低温环境温度补气式热泵空调采暖性能实验研究

李晓敏

（山西大同大学建筑与测绘工程学院，山西大同 037003）

电动汽车近几年的发展非常迅速。由于电动汽车没有内燃机，在低温环境下，为了保证乘车的舒适性，需要采用补气式热泵空调系统[1]，这种空调能够在低温环境下仍然具有较高的制热效率。与普通空调系统相比，补气式热泵空调主要通过补气回路来控制空调系统的合理制热，但是补气方式多种多样，空调系统的匹配相对复杂[2]，补气式热泵空调的性能对于整车性能的影响很大。在冬季的低温环境下，空调系统的内部参数会出现异常[3]，导致空调系统的采暖性能受到影响。

根据表1比较结果及工程现场实际情况，填筑料场位于项目区河道内，储量190.68万m3，距工程区平均运距500m，土石笼袋填筑料各项试验指标满足质量要求。综合分析选用土石笼袋护岸形式更适宜。

1 实验装置

实验在标准焓差实验室和强化传热实验室内完成的，冷源与人员由强化传热实验室中的恒温空气相和相关的温控装置实现[4]。实验装置中，设计的补气式热泵空调系统主要包括主路循环和低压补路循环[5]，装置示意见图1。

部件主要包括压缩机、冷凝器、蒸发器等。压缩机型号为海立变频旋涡压缩机EVS34，额定高电压288 V，范围在200～400 V 之间，额定低电压12 V，范围在8～16 V；最大排气压力3.73 MPa，最大吸入压力0.51 MPa；能够承受的最高排气温度120 ℃，最高的吸入温度36 ℃[6]。冷凝器和蒸发器为平行流换热器，不同换热器的参数，见表1。

工程车场区已开始使用并供暖，经使用状况分析：室外机组：6 台，建筑单体：4 个，取暖设备：125 台。制热时间：3h，供水温度：56℃，回水温度：48℃。机组加热到正常温度时，抽取3个房间进行研究：会议室，宿舍，走廊。会议室：面积98m2，风机盘管5台，制热时间30min，室内温度23℃;宿舍：建筑面积15m2，风机盘管1台，制热时间30min,室内温度26℃；走廊：建筑面积66㎡，风机盘管2台，制热时间30min.室内温度14℃。

表1 不同类型换热器参数

在压缩机转速改变的情况下，选择工况4进行实验，改变压缩机的转速进行实验。在低温制热时，车外换热器的热像采集状态点划分，见图3。

表2 空调系统低温制热模拟工况

在保证其他环境参数不变的情况下，改变送风量分别为320、380、480 m3/h，对各个状态点进行温度测量，绘制成图5曲线。

2 补气式热泵空调的数学模型

压缩机的功率计算公式可以表示为：

图2 压缩机工作过程压焓图

通过制热实验的结果与计算可知，在环境温度为-7 ℃和-15 ℃工况下制热，系统可以稳定运行；-7 ℃制热可以达到3 842 W，出风的温度为48 ℃，制热效率为1.9；在-15 ℃情况下，制热为3 073 W，出风的温度为46 ℃，制热效率为1.86。

式中：mcom表示压缩机的质量流量，kg/s；λ表示压缩机的输气系数；Vth表示压缩机的理论容积输气量；vsuc表示吸气口的比容。

二是有机物排放造成的水资源污染。外源性污染中存在的有机物主要有植物性营养元素氮、磷以及好氧有机物等，这些有机物含有大量的碳水化合物、蛋白质、油脂、磷和氮。将含有这些成分的有机物排放到水资源中，会使水中存在的微生物发生降解反应，进而降低水中氧气含量，严重时还会出现水体富营养化现象，这不仅破坏了水产生物的生长环境，还会造成大量生物因缺氧而死亡。

为了方便后续的性能比较，需要以补气式热泵空调为基础建立数学模型，利用数值模拟的方法研究空调的运行模式[9]。在空调系统中，压缩机是最重要的零部件之一，主要能够为热泵提供循环动力，其性能直接决定了空调系统的性能[10]。将压缩机的内部制冷剂的质量流量等参数建立数学模型，其工作过程压焓图，见图2。

从图4 可以看出，在相同转速下，状态点1～6 的温度是逐渐上升趋势，排气温度随着系统运行的时间会先增大，后降低，随后趋于平稳，出风、回风温度随着系统的运行时间先升高后降低，然后趋于平稳；随着转速升高，相同状态点的温度升高，排气温度升高，出风与回风温度降低；当空调系统稳定后，排气温度从36.8 ℃升高到了45.3 ℃，出风温度由14.3 ℃升高为18.2 ℃，回风温度由11.0 ℃升高到14.3 ℃。压缩机的排气温度随着压缩机的转速的升高而升高，主要是由于中压补气后，经过蒸发器散热的辅路饱和气态制冷剂进入压缩机的中压补气口，与气态制冷剂混合后被压缩放热，使压缩机的排气温度升高。

根据上述的参数，可以计算出压缩机的理论功率以及排气温度。

3 实验结果与分析

3.1 改变转速的性能分析

补气式热泵空调装置中，主路、辅路分别选用的是E2V-26、E2V-11 电子膨胀阀，其调节范围为10%～100%；选择了轴流式风机作为车外风机，其额定风量最大为3 000 m3/h；车内使用的是离心式风机，额定风量最大为1 000 m3/h。当开启低压补气的模式时，制冷剂会从压缩机的排气口经过冷凝器后分成两路[7]，经过主路的制冷剂在中间换热器中完成与辅路的换热降温降压，最后进入到压缩机的吸气口。相对于传统的空调，低压补气可以降低排气温度，提高系统效率。空调低温制热模拟工况，见表2。

图3 各热像状态点采集区域划分

状态点1、2 是第一流程的进出口，状态点3、4 是第二流程的进出口，状态点5、6 是第三流程的进出口。从图3 能够看出，这3 个流程结构之间的呈现比较清晰，图中明暗条纹反应了工作过程中的温度和状态，温度从入口到出口都符合该工况下的蒸发温度范围。对各个状态点的温度进行测量，绘制出图4曲线。

式中：N表示压缩腔室的对数，取3；h表示涡旋体高，mm；t表示涡旋体的壁厚；p表示节距[13-15]。

图4 各状态点温度随压缩机转速变化

3.2 改变送风量的性能分析

表2 中的模拟工况主要借鉴了国标中关于房建空气调节空调行业的热泵系统相关测试工况和标准[8]，通过对比分析低温制热工况下的性能参数，分析补气式热泵空调的采暖性能。

图5 状态点随车内风量的温度变化

从图5可知，在送风量相同的情况下，状态点1～6 温度是上升的趋势，在不同送风量下，不同点呈现出不同的变化。但是随着风量增大，状态点6的温度逐渐升高，主要是因为车内的风机送风量变大，车外换热器的热量也变大，蒸发温度升高。在不同的送风量模式下，在开始的阶段吹脸模式的排气温度要高于吹足模式，吹脸模式下排气温度为47.3 ℃，出风温度为37.5 ℃，回风温度为21.4 ℃；在吹足模式下排气温度为61.3 ℃，出风温度为43.7 ℃，回风温度为24.6 ℃。在图5三种送风量的条件下，排气温度会随着送风量的增加而增大。

勘查区面积较大，煤层结构复杂多变，煤层层数多，且标志层不明显，构造复杂程度为中等偏复杂的类型（二类）。单由钻探进行煤岩层对比，难度较大；且钻孔网度较稀，煤层沉缺、剥蚀、合并等现象较多，更增加了各钻孔间煤层对比的多解性。地震时间剖面具有波形时间延续性的特点，可连续追踪形成发射波的煤层。同时，通过时间剖面间层位闭合，在全区进行追逐对比。

图2 中的数字表示了压缩机工作过程中的不同状态，状态8 的制冷剂与状态9 的过热气体进行混合，质量也会有一定的增加[11-12]。压缩机模型主要反映了压缩机工作过程中的功率、排量以及吸气排气的温度等。在建模过程中，忽略能量损失，理论输气量固定，制冷剂的质量流量计算公式为：

4 结论

（1）根据实验室的设备装置参数，对低温环境下补气式热泵空调采暖性能进行了一系列的试验研究，可以作为理论试验借鉴。

大陆公司的冷却液控制阀主要应用于汽车热管理系统冷却液控制回路中，按需调节冷却液流量和流向。冷却液控制阀由执行器和阀体组成，执行器包括无刷电动机，齿轮减速系统以及电子控制系统（智能功能模块）。通过LIN-BUS实现与整车通信。阀体部分主要包括壳体、阀芯、外盖以密封组件。模块化的壳体和阀芯可实现两通、三通、四通和五通等不同的水阀需求。执行器配合模块化的阀体设计可实现全行程的流量调节以及快速切换等功能。

（2）通过不同工况下车外换热器的温度测量，以压缩机内部制冷剂的质量流量等参数建立数学模型，利用数值模拟的方法研究了空调的运行模式。

学生动手操作后，师生一道总结得到判定方法2：两角及其夹边分别相等的两个三角形全等(简写为：“角边角”或“ASA”).判定方法3：两角分别相等且其中一组等角的对边也相等的两个三角形全等.(简写为“角角边”或“AAS”)

（3）采用压缩机转速与送风量作为控制变量，找出了制热量与制热效率最高的工况。相同送风量模式下排气温度会随着运行的时间先增大后平稳，出风、回风温度会随着运行时间先升高，然后平稳随之达到稳定状态。

（4）对于低温环境，补气式热泵空调采暖可以通过改变压缩机转速和送风量方法进行调节，使得排气温度在安全可靠舒适范围之内。