電動汽車不同工質類型熱泵空調系統的制熱性能

陳怡吉

Chen Yiji

（重慶交通大學 機電與車輛工程學院，重慶 400074）

0 引 言

電動汽車空調系統冬季取暖時主要采用PTC(Positive Temperature Coefficient，正溫度系數)進行制熱[1]。PTC 制熱的主要缺點是效率不高，會使電動汽車冬季續駛里程減少大約30%[2]，此問題的最好解決辦法是采用熱泵空調制熱。目前電動汽車熱泵空調系統的工質大多為R134a，其最大問題是GWP(Global Warming Potential，全球變暖潛能值)太高，對環境污染大，溫室效應嚴重，而R290 工質的GWP 較低，是代替R134a 工質的較好選擇。

1 熱泵空調的工作原理

熱泵是一種能量利用裝置，通過消耗部分能量將熱能從低溫轉移至高溫。熱泵空調系統主要由壓縮機、室外換熱器、室內換熱器、節流裝置、儲液干燥器、四通閥和溫度、壓力傳感器等部件構成[3]。熱泵空調制熱循環過程中，壓縮機將低溫、低壓工質通過做功變為高溫、高壓氣體，一部分氣體通過循環重新進入壓縮機，另一部分氣體通過四通閥進入室內換熱器，在其中降溫冷凝釋放熱量，使車室內溫度上升，并使高溫高壓的氣態工質變為中溫高壓的過冷液態，隨后進入節流裝置大幅降低壓力，進一步變為低溫低壓的氣液兩相態工質，并進入室外換熱器吸收熱量，將外界環境中熱量轉移到熱泵系統中，工質重新變為低溫低壓的過熱氣態，再次經過壓縮機作用完成循環[4]。電動汽車熱泵空調系統原理如圖1所示。

圖1 電動汽車熱泵空調系統原理

由圖1 可知，可將工質在整個制熱循環中的作用簡化為4個基本過程：等熵壓縮、等壓冷凝、絕熱膨脹、等壓蒸發。電動汽車熱泵空調系統的熱力學循環壓焓圖如圖2所示。

圖2 電動汽車熱泵空調系統壓焓圖

圖2 中，0 為飽和的低溫低壓工質形態，1 為壓縮機進口和室外換熱器出口處工質形態，2 為壓縮機出口和室內換熱器進口處工質形態，3 為飽和的高溫高壓工質形態，4 為室內換熱器出口和節流裝置進口處工質形態，5 為節流裝置出口和室外換熱器進口處工質形態，a為節流裝置的焓值，b為壓縮機出口的焓值。過程1→2 為壓縮機做功過程，理想狀態下為等熵壓縮；過程2→4為工質在室內換熱器中循環，是等壓冷凝放熱過程；過程4→5為工質在節流裝置中絕熱膨脹；過程5→1為工質在室外換熱器中等壓蒸發，是吸熱過程。

系統制熱量的計算式為

式中：Qcond為系統制熱量，W；為系統質量流量，kg/s；h2、h4分別為圖2 中點2、點4 的焓值，kJ/kg。

壓縮機功耗的計算式為

式中：Wcomp為壓縮機功耗，W；h1為圖2 中點1的焓值，kJ/kg。

系統COP（Coefficient of Performance，能效比）用于評價能源轉換效率，在制熱模式下，其計算式為系統制熱量（室內換熱器換熱）與壓縮機功耗之比，即

2 仿真模型建立與驗證

基于AMESim 軟件建立電動汽車熱泵空調系統仿真模型，如圖3所示。

圖3 電動汽車熱泵空調系統仿真模型

為了驗證仿真模型的正確性，通過與北京理工大學陳凱勝[3]所做的電動汽車熱泵空調系統進行試驗對比，校核仿真模型，調整模型中各零部件的主要結構參數，使仿真結果與試驗結果誤差在合理范圍內，結果對比見表1、表2，其中工況1 為環境溫度0 ℃、壓縮機轉速2 200 s、仿真時間1 200 s，工況2 為環境溫度-5 ℃、壓縮機轉速2 500 r/min、仿真時間1 500 s。

表1 工況1試驗與仿真結果對比

表2 工況2試驗與仿真結果對比

對比表1、表2可知，仿真結果與兩組試驗結果的最大相對誤差為4.27%，此值在誤差允許范圍內，從而驗證了仿真模型的正確性。因此，所建立的仿真模型可以用來對電動汽車熱泵空調系統的制熱性能進行分析計算。

3 仿真分析結果

3.1 環境溫度對制熱性能的影響

將環境溫度設置為自變量，在－10～0 ℃范圍內變化，變化間隔為2 ℃。仿真運行時間設置為1 200 s，壓縮機轉速為2 500 r/min，乘員艙溫度設置與環境溫度相同，乘員艙目標溫度為18 ℃，在其他因素不變的情況下，仿真對比R134a 工質和R290 工質的制熱性能。熱泵空調制熱量與壓縮機功耗隨環境溫度變化趨勢、系統質量流量隨環境溫度變化趨勢如圖4、圖5所示。

圖4 系統制熱量和壓縮機功耗隨環境溫度變化趨勢

圖5 系統質量流量隨環境溫度變化趨勢

由圖4 可知，隨著環境溫度上升，R134a、R290 的制熱量均升高，R134a 的制熱量從1 082.32 W上升到1 548.43 W，增加值為466.11 W，增幅為43%，R290 的制熱量從1 315.36 W 上升到1 720.63 W，增加值為405.27 W，增幅為31%，從制熱總量來看，R290 系統的制熱性能優于R134a 系統，但是R134a 的制熱量增加值和增幅優于R290 系統，R290 系統相較R134a 系統更適合對制熱量需求大的低溫制熱場景；同時，R134a、R290 的壓縮機功耗均升高，R134a 的壓縮機功耗從338.39 W 上升到413.41 W，增加值為75.02 W，增幅為22.2%，R290 的壓縮機功耗從493.55 W 上升到600.82 W，增加值為107.27 W，增幅為21.7%，R290 系統的壓縮機功耗更大，但二者壓縮機功耗增幅幾乎相等，R134a 系統更適合壓縮機功耗小的應用場景。由圖5可知，R134a的質量流量隨環境溫度升高而上升，這是因為溫度升高，工質在其中的流動速度變快，而R290的質量流量隨環境溫度上升有小幅下降。

R134a、R290 熱泵空調系統COP 隨環境溫度變化趨勢、達到目標溫度的時間隨環境溫度變化趨勢如圖6、圖7所示。

圖6 系統COP隨環境溫度變化趨勢

圖7 達到目標溫度的時間隨環境溫度變化趨勢

由圖6 可知，R134a、R290 的COP 均隨環境溫度上升而升高，前者COP 從3.2 升高到3.75，增加值為0.55，增幅為17.2%，后者COP 從2.66升高到2.86，增加值為0.2，增幅為7.5%，說明R134a 的COP、COP 增加值以及增幅均優于R290，從COP 角度看，R134a 的制熱性能優于R290。由圖7 可知，R134a、R290 達到目標溫度的時間均隨環境溫度上升而降低，后者達到目標溫度的時間短于前者，這是因為R290 系統的制熱量大于R134a 系統，從達到目標溫度的最短時間來看，R290系統的制熱性能優于R134a系統。

3.2 壓縮機轉速對制熱性能影響

將壓縮機轉速設置為自變量并在1 000～6 000 r/min 范圍變化，變化間隔為1 000 r/min。仿真運行時間設置為1 200 s，環境溫度設置為－5 ℃，乘員艙溫度設置與環境溫度相同，乘員艙的目標溫度為18 ℃，在其他因素不變的情況下仿真分析R134a 工質和R290 工質的制熱性能。熱泵空調系統制熱量與壓縮機功耗隨壓縮機轉速變化趨勢、系統質量流量隨壓縮機轉速變化趨勢如圖8、圖9所示。

圖8 系統制熱量和壓縮機功耗隨壓縮機轉速變化趨勢

圖9 系統質量流量隨壓縮機轉速變化趨勢

由圖8 可知，隨著壓縮機轉速升高，R134a、R290 制熱量均升高，R134a 系統的制熱量從536.68 W 上升到2 102.88 W，增加值為1 566.2 W，增長近3 倍，R290 系統的制熱量從277.45 W上升到3 102.76 W，增加值為2 825.31 W，增長超10 倍，且當轉速超過2 000 r/min 時，后者制熱量始終大于前者，從制熱量角度看，當壓縮機轉速超過2 000 r/min 時，R290 的制熱性能優于R134a，R290 更適合對制熱量要求大的場景；同時，R134a、R290 的壓縮機功耗均升高，且前者從124.29 W升高到826.58 W，增加值為702.29 W，增長超5倍，后者從124.47 W 升高到1 510.55 W，增加值為1 386.08 W，增長超11 倍，說明R290系統壓縮機功耗大于R134a 系統，R290 系統制熱量變大的同時其壓縮機功耗也更多。由圖9可知，R134a、R290 的質量流量均隨壓縮機轉速上升而升高，當壓縮機轉速大于3 000 r/min 時，前者的質量流量更大。

R134a、R290 熱泵空調系統COP 隨壓縮機轉速變化趨勢、達到目標溫度時間隨壓縮機轉速變化趨勢如圖10、圖11所示。

圖10 系統COP隨壓縮機轉速變化趨勢

圖11 達到目標溫度時間隨壓縮機轉速變化趨勢

由圖10 可知，R134a 的COP 隨壓縮機轉速上升而降低，COP 從4.3 降低到2.5，降幅為42%，這是因為隨著壓縮機轉速變大，系統制熱量和壓縮機功耗均變大，但壓縮機功耗升高的幅度大于系統制熱量升高幅度，R290 的COP 隨壓縮機轉速上升先上升后下降，其COP從2.2升高到3，升幅為36%，之后再降低至2.05，降幅為32%，這是因為轉速較低時，R290系統壓縮機功耗升高的幅度小于制熱量增加的幅度，之后隨著壓縮機轉速升高，壓縮機功耗升高的幅度大于制熱量增加的幅度，并且R134a 系統COP 始終大于R290 系統，從COP 角度看，R134a 系統制熱性能優于R290 系統。由圖11 可知，R134a、R290 達到目標溫度的時間均隨壓縮機轉速上升而縮短，且后者達到目標溫度的時間始終短于前者，從系統達到目標溫度所需的最短時間來看，R290系統的制熱性能更好。

4 結束語

通過建立仿真模型,分析環境溫度和壓縮機轉速對電動汽車熱泵空調系統制熱性能的影響。仿真結果表明，R290、R134a 的制熱量和COP 均隨環境溫度的升高而上升，并且R290 的制熱量大于R134a，在制熱量方面R290 的制熱性能更好，R290的COP小于R134a系統，在COP方面R134a的制熱性能更好；R290、R134a 的制熱量均隨壓縮機轉速的升高而上升，并且R290 的制熱量大于R134a，在制熱量方面R290 的制熱性能更好，R134 的COP 隨壓縮機轉速升高而降低，R290 的COP 隨壓縮機轉速升高先上升后下降，R290 的COP 始終小于R134a，在COP 方面R134a 的制熱性能更好。

今后可對仿真分析結果進行實車試驗驗證，以便更好地分析不同工質熱泵空調系統的制熱性能。