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低溫環(huán)境下純電動客車熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱性能試驗(yàn)研究
2021-11-09 16:05:54· 來源：電動學(xué)堂 作者：周光輝等
文章來源：1.中原工學(xué)院2.新能源汽車一體化空調(diào)技術(shù)河南省工程試驗(yàn)室符號說明：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)
文章來源：1.中原工學(xué)院2.新能源汽車一體化空調(diào)技術(shù)河南省工程試驗(yàn)室
符號說明：
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)。
0引言
空調(diào)是新能源汽車的一大耗能部件，現(xiàn)行的電動車空調(diào)制熱系統(tǒng)有兩種主要方案：（1）利用PTC（PositiveTemperatureCoefficient）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)會減少電動汽車電池的續(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)，對電動汽車的能源利用具有重大意義。
本文針對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。
1帶補(bǔ)氣技術(shù)的純電動客車熱泵空調(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。
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。
2試驗(yàn)過程
2.1試驗(yàn)設(shè)備
根據(jù)純電動客車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建試驗(yàn)臺，為模擬真實(shí)的車內(nèi)環(huán)境，本試驗(yàn)在恒溫恒濕測試室進(jìn)行，試驗(yàn)室測量能力為2~45kW。該測試室的室內(nèi)可模擬-30~50℃、室外可以模擬-30~60℃的大溫差測試環(huán)境溫度，相對濕度的控制范圍10%~95%，控制精度為±0.1%。車內(nèi)最大額定風(fēng)量為17600m3/h（風(fēng)機(jī)占比100%），車外風(fēng)機(jī)最大額定風(fēng)量為6000m3/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)備與測量裝置見表1。
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。
2試驗(yàn)過程
2.1試驗(yàn)設(shè)備
根據(jù)純電動客車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建試驗(yàn)臺，為模擬真實(shí)的車內(nèi)環(huán)境，本試驗(yàn)在恒溫恒濕測試室進(jìn)行，試驗(yàn)室測量能力為2~45kW。該測試室的室內(nèi)可模擬-30~50℃、室外可以模擬-30~60℃的大溫差測試環(huán)境溫度，相對濕度的控制范圍10%~95%，控制精度為±0.1%。車內(nèi)最大額定風(fēng)量為17600m3/h（風(fēng)機(jī)占比100%），車外風(fēng)機(jī)最大額定風(fēng)量為6000m3/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)備與測量裝置見表1。
2.2試驗(yàn)測試工況
根據(jù)GB/T21361—2008《汽車用空調(diào)器》、GB/T19842—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GB7725—2004《房間空氣調(diào)節(jié)器》等國家和行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)制定本試驗(yàn)測試工況，見表2。
3試驗(yàn)結(jié)果分析
3.1環(huán)境溫度對系統(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%。
分析可知，車外環(huán)境溫度對系統(tǒng)制熱量的影響較大，其次是系統(tǒng)COPh，對排氣溫度和壓縮機(jī)功率影響相對較小，由此可知，在超低溫環(huán)境下系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行是不經(jīng)濟(jì)的。
3.2壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對系統(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)速從3000r/min增加到5000r/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%。
分析可知，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對系統(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)量對系統(tǒng)供熱性能的影響
車外風(fēng)量對系統(tǒng)制熱性能的影響如圖5所示。
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。
4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9.75kW，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3000r/min升至5000r/min時(shí)，系統(tǒng)制熱量上升74.4%，達(dá)到20.1kW，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%，制熱量僅上升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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