带补气的电动客车热泵空调系统制热特性试验研究

2019-03-15菅晨光李海军苏之勇时帅领常桂铭禹佩利

中原工学院学报 2019年1期

菅晨光，李海军，苏之勇，时帅领，常桂铭，禹佩利

(中原工学院能源与环境学院，河南郑州 450007)

日渐突出的环境污染和能源紧缺问题是当今社会亟待解决的两大世界性难题，目前存有量巨大的燃油机动车不仅消耗了大量的石油能源，而且尾气排放物是大气污染的主要来源之一。据《中国机动车环境管理年报(2018)》统计[1]，2017年全国机动车四项污染物排放总量初步核算为4 359.7万吨，其中汽车排放的一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)占比超过80%，氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)占比超过90%。近年来，随着我国雾霾天气形势的日渐严峻，节能减排和环境保护政策的大力实施，新能源纯电动汽车产业得到了快速发展。传统的燃油汽车主要利用发动机冷却液的余热来供暖，而电动汽车冬季供暖主要由热泵空调系统、燃油加热器系统和PTC电加热系统来实现。其中电动客车多采用独立的燃油加热器为车内持续稳定地供暖，这种供暖方式虽然不影响动力电池的续航里程，但却消耗燃油，增加尾气排放量[2]。PTC电加热系统虽然供暖可靠，但是效率极低，严重消耗电能，极大地缩短了电动汽车续航里程。热泵空调系统不仅供暖效率高，而且能实现冬季供暖、夏季制冷的自由切换。为了解决当前电动汽车热泵空调系统冬季制热时普遍存在的系统效率低、制热量不足等问题，很多学者做了相关研究。如：李海军等对混气型电动汽车热泵空调系统建立了模型，并设计了一种适用于电动汽车热泵空调的低压混气型涡旋压缩机[3-4]；唐景春等根据中间补气压力在涡旋压缩机静盘上开两个对称的补气孔，将补气增焓技术应用到了电动汽车空调系统中[5]；刘旗等采用喷气增焓的小型涡旋压缩机，研制了用于电动汽车的新型蒸汽喷射式准二级压缩热泵空调系统[6]；彭庆丰等在纯电动汽车空调系统中引入喷射器，设计研制了基于小型涡旋压缩机的二级压缩喷射热泵空调系统[7]。这些研究多利用补气增焓技术来提升电动汽车热泵空调系统性能，但是采用不同补气方式对同一电动汽车热泵空调系统进行研究的较少。

本文设计并搭建了以R410a为制冷剂，可以实现不补气、低压补气、中压补气3种方式自由切换的电动客车热泵空调系统试验台。在不同低温工况下，对该试验台进行测试，旨在对比分析不同补气方式对系统性能的影响，为进一步优化电动客车热泵空调系统提供参考。

1 补气型电动客车热泵空调系统原理

1.1 制热原理

补气型电动客车热泵空调系统制热原理如图1所示。

图1 电动客车热泵空调系统制热原理图

由图1可知，压缩机排出的高温高压气态制冷剂经四通阀流向车内换热器，在车内换热器内冷凝放热变为高温高压的液态制冷剂，经过储液器、干燥过滤器、中间板式换热器，并在经过中间板式换热器后分成两路：一路为主路循环，通过主路电子膨胀阀节流降压后变为低温低压的气液混合制冷剂流向车外平行流换热器，经蒸发吸热变为过热气态制冷剂返回到压缩机被压缩成高温高压气态制冷剂完成一个制热循环；另一路为补气循环，通过补路电子膨胀阀节流降压变为低温制冷剂，逆向流入中间板式换热器吸收流经中间板式换热器的制冷剂热量，之后通过切换低压补气或者中压补气的手动阀，使其在低压补气口或中压补气口与主路循环的制冷剂混合，再被压缩机压缩为高温高压气态制冷剂进行下一个循环。

1.2 补气原理

本系统为低压补气和中压补气两种补气方式切换的准双级压缩热泵循环系统。其中低压补气理论循环压焓图如图2所示。

图2 低压补气理论循环压焓图

由图2可知，高温高压制冷剂在冷凝器中放热冷凝至状态点5分为两路，其中补路制冷剂经电子膨胀阀节流至状态点6，经过中间板式换热器与主路制冷剂实现换热变为状态点7，再经过一段短管节流至状态点8；而主路制冷剂被再冷却至状态点3，经主路电子膨胀阀节流至状态点4，进入蒸发器蒸发吸热到低压补气口变为状态点1，与补路制冷剂混气变为状态点9进入压缩机压缩至状态点2′，完成低压补气循环。

中压补气理论循环压焓图如图3所示。

图3 中压补气理论循环压焓图

由图3可知，中压补气模式下的循环过程与低压补气循环基本相同，只是补气口的位置开在涡旋压缩机静盘的中压压缩腔上，两种补气方式都增加了回路中制冷剂的焓差，提高了制热量。

2 实验

2.1 测试工况

在标准焓差实验室内搭建本研究系统的试验台并进行测试。依据GB/T21361-2017《汽车用空调器》[8]和QC/T656-2000《汽车空调制冷装置试验方法》[9]等相关标准，制定实验测试工况如表1所示。

1.2.2 药物护理 ①抗甲亢药物：应用后，要对患者粒细胞变化、肝功能情况格外注意，一旦降低粒细胞、肌肉痛或损伤肝肾功能现象出现，要立即汇报给医生，患者用药维持时间要比单纯甲亢患者长，严格遵照医嘱确定药量及用药时间。②降糖药物：患者如仅具有轻微的糖尿病症状，治疗时的降糖药物可选择磺脲类，未有效控制甲状腺功能亢进情况下，双胍类药物要慎重选择；患者如具有较重的糖尿病症状，降糖方法可采用注射胰岛素，良好控制甲状腺功能亢进症状后，用量要适当减少，预防低血糖。

表1 实验测试工况

2.2 主要实验设备

结合课题组近几年研究成果和此次设计的全微通道电动客车热泵空调系统特点，本系统采用近共沸制冷剂R410a,设定补路电子膨胀阀过热度为25 K，主路电子膨胀阀过热度为5 K，分别对系统不补气、低压补气、中压补气3种模式进行测试。系统主要设备见表2。

表2 主要实验设备

3 结果分析

3.1 压缩机转速对系统供热的影响

在标准制热工况下，分别在压缩机转速为3 000 r/min、4 000 r/min、5 000 r/min时进行制热实验，压缩机转速对系统制热量、COP的影响分别如图4和图5所示。

图4 压缩机转速对系统制热量的影响

图5 压缩机转速对系统COP的影响

由图4可以看出，不同补气模式下系统制热量均随压缩机转速的增加而增大，相对于不补气模式，低压补气和中压补气模式下系统制热量均有所提高，提高范围分别为1.43%～7.03%、4.4%～25.03%，其中中压补气提升效果更显著。这是由于补气技术使主路制冷剂再冷却，增加了制冷剂循环的焓差，同时也增加了压缩机吸入制冷剂的质量流量，从而提高了系统循环的制热量。

由图5可以看出，不补气和低压补气模式下系统制热COP均随着压缩机转速的增大而逐渐变小。压缩机转速由3 000 r/min提升至5 000 r/min时，不补气和低压补气模式下系统COP分别下降14.02%、12.04%；中压补气模式下系统制热COP先增加后降低，4 000 r/min时达到峰值5.68。这是因为压缩机转速的提升增大了制冷剂排气的质量流量，提高了系统的制热量，同时也增加了自身的功耗，制热量的提升幅度和功耗增加的幅度不一致使上述COP曲线的变化程度不一。

3.2 环境温度对系统供热特性的影响

在压缩机转速恒为4 000 r/min，车外环境温度分别为-20 ℃、-10 ℃和7 ℃时，对本热泵空调系统进行制热性能测试。车外环境温度对制热量的影响如图6所示。

图6 车外环境温度对制热量的影响

由图6可知，随着车外环境温度的逐渐下降，系统制热量也在不断下降。在不补气模式下，车外环境温度由7 ℃降至-10 ℃时，系统制热量减少了25.62%；当车外环境温度由7 ℃降至-20 ℃时，系统制热量减少了46.25%。究其原因在于，随着车外环境温度的降低，制冷剂的蒸发温度也随之降低，而制冷剂的温度越低比容就越大，所以在压缩机吸气能力一定的情况下，吸入制冷剂的质量流量变小，制热量也随之减小。

低压补气和中压补气模式下，在-20～7 ℃的范围内，系统制热量始终都大于不补气时的制热量。低压补气时，系统制热量的提升范围为6.47%～10.95%；中压补气时，系统制热量的提升幅度最大，并且随车外环境温度的上升，系统制热量提升幅度也逐渐增大。在-20 ～7 ℃的范围内，相对于不补气模式，中压补气系统制热量提升范围为14.67%～25.03%。这是由于车外环境温度逐渐下降，主路制冷剂的质量流量越来越少，补气技术使压缩机吸入从补路流入的饱和制冷剂蒸气，从而增大制冷剂的质量流量，达到增强制热量的效果，因此，通过调节低压、中压补气的补入量可产生不同的制热量提升效果。从图6可以看出，中压补气模式下制热效果最好。

图7 车外环境温度对压缩机功率的影响

由图7可知，随车外环境温度的降低，在不补气、低压补气和中压补气3种模式下，压缩机功率均出现了衰减，当温度从7 ℃降至-20 ℃，3种模式的压缩机功率分别衰减了23.58%、21.98%、20.89%。随着车外环境温度的降低，压缩机的排气质量流量减小，压缩机功率随之降低。相比于不补气模式，补气模式下压缩机功率会有所增加，这是因为补气增加了压缩机吸入制冷剂的质量流量，从而导致压缩机功率增加。

车外环境温度对系统COP的影响如图8所示。

图8 车外环境温度对COP的影响

由图8可知，在不补气、低压补气和中压补气3种模式下，系统COP均随车外环境温度的降低而下降。不补气时，系统COP由7 ℃时的4.75衰减到-20 ℃时的3.34，衰减了29.67%；在-20～7 ℃范围内，相比于不补气模式，低压补气和中压补气模式均使系统COP有所提升，低压补气模式下系统COP提升幅度为3.5%～7.7%，中压补气模式下系统COP提升幅度为6%～19.6%。虽然补气技术在提高制热量的同时也增加了压缩机功耗，但是制热量的增加幅度大于功耗增加的幅度，因此，补气技术提升了系统COP。

车外环境温度对压缩机排气温度的影响如图9所示。

图9 车外环境温度对压缩机排气温度的影响

由图9可知，在车外环境温度为-20～7 ℃时，相比于不补气模式，在低压补气模式下，压缩机排气温度降低范围为13.28%～30.49%；在中压补气模式下，压缩机排气温度降低范围为9.61%～23.26%。由此可以看出，低压补气能更好地降低压缩机排气温度，这是因为补路中的饱和制冷剂与主路中从蒸发器出来的过热制冷剂在补气口混合，降低了吸入压缩机制冷剂的过热度，从而有效地降低了压缩机的排气温度。

车外环境温度对出风温度的影响如图10所示。

图10 车外环境温度对出风温度的影响

随着车外环境温度的逐渐升高，出风温度不断增大。低压补气和中压模式下的出风温度均高于不补气时的出风温度，并随环境温度的升高持续增大提升幅度。相比于不补气模式，低压补气模式下的出风温度升高范围为0.2～0.82 ℃，中压补气模式下的出风温度升高范围为0.76～1.59 ℃，当车外环境温度为7 ℃时出风温度提升幅度最大。这是由于随着车外环境温度的升高，蒸发温度升高，相应的冷凝温度也随之升高，出风温度提高。