新能源冷藏車制熱系統(tǒng)性能優(yōu)化

摘 要：【目的】研究新能源冷藏車在冬季極端低溫環(huán)境下，單級熱泵系統(tǒng)制熱時(shí)所出現(xiàn)的制熱性能衰減、壓縮機(jī)排氣溫度過高等問題，旨在提高其在低溫環(huán)境下的制熱效率和穩(wěn)定性?！痉椒ā吭O(shè)計(jì)并搭建了一種帶經(jīng)濟(jì)器的準(zhǔn)二級熱泵系統(tǒng)試驗(yàn)臺，對單級熱泵制熱系統(tǒng)進(jìn)行性能優(yōu)化。【結(jié)果】試驗(yàn)結(jié)果表明：在室外環(huán)境溫度為-15～5 ℃時(shí)，準(zhǔn)二級系統(tǒng)相較于單級系統(tǒng)的排氣溫度下降幅度為21.16%～42.80%；同時(shí)準(zhǔn)二級系統(tǒng)的制熱量、壓縮機(jī)功率及性能系數(shù)（COP）相比單級壓縮系統(tǒng)分別增加了7.69%～19.21%、4.10%～12.12%和3.50%～6.53%?！窘Y(jié)論】結(jié)果表明，準(zhǔn)二級系統(tǒng)顯著提高了冷藏車制熱系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的制熱效率和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：準(zhǔn)二級熱泵系統(tǒng)；制熱量；制熱效率

中圖分類號：TH12" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）24-0044-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.24.009

Optimization of New Energy Refrigerated Truck Heating System

Performance

Abstracts： [Purposes] This paper studies the problems of heating performance degradation and high compressor discharge temperature of single-stage heat pump system in new energy refrigerated trucks under extreme low-temperature environment in winter to improve its heating efficiency and stability in low-temperature environment. [Methods] In this experiment， a quasi two-stage heat pump system with economiser is designed and constructed to optimize the performance of the single-stage heat pump heating system is optimised to improve its heating efficiency and stability in low-temperature environments. [Findings] The experimental results show that at the outdoor ambient temperatures of 5～-15 ℃， the exhaust temperature of the quasi-secondary system decreases by 21.16%～42.80% compared with that of the single-stage system; at the same time， the heat production capacity， compressor power， and coefficient of performance （COP） of the quasi-secondary system increase compared with that of the single-stage compression system， respectively， by 7.69%～19.21%， 4.10%～12.12%， and 3.50%～6.53%.nbsp; [Conclusions] The results show that the quasi-secondary system significantly improves the heating efficiency and stability of the refrigerator truck heating system under low-temperature environment.

Keywords： quasi-secondary heat pump system; heat production; heating efficiency

0 引言

黨的二十大報(bào)告中提出“積極穩(wěn)妥推進(jìn)碳達(dá)峰碳中和”。2017年保有量占全國汽車總量6.6%［1］的重型貨車碳排放約占道路交通行業(yè)排放的40%［2］，因此新能源貨車代替?zhèn)鹘y(tǒng)的重型貨車可以有效減少排碳。以新能源冷藏車為例，其熱泵系統(tǒng)碳排放量比重較大［3］，可以成為減碳的重要途徑。

在冬季，懼寒食物的儲藏和運(yùn)輸問題顯得尤為重要。為延長這些食物的儲藏周期，需要在運(yùn)輸車廂內(nèi)維持恒定的溫度［4］。然而，在極端低溫環(huán)境下，冷藏車在進(jìn)行加熱時(shí)常會面臨制熱性能衰減和排氣溫度過高等問題。因此，對于懼寒食物的運(yùn)輸，設(shè)計(jì)和采取高效的熱泵系統(tǒng)和節(jié)能措施顯得尤為重要。這不僅有助于提升冷藏車在冬季的制熱性能，還能夠有效節(jié)省能源，提高運(yùn)輸效率。針對這些問題諸多學(xué)者對此進(jìn)行了相關(guān)研究。Wang等［5］通過試驗(yàn)分析得出，準(zhǔn)二級壓縮系統(tǒng)的性能系數(shù)（COP）無論在高溫還是低溫工況下均有所提升。宋一平等［6］選用帶有經(jīng)濟(jì)器的熱泵機(jī)組系統(tǒng)進(jìn)行制熱工況研究，分析得出帶有經(jīng)濟(jì)器的熱泵系統(tǒng)可以有效提升制熱量。周光輝等［7］進(jìn)行了帶有補(bǔ)氣技術(shù)的熱泵機(jī)組制熱性能試驗(yàn)，得出系統(tǒng)排氣溫度下降了8～14 ℃，并且系統(tǒng)制熱性能得到了提升。張婷等［8］進(jìn)行補(bǔ)氣增焓型熱泵研究，發(fā)現(xiàn)此技術(shù)有效降低了壓縮機(jī)排氣溫度并提高了制熱性能。田長青等［9］通過試驗(yàn)研究，表明雙級壓縮熱泵機(jī)組在降低壓縮機(jī)排氣溫度上效果明顯。Zhang等［10］對帶有經(jīng)濟(jì)器的熱泵機(jī)組進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果顯示，帶有經(jīng)濟(jì)器補(bǔ)氣技術(shù)的熱泵機(jī)組性能提高約5%。崔四齊等［11］在低溫環(huán)境下進(jìn)行車載補(bǔ)氣增焓熱泵系統(tǒng)試驗(yàn)，結(jié)果顯示，帶經(jīng)濟(jì)器的補(bǔ)氣系統(tǒng)制熱量相較于不補(bǔ)氣提高了5.2%～21.3%。寧靜紅等［12］對高溫?zé)岜孟到y(tǒng)制熱性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出在補(bǔ)氣壓力比為1.5時(shí)與單級壓縮相比，性能系數(shù)（COP）提高了18.57%。

針對新能源冷藏車在冬季極端低溫環(huán)境下，單級熱泵系統(tǒng)制熱時(shí)所出現(xiàn)的制熱性能衰減、壓縮機(jī)排氣溫度過高等問題，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)搭建了帶經(jīng)濟(jì)器的準(zhǔn)二級熱泵系統(tǒng)［13］制熱性能試驗(yàn)臺，采用R410A作為制冷劑，對熱泵制熱系統(tǒng)進(jìn)行性能優(yōu)化，旨在提高其在低溫環(huán)境下的制熱效率和穩(wěn)定性。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)制熱系統(tǒng)原理如圖1所示，準(zhǔn)二級系統(tǒng)LgP-h圖如圖2所示。高溫高壓的氣態(tài)制冷劑（狀態(tài)點(diǎn)2）從壓縮機(jī)流入車內(nèi)換熱器冷凝（狀態(tài)點(diǎn)3），再流入經(jīng)濟(jì)器中，經(jīng)濟(jì)器中的高溫制冷劑與經(jīng)過補(bǔ)氣閥的中間溫度制冷劑進(jìn)行換熱而降低溫度，之后補(bǔ)路與主路同時(shí)進(jìn)行循環(huán)。主路循環(huán)：制冷劑經(jīng)過主路電子膨脹閥節(jié)流冷卻后，經(jīng)車外換熱器蒸發(fā)吸熱，變?yōu)闅鈶B(tài)，從狀態(tài)8冷卻到狀態(tài)9，然后，它與補(bǔ)路制冷劑混合，并一起壓縮到狀態(tài)2。補(bǔ)路循環(huán)：制冷劑通過補(bǔ)路膨脹閥變?yōu)橹袦刂评鋭顟B(tài)4，并再次流入經(jīng)濟(jì)器中蒸發(fā)吸熱，變?yōu)檫^熱蒸汽狀態(tài)5。之后，在壓縮機(jī)口的節(jié)流管中節(jié)流為狀態(tài)6，并與主路制冷劑在壓縮機(jī)內(nèi)混合，形成狀態(tài)點(diǎn)1，以進(jìn)行下一循環(huán)。

①冷凝器制熱量的計(jì)算見式（1）。

[Q1=（m1+m2）·（h2?h3）] （1）

式中：Q1為系統(tǒng)制熱量，kW；m1為制冷劑在主路的質(zhì)量流量，kg /s；m2為制冷劑在補(bǔ)路的質(zhì)量流量，kg /s；h2為冷凝器進(jìn)口處制冷劑的焓值，kJ/kg；h3為冷凝器出口處制冷劑的焓值，kJ/kg。

②壓縮機(jī)功率的計(jì)算見式（2）。

[W=（m1+m2）·（h2?h1）]" " （2）

式中：W為壓縮機(jī)功率，kW；h1為壓縮機(jī)入口處制冷劑的焓值，kJ/kg。

③經(jīng)濟(jì)器換熱量的計(jì)算見式（3）。

[ Q2=m2·（h5?h4）]" " " " " " （3）

式中：Q2為經(jīng)濟(jì)器換熱量，kW；h4為經(jīng)濟(jì)器進(jìn)口處制冷劑的焓值，kJ/kg；h5為經(jīng)濟(jì)器出口處制冷劑的焓值，kJ/kg。

④系統(tǒng)制熱性能系數(shù)的計(jì)算見式（4）。

[COP= Q1/W]" " " （4）

式中：COP為制熱性能系數(shù)。

2 試驗(yàn)過程

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)搭建了帶經(jīng)濟(jì)器的準(zhǔn)二級系統(tǒng)制熱性能試驗(yàn)臺，如圖3所示。主要設(shè)備參數(shù)見表1。

2.2 試驗(yàn)測試工況

依據(jù)《道路運(yùn)輸、食品與生物制品冷藏車安全要求及試驗(yàn)方法》（GB 29753—2013）和《冷藏保溫車選型技術(shù)要求》（GBT 40475—2021）選取實(shí)驗(yàn)工況，見表2。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

車外環(huán)境溫度對壓縮機(jī)排氣溫度影響如圖4所示。由圖4可知，單級壓縮與準(zhǔn)二級壓縮的排氣溫度會隨著車外環(huán)境溫度的下降而升高。當(dāng)車外環(huán)境溫度相同時(shí)，準(zhǔn)二級壓縮工作模式排氣溫度更低；當(dāng)車外溫度由5 ℃降低到-15 ℃的過程中，準(zhǔn)二級壓縮相較于單級壓縮工作模式的排氣溫度降低了21.16%～ 42.80%。原因是制冷劑在經(jīng)濟(jì)器補(bǔ)路出口與蒸發(fā)器出口混合過熱度降低，壓縮機(jī)的排氣溫度由此降低。特別在-10、-15 ℃工況時(shí)，在帶經(jīng)濟(jì)器的準(zhǔn)二級壓縮模式下的壓縮機(jī)排氣溫度均低于90 ℃。單級壓縮系統(tǒng)壓縮機(jī)排氣溫度達(dá)到120 ℃時(shí)，出于安全穩(wěn)定考慮，暫停正常運(yùn)行。因此帶經(jīng)濟(jì)器的準(zhǔn)二級熱泵系統(tǒng)可以有效解決此問題，使系統(tǒng)在低溫環(huán)境下具有較高的平穩(wěn)性。

車外環(huán)境溫度對系統(tǒng)制熱量的影響如圖5所示。由圖5可知，在相同車外環(huán)境溫度下，準(zhǔn)二級壓縮系統(tǒng)制熱量明顯提高。車外環(huán)境溫度從5 ℃降低到-15 ℃時(shí)，單級壓縮系統(tǒng)制熱量從3.91 kW降低到2.03 kW，而準(zhǔn)二級壓縮系統(tǒng)從4.2 kW降低到2.41 kW，制熱量升高7.69%～19.21%。 壓縮器吸氣口處的主路、補(bǔ)路制冷劑混合，吸入的制冷劑過熱度減小，制冷劑比容減小，制冷劑質(zhì)量流量從而提升。

車外環(huán)境溫度對壓縮機(jī)功率的影響如圖6所示。由圖6可知，兩系統(tǒng)壓縮機(jī)功率隨車外環(huán)境溫度降低而降低，車外環(huán)境溫度從5 ℃下降到-15 ℃時(shí)，單級壓縮系統(tǒng)的壓縮機(jī)功率從1.71 kW降至1.32 kW，準(zhǔn)二級壓縮系統(tǒng)的壓縮機(jī)功率從5 ℃時(shí)的1.78 kW降至-15 ℃時(shí)的1.48 kW。兩者相比，準(zhǔn)二級壓縮系統(tǒng)的壓縮機(jī)功率增幅為4.10%～12.12%，是因?yàn)閱挝粫r(shí)間內(nèi)準(zhǔn)二級壓縮熱泵系統(tǒng)壓縮機(jī)流入的制冷劑質(zhì)量流量較高。

車外環(huán)境溫度對性能系數(shù)（COP）的影響如圖7所示。由圖7可知，車外環(huán)境溫度從5 ℃下降到-15 ℃時(shí)，單級壓縮系統(tǒng)COP從2.28降至1.53，準(zhǔn)二級壓縮系統(tǒng)COP從2.36降至1.63。可以得出，準(zhǔn)二級壓縮系統(tǒng)與單級系統(tǒng)相比，性能系數(shù)（COP）提升了3.50%～6.53%。其原理為前文公式所述，準(zhǔn)二級壓縮系統(tǒng)增加了制熱量也增加了壓縮機(jī)功率，增加的制熱量大于增加的壓縮機(jī)功率，因此系統(tǒng)COP增大。

4 結(jié)論

本研究針對新能源冷藏車單級熱泵系統(tǒng)在冬季極端低溫環(huán)境下制熱時(shí)，出現(xiàn)的熱泵制熱性能衰減、壓縮機(jī)排氣溫度高等問題，設(shè)計(jì)搭建了帶經(jīng)濟(jì)器的準(zhǔn)二級熱泵系統(tǒng)制熱性能試驗(yàn)臺，對單級熱泵制熱系統(tǒng)進(jìn)行性能優(yōu)化，以提高其在低溫環(huán)境下的制熱效率和穩(wěn)定性，得出以下結(jié)論。

①新能源冷藏物流車在外部環(huán)境溫度多變的情況下，帶經(jīng)濟(jì)器的準(zhǔn)二級壓縮熱泵系統(tǒng)比單級壓縮熱泵系統(tǒng)的壓縮機(jī)排氣溫度降低了21.16%～42.80%，因此，帶經(jīng)濟(jì)器的準(zhǔn)二級壓縮熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境下展現(xiàn)出排氣溫度較低的優(yōu)勢，從而提高了壓縮機(jī)在低溫環(huán)境下運(yùn)行穩(wěn)定性。

②在環(huán)境溫度設(shè)定為5～-15 ℃的條件下，相較于單級壓縮系統(tǒng)，帶經(jīng)濟(jì)器的準(zhǔn)二級壓縮系統(tǒng)在制熱量上表現(xiàn)出7.69%～19.21%的增長。同時(shí)，該系統(tǒng)在壓縮機(jī)功率和性能系數(shù)方面也較單級壓縮系統(tǒng)有不同程度的優(yōu)化。由此可見，在低溫環(huán)境下用于食品運(yùn)輸?shù)暮銣剀噹校捎脦Ы?jīng)濟(jì)器的準(zhǔn)二級壓縮熱泵系統(tǒng)不僅提升了制熱性能，還降低了系統(tǒng)能耗。

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