補氣增焓對電動客車變頻空調(diào)性能的影響

李敬恩 許兵兵 欒慶坤 尚 鋒 孫魯魯 史長奎 辛 偉 蘇 勇 張素麗

(山東朗進科技股份有限公司,266071,青島∥第一作者,工程師)

傳統(tǒng)的燃油或燃氣客車可利用發(fā)動機余熱進行冬季采暖，而電力驅(qū)動客車只能通過空調(diào)或電加熱設備等為車廂內(nèi)提供熱量。雖然電加熱制熱在整個冬季均可以使用，但是其能效較低，能耗大，嚴重制約了純電動客車的續(xù)航里程。而普通熱泵空調(diào)在環(huán)境溫度低于-5 ℃時的制熱量衰減明顯，存在制熱量不足、壓縮機排氣溫度過高等問題[1]，既影響客車的舒適度，也容易造成空調(diào)壓縮機的損壞。目前，客車常規(guī)制熱在溫度低于0 ℃或者更低溫度時僅使用PTC(熱敏電阻)電加熱制熱[2]方式，能耗大，能效低，因此研究電動客車超低溫熱泵空調(diào)高效制熱技術，降低客車空調(diào)制熱能耗，不僅有助于擴大電動客車的續(xù)航里程，而且有利于節(jié)能環(huán)保。

目前，對補氣空調(diào)系統(tǒng)原理和試驗性研究較多。文獻[5-6]主要研究帶經(jīng)濟器的渦旋壓縮機制冷循環(huán)。文獻[7-9]對渦旋壓縮機閃發(fā)器系統(tǒng)性能進行了熱力循環(huán)分析和試驗研究。文獻[4]構建了電動汽車空調(diào)準雙級渦旋式壓縮機性能測試試驗臺，研究了閃發(fā)器準二級壓縮空調(diào)系統(tǒng)相對普通單級壓縮系統(tǒng)在排氣溫度、制冷劑流量和能效比上面的變化。文獻[10]在電動客車熱泵空調(diào)系統(tǒng)上研究了準二級壓縮熱泵系統(tǒng)對排氣溫度、制熱量、能效比的影響，以及車內(nèi)外風量的變化對準二級壓縮熱泵系統(tǒng)的影響。目前針對純電動客車空調(diào)尤其是變頻空調(diào)領域里研究很少。本文在純電動客車變頻空調(diào)上進行了試驗研究，對不同外部環(huán)境溫度下補氣對空調(diào)系統(tǒng)性能的影響進行了試驗和分析，并對不同壓縮機頻率下補氣對低溫制熱性能的影響進行試驗和分析，為純電動客車熱泵的開發(fā)和運行提供參考。

1 試驗裝置及試驗方法

本試驗將某變頻客車空調(diào)機組整改為試驗樣機。樣機采用有補氣增焓功能的某品牌臥式渦旋壓縮機；經(jīng)濟器采用板式換熱器；蒸發(fā)器及冷凝器均采用波紋鋁翅片管換熱器；主閥與補氣閥均采用電子膨脹閥，并由手動控制開度；在補氣閥前設置電磁閥，用于控制補氣回路的通斷。在壓縮機吸、排氣口和經(jīng)濟器的進、出口管路上分別布置熱電偶以測量其溫度，在經(jīng)濟器出口管、壓縮機排氣管、壓縮機吸氣管上布置壓力測量接口，并連接WK-6889壓力表以檢測壓力。試驗室測量設備經(jīng)過檢測校準均合格，測量精度如表1所示。試驗樣機的原理圖如圖1所示。

表1 試驗室測量精度

圖1 試驗樣機系統(tǒng)原理圖

試驗樣機在本公司空氣焓差法試驗室中進行各項試驗數(shù)據(jù)測試，試驗室可以采集環(huán)境室內(nèi)干濕球溫度、空調(diào)機組各溫度點和壓力點的數(shù)據(jù)，以及空調(diào)機組制熱量、功率等參數(shù)。試驗工況為室內(nèi)環(huán)境干球溫度20 ℃、濕球溫度15 ℃，外部環(huán)境溫度分別設定為7 ℃、-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃。在各個工況下，壓縮機以額定頻率運行時，調(diào)整主閥開度使機組性能達到最優(yōu)(即制熱量最大)，測得空調(diào)機組補氣前的性能數(shù)據(jù)，然后開啟補氣電磁閥并調(diào)整主閥與補氣閥開度，測得補氣后的空調(diào)機組最優(yōu)性能數(shù)據(jù)，并記錄數(shù)據(jù)。

2 補氣增焓對于空調(diào)系統(tǒng)熱力性能的影響

2.1 補氣對空調(diào)系統(tǒng)排氣溫度的影響

不同外部環(huán)境溫度下補氣前后的排氣溫度對比如圖2所示。

圖2 不同外部環(huán)境溫度下補氣前后的排氣溫度對比

補氣前，排氣溫度隨著外部環(huán)境溫度的降低先減小再增大；補氣后，排氣溫度隨外部環(huán)境溫度的降低單調(diào)減小，且減小量越來越少，變化趨于平坦。補氣后的排氣溫度比補氣前的排氣溫度明顯降低：外部環(huán)境溫度為7 ℃時排氣溫度降幅最小，為9.4%；外部環(huán)境溫度為-20 ℃時排氣溫度降幅最大，為40.0%；而且，外部環(huán)境溫度越低，補氣對排氣溫度降低的作用就越大。

一般來說，當外部環(huán)境溫度降低時，一方面壓縮機的吸氣溫度降低，相應的排氣溫度趨于最低值；另一方面壓縮機輸氣量減少，使全封閉式渦旋壓縮機的電機冷卻效果變差，排氣溫度趨于升高。隨著外部環(huán)境溫度降低，壓縮機輸氣量的影響越來越占主導地位，因此補氣前的壓縮機排氣溫度先降后升。

2.2 補氣對空調(diào)系統(tǒng)制熱能力的影響

不同外部環(huán)境溫度下，補氣前后的制熱量情況如圖3所示，補氣后的制熱量提升幅度見圖4。

圖3 不同外部環(huán)境溫度下補氣前后的制熱量對比

圖4 不同外部環(huán)境溫度下補氣對制熱量提升幅度

補氣前后的制熱量均隨著外部環(huán)境溫度的降低而逐漸下降；補氣后制熱量比補氣前制熱量明顯提高，且外部環(huán)境溫度越低，補氣后制熱量的提升幅度就越大(外部環(huán)境溫度為7 ℃時制熱量提升7.9%，外部環(huán)境溫度為-20 ℃時制熱量提升26%)。

補氣前后制熱能效比隨環(huán)境溫度下降均逐漸降低(見圖5)。如圖6所示，環(huán)境溫度越低，則補氣后能效比的相對增幅越大。-20 ℃時，補氣后能效比增幅為14.9%。

圖5 各外部環(huán)境溫度下補氣前后能效比

圖6 各外部環(huán)境溫度下補氣對制熱能效比提升幅度

2.3 補氣對空調(diào)系統(tǒng)壓力的影響

如圖7及圖8所示：補氣前后，空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)高壓與低壓的壓力均隨環(huán)境溫度降低而減?。慌c補氣前相比，補氣后高壓壓力略有增大(外部環(huán)境溫度為7 ℃時高壓壓力增幅為6%)，補氣后低壓壓力變化始終不明顯?？梢姡艨照{(diào)機組不補氣，則低壓壓力已經(jīng)超出壓縮機安全運行范圍，即使開啟補氣,也無法使其在安全壓力范圍內(nèi)運行。

圖7 各外部環(huán)境溫度下補氣前后低壓壓力對比

圖8 各外部環(huán)境溫度下補氣前后高壓壓力對比

3 系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整時補氣空調(diào)系統(tǒng)熱力性能的變化特性

3.1 典型工況下補氣閥開度對空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)的影響

本文設定的典型工況為：外部環(huán)境溫度為-20 ℃、室內(nèi)干球溫度為20 ℃、室內(nèi)濕球溫度為15 ℃，機組壓縮機按額定頻率運行，主閥開度固定為116。由圖9可知：在典型工況下，隨著補氣閥開度的增大，制熱量和能效比先增大后減小，其中制熱量最大增幅為22.0%，能效比最大增幅為12.5%；當補氣閥開度為320時，制熱量與能效比均達最大值；如補氣閥開度超過320并繼續(xù)開大，則制熱量和能效比均開始下降。這說明特定主閥開度下，在補氣閥開度增大的過程中制熱量和能效比存在最優(yōu)值。

圖9 補氣閥開度對制熱量及能效比的影響

在圖10中可以發(fā)現(xiàn)：當補氣閥開度增至100時，排氣溫度開始大幅下降;當補氣閥開度為100～340時,排氣溫度變化很小;當補氣閥開度超過340并繼續(xù)開大后，排氣溫度下降明顯加快。經(jīng)分析，當補氣閥開啟過大之后，補氣制冷劑不能完全汽化，使得進入壓縮機補氣口的冷媒帶有微小液滴，從而使排氣溫度快速下降。可見，補氣閥開度存在最優(yōu)值。

圖10 補氣閥開度對排氣溫度的影響

3.2 壓縮機頻率對空調(diào)系統(tǒng)補氣效果的影響

典型工況下，在壓縮機運行頻率不同時，分別測試補氣前后的空調(diào)系統(tǒng)制熱量及能效比，如圖11及圖12所示。

圖11 不同壓縮機運行頻率下補氣前后制熱量

圖12 不同壓縮機運行頻率下補氣前后能效比

由圖11及圖12可見，當壓縮機運行頻率降低時，補氣前后制熱量及能效比都下降，且變化趨勢類似。當壓縮機運行頻率降至45 Hz以下時，補氣對制熱量和能效比的增加量已不明顯，可見低頻時補氣對熱泵制熱量沒有明顯的提升效果。

分析表2數(shù)據(jù)可知，當壓縮機運行頻率較低時，高壓壓力較低，低壓壓力較高，壓差減小，導致補氣回路制冷劑流量也大大減少，而補氣主要通過增加冷凝器內(nèi)制冷劑流量來提高制熱量[3]，因此低頻時補氣對制熱量的提升作用很小。由此可知，若低頻時的排氣溫度在允許范圍內(nèi)，則沒有必要開補氣閥。

表2 壓縮機不同頻率時系統(tǒng)補氣前后性能測試數(shù)據(jù)

4 結語

綜合以上試驗數(shù)據(jù)來看，本文對于補氣增焓技術在電動客車空調(diào)尤其是電動客車變頻空調(diào)上的低溫制熱應用和推廣具有參考意義。測試結果表明：

1) 電動客車變頻空調(diào)應用補氣增焓技術在室外環(huán)境溫度-20 ℃時依然可以穩(wěn)定運行，而且補氣增焓技術后空調(diào)機組制熱量、能效比等性能顯著提高。

2) 補氣后可有效降低排氣溫度，外部環(huán)境溫度為-20 ℃時降幅最大，降幅為40%。補氣后制熱量明顯提高，且外部環(huán)境溫度越低，補氣對系統(tǒng)制熱量增益越大，但補氣并不能明顯的影響系統(tǒng)低壓壓力。

3) 主閥開度固定時，隨著補氣閥開度增大制熱量和能效比均先增大再減小，主閥和補氣閥存在最優(yōu)的開度組合。

4) 對于給定的變頻空調(diào)系統(tǒng),存在一個臨界頻率，當壓縮機運行頻率低于該值時，補氣對系統(tǒng)制熱量 、功率、壓力等熱力性能影響可以忽略不計。