適用于-20 ℃環(huán)境的CO2汽車熱泵系統(tǒng)的開發(fā)及性能測(cè)試

江平

(1 上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240； 2 上海高效冷卻系統(tǒng)工程技術(shù)中心 上海 200240)

針對(duì)電動(dòng)汽車在冬季行駛時(shí)采用PTC加熱乘客艙空氣會(huì)消耗較多的電能，從而嚴(yán)重降低冬季續(xù)航里程的問題[1]，近些年國(guó)內(nèi)外汽車廠商逐漸采用熱泵技術(shù)來有效提升電動(dòng)汽車冬季制熱能效，應(yīng)用熱泵技術(shù)的車型有寶馬i3、Nissan Leaf、榮威e550等。但是，采用R134 a制冷劑的汽車熱泵存在隨著室外環(huán)境溫度下降，制熱量和COP衰減嚴(yán)重的現(xiàn)象，在低溫環(huán)境下(<-10 ℃)不能滿足實(shí)際的制熱需求、甚至無法正常運(yùn)行、難以達(dá)到依靠汽車熱泵延長(zhǎng)冬季續(xù)航里程的目的[2-4]。因此，如何在低溫環(huán)境下確保汽車熱泵能夠提供足夠的熱量且達(dá)到一定的制熱能效，是目前汽車熱泵系統(tǒng)應(yīng)用亟待解決的問題。開發(fā)CO2跨臨界汽車熱泵，利用CO2制冷劑在低溫環(huán)境下的熱泵運(yùn)行優(yōu)勢(shì)，是解決該問題的有效手段。

天然工質(zhì)CO2不破壞臭氧層(ODP=0)，溫室氣體效應(yīng)極低(GWP=1)，無毒，不可燃，且具有良好的傳熱性能、較低的流動(dòng)阻力及單位制冷量大等優(yōu)點(diǎn)[5-7]。同時(shí)，由于CO2制冷劑臨界溫度低(31 ℃)、跨臨界循環(huán)壓力高(>7.4 MPa)、節(jié)流損失大，使CO2系統(tǒng)也存在高壓、高溫下制冷循環(huán)效率低等限制其應(yīng)用的缺陷。目前，CO2制冷劑的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括超市冷柜、熱泵熱水器和復(fù)疊循環(huán)系統(tǒng)等。在汽車空調(diào)領(lǐng)域，近些年國(guó)內(nèi)外汽車零部件廠商重新開發(fā)了CO2緊湊型微通道換熱器、電子膨脹閥、電動(dòng)壓縮機(jī)等，逐漸克服了CO2車用空調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性等限制因素。在歐盟對(duì)汽車空調(diào)制冷劑GWP的限制規(guī)定[8]下，德國(guó)奔馳在2017年率先向德國(guó)市場(chǎng)推出了搭載CO2空調(diào)系統(tǒng)的汽車[9]。另一方面，電動(dòng)汽車快速發(fā)展帶來的低溫制熱需求也引起了國(guó)內(nèi)外車企對(duì)CO2熱泵系統(tǒng)的高度關(guān)注，CO2被視為在車用熱泵領(lǐng)域最具應(yīng)用潛力的制冷劑。

現(xiàn)有關(guān)于CO2汽車空調(diào)的研究，主要集中在常規(guī)的汽車空調(diào)系統(tǒng)。陳江平等[10-11]建立了CO2汽車空調(diào)仿真模型，分析了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，研究了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)裝車樣機(jī)。胡兵等[12]在KULI汽車熱管理的平臺(tái)上構(gòu)建了CO2汽車空調(diào)模型，分析了中間換熱器節(jié)流面積對(duì)系統(tǒng)性能的影響，獲得最優(yōu)系統(tǒng)匹配并開展了臺(tái)架的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。CO2熱泵系統(tǒng)的研究，主要集中在CO2熱泵熱水器。日本Eco-cute系列熱泵熱水器[13]實(shí)現(xiàn)了90 ℃的出水水溫并達(dá)到了較高的系統(tǒng)能效(-10 ℃環(huán)境COP=1.94，10 ℃環(huán)境COP=2.98)。針對(duì)CO2汽車熱泵系統(tǒng)，S. C. Kim等[14-15]實(shí)驗(yàn)研究了燃料汽車熱泵系統(tǒng)性能，對(duì)比了燃料電池?zé)嵩磽Q熱器和室外換熱器的結(jié)構(gòu)布置方式，研究表明采用CO2熱泵和PTC結(jié)合的系統(tǒng)能效最高，采用燃料電池廢熱對(duì)室外蒸發(fā)器預(yù)熱可以使COP提升22%。H. Hammer等[16]對(duì)采用CO2熱泵系統(tǒng)的整車開展風(fēng)洞升溫實(shí)驗(yàn)，表明CO2熱泵制熱效果優(yōu)于PTC直接加熱，甚至優(yōu)于燃油車暖風(fēng)芯體供熱效果。

CO2汽車熱泵系統(tǒng)具有非常好的應(yīng)用潛力，但由于CO2熱泵系統(tǒng)和常規(guī)的汽車空調(diào)、熱泵熱水器都存在非常大的運(yùn)行環(huán)境、設(shè)計(jì)目標(biāo)的差異，現(xiàn)有針對(duì)電動(dòng)汽車開發(fā)的CO2汽車熱泵系統(tǒng)的公開文獻(xiàn)很少，因此需要對(duì)其開展深入的系統(tǒng)循環(huán)理論分析以及實(shí)驗(yàn)研究。

本文根據(jù)電動(dòng)汽車冬季制熱的實(shí)際需求，開發(fā)了適用于-20 ℃低溫環(huán)境的CO2汽車熱泵的關(guān)鍵零部件及系統(tǒng)。采用理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，研究了室內(nèi)外環(huán)境溫度、高壓控制等因素對(duì)CO2低溫?zé)岜弥茻嵝阅艿挠绊懸?guī)律，總結(jié)了-20 ℃低溫環(huán)境下CO2熱泵運(yùn)行的系統(tǒng)循環(huán)規(guī)律。為CO2汽車熱泵的推廣應(yīng)用、零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)的控制策略開發(fā)奠定良好的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 CO2汽車熱泵循環(huán)

1.1 CO2汽車熱泵系統(tǒng)

現(xiàn)有的三換熱器汽車熱泵系統(tǒng)是在原有的R134a汽車空調(diào)基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)，加熱模塊采用增加室內(nèi)換熱器或者通過板式換熱器加熱冷卻液的方式，借助電磁閥的切換和電子膨脹閥以及水泵的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)制冷和制熱模式的切換。采用三換熱器形式的CO2汽車熱泵系統(tǒng)，與常規(guī)的三換熱器熱泵系統(tǒng)相類似，區(qū)別在于CO2系統(tǒng)需安裝中間換熱器，如圖1所示。

1壓縮機(jī)；2室內(nèi)氣冷器；3蒸發(fā)器；4膨脹閥；5電磁閥；6中間換熱器；7儲(chǔ)液器；8室外換熱器。圖1 采用三換熱器形式的CO2汽車熱泵系統(tǒng)Fig.1 CO2 automotive heat pump system with the three heat exchangers

本文主要研究CO2熱泵系統(tǒng)低溫制熱性能，CO2熱泵制熱與常規(guī)汽車空調(diào)制冷在運(yùn)行換熱器的布局、工況環(huán)境等方面存在明顯的區(qū)別。從換熱器布局角度，熱泵制熱循環(huán)的氣冷器位于HVAC內(nèi)部，屬于高壓側(cè)，主要特點(diǎn)為空間約束較為苛刻，風(fēng)量受鼓風(fēng)機(jī)的限制；蒸發(fā)器位于前端模塊，屬于低壓側(cè)，安裝空間相對(duì)較大，風(fēng)速則與汽車行駛速度有關(guān)。從運(yùn)行工況環(huán)境角度，CO2熱泵空調(diào)主要考慮適用于低溫環(huán)境下的制熱能力，室外側(cè)的溫度變化范圍在-20～10 ℃，室內(nèi)側(cè)的溫度考慮汽車?yán)鋯?dòng)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的狀態(tài)，溫度變化范圍在-20～20 ℃。因此，CO2熱泵制熱與常規(guī)制冷在換熱器布局、運(yùn)行工況、設(shè)計(jì)目的等方面均存在明顯的區(qū)別，需要根據(jù)相應(yīng)的特點(diǎn)進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。

圖2和圖3分別為采用CO2和常規(guī)R134a制冷劑的熱泵理論循環(huán)lgp-h和T-S圖。由圖2可知，R134a在高壓側(cè)存在冷凝相變過程，而CO2制冷劑高壓側(cè)則存在非常大的溫度滑移，CO2熱泵循環(huán)的壓縮機(jī)壓比遠(yuǎn)小于R134a的壓比。二者物性的差異決定了熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的區(qū)別。對(duì)于CO2汽車熱泵系統(tǒng)，需要結(jié)合制熱運(yùn)行工況、利用CO2的溫度滑移特性，才能提升CO2汽車熱泵系統(tǒng)性能。日本的Eco-cute系列熱泵熱水器通過采用高效的三段式加熱的氣冷器結(jié)構(gòu)，有效提升了CO2熱泵性能且出水溫度達(dá)到90 ℃。開發(fā)高效的風(fēng)冷室內(nèi)氣冷器以及構(gòu)建合理的室內(nèi)換熱器布局是CO2熱泵系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵。

圖2 CO2和R134a的熱泵理論循環(huán)lgp-h圖Fig.2 lgp-h diagram of CO2 and R134a heat pump theoretical cycles

圖3 CO2和R134a的熱泵理論循環(huán)T-S圖Fig.3 T-S diagram of CO2 and R134a heat pump theoretical cycles

1.2 CO2汽車熱泵性能影響因素分析

針對(duì)低溫環(huán)境下使用的汽車熱泵，制熱量和制熱COP(COPh)是衡量熱泵系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。由于吸氣比容、高壓壓力、氣冷器出口溫度(Tg,out)、蒸發(fā)溫度(Te)等因素對(duì)制熱量和COPh影響較大，因此首先需要明確這些因素對(duì)CO2汽車熱泵的影響。

圖4所示為CO2和常規(guī)R134a制冷劑的吸氣密度與Te的關(guān)系(假設(shè)吸氣過熱度均為5 ℃，以0 ℃的吸氣密度作為參考基準(zhǔn))。由圖4可知，Te每降低5 ℃，CO2制冷劑的吸氣密度平均降低15%，R134a制冷劑的吸氣密度平均降低18%。當(dāng)Te從0 ℃降低到-25 ℃，CO2制冷劑的吸氣密度降低53%。 當(dāng)Te=-25 ℃時(shí)，相比于R134a，CO2吸氣密度比高27%。吸氣密度和制冷劑流量呈正比關(guān)系，溫度對(duì)吸氣密度的影響是熱泵系統(tǒng)制熱量在低溫環(huán)境下大幅度衰減的主要原因。由于CO2吸氣密度受溫度影響程度低于R134a，因此采用CO2作為制冷劑的低溫?zé)岜孟到y(tǒng)流量、制熱量會(huì)遠(yuǎn)高于R134a。

圖4 CO2和R134a的吸氣密度與Te的關(guān)系Fig.4 Relations between suction density and evaporation temperature of CO2 and R134a

圖5 不同Tg,out時(shí)COPh與系統(tǒng)高壓壓力的關(guān)系Fig.5 Relations between COPh and discharge pressure under different gas cooler outlet temperatures

圖5所示為在不同Tg,out下COPh與系統(tǒng)高壓壓力的關(guān)系(設(shè)定Te=-10 ℃，假設(shè)壓縮機(jī)的等熵效率=0.7，忽略所有部件的壓降和熱損失)。由圖5可知，Tg,out每升高5 ℃，最佳系統(tǒng)高壓壓力平均升高1 MPa，最佳COPh平均降低15%。當(dāng)Tg,out<30 ℃時(shí)(小于臨界溫度31 ℃), 最佳系統(tǒng)高壓接近Tg,out對(duì)應(yīng)的平衡壓力，這是由于高壓側(cè)處于亞臨界狀態(tài)，與常規(guī)R134a制冷劑高壓側(cè)冷凝相變換熱過程中，降低換熱溫度可以提升系統(tǒng)性能的規(guī)律一致；當(dāng)Tg,out>35 ℃時(shí)(大于臨界溫度31.4 ℃)，高壓側(cè)處于超臨界狀態(tài)，存在最佳系統(tǒng)高壓壓力，與常規(guī)CO2跨臨界制冷循環(huán)的最佳系統(tǒng)高壓受Tg,out的影響規(guī)律一致。

圖6所示為不同Te下COPh與系統(tǒng)高壓壓力的關(guān)系(Tg,out=30 ℃，假設(shè)壓縮機(jī)的等熵效率=0.7，忽略所有部件的壓降和熱損失)。由圖6可知，Te每降低5 ℃，最佳系統(tǒng)高壓壓力基本保持不變，最佳COPh平均降低10%。因此最佳系統(tǒng)高壓主要和Tg,out有關(guān)，在理論假設(shè)條件下Te的改變對(duì)最佳的系統(tǒng)高壓無影響；Te的降低則會(huì)增加壓縮機(jī)壓比，增加功耗，使COPh下降。

圖6 不同Te下COPh與系統(tǒng)高壓壓力的關(guān)系Fig.6 Relations between COPh and discharge pressure under different evaporation temperatures

2 CO2汽車熱泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

2.1 測(cè)試系統(tǒng)

本文以CO2汽車熱泵的制熱性能為研究重點(diǎn)，在滿足現(xiàn)有車用空調(diào)的安裝空間尺寸的前提下，根據(jù)CO2制冷劑的物性，開發(fā)了適用于CO2汽車熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件。圖7所示為CO2熱泵測(cè)試系統(tǒng)，根據(jù)該系統(tǒng)開展系統(tǒng)制熱性能實(shí)驗(yàn)。室內(nèi)氣冷器和室外蒸發(fā)器為微通道平行流換熱器，采用高耐壓扁管材料、扁管折彎工藝、集流管新型設(shè)計(jì)等，使室內(nèi)氣冷器最大工作壓力達(dá)到11 MPa，室外換熱器最大工作壓力達(dá)到15 MPa，克服了微通道換熱器用于CO2汽車空調(diào)耐高壓的技術(shù)挑戰(zhàn)，芯體尺寸寬度×長(zhǎng)度×厚度分別為314 mm×225 mm×65 mm和645 mm×456 mm×16 mm；壓縮機(jī)為直流變頻的滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，排量為6 cm3/r，轉(zhuǎn)速范圍為1 800～7 200 r/min，壓縮機(jī)排氣溫度≤120 ℃；節(jié)流機(jī)構(gòu)采用CO2專用電子膨脹閥(EXV)，通過手動(dòng)控制EXV的開度來調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量，以此靈活改變系統(tǒng)高壓；回?zé)崞鞑捎貌讳P鋼板式換熱器，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、高耐壓的特點(diǎn)，外形尺寸(寬度×長(zhǎng)度×厚度)為111 mm×310 mm×28.2 mm。

1壓縮機(jī)；2室內(nèi)氣冷器；3中間換熱器；4質(zhì)量流量計(jì)；5電子膨脹閥；6室外蒸發(fā)器；7儲(chǔ)液器；8變頻器；9功率計(jì)；溫度測(cè)點(diǎn)；溫度壓力測(cè)點(diǎn)。圖7 CO2汽車熱泵測(cè)試系統(tǒng)Fig.7 Schematic diagram of CO2 automotive heat pump test rig

CO2汽車熱泵系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試在汽車空調(diào)焓差性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。氣冷器和蒸發(fā)器分別安裝在包括室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)的風(fēng)道入口處，通過制冷機(jī)組、加熱器和加濕器的自動(dòng)調(diào)節(jié)來控制室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)環(huán)境的溫濕度。由變頻器分別控制氣冷器、蒸發(fā)器風(fēng)道的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)氣冷器和蒸發(fā)器的風(fēng)量(即調(diào)節(jié)迎面風(fēng)速)。壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速通過直流變頻器進(jìn)行無極調(diào)速。所用傳感器和精度分別為：K型熱電偶±0.5 ℃；壓阻式壓力傳感器±0.5%；功率計(jì)±0.05 kW；壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速由變頻器輸出頻率換算得到；壓縮機(jī)功耗(包含壓縮機(jī)和變頻器)由直接測(cè)量變頻器的輸入功率得到；系統(tǒng)制熱量由室內(nèi)氣冷器空氣側(cè)比熱容法計(jì)算得到。在本文的實(shí)驗(yàn)測(cè)試范圍內(nèi)，制熱量、壓縮機(jī)功耗、COPh測(cè)試的相對(duì)不確定度范圍分別為2.5%、1.0%和3.5%。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

考慮汽車熱泵系統(tǒng)需要適用于惡劣的室外環(huán)境工況，開發(fā)的CO2汽車熱泵系統(tǒng)在最低為-20 ℃的環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試?？紤]汽車?yán)鋯?dòng)、混入新風(fēng)、乘客艙穩(wěn)態(tài)等不同工況下的室內(nèi)側(cè)進(jìn)風(fēng)溫度，研究了不同室外溫度下室內(nèi)溫度的變化對(duì)熱泵性能的影響。此外，40 ℃被認(rèn)為是滿足乘客舒適度要求的室內(nèi)換熱器出風(fēng)溫度，還研究了在氣冷器進(jìn)風(fēng)溫度(Tg,a,in)=20 ℃和氣冷器出風(fēng)溫度(Tg,a,out)=40 ℃條件下，室外溫度的變化對(duì)熱泵性能的影響。表1所示為詳細(xì)的CO2熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試控制條件。另外室內(nèi)側(cè)風(fēng)量保持為350 m3/h，室外側(cè)迎風(fēng)風(fēng)速保持為3 m/s。

表1 熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試控制條件

根據(jù)CO2熱泵循環(huán)理論分析可知，需要調(diào)整系統(tǒng)高壓壓力才能達(dá)到最優(yōu)COPh。充注量、EXV開度是影響系統(tǒng)高壓壓力的關(guān)鍵變量。在測(cè)試過程中，發(fā)現(xiàn)若充注量過多，壓縮機(jī)吸氣過熱器會(huì)降低，使EXV調(diào)整到最佳高壓壓力時(shí)吸氣無過熱度；若充注量過少，吸氣過熱度會(huì)增大，使EXV調(diào)整到最佳高壓壓力時(shí)排氣溫度>120 ℃。因此某一低溫工況環(huán)境下，調(diào)節(jié)充注量和EXV開度使其同時(shí)滿足達(dá)到最佳系統(tǒng)高壓、排氣溫度≤110 ℃、吸氣過熱度>5 ℃，以此確定最佳的充注量。在其他實(shí)驗(yàn)工況下，滿足排氣溫度>120 ℃、吸氣過熱的前提下，調(diào)節(jié)EXV的開度，系統(tǒng)在不同的高壓壓力下運(yùn)行，選擇使COPh達(dá)到最大高壓壓力作為系統(tǒng)性能的測(cè)試點(diǎn)。最佳的系統(tǒng)高壓點(diǎn)根據(jù)理論計(jì)算和多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果確定。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 室內(nèi)外環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)制熱性能的影響

為了研究室內(nèi)外環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)制熱性能的影響，實(shí)驗(yàn)在確定的系統(tǒng)充注量和固定的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下(3 900 r/min)進(jìn)行，詳細(xì)的測(cè)試控制條件如表1所示。在COPh達(dá)到最大高壓壓力作為系統(tǒng)性能的測(cè)試點(diǎn)。圖8所示為室內(nèi)外環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)制熱量和COPh的影響。隨著Tg,a,in的增加或室外溫度的降低，系統(tǒng)制熱量和COPh均下降。當(dāng)Tg,a,out=20 ℃，隨著室外溫度從10 ℃下降到-20 ℃，制熱量下降36.3%(4.0～2.6 kW)， COPh下降27.4%(2.12下降到1.54)，說明室外溫度的變化對(duì)制熱量的影響程度大于對(duì)COPh的影響。這是由于室外溫度的變化直接引起Te、吸氣密度、制冷劑流量的改變，因此對(duì)制熱量的影響更大。當(dāng)室外溫度為-20 ℃，隨著Tg,a,in從-20 ℃增加到20 ℃，制熱量下降28.8%(從3.6 kW下降到2.6 kW)，COPh下降49.5%(從3.05下降到1.54)，說明Tg,a,in的變化對(duì)制熱量的影響程度小于對(duì)COPh的影響。這是由于COPh由制熱量/壓縮機(jī)功耗得到，隨著Tg,a,in的增加，排氣壓力也隨之升高，壓縮機(jī)功耗增加。因此當(dāng)Tg,a,in增加時(shí)，COPh的衰減程度會(huì)大于制熱量的衰減。

圖8 室內(nèi)外環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)制熱量和COPh的影響Fig.8 Impacts of indoor and outdoor environment temperatures on heating capacity and COPh

圖9所示為室內(nèi)外環(huán)境溫度對(duì)氣冷器出口壓力(pg,out)及Tg,a,out的影響。隨著Tg,a,in增加或室外溫度的升高，pg,out和Tg,out均增加。Tg,a,in的增加，會(huì)直接引起Tg,a,out的增加，從而引起Tg,out、pg,out的增加；室外溫度的增加，會(huì)引起系統(tǒng)流量、制熱效率的增加，從而引起Tg,a,out、Tg,out、pg,out的增加。在3 900 r/min壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下，當(dāng)室內(nèi)外均為-20 ℃時(shí)，Tg,a,out達(dá)到12.1 ℃，COPh為3.15；當(dāng)室內(nèi)外均為-10 ℃時(shí)，Tg,a,out達(dá)到24.3 ℃，COPh為2.91，說明CO2汽車熱泵系統(tǒng)在低溫冷啟動(dòng)的環(huán)境中具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)。當(dāng)Tg,a,in=20 ℃，Tg,a,out均達(dá)到43 ℃以上，最高達(dá)到59.7 ℃；但同時(shí)Tg,out也隨之增加(>34 ℃)，使得系統(tǒng)最優(yōu)高壓壓力也不斷升高(>8.6 MPa)，系統(tǒng)高壓的升高會(huì)引起排氣溫度的增加，由于壓縮機(jī)排氣溫度的限制，在相當(dāng)高的Tg,a,out下無法進(jìn)一步提高排氣壓力，使得系統(tǒng)效率未達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。在后續(xù)針對(duì)CO2熱泵系統(tǒng)開發(fā)中，壓縮機(jī)極限排氣溫度須達(dá)到130 ℃以上，才能保證在低溫環(huán)境、高Tg,a,out要求下熱泵系統(tǒng)效率達(dá)到最佳點(diǎn)。

圖9 室內(nèi)外環(huán)境溫度對(duì)pg,out和Tg,a,out的影響Fig.9 Impacts of indoor and outdoor environment temperatures on outlet pressure of gas cooler and outlet air temperature

3.2 -20 ℃室外環(huán)境的熱泵系統(tǒng)循環(huán)

針對(duì)-20 ℃的低溫環(huán)境工況，進(jìn)一步對(duì)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)循環(huán)分析，明確CO2汽車熱泵系統(tǒng)在-20 ℃環(huán)境的運(yùn)行特征。隨著室內(nèi)溫度的變化(-20～20 ℃)，只改變閥的開度，CO2汽車熱泵系統(tǒng)均能夠穩(wěn)定正常運(yùn)行，且實(shí)現(xiàn)了23～32 ℃的升溫，COPh為1.54～3.05，說明開發(fā)的CO2汽車熱泵系統(tǒng)能夠完全適應(yīng)低溫環(huán)境工況，且能滿足低溫汽車制熱需求。

圖10和圖11分別表示隨室內(nèi)Tg,a,in變化的熱泵循環(huán)lgp-h和T-S圖(室外溫度為-20 ℃)。隨著Tg,a,in的增加，排氣壓力從5.9 MPa增加到9.2 MPa，Tg,out從10.8 ℃增加到36.2 ℃，排氣溫度從86 ℃增加到107 ℃。從高壓側(cè)分析：當(dāng)Tg,a,in較低時(shí)，系統(tǒng)處于亞臨界狀態(tài)運(yùn)行，冷凝溫度和Tg,a,out的溫差僅為1～3 ℃，系統(tǒng)過冷度為2～7 ℃；當(dāng)Tg,a,in較高時(shí)，系統(tǒng)處于跨臨界狀態(tài)運(yùn)行，Tg,out可低于Tg,a,out約6～8 ℃。說明設(shè)計(jì)的微通道氣冷器已經(jīng)具有很好的換熱性能，若后續(xù)對(duì)氣冷器進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，則可以進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能。

圖10 隨Tg,a,in的熱泵循環(huán)T-S圖(室外溫度=-20 ℃)Fig.10 T-S diagram of heat pump cycles varying with indoor air temperature (outdoor temperature is -20 ℃)

圖11 隨Tg,a,in變化的熱泵循環(huán)lgp-h圖(室外溫度=-20 ℃)Fig.11 lgp-h diagram of heat pump cycles varying with indoor air temperature (outdoor temperature is -20 ℃)

從低壓側(cè)分析：蒸發(fā)器的入口干度為0.10～0.25，出口干度約為0.74～0.89。由于中間換熱器使氣冷器出口溫度降低約20～25 ℃，從而入口干度得到有效降低，說明設(shè)計(jì)的中間換熱器對(duì)降低入口干度、提升蒸發(fā)器的換熱效率起到重要作用，尤其對(duì)于Tg,a,out較高的情況。另一方面，蒸發(fā)器和-20 ℃低溫空氣的換熱溫差為5～7 ℃，而采用R134a的低溫?zé)岜谜舭l(fā)側(cè)的換熱溫差在10 ℃以上，這說明設(shè)計(jì)的CO2室外蒸發(fā)器在低溫環(huán)境下仍能保持非常好的換熱性能，與中間換熱器、CO2物性、蒸發(fā)器設(shè)計(jì)有關(guān)。

3.3 穩(wěn)態(tài)工況下室外溫度對(duì)COPh的影響

針對(duì)汽車熱泵穩(wěn)態(tài)的運(yùn)行工況(Tg,a,in=20 ℃，Tg,a,out=40 ℃)，實(shí)驗(yàn)在確定的系統(tǒng)充注量和固定室內(nèi)進(jìn)風(fēng)溫度下進(jìn)行，在不同的室外溫度下，通過改變壓縮機(jī)的頻率以及電子膨脹閥的開度，使Tg,a,out>40 ℃，且系統(tǒng)制熱性能達(dá)到最佳。詳細(xì)的測(cè)試控制條件如表1所示。由于室內(nèi)側(cè)風(fēng)量、Tg,a,in均為環(huán)境控制變量，實(shí)驗(yàn)控制的Tg,a,out在40～41 ℃，制熱量基本保持不變?yōu)?.2～2.3 kW。

圖12所示為穩(wěn)態(tài)工況室外溫度對(duì)COPh、功耗和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。隨著室外溫度從-20 ℃增加到0 ℃，壓縮機(jī)功耗從1.3 kW下降到0.9 kW， COPh從1.72增加到2.51。這主要是由于制熱量基本保持不變，而壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速從3 240 r/min 降至2 040 r/min，引起壓縮機(jī)功耗下降，COPh增加。從壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速角度分析，若環(huán)境溫度從0 ℃下降到-20 ℃，則壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速需要提升59%，根據(jù)1.2節(jié)分析的吸氣密度的變化，若不考慮換熱溫差，則吸氣密度降低約53%，因此對(duì)于CO2熱泵系統(tǒng)，低溫環(huán)境下轉(zhuǎn)速的提升主要由吸氣密度引起，壓縮機(jī)容積效率的降低、換熱溫度增大對(duì)轉(zhuǎn)速相對(duì)較小。從穩(wěn)態(tài)工況熱泵性能角度分析，開發(fā)的CO2熱泵系統(tǒng)在-20 ℃環(huán)境下COPh達(dá)到1.72、0 ℃環(huán)境下達(dá)到2.51，優(yōu)于常規(guī)R134a的熱泵系統(tǒng)性能。

圖12 穩(wěn)態(tài)工況室外溫度對(duì)COPh、功耗和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的影響Fig.12 Impacts of outdoor temperature on COPh, compressor work and compressor speed under stable conditions

圖13 穩(wěn)態(tài)工況室外溫度對(duì)各個(gè)點(diǎn)溫度和壓力的影響Fig.13 Impacts of outdoor temperature on temperatures and pressures at different points under stable conditions

圖13所示為穩(wěn)態(tài)工況室外溫度對(duì)各個(gè)溫度和壓力測(cè)點(diǎn)的影響。隨著室外溫度的變化，排氣壓力、Tg,out基本保持不變，這主要是由于室內(nèi)側(cè)的進(jìn)出風(fēng)條件、氣冷器的換熱量控制相同，因此Tg,out、最優(yōu)系統(tǒng)高壓則基本不變。隨著室外溫度的增加，吸氣過熱度從20 ℃增加到30 ℃左右，排氣溫度從115 ℃降低到100 ℃，系統(tǒng)一致保持在穩(wěn)定的工作狀態(tài)內(nèi)。

4 結(jié)論

本文開發(fā)的CO2汽車熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，且具有非常好的制熱性能，得到如下結(jié)論：

1)CO2熱泵系統(tǒng)制熱性能與系統(tǒng)高壓、室內(nèi)外環(huán)境溫度等因素有關(guān)，室內(nèi)溫度Tg,a,in對(duì)COPh的影響大于對(duì)制熱量的影響，室外溫度的影響則相反。

2)CO2熱泵系統(tǒng)在汽車?yán)鋯?dòng)情況下性能優(yōu)勢(shì)最為顯著，室內(nèi)外均為-20 ℃時(shí)COPh可達(dá)到3.15，制熱量為3.6 kW。

3)在Tg,a,in=20 ℃條件下，Tg,a,out均能達(dá)到40 ℃以上，COPh最低為1.72；設(shè)計(jì)的蒸發(fā)器、氣冷器均具有較好的換熱性能；在低溫環(huán)境下使用的CO2壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速提升幅度遠(yuǎn)小于R134a。

4)為進(jìn)一步使CO2汽車熱泵系統(tǒng)適應(yīng)于低溫環(huán)境，后續(xù)需要對(duì)CO2壓縮機(jī)排氣溫度提出更高的要求。

5)基于CO2汽車熱泵在低溫環(huán)境下的顯著性能優(yōu)勢(shì)，采用CO2汽車熱泵則可以解決目前R134a低溫制熱能力不足的問題，延長(zhǎng)電動(dòng)車冬季續(xù)航里程；相比于常規(guī)汽車，CO2制冷劑在電動(dòng)汽車上推廣使用更具有潛力。

符號(hào)說明

p——壓力，MPa

T——溫度，℃

COPh——制熱COP

Tg,a,in——室內(nèi)側(cè)氣冷器入風(fēng)溫度，℃

Tg,a,out——室內(nèi)側(cè)氣冷器出風(fēng)溫度，℃

Tg,out——?dú)饫淦髦评鋭┏隹跍囟龋?/p>

pg,out——?dú)饫淦髦评鋭┏隹趬毫?，MPa

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