汽車空調(diào)熱泵系統(tǒng)可行性分析

1、汽車空調(diào)熱泵系統(tǒng)可行性分析隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，熱泵空調(diào)系統(tǒng)的開發(fā)顯得尤其重要。本文通過對國內(nèi) 外熱泵空調(diào)研究進(jìn)展進(jìn)行分析，討論了各種系統(tǒng)在汽車中實(shí)現(xiàn)的可能性以及今后 所要重點(diǎn)解決的問題。關(guān)鍵詞：熱泵空調(diào)輔助加熱二氧化碳三角循環(huán)0前 言目前汽車中廣泛使用的空調(diào)系統(tǒng)僅 隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，熱泵空調(diào)系統(tǒng)的開發(fā)顯得尤其重要。本文通過對國內(nèi)外熱 泵空調(diào)研究進(jìn)展進(jìn)行分析，討論了各種系統(tǒng)在汽車中實(shí)現(xiàn)的可能性以及今后所要 重點(diǎn)解決的問題。關(guān)鍵詞：熱泵空調(diào) 輔助加熱 二氧化碳三角循環(huán)0前言目前汽車中廣泛使用的空調(diào)系統(tǒng)僅僅能滿足夏季工況的制冷要求，冬季工況的采暖是利用溫度較高的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水加熱空氣來滿足車室內(nèi)舒適

2、性要求。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的效率越來越高，這就使得發(fā)動(dòng)機(jī)在冬季工況下能夠用來車室內(nèi)取暖的余熱越來越少。對于安全和舒適性要求，較長升溫周期和緩慢除霜效果是不能接受的。 目前在汽車市場上的 輔助加熱手段，如電加熱、阻尼加熱器等等在制造成本、性能、效率等方面仍然 存在不足。同時(shí)電動(dòng)汽車工業(yè)的快速發(fā)展需要熱泵空調(diào)。電動(dòng)車沒有傳統(tǒng)汽車用來采暖的發(fā)動(dòng)機(jī)余熱，無法提供采暖熱源。因此，電動(dòng)汽車的空調(diào)系統(tǒng)必須自身 具有供暖的功能，即熱泵型空調(diào)系統(tǒng)和（或）電加熱供熱。目前，研究汽車熱泵 空調(diào)系統(tǒng)仍然是一個(gè)全新的課題。本文將對國內(nèi)外研究較多的汽車空調(diào)熱泵系統(tǒng) 形式進(jìn)行綜述與探討，以供

3、國內(nèi)研究者參考。1 R134a熱泵空調(diào)系統(tǒng)1.1改進(jìn)的R134a空調(diào)系統(tǒng)-輔助加熱系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)效率越高，可利用來加熱車廂的余熱就越少。John Meyer等人改進(jìn)現(xiàn)有空調(diào)的加熱系統(tǒng)，提高了余熱利用率和系統(tǒng)性能。作者利用乙二醇代替空氣 作為發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻劑將加熱系統(tǒng)改裝成利用乙二醇作為熱源的熱泵。熱泵系統(tǒng)運(yùn)行圖如圖1（ a）和（b）所示。該系統(tǒng)仍然需要使用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱來加熱車室，只 能作為加熱模式下的輔助加熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)與普通汽車空調(diào)最大區(qū)別是使用了電 磁線圈驅(qū)動(dòng)的滑塊式四通閥來進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換并使用節(jié)流短管 /氣液分離器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。作者在系統(tǒng)中加入了用于冷卻液與制冷劑換熱的換熱器LTR(Liquid-t

4、o-Refrigeration )，并且改進(jìn)原系統(tǒng)的蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)，使它成為能夠 承受高壓的換熱器。女世K.血抽jIaw I-ft圖1 (b)加熱模式低溫風(fēng)洞中的測試結(jié)果與基本加熱系統(tǒng)進(jìn)行了比較，如圖2所示。利用熱泵作為輔助加熱手段的系統(tǒng)性能在總體上要比基本加熱系統(tǒng)要好。在第5分鐘，熱泵足部出風(fēng)溫度比基本模式高出10.4 C,因此在快速取暖要求方面，熱泵性能 更優(yōu)越。在20分鐘關(guān)閉熱泵時(shí)，車室溫度已經(jīng)較高并且乙二醇的溫度也已經(jīng)足 夠高，這時(shí)可以打開節(jié)溫閥利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱來加熱車室。在怠速時(shí)，熱泵輔助加熱能夠提供更多的熱量來加熱車室。 在怠速階段，兩者足部出風(fēng)溫度相差最大達(dá) 15C以上，熱泵輔助加熱的

5、效果要比基本加熱系統(tǒng)的效果好很多。因此，在使用余熱不多的新型燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車中，該熱泵空調(diào)可以作為加熱系統(tǒng)的有益補(bǔ) 充。城尙»J* H JV半 占 耳MM圖2溫升性能對比1.2全新的R134a熱泵空調(diào)系統(tǒng)以空氣為熱源的家用熱泵空調(diào)允許制冷劑反向流動(dòng)?？照{(diào)能夠在動(dòng)態(tài)制熱，夏天制冷。熱泵空調(diào)通常利用四通閥進(jìn)行不同工況下的制冷劑換向，同時(shí)蒸發(fā)器圖3 R134a熱泵系統(tǒng)圖能夠承受較高的運(yùn)行壓力。這種利用制冷劑反向流動(dòng)來達(dá)到制熱效果的理念也被 運(yùn)用到了汽車空調(diào)中。Nippondenso公司的 Takahisa Suzuki 和 Katsuya Ishii 為電動(dòng)汽車開發(fā)了 一種使用R134a作

6、為制冷劑的汽車空調(diào)熱泵系統(tǒng)，系統(tǒng)如圖3所示，該系統(tǒng)能夠 在制冷、制熱和除霜/除霧模式下運(yùn)行。在汽車儀表盤下部的蒸發(fā)箱總成中有兩 個(gè)換熱器，在不同循環(huán)時(shí)成為功能不同的換熱器。普通家用熱泵空調(diào)在室內(nèi)只需 一個(gè)換熱器的結(jié)構(gòu)不能運(yùn)行在汽車上，因?yàn)樵谥评淠Ｊ睫D(zhuǎn)換成制熱模式時(shí)， 換熱器上的冷凝水將迅速蒸發(fā)，在擋風(fēng)玻璃上結(jié)霜。因此，為了保證安全駕駛，在熱 泵系統(tǒng)中有圖3所示的內(nèi)部冷凝器和內(nèi)部蒸發(fā)器。該系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，環(huán)境溫度在-10C到40 °C的范圍內(nèi)，系統(tǒng)在 穩(wěn)態(tài)條件下，以最大能耗1kw能完成對車室的制冷和制熱。它不僅能在制冷和制 熱模式下滿足舒適性，也能通過使用電子膨脹閥來控制出風(fēng)

7、溫度， 也能以較小的 能耗在很大的濕度范圍內(nèi)完成除濕操作， 但該系統(tǒng)需要提供全電動(dòng)壓縮機(jī)，該項(xiàng) 技術(shù)是目前汽車空調(diào)行業(yè)開發(fā)的重點(diǎn)。表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果測試條件測試結(jié)果容量能耗制冷環(huán)境溫度40C，車室溫度27C, 50%RH2.9kw1.0kw制熱環(huán)境溫度-10C，車室溫度25C 一寸2.3kw1.0kw2CQ熱泵空調(diào)系統(tǒng)CO是最早被廣泛使用的制冷劑，同時(shí)也是一種天然工質(zhì)。在上世紀(jì)90年代 初, Lorentzen和Pettersen首先提出了 CO跨臨界循環(huán)的概念，再次引起了全 世界對CO的興趣。2.1車用CO熱泵空調(diào)系統(tǒng)近年來的研究表明，CO作為替代汽車空調(diào)制冷劑R134a的制冷劑是完全可 行。CO

8、熱泵系統(tǒng)有比R134a更大的優(yōu)勢，因?yàn)槠湓诘蜏叵乱材苓_(dá)到較高的加熱 能力和COP并且能夠提供給車室的空氣溫度很高。首次co熱泵實(shí)驗(yàn)是通過反向運(yùn)行一個(gè)汽車空調(diào)原型系統(tǒng)而得到13-15。在簡單實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，圖4給出了 CO汽車空調(diào)熱泵運(yùn)行的一些基本特征：汽車在低 溫下剛啟動(dòng)時(shí)，熱泵制熱能力為最高；由于高熱泵系數(shù)的緣故，能力至少是電加 熱器或阻尼加熱器所得熱量的三倍；當(dāng)汽車變暖和從發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水來的熱量變得 可用時(shí)，在更高的溫升下，壓縮機(jī)容積效率和等熵壓縮效率的下降的緣故，熱泵制熱能力和效率（制熱性能因子，HPF緩慢地下降。4£=二養(yǎng)一EyQ*15 *10*505101520國苗空毀餐雯T&

9、#39;圖4不同室內(nèi)溫度下的CO熱泵制熱性能Hamme和Wertenbach給出了一輛排量1.6升的Audi A4汽車的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，比較了基于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水作為熱源的標(biāo)準(zhǔn)暖風(fēng)芯體加熱器和CO熱泵系統(tǒng)。圖5給出了使用標(biāo)準(zhǔn)的暖風(fēng)芯體和使用熱泵系統(tǒng)（無加熱器芯體）在足部出風(fēng)溫度和 車室內(nèi)溫度的對比。熱泵系統(tǒng)明顯升溫更快，從-20C到+20C的升溫時(shí)間幾乎減 少了 50%由于熱泵使用了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水作為熱源，這可能會(huì)延長發(fā)動(dòng)機(jī)升溫時(shí)間，這對發(fā)動(dòng)機(jī)來說可能帶來危險(xiǎn)。測量顯示由于由熱泵壓縮機(jī)所產(chǎn)生的對發(fā)動(dòng) 機(jī)的附加負(fù)荷，當(dāng)熱量被從冷卻回路吸走時(shí)，升溫時(shí)間實(shí)際上略有下降。圖5 Audi A4測試車中測量溫度對比(

10、有暖風(fēng)芯體和熱泵系統(tǒng)對比)同前述的熱泵系統(tǒng)一樣，CO熱泵系統(tǒng)依然要面對在低溫下蒸發(fā)器除霜的問 題。另一方面，由于熱泵系統(tǒng)能夠“即時(shí)供熱”且CO熱泵系統(tǒng)能夠提供更多熱量的特性，能夠?yàn)檐囀姨峁└鼜?fù)雜的氣候控制系統(tǒng)， 同時(shí)與全新動(dòng)力汽車發(fā)展和 環(huán)保性能的要求相適應(yīng)，使得越來越多的機(jī)構(gòu)來研究與開發(fā)CO熱泵系統(tǒng)。2.2 CO2的三角循環(huán)系統(tǒng)圖6 (a) CO 2三角循環(huán)系統(tǒng)圖圖6 (b) CO 2三角循環(huán)壓焓圖為了能夠在冬季工況下為現(xiàn)有高效率汽車提供足夠的熱量，Hager和Anzenberger提出了一種全新的CO循環(huán)概念，即如圖6 (a)所示的CO三角循環(huán)。 在該系統(tǒng)中，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮的高壓高溫CO蒸汽

11、通過換熱器將熱量傳遞給車室內(nèi)冷空氣，冷空氣加熱后直接進(jìn)入車室內(nèi)。被冷卻的CO制冷劑通過節(jié)流閥降壓，再通過氣液分離器，低溫低壓的 CO氣體進(jìn)入壓縮機(jī)，從而周而復(fù)始。三角循環(huán) 的P-h圖如圖6 (b)所示。根據(jù)三角循環(huán)理論，換熱器的熱量主要來自于壓縮機(jī) 壓縮功轉(zhuǎn)化的熱量，所以該循環(huán)的效率w1。由于換熱器高效傳熱性能，更多人相信，對比其他輔助加熱系統(tǒng)來看，該循環(huán)效率應(yīng)該較其他系統(tǒng)為高，但目前沒 有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給予有力證明。在冬季工況下，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)提供的熱源不夠時(shí)，利用三 角循環(huán)可以提供部分熱量。因此，三角循環(huán)系統(tǒng)可以作為汽車空調(diào)的輔助加熱裝 置，同時(shí)由于不需要對原有系統(tǒng)進(jìn)行較多改變而具有較強(qiáng)的可操作性。3

12、結(jié)論隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)現(xiàn)實(shí)可用的汽車空調(diào)熱泵系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之急。本文通過對國內(nèi)外對于熱泵空調(diào)研究情況的分析，得出了如下一些結(jié)論：1、增加汽車空調(diào)系統(tǒng)的輔助加熱系統(tǒng)，對現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，部分利 用發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱，可以到達(dá)為車室提供良好舒適性的要求。2、 CO作為一種天然制冷劑，越來越多的受到國際汽車業(yè)的重視。由于CO 良好的熱物理性能，使得開發(fā)CO熱泵空調(diào)系統(tǒng)成為一種可能。3、考慮到電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的發(fā)展，研究人員提出了一種完全不需要發(fā)動(dòng)機(jī)余熱的R134a熱泵空調(diào)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)制冷、制熱和除霜/除霧的要求， 但要求系統(tǒng)提供全電動(dòng)壓縮機(jī)。4、由于熱泵空調(diào)運(yùn)行溫度較低，因此在低溫下的蒸發(fā)

13、器的除霜問題顯得尤 其重要?？紤]到汽車空調(diào)的特殊性，除霜問題應(yīng)該成為研究人員今后研究的重點(diǎn)。參考文獻(xiàn)1 Joh n Meyer, George Ya ng, Eva ngelos Pap oulis. R134aHeat Pumpfor Improved Passe nger Comfort, SAE paper, No. 2004-01-1379.2 L. P. Scherer, M. Ghodbane, J. A. Baker and P. S. Kadle, On-Vehicle Performa nee Comparison of an R-152a and R-134a Heat P

14、ump System, SAE Paper, No. 2003-01-0733, Adva nces in Automotive Climate Con trolTech nologies, SAE 2003 World Con gress.3 Takahisa Suzuki, Katsuya Ishii. Air Con diti oning System for Electric Vehicle, SAE paper 960688.4 Gia nn avola M, Murphy R, Yin J, Kim M-H, Bullard C, Hrnjak P. Experime ntal i

15、nv estigati ons of an automotive heat pump prototype formilitary, SUV and compact cars. In: Groll EA, Robinson DM, editors. The Fourth IIR-Gustav Lore ntze n Conference on Natural Worki ng Fluids, West Lafayette, IN. 2000. P115- 22.5 Hammer H, Werte nbach J. Carbon dioxide (R-744) as suppleme ntary heat ing device. The SAE Automotive Alternate Refrigera nts Systems Symposium, Scottsdale, AZ; 2000.6 Josef Hager, Thomas Anzen berger. Support ing the Asseseme nt Process for Early A/C System Desig n Studies Usi ng Simulatio n Tools. Alternate refrigerant wintermeeting, Saalfel en, 200