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)研究進展進行分析，討論了各種系統(tǒng)在汽車中實現(xiàn)的可能性以及今后 所要重點解決的問題。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)研究進展進行分析,討論了各種系統(tǒng)在汽車中實現(xiàn)的可能性以及今后所要 重點解決的問題。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)動機冷卻水加熱空氣來滿足車室內(nèi)舒適性要

2、求。隨著科學(xué)技術(shù)的進步和汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車發(fā)動機的效率越來越高，這就使得發(fā)動機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。同時電動汽車工業(yè)的快速發(fā)展需要熱泵空調(diào)。電動車沒有傳統(tǒng)汽車用來采暖的發(fā)動機余熱，無法提供采暖熱源。因此，電動汽車的空調(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) 形式進行綜述與探討，以供國內(nèi)研究

3、者參考。1 R134a熱泵空調(diào)系統(tǒng)1.1改進的R134a空調(diào)系統(tǒng)-輔助加熱系統(tǒng)發(fā)動機效率越高，可利用來加熱車廂的余熱就越少。 John Meyer等人改進 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)動機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)運行圖如圖1（ a）和（b）所示。該系統(tǒng)仍然需要使用發(fā)動機余熱來加熱車室，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)動的滑塊式四通閥來進行模式轉(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 (Liquid-to-Ref

4、rigerati on承受高壓的換熱器。LTR)，并且改進原系統(tǒng)的蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)，使它成為能夠-WBA；圖1 (a)制冷模式r低溫風(fēng)洞中的測試結(jié)果與基本加熱系統(tǒng)進行了比較，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，車室溫度已經(jīng)較高并且乙二醇的溫度也已經(jīng)足 夠高，這時可以打開節(jié)溫閥利用發(fā)動機余熱來加熱車室。在怠速時，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 15C以上，熱泵輔助加熱的效果要比基本加熱系統(tǒng)的效

5、果好很多。因此，在使用余熱不多的新型燃油發(fā)動機的汽車中，該熱泵空調(diào)可以作為加熱系統(tǒng)的有益補 充。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?？照{(diào)能夠在動態(tài)制熱，夏天制冷。熱泵空調(diào)通常利用四通閥進行不同工況下的制冷劑換向，同時蒸發(fā)器能夠承受較高的運行壓力。這種利用制冷劑反向流動來達到制熱效果的理念也被 運用到了汽車空調(diào)中。片00二/IIw廳制畀叭f廠PwJ圖3 R134a熱泵系統(tǒng)圖Nippon de nso 公司的 Takahisa Suzuki 和 Katsuya Ishii為電動汽車開發(fā)了一種使用R134a作為制冷劑的汽車空調(diào)熱泵系統(tǒng)，系統(tǒng)

6、如圖3所示，該系統(tǒng)能夠 在制冷、制熱和除霜/除霧模式下運行。在汽車儀表盤下部的蒸發(fā)箱總成中有兩 個換熱器，在不同循環(huán)時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 一個換熱器的結(jié)構(gòu)不能運行在汽車上，因為在制冷模式轉(zhuǎn)換成制熱模式時，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)的實驗結(jié)果如表1所示，環(huán)境溫度在-10C到40C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)溫度， 也能以較小的 能耗在很大的濕度范圍內(nèi)完成

7、除濕操作， 但該系統(tǒng)需要提供全電動壓縮機，該項 技術(shù)是目前汽車空調(diào)行業(yè)開發(fā)的重點。表1實驗結(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25r2.3kw1.0kw2 CQ熱泵空調(diào)系統(tǒng)CO是最早被廣泛使用的制冷劑，同時也是一種天然工質(zhì)。在上世紀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熱泵系統(tǒng)有比R134a更大的優(yōu)勢，因為其在低溫下也能

8、達到較高的加熱 能力和COP并且能夠提供給車室的空氣溫度很高。首次CO熱泵實驗是通過反向運行一個汽車空調(diào)原型系統(tǒng)而得到13-15。在簡單實驗的基礎(chǔ)上，圖4給出了 CO汽車空調(diào)熱泵運行的一些基本特征：汽車在低 溫下剛啟動時，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)動機冷卻水來的熱量變得 可用時，在更高的溫升下，壓縮機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。0-15 *110*505101520254.545 3 5 2土丈二尹二圖4不同室內(nèi)溫度下的CO熱泵制熱性能Hamme和Wert

9、enbach給出了一輛排量1.6升的Audi A4汽車的試驗數(shù)據(jù)， 比較了基于發(fā)動機冷卻水作為熱源的標準暖風(fēng)芯體加熱器和CO熱泵系統(tǒng)。圖5給出了使用標準的暖風(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的升溫時間幾乎減 少了 50%由于熱泵使用了發(fā)動機冷卻水作為熱源，這可能會延長發(fā)動機升溫時間，這對發(fā)動機來說可能帶來危險。測量顯示由于由熱泵壓縮機所產(chǎn)生的對發(fā)動 機的附加負荷，當(dāng)熱量被從冷卻回路吸走時，升溫時間實際上略有下降。一兀a賞 t里 rft «JC-pi倔；,A«- fi if斑圧勺 ¥ 百

10、 & 口！S »圖5 Audi A4測試車中測量溫度對比(有暖風(fēng)芯體和熱泵系統(tǒng)對比)$15*睜-葉同前述的熱泵系統(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“即時供熱”且 CO熱泵系統(tǒng)能夠提供更多熱 量的特性，能夠為車室提供更復(fù)雜的氣候控制系統(tǒng)， 同時與全新動力汽車發(fā)展和 環(huán)保性能的要求相適應(yīng)，使得越來越多的機構(gòu)來研究與開發(fā)CO熱泵系統(tǒng)。圖6 (a) CO 2三角循環(huán)系統(tǒng)圖2.2 CO2的三角循環(huán)系統(tǒng)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

11、CO三角循環(huán)。 在該系統(tǒng)中，經(jīng)壓縮機壓縮的高壓高溫 CO蒸汽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氣體進入壓縮機，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 壓縮功轉(zhuǎn)化的熱量，所以該循環(huán)的效率W 1。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 有實驗數(shù)據(jù)給予有力證明。在冬季工況下，當(dāng)發(fā)動機提供的熱源不夠時，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

12、 置，同時由于不需要對原有系統(tǒng)進行較多改變而具有較強的可操作性。3結(jié)論隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)現(xiàn)實可用的汽車空調(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)進行改進，部分利 用發(fā)動機的余熱，可以到達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、考慮到電動汽車和混合動力汽車的發(fā)展，研究人員提出了一種完全不需 要發(fā)動機余熱的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

13、統(tǒng)提供全電動壓縮機。4、由于熱泵空調(diào)運行溫度較低，因此在低溫下的蒸發(fā)器的除霜問題顯得尤 其重要。考慮到汽車空調(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。參考文獻1 John Meyer, George Yang, Evangelos Papoulis. R134aHeat Pumpfor Imp roved P asse nger Comfort, SAE pap er, No. 2004-01-1379.2 L. P. Scherer, M. Ghodbane, J. A. Baker and P. S. Kadle, On-Vehicle P erforma nee Comp ar

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