電動汽車熱泵型空調(diào)除霜實(shí)驗(yàn)研究?

武衛(wèi)東，吳佳瑋，余強(qiáng)元

前言

純電動汽車因具有能源效率高、沒有污染物排放的優(yōu)點(diǎn)，在“十三五”期間整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中將處在十分重要的地位[1]。傳統(tǒng)汽車空調(diào)冬季制熱是由發(fā)動機(jī)冷卻水的熱量實(shí)現(xiàn)，而純電動汽車由于沒有發(fā)動機(jī)及其冷卻水系統(tǒng)，故其空調(diào)系統(tǒng)需要重新設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[2]～文獻(xiàn)[4]中先后以制冷循環(huán)原理提出并研究了不同形式的電動車熱泵空調(diào)系統(tǒng)。

純電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)在冬季制熱循環(huán)時(shí)，車外換熱器作為蒸發(fā)器吸收車外環(huán)境的熱量，車內(nèi)冷凝器向車內(nèi)環(huán)境放熱實(shí)現(xiàn)冬季采暖。由于冬季車外環(huán)境溫度較低，如果車外換熱器表面溫度低于空氣露點(diǎn)溫度，則空氣中的水分會在車外換熱器表面結(jié)露、結(jié)霜，霜層會阻礙車外換熱器與外界環(huán)境的熱量交換，不利于系統(tǒng)的正常運(yùn)行，甚至無法提供正常的采暖功能。實(shí)驗(yàn)表明[5]，當(dāng)車外風(fēng)機(jī)功率恒定時(shí)，車外換熱器結(jié)霜后通風(fēng)量從1 500衰減到950m3/h，系統(tǒng)制冷劑流量由1.5衰減至0.4kg/min，制熱量從2 300降低至1 500W，下降了34.7%，系統(tǒng)COP則從4.8降至3.3，下降幅度達(dá)31.2%。另外，厚重的霜層還會破壞車外換熱器的表面結(jié)構(gòu)，不僅降低了換熱器的換熱能力，而且將引起系統(tǒng)風(fēng)堵、泄漏等問題。因此，純電動汽車熱泵型空調(diào)冬季除霜已成為該領(lǐng)域一個(gè)必需解決的問題(本文中的‘車外換熱器’、‘車外風(fēng)機(jī)’和‘車外過冷器’等在實(shí)驗(yàn)中皆指放置于車外環(huán)境室的設(shè)備；而在實(shí)車中則指放置于發(fā)動機(jī)艙的設(shè)備)。

常見的熱泵空調(diào)除霜方式主要有人工除霜、水沖霜、壓縮空氣除霜、電熱除霜和熱氣融霜[6]。對于純電動汽車，熱氣融霜因?yàn)椴恍枰饧虞o助設(shè)備、能源利用率高等特點(diǎn)而受到業(yè)界的重視。熱氣融霜一般有兩種形式，一種為熱氣旁通融霜，該方法利用制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)排氣管和車外換熱器入口之間的旁通回路，將壓縮機(jī)的高溫排氣直接引入車外換熱器中，將換熱器表面的霜層融化。文獻(xiàn)[7]中對房間空調(diào)器熱氣旁通融霜進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)旁通管路中電磁閥阻力大小對除霜時(shí)間有很大影響。文獻(xiàn)[8]中設(shè)計(jì)了一種新型熱氣旁通融霜方案，它通過旁通閥及管路直接將壓縮機(jī)排氣口與吸氣口連接，除霜時(shí)打開旁通閥，高溫高壓的壓縮機(jī)排氣通過旁通閥至壓縮機(jī)吸氣口，提高吸氣壓力與溫度，進(jìn)而提高系統(tǒng)蒸發(fā)壓力與溫度，使車外換熱器表面溫度高于環(huán)境露點(diǎn)溫度，以達(dá)到除霜目的。該系統(tǒng)具有旁通管路較短、阻力較小，且在車外換熱器除霜期間，車室內(nèi)的出風(fēng)溫度可達(dá)到33.1℃，仍能滿足室內(nèi)舒適度等優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)是除霜時(shí)間較長，除霜次數(shù)頻繁，對系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行不利。

熱氣融霜的另一種形式為逆循環(huán)除霜。它通過四通換向閥的切換，車外換熱器由蒸發(fā)器切換為冷凝器，高溫高壓的壓縮機(jī)排氣直接進(jìn)入車外換熱器對其表面進(jìn)行融霜。文獻(xiàn)[9]中對空氣源熱泵機(jī)組進(jìn)行了熱氣除霜的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在相同實(shí)驗(yàn)條件下逆循環(huán)除霜模式的除霜時(shí)間明顯比熱氣旁通除霜短。文獻(xiàn)[10]中基于風(fēng)冷熱泵機(jī)組，對熱氣旁通除霜和逆循環(huán)除霜進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)逆循環(huán)除霜比熱氣旁通除霜時(shí)間縮短65%；但采用逆循環(huán)除霜時(shí)，室內(nèi)環(huán)境溫度波動較大。文獻(xiàn)[11]中對以CO2為制冷劑的純電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了換熱器表面除霜實(shí)驗(yàn)研究，在壓縮機(jī)排氣口與吸氣口兩處各增加1個(gè)三通閥，以此來替換系統(tǒng)中原有的四通換向閥，當(dāng)開啟除霜模式時(shí)，同時(shí)切換兩個(gè)三通閥，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮的高溫高壓制冷劑先經(jīng)過車外換熱器對其表面進(jìn)行熱氣融霜，而后經(jīng)節(jié)流閥、車內(nèi)換熱器回到壓縮機(jī)完成循環(huán)，研究表明，該除霜方式化霜時(shí)間僅為2.5min，實(shí)際上該方法還是由原來的熱泵系統(tǒng)切換為制冷系統(tǒng)采用逆循環(huán)實(shí)現(xiàn)除霜。文獻(xiàn)[12]中還對該系統(tǒng)進(jìn)行了理論模擬，發(fā)現(xiàn)除霜開始時(shí)間點(diǎn)對系統(tǒng)性能有很大影響，最佳除霜周期在15～20min之間可保證系統(tǒng)較高COP，但該系統(tǒng)是否適用于以R134a為制冷劑的純電動汽車空調(diào)，尚無相關(guān)研究報(bào)道。

綜上所述，兩種熱氣融霜形式各有優(yōu)缺點(diǎn)，各自主要缺點(diǎn)是熱氣旁通融霜除霜時(shí)間較長而逆循環(huán)除霜車內(nèi)溫度波動較大。據(jù)此，本文中基于前人研究，針對R134a熱泵型空調(diào)系統(tǒng)提出了兩種可兼顧兩種熱氣融霜優(yōu)點(diǎn)的除霜形式，并對其進(jìn)行性能測試和除霜效果對比分析，以期找到適用于新型純電動汽車熱泵型空調(diào)除霜的好方法。

1　熱泵型汽車空調(diào)除霜系統(tǒng)設(shè)計(jì)

提出的兩種熱氣除霜循環(huán)方式，如圖1所示。第一種除霜模式為膨脹后低壓熱氣除霜(low pressure hot gas defrosting)，其除霜過程為壓縮機(jī)出口高溫高壓氣體經(jīng)電子膨脹閥膨脹后進(jìn)入車外換熱器放熱，融化換熱器表面霜層。此循環(huán)結(jié)構(gòu)簡單，在原有制冷與熱泵系統(tǒng)上無需增加額外電子膨脹閥。第二種除霜模式為膨脹前高壓熱氣除霜(high pressure hot gas defrosting)，該模式車外換熱器切換為冷凝器，由壓縮機(jī)排出的高溫氣體直接對其進(jìn)行融霜，而后流經(jīng)膨脹閥，再進(jìn)入車外過冷器中蒸發(fā)為低溫低壓氣體，最后進(jìn)入壓縮機(jī)完成循環(huán)。前兩種模式的好處是，除霜期間車內(nèi)換熱器因無制冷劑流過而無任何換熱發(fā)生，不會對車內(nèi)溫度產(chǎn)生較大影響，保證了車內(nèi)舒適的乘坐環(huán)境。為深入分析上述兩種循環(huán)的除霜性能和效果，本文中還引入了第3種除霜模式，即傳統(tǒng)空調(diào)模式逆循環(huán)除霜(reverse cycle defrosting)，進(jìn)行相互對比。與高壓熱氣除霜模式類似，在逆循環(huán)除霜模式中，壓縮機(jī)出口高溫高壓氣體進(jìn)入車外換熱器放熱融霜，而后流經(jīng)電子膨脹閥膨脹，之后進(jìn)入車內(nèi)蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)，完成循環(huán)。

圖1　3種除霜循環(huán)模式原理示意圖

2　除霜性能實(shí)驗(yàn)

2.1　實(shí)驗(yàn)方法與測試工況

針對以上3種除霜模式，在標(biāo)準(zhǔn)焓差實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行除霜性能實(shí)驗(yàn)。焓差室主要由車內(nèi)、車外環(huán)境室、溫濕度采樣系統(tǒng)、空氣流量測量裝置和空氣處理裝置(包括制冷、加熱及加濕機(jī)組)等組成，如圖2所示。焓差室溫度控制精度為±0.5℃，濕度控制精度為±3%。為更好地觀測車外換熱器表面結(jié)霜情況，在車外換熱器前端設(shè)置一個(gè)在線攝像頭，實(shí)驗(yàn)中可實(shí)時(shí)觀察其結(jié)霜及化霜過程。

圖2　焓差環(huán)境室示意圖

為準(zhǔn)確測量各種除霜模式的除霜時(shí)間，首先使整個(gè)R134a熱泵空調(diào)系統(tǒng)開始處于熱泵工況下運(yùn)行，直到車外換熱器表面開始布滿霜層(同時(shí)以通過車外換熱器兩端空氣的壓降為判斷標(biāo)準(zhǔn))，分別切換3種除霜模式，對車外換熱器進(jìn)行除霜實(shí)驗(yàn)，并開始計(jì)時(shí)，當(dāng)車外換熱器表面霜層全部融化時(shí)(車外換熱器兩端空氣壓降恢復(fù)至結(jié)霜前)，結(jié)束計(jì)時(shí)，記錄每種除霜模式對應(yīng)的除霜時(shí)間。結(jié)霜實(shí)驗(yàn)環(huán)境工況如表1所示。對應(yīng)3種除霜模式下熱泵機(jī)組工況如表2所示。其中對低壓熱氣除霜模式測試兩種工況，第一種工況車外風(fēng)機(jī)運(yùn)行，模仿車輛正常行駛(Motion)對除霜時(shí)間的影響，簡稱為低壓熱氣除霜-M，而第二種工況車外風(fēng)機(jī)不運(yùn)行，模仿車輛停止(Static)對除霜時(shí)間的影響，簡稱為低壓熱氣除霜-S。對于被測熱泵機(jī)組壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和電子膨脹閥(electronic expansion valve，EXV)開度的選擇主要考慮系統(tǒng)最高壓力不高于2.0MPa，在此限制下應(yīng)盡量提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和與之相匹配的EXV開度，以縮短除霜時(shí)間。

表1　結(jié)霜實(shí)驗(yàn)環(huán)境工況

表2　3種除霜模式熱泵機(jī)組工況

2.2　數(shù)據(jù)采集與處理

為準(zhǔn)確測量除霜實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)各關(guān)鍵點(diǎn)的溫度和壓力等參數(shù)，在整個(gè)熱泵空調(diào)系統(tǒng)中布置8個(gè)溫度、壓力傳感器(見圖1各圖中數(shù)字標(biāo)號)。溫度傳感器采用PT100鉑電阻，其量程為-50～150℃，精度為±0.3℃，用于制冷劑溫度測量。壓力傳感器采用NS-Z數(shù)字壓力變送器，由于壓力傳感器精度與其量程有關(guān)，為使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更精確，1和5高壓測點(diǎn)傳感器量程為 0～4.5MPa，3和 6傳感器量程為 0～3MPa，2，4，7和 8低壓測點(diǎn)傳感器量程為 0～2.5MPa，精度為±0.05%FS，用于制冷劑壓力測量。為觀察車外換熱器表面結(jié)霜、融霜情況，在換熱器前安裝攝像頭對其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，攝像頭清晰度為720P。為能更好地評價(jià)3種除霜模式，采用功率計(jì)對壓縮機(jī)功率進(jìn)行測量，其精度為±(顯示值×0.1%＋量程×0.1%)。各傳感器測量參數(shù)均采用安捷倫34970A數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行采集，由計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)記錄與處理。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3示出各種除霜模式下整個(gè)除霜過程中壓縮機(jī)排氣壓力的變化曲線。由圖可見，低壓熱氣除霜的排氣壓力最高，除霜結(jié)束時(shí)最高達(dá) 1.5～1.75MPa，高的排氣壓力會使整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)壽命縮短；逆循環(huán)除霜模式下排氣壓力維持在1.0MPa上下，且在除霜過程中有略微下降的趨勢，這是因?yàn)檐噧?nèi)換熱器處于制冷狀態(tài)，車內(nèi)風(fēng)機(jī)不運(yùn)行，制冷劑在車內(nèi)換熱器中不能充分換熱，使壓縮機(jī)吸氣壓力不斷降低造成的；而高壓熱氣除霜模式的排氣壓力最低，雖在除霜過程中壓力逐漸升高，但除霜結(jié)束時(shí)排氣壓力最大值也只有0.65MPa，比逆循環(huán)除霜模式還低。從所需的除霜總時(shí)間看，高壓熱氣除霜模式除霜時(shí)間最短(2min)而低壓熱氣除霜-M除霜時(shí)間最長(為12.6min)，兩者相差10min以上；逆循環(huán)除霜模式居中，為3min。綜上分析可見，高壓熱氣除霜模式在除霜時(shí)間和排氣壓力兩方面均有較大優(yōu)勢。

圖3　不同除霜模式下的除霜時(shí)間及壓縮機(jī)排氣壓力隨除霜時(shí)間變化

為分析不同除霜模式的系統(tǒng)能耗情況，圖4給出了上述各種除霜模式壓縮機(jī)功耗消耗對比圖。圖中曲線是壓縮機(jī)瞬時(shí)功率，W；曲線與橫坐標(biāo)圍成的面積就是除霜過程壓縮機(jī)的累計(jì)能耗，kJ。結(jié)合圖3，從圖4中可以看到:由于低壓熱氣除霜-S高壓側(cè)壓力不斷上升，導(dǎo)致其壓縮機(jī)功率隨壓比不斷升高而增大，其除霜過程總能耗為457.74kJ；而低壓熱氣除霜-M其高壓側(cè)壓力上升幅度較小，所以其壓縮機(jī)功率基本維持在800W左右，除霜過程總能耗為505.93kJ。對于低壓熱氣除霜模式整個(gè)除霜過程，汽車運(yùn)動狀態(tài)(M)壓縮機(jī)功耗略大于汽車靜止?fàn)顟B(tài)(S)，這是因?yàn)樵谄囘\(yùn)動狀態(tài)(M)下，因有風(fēng)機(jī)的強(qiáng)制對流作用，一部分已被除霜的換熱器表面與空氣的換熱增強(qiáng)，帶走一部分本來用于除霜的熱量，使后續(xù)除霜過程更加漫長，功耗有所增加。從圖中還可以看到:雖然逆循環(huán)除霜模式壓縮機(jī)功率維持在一個(gè)較高的水平，但由于其除霜時(shí)間大大縮短，故在整個(gè)除霜過程中壓縮機(jī)能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于低壓熱氣除霜模式，僅為140.57kJ；而高壓熱氣除霜模式因壓縮機(jī)的功率較小，除霜時(shí)間又短，故能耗更小(86.83kJ)，僅約為逆循環(huán)除霜模式能耗的60%。

圖4　壓縮機(jī)功率隨除霜時(shí)間變化圖

上述4種除霜模式各性能參數(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)于表3。盡管高壓熱氣除霜模式除霜時(shí)間較短，排氣壓力較低，壓縮機(jī)能耗較小，是一種較為理想的除霜模式，但須指出，測試工況中，高壓熱氣除霜模式是模擬車輛停止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行的，對于車輛正常行駛狀態(tài)，參考低壓熱氣除霜模式，除霜時(shí)間會略微有所增加。另外由于高壓熱氣除霜模式將車外過冷器當(dāng)作蒸發(fā)器使用，此制冷循環(huán)中蒸發(fā)器容量過小，加之車外環(huán)境工況惡劣(環(huán)境溫度0℃，濕度90%)，過冷器表面較容易結(jié)霜。實(shí)驗(yàn)中通過攝像頭觀測到，當(dāng)車外換熱器除霜過程即將結(jié)束時(shí)，過冷器已經(jīng)被薄薄的霜層覆蓋，但因此模式運(yùn)行時(shí)間很短，對系統(tǒng)不會造成不利影響。而逆循環(huán)除霜模式則沒有上述結(jié)霜問題，這是因?yàn)樵谀嫜h(huán)除霜模式中，蒸發(fā)器處于車內(nèi)，車內(nèi)溫度較高，蒸發(fā)器不會結(jié)霜，但是逆循環(huán)除霜模式對車內(nèi)溫度會有一定程度的影響。綜上分析，低壓熱氣除霜模式在除霜時(shí)間、排氣壓力和壓縮機(jī)能耗方面都不具有優(yōu)勢，而高壓熱氣除霜模式在4種除霜模式中相對較為理想，對純電動汽車熱泵型空調(diào)系統(tǒng)除霜在一定意義上具有推廣價(jià)值。

表3　4種除霜模式性能參數(shù)

為進(jìn)一步了解不同除霜模式的效率情況，利用壓焓圖分析各種除霜模式熱力循環(huán)過程，見圖5。圖中:低壓熱氣除霜模式循環(huán)流程為氣體由點(diǎn)1經(jīng)壓縮機(jī)后達(dá)到點(diǎn)2，而后經(jīng)過電子膨脹閥降壓到點(diǎn)3’，再進(jìn)入車外換熱器冷卻放熱回到點(diǎn)1完成循環(huán)；而高壓熱氣和逆循環(huán)除霜模式循環(huán)均為氣體由點(diǎn)1經(jīng)壓縮機(jī)后達(dá)到點(diǎn)2，而后進(jìn)入車外換熱器冷凝放熱至點(diǎn)3，隨后經(jīng)電子膨脹閥降壓到點(diǎn)4，最后進(jìn)入過冷器或車內(nèi)蒸發(fā)器吸熱至點(diǎn)1完成循環(huán)。低壓熱氣除霜模式循環(huán)實(shí)際運(yùn)行過程中僅有壓縮機(jī)產(chǎn)生的熱量用于除霜(壓縮機(jī)相當(dāng)于電加熱)，而高壓熱氣和逆循環(huán)模式除霜循環(huán)為相同吸氣和排氣壓力與溫度下運(yùn)行的“制冷循環(huán)”，除壓縮機(jī)的產(chǎn)熱量外還有從低溫環(huán)境吸收的熱量用于除霜。正是由于這樣不同的循環(huán)形式，導(dǎo)致在相同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速(即相同循環(huán)制冷劑流量和壓縮機(jī)功耗)下，低壓熱氣模式放熱量遠(yuǎn)小于高壓熱氣和逆循環(huán)除霜模式放熱量，能效比較低，故要獲得相同的除霜效果，其除霜時(shí)間遠(yuǎn)大于高壓熱氣和逆循環(huán)除霜模式。因此，從能效比的角度看，高壓熱氣除霜模式也是最佳選擇。

圖5　3種除霜模式循環(huán)流程壓焓圖

綜上分析，在純電動汽車空調(diào)系統(tǒng)除霜循環(huán)設(shè)計(jì)中，利用壓縮機(jī)排出的高壓熱氣直接除霜可以大大縮短除霜時(shí)間，且設(shè)法利用“制冷循環(huán)”原理，是實(shí)現(xiàn)除霜節(jié)能的有效途徑；同時(shí)避免除霜循環(huán)中吸熱部件(蒸發(fā)器)置于車內(nèi)(實(shí)車中為乘員室)，有利于提高除霜過程中車內(nèi)乘坐舒適度。

4　結(jié)論

針對純電動汽車熱泵型空調(diào)冬季制熱循環(huán)易出現(xiàn)的車外換熱器結(jié)霜問題，提出了兩種除霜循環(huán)，并進(jìn)行了相應(yīng)除霜性能實(shí)驗(yàn)研究。以除霜時(shí)間、排氣壓力和壓縮機(jī)能耗為指標(biāo)，對低壓熱氣除霜-M、低壓熱氣除霜-S、高壓熱氣除霜和逆循環(huán)除霜4種除霜模式進(jìn)行了對比分析，得出如下結(jié)論。

(1)高壓熱氣除霜模式在本文中所研究各種除霜模式中最為理想；其除霜時(shí)間僅2min，為逆循環(huán)除霜模式的2/3，壓縮機(jī)能耗為86.83kJ，為逆循環(huán)除霜模式的60%；且采用高壓熱氣除霜模式，不會對車內(nèi)溫度產(chǎn)生影響，提高了冬季純電動汽車的乘坐舒適度。

(2)高壓熱氣除霜模式除霜過程中，車外過冷器會出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，但由于其除霜時(shí)間很短，且除霜完成系統(tǒng)切回制熱循環(huán)時(shí)，車外過冷器不在制熱循環(huán)內(nèi)，對后期車內(nèi)采暖并無影響。

(3)根據(jù)低壓熱氣除霜實(shí)驗(yàn)結(jié)果，減小車外風(fēng)機(jī)風(fēng)量可有效縮短融霜時(shí)間，因此建議運(yùn)行除霜模式時(shí)關(guān)閉車外風(fēng)機(jī)并關(guān)閉汽車進(jìn)氣柵。

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