帶補氣的電動客車熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱特性試驗研究

菅晨光， 李海軍， 蘇之勇， 時帥領(lǐng)， 常桂銘， 禹佩利

(中原工學(xué)院 能源與環(huán)境學(xué)院， 河南 鄭州 450007)

日漸突出的環(huán)境污染和能源緊缺問題是當(dāng)今社會亟待解決的兩大世界性難題，目前存有量巨大的燃油機(jī)動車不僅消耗了大量的石油能源，而且尾氣排放物是大氣污染的主要來源之一。據(jù)《中國機(jī)動車環(huán)境管理年報(2018)》統(tǒng)計[1]，2017年全國機(jī)動車四項污染物排放總量初步核算為4 359.7萬噸，其中汽車排放的一氧化碳(CO)和碳?xì)浠衔?HC)占比超過80%，氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM)占比超過90%。近年來，隨著我國霧霾天氣形勢的日漸嚴(yán)峻，節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)政策的大力實施，新能源純電動汽車產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展。傳統(tǒng)的燃油汽車主要利用發(fā)動機(jī)冷卻液的余熱來供暖，而電動汽車冬季供暖主要由熱泵空調(diào)系統(tǒng)、燃油加熱器系統(tǒng)和PTC電加熱系統(tǒng)來實現(xiàn)。其中電動客車多采用獨立的燃油加熱器為車內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定地供暖，這種供暖方式雖然不影響動力電池的續(xù)航里程，但卻消耗燃油，增加尾氣排放量[2]。PTC電加熱系統(tǒng)雖然供暖可靠，但是效率極低，嚴(yán)重消耗電能，極大地縮短了電動汽車?yán)m(xù)航里程。熱泵空調(diào)系統(tǒng)不僅供暖效率高，而且能實現(xiàn)冬季供暖、夏季制冷的自由切換。為了解決當(dāng)前電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)冬季制熱時普遍存在的系統(tǒng)效率低、制熱量不足等問題，很多學(xué)者做了相關(guān)研究。如：李海軍等對混氣型電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)建立了模型，并設(shè)計了一種適用于電動汽車熱泵空調(diào)的低壓混氣型渦旋壓縮機(jī)[3-4]；唐景春等根據(jù)中間補氣壓力在渦旋壓縮機(jī)靜盤上開兩個對稱的補氣孔，將補氣增焓技術(shù)應(yīng)用到了電動汽車空調(diào)系統(tǒng)中[5]；劉旗等采用噴氣增焓的小型渦旋壓縮機(jī)，研制了用于電動汽車的新型蒸汽噴射式準(zhǔn)二級壓縮熱泵空調(diào)系統(tǒng)[6]；彭慶豐等在純電動汽車空調(diào)系統(tǒng)中引入噴射器，設(shè)計研制了基于小型渦旋壓縮機(jī)的二級壓縮噴射熱泵空調(diào)系統(tǒng)[7]。這些研究多利用補氣增焓技術(shù)來提升電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能，但是采用不同補氣方式對同一電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行研究的較少。

本文設(shè)計并搭建了以R410a為制冷劑，可以實現(xiàn)不補氣、低壓補氣、中壓補氣3種方式自由切換的電動客車熱泵空調(diào)系統(tǒng)試驗臺。在不同低溫工況下，對該試驗臺進(jìn)行測試，旨在對比分析不同補氣方式對系統(tǒng)性能的影響，為進(jìn)一步優(yōu)化電動客車熱泵空調(diào)系統(tǒng)提供參考。

1 補氣型電動客車熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理

1.1 制熱原理

補氣型電動客車熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱原理如圖1所示。

圖1 電動客車熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱原理圖

由圖1可知，壓縮機(jī)排出的高溫高壓氣態(tài)制冷劑經(jīng)四通閥流向車內(nèi)換熱器，在車內(nèi)換熱器內(nèi)冷凝放熱變?yōu)楦邷馗邏旱囊簯B(tài)制冷劑，經(jīng)過儲液器、干燥過濾器、中間板式換熱器，并在經(jīng)過中間板式換熱器后分成兩路：一路為主路循環(huán)，通過主路電子膨脹閥節(jié)流降壓后變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍庖夯旌现评鋭┝飨蜍囃馄叫辛鲹Q熱器，經(jīng)蒸發(fā)吸熱變?yōu)檫^熱氣態(tài)制冷劑返回到壓縮機(jī)被壓縮成高溫高壓氣態(tài)制冷劑完成一個制熱循環(huán)；另一路為補氣循環(huán)，通過補路電子膨脹閥節(jié)流降壓變?yōu)榈蜏刂评鋭嫦蛄魅胫虚g板式換熱器吸收流經(jīng)中間板式換熱器的制冷劑熱量，之后通過切換低壓補氣或者中壓補氣的手動閥，使其在低壓補氣口或中壓補氣口與主路循環(huán)的制冷劑混合，再被壓縮機(jī)壓縮為高溫高壓氣態(tài)制冷劑進(jìn)行下一個循環(huán)。

1.2 補氣原理

本系統(tǒng)為低壓補氣和中壓補氣兩種補氣方式切換的準(zhǔn)雙級壓縮熱泵循環(huán)系統(tǒng)。其中低壓補氣理論循環(huán)壓焓圖如圖2所示。

圖2 低壓補氣理論循環(huán)壓焓圖

由圖2可知，高溫高壓制冷劑在冷凝器中放熱冷凝至狀態(tài)點5分為兩路，其中補路制冷劑經(jīng)電子膨脹閥節(jié)流至狀態(tài)點6，經(jīng)過中間板式換熱器與主路制冷劑實現(xiàn)換熱變?yōu)闋顟B(tài)點7，再經(jīng)過一段短管節(jié)流至狀態(tài)點8；而主路制冷劑被再冷卻至狀態(tài)點3，經(jīng)主路電子膨脹閥節(jié)流至狀態(tài)點4，進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)吸熱到低壓補氣口變?yōu)闋顟B(tài)點1，與補路制冷劑混氣變?yōu)闋顟B(tài)點9進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮至狀態(tài)點2′，完成低壓補氣循環(huán)。

中壓補氣理論循環(huán)壓焓圖如圖3所示。

圖3 中壓補氣理論循環(huán)壓焓圖

由圖3可知，中壓補氣模式下的循環(huán)過程與低壓補氣循環(huán)基本相同，只是補氣口的位置開在渦旋壓縮機(jī)靜盤的中壓壓縮腔上，兩種補氣方式都增加了回路中制冷劑的焓差，提高了制熱量。

2 實 驗

2.1 測試工況

在標(biāo)準(zhǔn)焓差實驗室內(nèi)搭建本研究系統(tǒng)的試驗臺并進(jìn)行測試。依據(jù)GB/T21361-2017《汽車用空調(diào)器》[8]和QC/T656-2000《汽車空調(diào)制冷裝置試驗方法》[9]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，制定實驗測試工況如表1所示。

1.2.2 藥物護(hù)理 ①抗甲亢藥物：應(yīng)用后，要對患者粒細(xì)胞變化、肝功能情況格外注意，一旦降低粒細(xì)胞、肌肉痛或損傷肝腎功能現(xiàn)象出現(xiàn)，要立即匯報給醫(yī)生，患者用藥維持時間要比單純甲亢患者長，嚴(yán)格遵照醫(yī)囑確定藥量及用藥時間。②降糖藥物：患者如僅具有輕微的糖尿病癥狀，治療時的降糖藥物可選擇磺脲類，未有效控制甲狀腺功能亢進(jìn)情況下，雙胍類藥物要慎重選擇；患者如具有較重的糖尿病癥狀，降糖方法可采用注射胰島素，良好控制甲狀腺功能亢進(jìn)癥狀后，用量要適當(dāng)減少，預(yù)防低血糖。

表1 實驗測試工況

2.2 主要實驗設(shè)備

結(jié)合課題組近幾年研究成果和此次設(shè)計的全微通道電動客車熱泵空調(diào)系統(tǒng)特點，本系統(tǒng)采用近共沸制冷劑R410a,設(shè)定補路電子膨脹閥過熱度為25 K，主路電子膨脹閥過熱度為5 K，分別對系統(tǒng)不補氣、低壓補氣、中壓補氣3種模式進(jìn)行測試。系統(tǒng)主要設(shè)備見表2。

表2 主要實驗設(shè)備

3 結(jié)果分析

3.1 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)供熱的影響

在標(biāo)準(zhǔn)制熱工況下，分別在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min、4 000 r/min、5 000 r/min時進(jìn)行制熱實驗，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)制熱量、COP的影響分別如圖4和圖5所示。

圖4 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)制熱量的影響

圖5 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)COP的影響

由圖4可以看出，不同補氣模式下系統(tǒng)制熱量均隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而增大，相對于不補氣模式，低壓補氣和中壓補氣模式下系統(tǒng)制熱量均有所提高，提高范圍分別為1.43%～7.03%、4.4%～25.03%，其中中壓補氣提升效果更顯著。這是由于補氣技術(shù)使主路制冷劑再冷卻，增加了制冷劑循環(huán)的焓差，同時也增加了壓縮機(jī)吸入制冷劑的質(zhì)量流量，從而提高了系統(tǒng)循環(huán)的制熱量。

由圖5可以看出，不補氣和低壓補氣模式下系統(tǒng)制熱COP均隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而逐漸變小。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速由3 000 r/min提升至5 000 r/min時，不補氣和低壓補氣模式下系統(tǒng)COP分別下降14.02%、12.04%；中壓補氣模式下系統(tǒng)制熱COP先增加后降低，4 000 r/min時達(dá)到峰值5.68。這是因為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的提升增大了制冷劑排氣的質(zhì)量流量，提高了系統(tǒng)的制熱量，同時也增加了自身的功耗，制熱量的提升幅度和功耗增加的幅度不一致使上述COP曲線的變化程度不一。

3.2 環(huán)境溫度對系統(tǒng)供熱特性的影響

在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速恒為4 000 r/min，車外環(huán)境溫度分別為-20 ℃、-10 ℃和7 ℃時，對本熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行制熱性能測試。車外環(huán)境溫度對制熱量的影響如圖6所示。

圖6 車外環(huán)境溫度對制熱量的影響

由圖6可知，隨著車外環(huán)境溫度的逐漸下降，系統(tǒng)制熱量也在不斷下降。在不補氣模式下，車外環(huán)境溫度由7 ℃降至-10 ℃時，系統(tǒng)制熱量減少了25.62%；當(dāng)車外環(huán)境溫度由7 ℃降至-20 ℃時，系統(tǒng)制熱量減少了46.25%。究其原因在于，隨著車外環(huán)境溫度的降低，制冷劑的蒸發(fā)溫度也隨之降低，而制冷劑的溫度越低比容就越大，所以在壓縮機(jī)吸氣能力一定的情況下，吸入制冷劑的質(zhì)量流量變小，制熱量也隨之減小。

低壓補氣和中壓補氣模式下，在-20～7 ℃的范圍內(nèi)，系統(tǒng)制熱量始終都大于不補氣時的制熱量。低壓補氣時，系統(tǒng)制熱量的提升范圍為6.47%～10.95%；中壓補氣時，系統(tǒng)制熱量的提升幅度最大，并且隨車外環(huán)境溫度的上升，系統(tǒng)制熱量提升幅度也逐漸增大。在-20 ～7 ℃的范圍內(nèi)，相對于不補氣模式，中壓補氣系統(tǒng)制熱量提升范圍為14.67%～25.03%。這是由于車外環(huán)境溫度逐漸下降，主路制冷劑的質(zhì)量流量越來越少，補氣技術(shù)使壓縮機(jī)吸入從補路流入的飽和制冷劑蒸氣，從而增大制冷劑的質(zhì)量流量，達(dá)到增強(qiáng)制熱量的效果，因此，通過調(diào)節(jié)低壓、中壓補氣的補入量可產(chǎn)生不同的制熱量提升效果。從圖6可以看出，中壓補氣模式下制熱效果最好。

圖7 車外環(huán)境溫度對壓縮機(jī)功率的影響

由圖7可知，隨車外環(huán)境溫度的降低，在不補氣、低壓補氣和中壓補氣3種模式下，壓縮機(jī)功率均出現(xiàn)了衰減，當(dāng)溫度從7 ℃降至-20 ℃，3種模式的壓縮機(jī)功率分別衰減了23.58%、21.98%、20.89%。隨著車外環(huán)境溫度的降低，壓縮機(jī)的排氣質(zhì)量流量減小，壓縮機(jī)功率隨之降低。相比于不補氣模式，補氣模式下壓縮機(jī)功率會有所增加，這是因為補氣增加了壓縮機(jī)吸入制冷劑的質(zhì)量流量，從而導(dǎo)致壓縮機(jī)功率增加。

車外環(huán)境溫度對系統(tǒng)COP的影響如圖8所示。

圖8 車外環(huán)境溫度對COP的影響

由圖8可知，在不補氣、低壓補氣和中壓補氣3種模式下，系統(tǒng)COP均隨車外環(huán)境溫度的降低而下降。不補氣時，系統(tǒng)COP由7 ℃時的4.75衰減到-20 ℃時的3.34，衰減了29.67%；在-20～7 ℃范圍內(nèi)，相比于不補氣模式，低壓補氣和中壓補氣模式均使系統(tǒng)COP有所提升，低壓補氣模式下系統(tǒng)COP提升幅度為3.5%～7.7%，中壓補氣模式下系統(tǒng)COP提升幅度為6%～19.6%。雖然補氣技術(shù)在提高制熱量的同時也增加了壓縮機(jī)功耗，但是制熱量的增加幅度大于功耗增加的幅度，因此，補氣技術(shù)提升了系統(tǒng)COP。

車外環(huán)境溫度對壓縮機(jī)排氣溫度的影響如圖9所示。

圖9 車外環(huán)境溫度對壓縮機(jī)排氣溫度的影響

由圖9可知，在車外環(huán)境溫度為-20～7 ℃時，相比于不補氣模式，在低壓補氣模式下，壓縮機(jī)排氣溫度降低范圍為13.28%～30.49%；在中壓補氣模式下，壓縮機(jī)排氣溫度降低范圍為9.61%～23.26%。由此可以看出，低壓補氣能更好地降低壓縮機(jī)排氣溫度，這是因為補路中的飽和制冷劑與主路中從蒸發(fā)器出來的過熱制冷劑在補氣口混合，降低了吸入壓縮機(jī)制冷劑的過熱度，從而有效地降低了壓縮機(jī)的排氣溫度。

車外環(huán)境溫度對出風(fēng)溫度的影響如圖10所示。

圖10 車外環(huán)境溫度對出風(fēng)溫度的影響

隨著車外環(huán)境溫度的逐漸升高，出風(fēng)溫度不斷增大。低壓補氣和中壓模式下的出風(fēng)溫度均高于不補氣時的出風(fēng)溫度，并隨環(huán)境溫度的升高持續(xù)增大提升幅度。相比于不補氣模式，低壓補氣模式下的出風(fēng)溫度升高范圍為0.2～0.82 ℃，中壓補氣模式下的出風(fēng)溫度升高范圍為0.76～1.59 ℃，當(dāng)車外環(huán)境溫度為7 ℃時出風(fēng)溫度提升幅度最大。這是由于隨著車外環(huán)境溫度的升高，蒸發(fā)溫度升高，相應(yīng)的冷凝溫度也隨之升高，出風(fēng)溫度提高。

4 結(jié) 論

通過對電動客車熱泵空調(diào)系統(tǒng)不補氣、低壓補氣、中壓補氣3種模式下的制熱性能進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

(1) 在標(biāo)準(zhǔn)制熱工況下，隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的提升，3種模式的系統(tǒng)制熱量均不斷增加，不補氣和低壓補氣時系統(tǒng)COP不斷減小，中壓補氣時，系統(tǒng)COP先增大后減小，表明中壓補氣對系統(tǒng)制熱效果的提升優(yōu)于低壓補氣。在4 000 r/min時，系統(tǒng)COP達(dá)到最大值5.68，此時制熱量為19.03 kW。

(2) 低壓補氣和中壓補氣模式下，系統(tǒng)制熱量、COP、出風(fēng)溫度均高于不補氣模式。其中，中壓補氣時系統(tǒng)制熱性能提升幅度更大，效果更好。

(3) 相對于不補氣模式，低壓補氣和中壓補氣2種模式都能有效降低壓縮機(jī)的排氣溫度，而低壓補氣模式下壓縮機(jī)的排氣溫度降低更多。