng)車用熱泵空調(diào)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)、匹配優(yōu)化及發(fā)展方向等，起到了指導(dǎo)性的作用。但不得不說(shuō)這些內(nèi)容更多側(cè)重于空調(diào)系統(tǒng)制冷劑回路的研究，并沒有考慮整車熱量的綜合分配利用，實(shí)現(xiàn)整車熱管理系統(tǒng)冷卻液回路、制冷劑回路和空氣側(cè)回路的有機(jī)結(jié)合。

本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種余熱回收型熱泵空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過冷卻液回路和制冷劑回路的合理設(shè)計(jì)，將電池、電機(jī)和電控系統(tǒng)的熱量與乘客艙的采暖需求匹配耦合，實(shí)現(xiàn)了空調(diào)系統(tǒng)不同模式在不同環(huán)境溫度下的余熱回收。本文搭建了實(shí)車管路狀態(tài)的系統(tǒng)臺(tái)架，并通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了性能測(cè)試，最終將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與無(wú)余熱回收功能的電動(dòng)汽車用空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。

余熱回收熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 基準(zhǔn)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于普通電動(dòng)汽車的空調(diào)系統(tǒng)，其制冷模式、除霧模式和制熱模式的系統(tǒng)架構(gòu)。其中制冷模式與傳統(tǒng)燃油車制冷類似，利用壓縮機(jī)的蒸氣壓縮循環(huán)使制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)吸熱，達(dá)到乘客艙制冷的效果；制熱模式需要利用高壓電加熱器PTC，額外將電能轉(zhuǎn)換成熱能，達(dá)到乘客艙制熱的效果；除霧模式則是制冷模式和制熱模式的結(jié)合，蒸發(fā)器負(fù)責(zé)制冷除濕，PTC 負(fù)責(zé)加熱回溫提高乘客艙的送風(fēng)溫度。

1.2 余熱回收型空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空調(diào)系統(tǒng)中的空調(diào)箱HVAC 增加內(nèi)置冷凝器，用于熱泵制熱循環(huán)，可利用制冷劑在內(nèi)部冷凝器內(nèi)冷凝放熱實(shí)現(xiàn)乘客艙加熱。此時(shí)系統(tǒng)制熱量等于外部換熱器的吸熱量加上壓縮機(jī)耗功，制熱COP 大于1，可有效降低采暖能耗。另外，內(nèi)置冷凝器僅用于制熱的功用，實(shí)現(xiàn)了空調(diào)系統(tǒng)中制冷/ 制熱換熱器的分離。因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)熱泵空調(diào)系統(tǒng)中制冷/ 制熱共用換熱器，依靠四通換向閥切換散熱與吸熱，制冷模式切換為制熱模式時(shí)，空調(diào)箱內(nèi)部換熱器表面的冷凝水會(huì)急速蒸發(fā)霧化在前擋風(fēng)玻璃上，嚴(yán)重影響行車安全。

此系統(tǒng)中制冷模式的運(yùn)行與基準(zhǔn)空調(diào)系統(tǒng)的類似，利用壓縮機(jī)的蒸氣壓縮循環(huán)使制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)吸熱，達(dá)到乘客艙制冷的效果。然而余熱回收型熱泵的除霧模式大大區(qū)別于基準(zhǔn)空調(diào)系統(tǒng)的除霧模式，進(jìn)入空調(diào)箱的空氣被蒸發(fā)器制冷除濕后，可利用內(nèi)部冷凝器的冷凝熱加熱回溫，此時(shí)空調(diào)系統(tǒng)的冷凝熱取代了高壓PTC 的電加熱功率，在該模式下可極大的削減空調(diào)系統(tǒng)的能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能高效運(yùn)行。

此外，制熱模式的余熱回收方式包含間接余熱回收和直接余熱回收。間接余熱回收電機(jī)電池冷卻液回路通過低溫水箱LTR 將熱量釋放到環(huán)境中，提升室外換熱器的空氣側(cè)進(jìn)風(fēng)溫度；直接余熱回收電機(jī)電池冷卻液回路的熱量被chiller 吸收，改善了低溫?zé)嵩?。因此?dāng)電機(jī)電池冷卻液回路的溫度高于環(huán)境溫度時(shí)，可利用該部分冷卻液的熱量有效提升熱泵空調(diào)的蒸發(fā)壓力，改善系統(tǒng)制熱效率。

余熱回收熱泵空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置與條件

根據(jù)理論計(jì)算、模擬分析、單零件性能測(cè)試等環(huán)節(jié)后，搭建了電動(dòng)車用余熱回收熱泵系統(tǒng)的實(shí)車管路狀態(tài)的實(shí)物臺(tái)架。關(guān)鍵零部件參數(shù)如表1。

表1 關(guān)鍵零部件參數(shù)



圖1 臺(tái)架實(shí)驗(yàn)- 余熱回收熱泵空調(diào)系統(tǒng)

將實(shí)車管路狀態(tài)的熱泵空調(diào)系統(tǒng)臺(tái)架置于在汽車空調(diào)用焓差實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法與數(shù)據(jù)處理方法，均按照QC/T 657- 2000 汽車空調(diào)制冷裝置實(shí)驗(yàn)方法和QC/T656- 2000 汽車空調(diào)制冷裝置性能要求來(lái)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)工況設(shè)定，主要針對(duì)低溫環(huán)境下電動(dòng)車乘員艙的采暖需求，具體參數(shù)詳見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)工況



2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 除霧模式能耗分析

如圖2 所示，不同環(huán)境溫度下，電動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速維持1000r/min，以相同出風(fēng)溫度為前提，余熱回收熱泵空調(diào)系統(tǒng)相較于基準(zhǔn)空調(diào)系統(tǒng)，其能耗降低80%以上。其主要原因是除霧模式時(shí)，將蒸發(fā)器出口的低溫空氣加熱回溫需要極大熱量，如圖2 所示：環(huán)溫22℃時(shí)，空調(diào)箱出風(fēng)溫度達(dá)到30℃時(shí)，基準(zhǔn)空調(diào)系統(tǒng)的壓縮機(jī)功耗加上加熱回溫PTC 電功率共2328W，而余熱回收型熱泵系統(tǒng)利用冷凝熱加熱回溫，該模式下只需耗功245W，可節(jié)能89%；以此類推，環(huán)溫12℃時(shí)，余熱回收型熱泵系統(tǒng)可節(jié)能88%；環(huán)溫2℃時(shí)，可節(jié)能86%，此時(shí)空調(diào)箱出風(fēng)溫度19℃，若余熱回收型熱泵系統(tǒng)通過提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速滿足乘客艙更高的出風(fēng)溫度需求，相較于基準(zhǔn)空調(diào)系統(tǒng)將產(chǎn)生更大的節(jié)能效果。



圖2 除霧模式空調(diào)系統(tǒng)功耗

2.2.2 制熱模式能耗分析

不同環(huán)境溫度下，基準(zhǔn)空調(diào)系統(tǒng)中制熱模式純PTC 采暖和余熱回收型熱泵系統(tǒng)基礎(chǔ)熱泵制熱的采暖能耗對(duì)比如圖3 所示。從圖3 中可見，基準(zhǔn)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行制熱模式時(shí)，其空調(diào)系統(tǒng)能耗遠(yuǎn)高于余熱回收型熱泵系統(tǒng)能耗，熱泵采暖能耗可節(jié)能54%以上。如圖所示，環(huán)境溫度2℃時(shí)，維持空調(diào)箱出風(fēng)溫度45℃，基準(zhǔn)空調(diào)系統(tǒng)PTC 功耗2530W，而余熱回收型熱泵基礎(chǔ)熱泵功耗僅520W，節(jié)能比例79%。



圖3 基準(zhǔn)空調(diào)系統(tǒng)和熱泵基礎(chǔ)制熱能耗對(duì)比

不同環(huán)境溫度下，余熱回收型熱泵系統(tǒng)中，可采用的不同余熱回收方式能耗對(duì)比如圖4 所示。從圖4 中可見，隨著環(huán)境溫度的下降，同種余熱回收方式的節(jié)能比例略有提升，其中直接余熱回收的節(jié)能百分比從環(huán)溫2℃時(shí)的12%升高到環(huán)溫- 10℃時(shí)的19%，主要原因是余熱回收對(duì)吸氣壓力的改善在更低的環(huán)境溫度下影響更顯著。

此外，對(duì)比相同環(huán)境溫度下，不同余熱回收方式的能耗對(duì)比，直接余熱回收的效果明顯優(yōu)于間接余熱回收。環(huán)溫- 10℃時(shí)，維持出風(fēng)溫度45℃，基礎(chǔ)熱泵采暖能耗1300W，采用間接余熱回收方式能耗1200，可節(jié)能8%，而采用直接余熱回收方式時(shí)，能耗降低至1050W，節(jié)能比例增到19%。



圖4 不同余熱回收方式能耗對(duì)比

結(jié)論

本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種具有余熱回收功能的電動(dòng)車用熱泵空調(diào)系統(tǒng)，并通過實(shí)車管路狀態(tài)的系統(tǒng)臺(tái)架的搭建與實(shí)驗(yàn)研究，得到了以下結(jié)論：

3.1 相較于基準(zhǔn)空調(diào)系統(tǒng)除霧模式采用PTC 加熱回溫，余熱回收熱泵系統(tǒng)利用冷凝熱量來(lái)替代，可顯著降低系統(tǒng)除霧模式的功耗，提升電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程。

3.2 運(yùn)行制熱模式時(shí)，余熱回收型熱泵空調(diào)系統(tǒng)的采暖功耗可縮減一半以上，且采用直接余熱回收的節(jié)能效果明顯優(yōu)于間接余熱回收。

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作者簡(jiǎn)介：李杰（1983，7-），男，漢族，籍貫：河南長(zhǎng)垣，職稱：工程師，研究方向：空調(diào)系統(tǒng)。