电动汽车热泵空调系统冬季采暖性能实验研究

摘要：本文通过实验研究了电动汽车三换热器热泵空调系统在冬季运行时的采暖性能，研究分析了压缩机在不同转速(2 000～5 000 r/min)下，室内外环境温度和相对湿度对系统内压缩机排气特性、汽车HVAC总成出风温度和COP等系统性能参数的影响。结果表明：较高的压缩机转速使出风温度和制热量明显上升，但系统COP有所降低；当保持压缩机转速不变时，环境温度每升高5 ℃时，制热量升高9%～22%，出风温度上升6～9 ℃，COP上升7%～11%；室外相对湿度由40%增至80%时，制热量增加了15%～20%，出风温度上升2～3 ℃，COP上升6%～9%。

电动汽车与燃油汽车的空调系统的驱动动力不同，电动汽车在冬季采暖方面没有发动机余热可以利用，主要采用PTC(positive temperature coefficient,正温度系数)电加热器为低温空气供热。虽然PTC结构简单且制热效果好，但耗电量较大，会影响电动汽车的续航里程，因此近年来热泵系统在电动汽车上的应用也得到越来越多的关注。

电动汽车热泵空调系统可以采用类似于家用空调的两换热器四通换向阀结构，也可采用三换热器形式。王颖等针对现有汽车空调三换热器热泵系统，与四通阀热泵系统进行对比分析，结果表明，两种系统在相同工况下的制冷和制热能力相近，但四通阀系统的COP高出10%～15%，而三换热器系统在除湿、除霜以及稳定性方面更具优势。Liu Cichong等针对采用丙烷制冷剂的电动汽车热泵系统，研究室外环境温度、室内回风率、室内风量对系统供热性能的影响，结果表明，室外环境温度对系统供热能力有较大影响，对系统COP的影响较小，而室内温度对系统COP影响较大，降低室内风量会导致室内空气质量下降。Qin Fei等研究了低温环境下应用三换热器的电动汽车热泵空调系统的制热性能，在-10、-15、-20 ℃的工况下进行实验，结果表明：即使在-20 ℃工况，系统最大制热量的COP仍超过1.7，并可通过提高回风比来进一步提高制热能力。此外，轩小波等也对三换热器的热泵系统进行了研究。

综上所述，目前三换热器是汽车热泵空调的主要形式，而针对该种热泵系统的研究主要集中在室内外环境温度和风量对系统制热性能的影响。但对于汽车空调而言，室外侧湿度对于其性能的影响也很重要。因此，本文针对电动汽车R134a热泵空调系统，通过实验方法模拟其在冬季不同环境温度和相对湿度下的运行特性。通过搭建实验台架，在不同的压缩机转速下，分析环境温度和相对湿度对乘员舱HVAC总成出风温度、压缩机排气特性等运行参数的影响，为电动汽车热泵空调系统的设计提供参考。

1  实验装置和方法

1.1  实验装置

电动汽车热泵空调系统原理如图1所示。该系统由压缩机、室外换热器HEX1、室内冷凝器HEX2、室内蒸发器HEX3以及膨胀阀等组成，通过控制4个阀件的通断来切换制冷和制热模式。当系统运行制冷模式时，电磁阀1和带截止功能的热力膨胀阀TXV开启，电磁阀2和电子膨胀阀EXV关闭，此时室外换热器作冷凝器，制冷剂吸收乘员舱内的热量并通过室外换热器向环境中散热；当系统运行制热模式时，电磁阀2和电子膨胀阀EXV开启，电磁阀1和热力膨胀阀TXV关闭，此时室外换热器作蒸发器，制冷剂吸收环境中的热量并通过室内冷凝器向乘员舱散热。


图1 热泵空调系统原理
Fig.1 Principle of heat pump air conditioning system

本实验中使用的压缩机为电动涡旋式压缩机，并采用功率计测量压缩机功耗。室外换热器选用单排四流程微通道换热器，室内冷凝器和室内蒸发器均选用双排四流程微通道换热器，主要零部件规格参数如表1所示。

表1 零部件参数
Tab.1 Component specifications


1.2  实验方法与测试工况

本实验中制冷剂采用R134a，通过制热模式下的充注量实验确定其最佳充注量为650 g，电子膨胀阀开度为100%，以确保热泵始终保持最佳的制热性能。本实验为模拟冬季运行工况，以室内外送风温度、室外送风相对湿度和压缩机转速为变量。汽车HVAC总成为全新风模式，即室内外环境温度相同，以保证乘员舱内的空气洁净度。制热量及COP计算式如式(1)和式(2)所示，其中制热量取室内冷凝器制冷剂侧换热量。实验工况参数如表2所示。


(1)


(2)

式中：Q为制热量，kW；m为制冷剂质量流量，kg/h；hcond,in、hcond,out分别为冷凝器侧进、出口焓值，kJ/kg；Wcomp为压缩机功耗，kW。

表2 实验工况
Tab.2 Experimental conditions


1.3  数据采集与处理

图2所示为实验系统台架实物图，管路均采用铝管连接，并用保温材料对铝管进行包裹。图3所示为实验装置及测试系统，整套系统搭建在一个多功能人工环境实验室中。该实验室由两套可分别控制的完全独立的测试室组成，能够控制环境室的温度和湿度，并且有可控制风量的送风管路。台架在压缩机、室内冷凝器、蒸发器和室外换热器的进出口分别布置压力传感器和温度传感器，同时在汽车HVAC总成处于全热、吹脚模式下的进、出风口分别布置温度热电偶，通过安捷伦数据采集仪采集数据，主要参数测量精度如表3所示。


图2 实验系统台架外观
Fig.2 Physical drawing of experimental system


图3 实验装置及测试系统
Fig.3 The experimental device and test facility

表3 实验台主要参数测量精度
Tab.3 Measured parameters and the precision


2  实验结果与分析

2.1  不同工况下HVAC总成出风温度的变化

在电动汽车热泵空调系统采暖性能实验中，认为HVAC总成的出风温度是最能反映系统采暖能力的参数。图4所示为HVAC总成出风温度在不同环境工况下随压缩机转速的变化。由图4可知，在所有工况下，压缩机转速每增加1 000 r/min，由于压缩机的压比随转速的增加而不断变大，导致系统冷凝温度升高，所以HVAC总成的出风温度升高5～8 ℃；当压缩机转速和室内外温度不变，相对湿度从40%增至80%时，由于室外换热器在高湿工况下运行，室外蒸发器表面会产生凝结水，但因重力与风速的作用，凝结水会被迅速排出，反而增强了气流扰动，起到强化传热的效果，而换热量的增加会导致系统冷凝温度升高，所以出风温度升高2～3 ℃；当压缩机转速和室外相对湿度不变时，室内外环境温度每增加5 ℃，系统内蒸发温度和冷凝温度均逐渐升高，所以出风温度也升高6～9 ℃。


图4 不同工况下HVAC总成出风温度的变化
Fig.4 Variations of outlet temperature of HVAC module under different conditions

当汽车行驶在0 ℃低温工况下时，通过调节压缩机转速，可使出风温度在6～21 ℃范围内调节，当在雨天等高湿度(80%)工况下行驶时，出风温度可在8～24 ℃范围内调节，并且可以通过调节空调箱循环风门来控制回风比进行能量调节；当室内外环境温度为10 ℃、室外相对湿度为80%、压缩机转速为5 000 r/min时，出风温度达到峰值39 ℃。综上所述，环境温度和室外相对湿度的增加均会导致系统内冷凝温度升高，进而导致HVAC总成出风温度升高。

2.2  不同工况下系统内制热量及COP的变化

图5和图6所示分别为系统制热量和COP在不同环境工况下随压缩机转速的变化。


图5 不同工况下制热量的变化
Fig.5 Variations of heating capacity under different conditions


图6 不同工况下COP的变化
Fig.6 Variations of COP under different conditions

在所有工况下，随着压缩机转速的不断增加，制冷剂的质量流量不断增加，导致系统在冷凝器内的制热量不断增加，但COP却不断减小，这是因为压缩机的排量也随转速不断增加，导致压缩机功耗增加；当压缩机转速和室内外温度不变，相对湿度从40%增至80%时，制热量增加了15%～20%，COP也增加6%～9%，这是由于湿空气中的焓值大于干空气，且相对湿度的增加对压缩机运行时的功耗几乎没有影响，所以制热量与COP变化趋势近似相同；当压缩机转速和室外相对湿度不变时，环境温度每增加5 ℃，制冷剂冷凝时的传热温差也逐渐增加，导致制热量增加9%～22%，COP增加7%～11%。

当汽车行驶在0 ℃低温工况下时，通过调节压缩机转速，系统制热量范围可达到1.1～3.8 kW，COP范围为1.87～2.96；当在雨天等高湿度(80%)工况下行驶时，制热量和COP略有提升，范围分别为1.4～4.5 kW，2.14～3.06；当环境温度为10 ℃、相对湿度为80%、压缩机转速为5 000 r/min时，制热量和COP达到峰值，分别为5 kW和3.7。

2.3  热力学循环分析

为了研究该热泵系统运行时的热力学特性，可以使用表示热力学循环的压焓图。所有循环均发生在过热蒸气区、气液两相区和过冷液相区。在过热区，制冷剂经压缩机压缩后，具有较高的排气压力，继而在系统中导致较高的冷凝压力。结合压焓图可知，压缩机转速越高其功耗越大，因为压缩机吸排气两端的制冷剂焓差越大。在气液两相区，制冷剂进行室内冷凝放热过程和室外蒸发吸热过程，两端的制冷剂焓差代表系统的冷凝和蒸发量，系统中较低的蒸发压力也使压缩机具有较低的吸气压力。

图7所示为系统在4种不同工况下运行时的压焓图。由图7可知，当压缩机转速为4 000 r/min时，室外相对湿度不变，随着环境温度的升高，压缩机吸气压力和排气压力均逐渐增加；当室内外环境温度不变，随着室外相对湿度的增加，压缩机吸气压力降低，排气压力升高。


图7 不同工况下热泵运行p-h图
Fig.7 The system p-h diagram of heat pump operation under different operating conditions

2.4  不同工况下压缩机排气温度的变化

图8所示为压缩机的排气温度在不同环境工况下随压缩机转速的变化。由图8可知，在所有工况下，排气温度均随压缩机转速的增加而升高，这是因为压缩机的排量随转速的增加而逐渐增大，且在高转速运行时，压缩效率较高，压比较大，导致排气温度较高。此外，转速每增加1 000 r/min，排气温度增加约20 ℃。当环境温度为10 ℃、压缩机转速为5 000 r/min时，排气温度达到峰值103.81 ℃，接近压缩机的高温保护，因此，本实验选定5 000 r/min作为压缩机的转速上限。

当压缩机转速和室内外温度不变时，随着室外相对湿度由40%增至80%，在0 ℃工况下压缩机排气温度逐渐降低。虽然湿度的增加会导致系统冷凝温度增加，但其吸气温度不断降低，且压缩机压比变化较小，所以排气温度也降低了8～14 ℃；在5 ℃和10 ℃工况下，低转速时与0 ℃工况变化趋势相同，而在高转速时排气温度略有波动，这可能是压缩机运行不稳定或数据采集误差造成的；当压缩机转速和室外相对湿度不变时，室内外环境温度每增加5 ℃时，由于车内热负荷需求随环境温度的升高而逐渐降低，导致系统冷凝温度增加，所以压缩机排气温度也增加8～10 ℃。

2.5  不同工况下压缩机排气压力的变化

图9所示为压缩机的排气压力在不同环境工况下随压缩机转速的变化。由图9可知，当环境温度为10 ℃、相对湿度为80%、压缩机转速为5 000 r/min时，排气压力达到峰值1.23 MPa。当环境温度和相对湿度不变，压缩机转速增加时，结合涡旋压缩机自身特点，其效率和压比逐渐增加，所以其排气压力逐渐增加12%～42%；当压缩机转速和室内外温度不变，室外相对湿度由40%升至80%时，排气压力增加9%～12%；当压缩机转速和室外相对湿度不变，室内外温度每增加5 ℃时，系统内冷凝压力逐渐增加，故排气压力也增加16%～20%。综上可知，压缩机转速、环境温度是导致压缩机排气压力升高的重要因素，而相对湿度对排气压力的影响相对较小。


图8 不同工况下压缩机排气温度的变化
Fig.8 Variation of discharge temperature of compressor under different conditions


图9 不同工况下压缩机排气压力的变化
Fig.9 Variations of discharge pressure of compressor under different conditions

3  结论

本文通过搭建以R134a为制冷剂的电动汽车热泵空调系统实验台，研究不同环境工况对系统性能的影响。在压缩机转速不变时，通过分析系统内性能参数受室内外环境温度、室外相对湿度影响的变化趋势，得到如下结论：

1)较高的室内外环境温度可使热泵系统的性能发挥更优。当室内外环境温度每升高5 ℃时，制热量升高9%～22%，出风温度上升了6～9 ℃，COP提升7%～11%。

2)较高的室外相对湿度可使热泵系统的性能发挥更优。当室外相对湿度由40%增至80%时，制热量增加15%～20%，出风温度上升了2～3 ℃，COP增加6%～9%；受湿度影响，系统在0 ℃工况下的最大制热量为3.8～4.5 kW，此时出风温度为22～25 ℃，COP为1.87～2.14。

3)室内外环境温度每升高5 ℃时，压缩机排气温度上升8～10 ℃，排气压力上升16%～20%；室外相对湿度由40%升至80%时，压缩机排气温度下降8～14 ℃，但排气压力上升9%～12%。