工質種類及充注量對電動汽車熱泵空調影響的試驗研究

陳凱勝，王智興，魏名山，彭發展 Chen Kaisheng，Wang Zhixing，Wei Mingshan，Peng Fazhan

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工質種類及充注量對電動汽車熱泵空調影響的試驗研究

陳凱勝，王智興，魏名山，彭發展 Chen Kaisheng，Wang Zhixing，Wei Mingshan，Peng Fazhan

（北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081）

針對電動汽車熱泵空調，搭建了熱泵空調試驗臺架，采取控制變量法，研究R134A充注量以及工質種類對系統制熱性能的影響。結果表明，工質充注量較大時，壓縮機出口溫度及壓力、蒸發器進口壓力較大，系統功耗較大，同時制熱量較大；工質充注量較小時，蒸發器內工質吸熱過少，制熱量不足。環境溫度低至-10℃及-15℃時，R134A、R407C以及R410A 3種工質中R407C制熱性能綜合效果最好。

電動汽車；熱泵空調；制熱性能；工質充注量；工質種類

0 引 言

試驗研究了R134A充注量對于一臺電動車熱泵空調系統制熱性能的影響，同時對比研究了R134A、R407C以及R410A 3種工質對于系統制熱性能的影響。

1 電動汽車熱泵空調系統

電動汽車熱泵空調試驗系統如圖1所示，系統包括渦旋式電動壓縮機、車室內換熱器、車室外換熱器、四通換向閥、節流管、儲液罐、風扇等部件，各個部件通過由保溫材料包裹的銅管連接，模擬車室的空間與某一型號的電動車內部空間相當，同時用保溫材料覆蓋車室壁面，對車室進行保溫。在系統的各個重要節點（壓縮機進、出口，冷凝器進、出口，蒸發器進、出口）安裝壓力及溫度傳感器，同時采用電壓及電流傳感器采集壓縮機的電壓及電流，用以計算壓縮機功耗。利用Simulink搭建數據采集系統，記錄各節點的壓力及溫度隨時間的變化。壓縮機及換熱器的主要參數見表1、表2。

圖1 電動汽車熱泵空調試驗平臺[8]

表1 渦旋壓縮機的主要參數

表2 換熱器主要參數

系統制熱時，壓縮機做功將低溫低壓的氣態工質壓縮成高溫高壓氣體，氣體工質通過四通換向閥進入車室內換熱器，對車室內散熱，等壓冷凝為中溫高壓液體進入膨脹閥，節流降壓后變為低溫低壓氣液混合物，進入車室外換熱器從環境中吸熱，工質吸熱之后再次進入壓縮機，完成一次循環。當系統制冷時，壓縮機出口的高溫高壓氣態工質先流經車室外換熱器，再經節流后流入車室內換熱器，與制熱過程相反。

試驗使用R134A、R410A、R407C 3種工質，物理性質見表3。這3種工質是現在最常用的空調制冷劑，其中R134A在汽車空調中應用最為廣泛，試驗研究充注量及3種不同工質在低溫環境下對電動汽車熱泵空調制熱性能的影響。

表3 各工質物理性質

2 理論分析

電動汽車熱泵空調系統在制熱時，是將熱能從低溫熱源（外界環境）輸送到高溫熱源（車室），其制熱系數一般大于1。理想制熱過程的溫熵圖（-）和壓焓圖（lg-）分別如圖2中（a）、（b）所示。圖2（a）中橫坐標為熵值，縱坐標為溫度，圖2（b）中橫坐標為焓值，縱坐標lg為絕對壓力的對數值。在圖2（a）和（b）中，1—2表示理想狀態下工質在壓縮機內絕熱壓縮，2—3表示工質在車室內換熱器內等壓冷凝放熱，3—4表示工質通過膨脹閥節流降壓，4—1表示工質在車室外換熱器內等壓蒸發吸熱。工質經過4個基本過程，從外界環境即低溫熱源吸熱，將熱量泵送到車室內。

圖2 熱泵空調理論循環

式中，c為單位質量下工質的制熱量，kJ/kg；2為圖2（a）和（b）中點2的焓值kJ/kg；3為圖2（a）和（b）中點3的焓值kJ/kg。

式中，為單位質量工質下壓縮機功耗kJ/kg；1為圖2（a）和（b）中點1的焓值，kJ/kg。

因此電動汽車熱泵空調在制熱情況下系統的值為

利用式（3）計算系統的值比實際制熱量和壓縮機功耗量的比值大，因為式（3）沒有考慮壓縮機損失，所以值會比實際情況大，但利用式（3）計算值更加方便。

4 試驗過程

利用北京理工大學電動車輛國家工程實驗室的環境艙系統模擬環境溫度以及濕度等環境參數，該環境艙系統能模擬環境溫度從-40℃到130℃。試驗過程中，當車室溫度達到預定值或者系統運行狀態穩定后結束試驗，空調壓縮機停止工作，數據采集系統實時記錄各點的溫度及壓力。

表4 研究充注量的試驗工況

試驗使用專用工質加注電子秤控制工質充注量的多少（電子秤分辨率為5g，精度±0.05%），以此研究工質充注量對熱泵空調制熱性能的影響。對充注量的研究以R134A為例進行，表4為研究充注量的試驗工況。除此之外，在適宜充注量情況下，將R134A、R410A及R407C 3種工質的制熱能力進行對比。

5 試驗結果及分析

5.1 工質充注量對系統制熱性能的影響

以制熱工況下車室內溫度能否達到18℃作為衡量空調系統制熱能力的參考標準。如圖3所示為-5℃時車室內溫度隨空調系統運行時間的變化情況。在環境溫度為-5℃時，充注量600 g和670 g均能使室內溫度上升為18℃，且670 g時車室內溫度上升最快，而充注量400 g時室內溫度不能達到要求。結果表明工質的充注量越多，制熱量越大。原因為充注量越多，系統內的質量流量越大，單位時間內工質通過室內換熱器的換熱量增多，制熱量增大。從車室內溫度上升程度判斷，充注量為400 g時，由于系統內工質質量流量過少，工質在蒸發器內吸熱和在冷凝器內放熱均不足，導致系統制熱量不足。

圖3 車室溫升曲線（環境溫度-5℃）

如圖4所示，環境溫度為-5℃時，充注量為670 g時，壓縮機功耗遠大于其他充注量。充注量為400 g時系統穩定時壓縮機平均功耗為859 W，與充注量為600 g時功耗基本相同，但制熱量明顯較小，故充注量為600 g時制熱效率較高。

還進行了環境溫度為-10℃及-15℃時的熱泵空調制熱試驗，充注量為670 g時，車室內溫度同樣能上升到18℃，但壓縮機功耗較高；在其他充注量情況下，車室內溫度不能滿足要求。說明在環境溫度為-10℃或-15℃時，僅改變充注量并不能滿足系統高效制熱的要求，可通過優化系統結構參數和運行參數來提升系統制熱性能。

圖4 壓縮機功耗曲線（環境溫度-5℃）

5.2 充注量對系統壓力及溫度的影響

由圖5可知，在環境溫度為-5℃時，充注量為670 g時，壓縮機出口壓力急劇上升，在壓縮機轉速為6 000 r/min，系統運行至1 300 s時，壓縮機出口壓力高達1.935 MPa，接近壓縮機所允許的最大壓力2 MPa，易發生危險。由于工質充注量過量時，壓縮機出口壓力會急劇上升，可以判斷出，670 g時系統內工質的充注量過量。同時可以看出，充注量為600 g時，壓縮機出口壓力隨系統運行時間緩慢增加，充注量為400 g時壓縮機出口壓力較低且基本保持穩定。

圖5 壓縮機出口壓力（環境溫度-5℃）

從圖6可知，在環境溫度為-5℃時，壓縮機出口溫度隨著充注量的增大而增大，充注量越大，壓縮機出口溫度上升越快。充注量為600 g及670 g時壓縮機出口溫度均能達到70℃左右，但充注量為400 g時壓縮機出口溫度較低，導致制熱量不足。

由圖7可知，在環境溫度為-15℃時，充注量為600 g及670 g時，蒸發器進口溫度先降低后緩慢升高，隨時間增加，其值基本保持不變；充注量為400 g即充注量不足時，蒸發器進口溫度先上升后下降直至平穩，系統穩定時蒸發器進口溫度高于充注量為600 g和670 g時，甚至高于環境溫度，蒸發器內工質從外界吸熱有限，導致整個系統制熱量不足。

圖6 壓縮機出口溫度（環境溫度-5℃）

圖7 蒸發器進口溫度（環境溫度-15℃）

由圖8可知，在環境溫度為-15℃時，充注量為670 g時，蒸發器壓力最高，原因為壓縮機出口壓力較高，節流降壓之后壓力仍較高；充注量為400 g時，從壓縮機出口壓力看，節流降壓幅度很小，從而導致蒸發器進口溫度過高，工質吸熱較少；充注量為600 g時，蒸發器工質的進口壓力低于其他充注量，說明節流降壓效果明顯，蒸發器能從外界環境中正常吸熱。

圖8 蒸發器進口壓力（環境溫度-15℃）

5.3 不同工質對熱泵空調制熱性能的影響

由圖9可知，環境溫度為-10℃時，R407C及R410A為工質時，車室內溫度能上升到18℃，而R134A不能滿足要求。由圖10可知，在環境溫度為-15℃時，僅工質R410A滿足制熱要求，但工質R407C接近制熱要求。

圖9 不同工質下車室內平均溫度（環境溫度-10℃）

圖10 不同工質下車室內平均溫度（環境溫度-15℃）

由圖11可知，R410A作為工質時壓縮機功耗高于R407C，在環境溫度為-10℃時，R410A高于R407C壓縮機功耗12.7%，并且在環境溫度為-10℃時，R407C作為工質時，車室內溫度上升較快；在環境溫度為-15℃時，R410A工質的壓縮機功耗高于R407C壓縮機功耗28.2%，并且R407C在環境溫度為-15℃時車室內溫度可以上升到16℃，滿足要求。故在環境溫度為-10℃及-15℃時，在壓縮機及冷凝器等系統參數相同的情況下，工質R407C對熱泵系統的制熱情況最有利。同時應注意R407C及R410A作為工質時，系統運行壓力較高，避免出現壓力過高的情況。

圖11 3種工質壓縮機功耗

6 結 論

1）工質充注量對電動汽車熱泵空調的制熱性能具有重要的影響，在環境溫度為-5℃時，充注量為600 g和670 g均能滿足要求，但充注量為670 g時充注過量，在相同的系統參數情況下，以R134A作為工質時，最優充注量為600 g。

2）壓縮機出口壓力及溫度隨充注量的增加而增大，充注量過多時會導致壓縮機出口壓力過大，造成危險。工質充注量過小，節流降壓幅度很小，會導致工質在蒸發器中吸熱較少，制熱效率很低；工質充注量過大，工質在蒸發器進口溫度較低，但壓力偏高，不利于工質在蒸發器中吸熱；充注量適量時，工質在蒸發器中正常吸熱。

3）R134A、R410A及R407C 3種工質，在環境溫度為-10℃和-15℃時，在系統參數相同的情況下，R410A及R407C制熱性能較好，但R407C功耗低。故在環境溫度為-10℃或-15℃的低溫工況下，R407C的制熱性能最優。

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2017-10-18

U463.85+1

A

1002-4581（2018）01-0017-06

10.14175/j.issn.1002-4581.2018.01.005