環(huán)境溫度對(duì)電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能的影響

彭發(fā)展 魏名山 黃海圣 張 虹

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京100081)

傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)在工作時(shí)不僅會(huì)消耗掉大量的化石能源，同時(shí)排放的尾氣也會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不利的影響［1］.而電動(dòng)汽車(chē)作為新型的綠色交通工具，在行駛過(guò)程中具有零排放、效率高、噪音低等突出優(yōu)點(diǎn)，已引起廣泛的注意［2-3］.電動(dòng)汽車(chē)在冬季使用時(shí)，由于電池輸出功率隨環(huán)境溫度的降低而減小，且環(huán)境溫度較低時(shí)電動(dòng)汽車(chē)大多采用能耗較高的電加熱等方法取暖，從而導(dǎo)致電動(dòng)汽車(chē)冬季的續(xù)航里程嚴(yán)重降低［4-5］.據(jù)相關(guān)資料研究表明，空調(diào)系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車(chē)能耗最大的輔助子系統(tǒng)［6-7］，在冬季取暖時(shí)能耗占整車(chē)耗能的33%左右，導(dǎo)致續(xù)航里程減少18～30%［8-9］.

熱泵是利用少量高品位能源使熱量由低溫?zé)嵩戳飨蚋邷責(zé)嵩吹墓?jié)能裝置［10］，在電動(dòng)汽車(chē)中使用熱泵空調(diào)系統(tǒng)取暖，可利用電能將環(huán)境中的熱量泵送到車(chē)室內(nèi)，得到的熱量為消耗的電能與吸收的低位熱能之和，因此其能效比(COP，Coefficient of Performance)大于 1.謝卓等人［11］分析了內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)與電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)之間的區(qū)別，提出了開(kāi)發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法.Hosoz等人［12］將傳統(tǒng)汽車(chē)空調(diào)改裝為熱泵系統(tǒng)，研究了壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與制冷/制熱量、COP等參數(shù)之間的關(guān)系.史保新等人［13］研制了電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)，并分析了壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)制冷量、壓縮機(jī)輸入功等參數(shù)的影響.魏名山等人［14］針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)在冬天取暖時(shí)能耗較高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套用于取暖的熱泵空調(diào)系統(tǒng).本文設(shè)計(jì)了用于電動(dòng)汽車(chē)室內(nèi)取暖的熱泵空調(diào)試驗(yàn)平臺(tái)，研究了不同的環(huán)境溫度和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的性能及車(chē)室內(nèi)平均溫度的影響.

1 電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)

1.1 熱泵空調(diào)的工作原理

電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、節(jié)流機(jī)構(gòu)、換熱器、四通換向閥等構(gòu)成，工作原理如圖1所示.當(dāng)熱泵空調(diào)系統(tǒng)處于制熱模式時(shí)，工質(zhì)的流動(dòng)方向如圖1a所示.在壓縮機(jī)Ⅴ的作用下，換熱器Ⅰ中低溫低壓的氣態(tài)工質(zhì)經(jīng)四通換向閥Ⅱ被吸入壓縮機(jī)中，經(jīng)壓縮后變?yōu)楦邷馗邏旱臍鈶B(tài)經(jīng)四通換向閥Ⅱ的另一通道進(jìn)入換熱器Ⅲ中冷凝放熱，在提高車(chē)室內(nèi)環(huán)境溫度的同時(shí)工質(zhì)變?yōu)橹袦馗邏旱囊后w，然后工質(zhì)經(jīng)過(guò)節(jié)流機(jī)構(gòu)Ⅳ變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍庖夯旌衔镞M(jìn)入換熱器Ⅰ中蒸發(fā)吸熱，從而將環(huán)境中的熱量帶到熱泵空調(diào)系統(tǒng)中.當(dāng)熱泵空調(diào)系統(tǒng)處于制冷模式時(shí)工質(zhì)的流動(dòng)方向如圖1b所示，此時(shí)工質(zhì)在換熱器Ⅰ中冷凝放熱，在換熱器Ⅲ中蒸發(fā)吸熱.

由此可知，車(chē)室外換熱器Ⅰ在制熱模式下當(dāng)蒸發(fā)器使用，在制冷模式下當(dāng)冷凝器使用;車(chē)室內(nèi)換熱器Ⅲ在制熱模式下當(dāng)冷凝器使用，在制冷模式下當(dāng)蒸發(fā)器使用.

1.2 熱泵空調(diào)系統(tǒng)的能效比

COP是制熱模式下熱泵空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際制熱量與實(shí)際輸入功率之比［15］，是衡量系統(tǒng)性能的重要參數(shù)之一.當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)處于制熱模式時(shí)，理論上工質(zhì)要經(jīng)過(guò)等熵壓縮、等壓冷凝、絕熱膨脹和等壓蒸發(fā)4個(gè)基本過(guò)程，將低溫環(huán)境中的熱量源源不斷地泵送到車(chē)室內(nèi).圖2為熱泵空調(diào)系統(tǒng)理論循環(huán)的溫熵圖和壓焓圖.

圖1 熱泵空調(diào)工作原理Fig.1 Principle of heat pump air conditioning

圖2 蒸氣壓縮式熱泵的理論循環(huán)Fig.2 Theoretical cycle of vapor compression heat pump

由圖2可知，單位質(zhì)量工質(zhì)的制熱量qc在T-s圖中 以 2-2'-2″-3-a-b-2 所 圍 成 的 面 積 S22'2″3ab2表示，其值包括顯熱和潛熱兩部分，在lg P-h圖中以點(diǎn)2與點(diǎn)3的焓差表示，即單位質(zhì)量工質(zhì)的制熱量為

壓縮單位質(zhì)量工質(zhì)的耗功量w在T-s圖中以1-2-2'-2″-3-4-1 所圍成的面積 S122'2″341表示，在 lgP-h圖中以點(diǎn)2與點(diǎn)1之間的焓差表示，即單位質(zhì)量工質(zhì)的耗功量為

因此，熱泵空調(diào)系統(tǒng)在制熱時(shí)的COP可表示為

2 試驗(yàn)設(shè)備

2.1 熱泵空調(diào)試驗(yàn)系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的熱泵空調(diào)試驗(yàn)平臺(tái)由熱泵空調(diào)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和模擬車(chē)身部分構(gòu)成.熱泵空調(diào)系統(tǒng)由斜盤(pán)式變排量壓縮機(jī)、平行流換熱器、翅片式換熱器、內(nèi)平衡式膨脹閥及四通換向閥等部件按照?qǐng)D3所示的順序用帶有保溫材料包裹的銅管連接起來(lái)，該部分是熱泵空調(diào)試驗(yàn)平臺(tái)的核心部分.在平行流換熱器前的適當(dāng)位置處安裝轉(zhuǎn)速可調(diào)的風(fēng)扇;同時(shí)將翅片式換熱器、軸流風(fēng)扇等部件安裝在車(chē)室內(nèi)部的風(fēng)道中.

在熱泵空調(diào)系統(tǒng)管道的合適位置安裝溫度傳感器、壓力傳感器，如圖3所示，同時(shí)在車(chē)室內(nèi)距前后風(fēng)擋玻璃大約15 cm處分別放置溫度傳感器.壓縮機(jī)、傳感器及換熱器的主要參數(shù)分別如表1～表3所示.模擬車(chē)身部分與某型號(hào)的電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)部空間相當(dāng)，除風(fēng)擋玻璃外，車(chē)室內(nèi)壁均用保溫材料覆蓋.

圖3 電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 Experimental system of heat pump air conditioning for electric vehicles

表1 斜盤(pán)式變排量壓縮機(jī)的主要參數(shù)Table 1 Main parameters of the swash plate type variable displacement compressor

表2 傳感器參數(shù)Table2 Sensor parameters

表3 換熱器主要參數(shù)Table3 Main parameters of heat exchangers

2.2 控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在熱泵空調(diào)試驗(yàn)系統(tǒng)中，斜盤(pán)式變排量壓縮機(jī)的帶輪與變頻電機(jī)的帶輪通過(guò)多楔帶相連接.當(dāng)壓縮機(jī)帶輪上的電磁離合器通電時(shí)，變頻電機(jī)帶動(dòng)壓縮機(jī)工作，此時(shí)壓縮機(jī)對(duì)低溫低壓的氣態(tài)工質(zhì)做功;當(dāng)電磁離合器不通電時(shí)，變頻電機(jī)只帶動(dòng)壓縮機(jī)的帶輪空轉(zhuǎn)，壓縮機(jī)不對(duì)工質(zhì)做功.當(dāng)控制系統(tǒng)使四通換向閥通電時(shí)，熱泵空調(diào)系統(tǒng)處于制熱模式，此時(shí)由壓縮機(jī)排出的高溫高壓氣態(tài)工質(zhì)經(jīng)四通換向閥首先進(jìn)入翅片式換熱器中;當(dāng)控制系統(tǒng)使四通換向閥斷電時(shí)，熱泵空調(diào)系統(tǒng)處于制冷模式，此時(shí)從壓縮機(jī)排出的高溫高壓氣態(tài)工質(zhì)經(jīng)四通換向閥首先進(jìn)入平行流換熱器中.用于改變平行流換熱器表面風(fēng)速的風(fēng)扇由獨(dú)立的低壓直流電源供電，當(dāng)熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制，從而模擬電動(dòng)汽車(chē)在不同速度行駛時(shí)迎面風(fēng)速對(duì)熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響.根據(jù)傳感器的測(cè)量范圍，利用lab-VIEW搭建了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，記錄監(jiān)測(cè)點(diǎn)處工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)隨熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系，可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置不同的采樣頻率.

3 試驗(yàn)過(guò)程

由于試驗(yàn)是在露天環(huán)境下進(jìn)行的，現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫度和濕度是不可控制的，所以無(wú)法選擇完全相同的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，只能選擇近似相同的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn).試驗(yàn)前調(diào)整換熱器風(fēng)扇的電壓，使其迎面風(fēng)速保持一定值，在表4所示的工況下進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)打開(kāi)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄監(jiān)測(cè)點(diǎn)處工質(zhì)的溫度值和壓力值.當(dāng)車(chē)室內(nèi)平均溫度超過(guò)25℃或者熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行超過(guò)1 300 s時(shí)，控制系統(tǒng)使壓縮機(jī)上的電磁離合器斷電，熱泵空調(diào)系統(tǒng)停止工作.

表4 試驗(yàn)工況Table 4 Test conditions

4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

在不同環(huán)境溫度下，車(chē)室內(nèi)平均溫度達(dá)到舒適溫度(18℃)需要的時(shí)間是衡量電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱能力的重要參數(shù)之一，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間與車(chē)室內(nèi)平均溫度的變化關(guān)系如圖4所示.壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為3400 r/min時(shí)，在環(huán)境溫度分別為5，-1和-5℃的情況下，車(chē)室內(nèi)平均溫度達(dá)到18℃時(shí)分別需要240，307和445 s.壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為1700 r/min時(shí)，在環(huán)境溫度分別為4℃和-1℃的情況下，車(chē)室內(nèi)平均溫度達(dá)到18℃時(shí)分別需要255 s和1220s.由此可知，在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速相同的情況下，環(huán)境溫度越高，車(chē)室內(nèi)平均溫度達(dá)到18℃的時(shí)間越短;環(huán)境溫度較高時(shí)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)車(chē)室內(nèi)溫度的影響較小，但是環(huán)境溫度較低時(shí)，轉(zhuǎn)速對(duì)車(chē)室內(nèi)溫度上升的速度影響較大.

圖4 車(chē)室內(nèi)平均溫度與時(shí)間的關(guān)系Fig.4 Average temperature in the cabin vs the running time

壓縮機(jī)出口處工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)對(duì)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的性能及使用壽命有很大的影響，圖5為壓縮機(jī)的排氣溫度和排氣壓力隨系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的變化關(guān)系.由圖可知，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)的排氣溫度和排氣壓力隨環(huán)境溫度的升高而升高.在環(huán)境溫度近似相等的情況下，壓縮機(jī)的排氣溫度和排氣壓力隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而升高.系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)排氣溫度上升的速率比較快，隨后緩慢增加，最后趨于穩(wěn)定，如圖5a所示.同排氣溫度類(lèi)似，在環(huán)境溫度較高和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速較高的情況下，其排氣壓力較大，同時(shí)，在熱泵空調(diào)系統(tǒng)的啟動(dòng)階段，壓縮機(jī)的排氣壓力出現(xiàn)波動(dòng)，如圖5b所示.

圖5 壓縮機(jī)出口工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)與時(shí)間關(guān)系Fig.5 Compressor discharge temperature and pressure vs the running time

冷凝溫度和冷凝壓力是熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的重要參數(shù).系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，車(chē)室內(nèi)換熱器出口處工質(zhì)的溫度變化較慢，接著以近似線性的速度增加.如圖6a所示，在環(huán)境溫度近似相等時(shí)，車(chē)室內(nèi)換熱器出口處工質(zhì)的溫度隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而升高;在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速相等的情況下，該換熱器出口處工質(zhì)的溫度隨環(huán)境溫度的升高而升高.由于工質(zhì)在車(chē)室內(nèi)換熱器中近似等壓冷凝，其出口處的壓力比壓縮機(jī)的排氣壓力稍低，如圖6b所示.

當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為3 400 r/min，車(chē)室內(nèi)平均溫度達(dá)到18℃時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到相關(guān)位置處工質(zhì)的溫度值和壓力值，利用REFPROP軟件查詢(xún)壓縮機(jī)入口、壓縮機(jī)出口、車(chē)室內(nèi)換熱器出口以及膨脹閥出口處工質(zhì)的焓值，并做出系統(tǒng)的lgP-h圖，如圖7所示.由式(1)計(jì)算出單位質(zhì)量工質(zhì)的制熱量，由式(2)計(jì)算出單位質(zhì)量工質(zhì)的耗功量，由式(3)計(jì)算出系統(tǒng)的COP，結(jié)果如表5所示.由此可知，當(dāng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速為3 400 r/min時(shí)，隨著環(huán)境溫度的降低，單位質(zhì)量工質(zhì)的制熱量和單位質(zhì)量工質(zhì)的耗功量均有所增加，但是單位質(zhì)量工質(zhì)的耗功量增加的較多，因此導(dǎo)致電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的COP降低.

圖6 車(chē)室內(nèi)換熱器出口工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)與時(shí)間關(guān)系Fig.6 Temperature and pressure at the outlet of the heat exchanger in the cabin vs the running time

圖7 車(chē)內(nèi)溫度達(dá)到18℃時(shí)的壓焓圖Fig.7 Pressure-enthalpy diagram when the average temperature in the cabin reaches 18℃

表5 不同工況下熱泵空調(diào)系統(tǒng)的COP值Table 5 COP of the heat pump air conditioner at different conditions

根據(jù)式(1)～式(3)計(jì)算電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的COP時(shí)，由于沒(méi)有考慮變頻電機(jī)到壓縮機(jī)的傳動(dòng)損失及換熱器風(fēng)扇等部件的功耗，因此導(dǎo)致計(jì)算得到的COP可能比實(shí)際值偏大.

5 結(jié)論

本文利用電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)試驗(yàn)平臺(tái)，研究了環(huán)境溫度和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)、車(chē)室內(nèi)平均溫度和COP的影響，得到以下結(jié)論:

1)壓縮機(jī)出口和車(chē)室內(nèi)換熱器出口處工質(zhì)的溫度值和壓力值隨環(huán)境溫度及壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而變大.

2)在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為3400 r/min的情況下，當(dāng)環(huán)境溫度分別為5，-1和-5℃時(shí)，熱泵空調(diào)系統(tǒng)的COP分別為5.74，5.3和4.55.

3)當(dāng)環(huán)境溫度為-5℃時(shí)，熱泵空調(diào)系統(tǒng)能滿(mǎn)足車(chē)室內(nèi)取暖的要求，并且壓縮機(jī)的排氣溫度、排氣壓力等參數(shù)在合適的范圍內(nèi).當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速可以減少車(chē)室內(nèi)達(dá)到舒適溫度的時(shí)間.

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