汽車(chē)空調(diào)熱泵系統(tǒng)可行性方案說(shuō)明.docx

1、汽車(chē)空調(diào)熱泵系統(tǒng)可行性分析隨著汽車(chē)技術(shù)的開(kāi)展，熱泵空調(diào)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)顯得尤其重要。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi) 外熱泵空調(diào)研究進(jìn)展進(jìn)展分析，討論了各種系統(tǒng)在汽車(chē)中實(shí)現(xiàn)的可能性以及今后 所要重點(diǎn)解決的問(wèn)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(chē)中廣泛使用的空調(diào)系統(tǒng)僅.隨著汽車(chē)技術(shù)的開(kāi)展，熱泵寶調(diào)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)顯得尤其重要。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外熱 泵也I研究進(jìn)展進(jìn)展分析，討論了各種系統(tǒng)在汽車(chē)中實(shí)現(xiàn)的可能性以及今后所要 重點(diǎn)解決的問(wèn)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(chē)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(lái)滿足車(chē)室內(nèi)舒適性

2、要求。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和汽車(chē)工業(yè)的不斷開(kāi)展，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的效率越來(lái)越高， 這就使得發(fā)動(dòng)機(jī)在冬季工況下能夠用來(lái)車(chē)室內(nèi)取暖的余熱越來(lái)越少。對(duì)于平安和 舒適性要求，較長(zhǎng)升溫周期和緩慢除霜效果是不能承受的。目前在汽車(chē)市場(chǎng)上的 輔助加熱手段，如電加熱、阻尼加熱器等等在制造木錢(qián)、性能、效率等方面仍然 存在缺乏。同時(shí)電動(dòng)汽車(chē)工業(yè)的快速開(kāi)展需要熱泵空調(diào)。電動(dòng)車(chē)沒(méi)有傳統(tǒng)汽車(chē)用 來(lái)采暖的發(fā)動(dòng)機(jī)余熱，無(wú)法提供采暖熱源。因此，電動(dòng)汽車(chē)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(chē)熱泵 空調(diào)系統(tǒng)仍然是一個(gè)全新的課題。本文將對(duì)國(guó)內(nèi)外研究較多的汽車(chē)空調(diào)熱泵系統(tǒng) 形式進(jìn)展綜述與探討，以供

3、國(guó)內(nèi)研究者參考。1 R134a熱泵空調(diào)系統(tǒng)1.1改良的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(lái)加熱車(chē)廂的余熱就越少。John Meyer等人改良 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(lái)加熱車(chē)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(chē)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(lái)進(jìn)展模式轉(zhuǎn)換并使用節(jié)流短管/氣液別離器的系統(tǒng) 構(gòu)造。作者在系統(tǒng)中參加了用于冷卻液與制冷劑換熱的換熱器LTR(Liquid

4、-to-Refrigeration),并且改良原系統(tǒng)的蒸發(fā)器構(gòu)造，使它成為能夠 承受高壓的換熱器。圖1 (a)制冷模式Y(jié)盤(pán)回石：SE»>0gAof H圖1 (b)加熱模式低溫風(fēng)洞中的測(cè)試結(jié)果與根本加熱系統(tǒng)進(jìn)展了比擬，如圖2所示。利用熱泵 作為輔助加熱手段的系統(tǒng)性能在總體上要比根本加熱系統(tǒng)要好。在第5分鐘，熱 泵足部出風(fēng)溫度比根本模式高出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(chē)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)可以翻開(kāi)節(jié)溫閥利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱來(lái)加熱車(chē)室。在怠速時(shí)，熱泵輔助加 熱能夠提供更多的熱量來(lái)加熱車(chē)室。在怠速階段，

5、兩者足部出風(fēng)溫度相差最大達(dá) 15C以上，熱泵輔助加熱的效果要比根本加熱系統(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(chē)中，該熱泵空調(diào)可以作為加熱系統(tǒng)的有益補(bǔ) 充。圖2溫升性能比照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)展不同工況下的制冷劑換向，同時(shí)蒸發(fā)器 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(lái)到達(dá)制熱效果的理念也被 運(yùn)用到了汽車(chē)空調(diào)中。圖3 R134a熱泵系統(tǒng)圖Nippondcnso 公司的 Takahisa Suzuki 和 Katsuya Ishii 為電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)了 一

6、種使用R134a作為制冷劑的汽車(chē)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(chē)儀表盤(pán)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)換熱器的構(gòu)造不能運(yùn)行在汽車(chē)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，為了保證平安駕駛，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-10°C到40°C的范圍內(nèi)，系統(tǒng)在 穩(wěn)態(tài)條件下，以最大能耗Ikw能完成對(duì)車(chē)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

7、通過(guò)使用電子膨脹閥來(lái)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(chē)空調(diào)行業(yè)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)試條件測(cè)試結(jié)果容W能耗制冷環(huán)境溫度40°C,車(chē)室溫度27°C, 50%RH2. 9kw1. Okw制熱環(huán)境溫度-10°C,車(chē)室溫度25°C2. 3kwl.Okw2 CO?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(duì)C0?的興趣。2.1車(chē)用CO?熱泵空調(diào)系

8、統(tǒng)近年來(lái)的研究說(shuō)明，C0?作為替代汽車(chē)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(shì)，因?yàn)槠湓诘蜏叵乱材艿竭_(dá)較高的加熱 能力和COP,并且能夠提供應(yīng)車(chē)室的空氣溫度很高。首次CO?熱泵實(shí)驗(yàn)是通過(guò)反向運(yùn)行一個(gè)汽車(chē)空調(diào)原型系統(tǒng)而得到對(duì)。在簡(jiǎn) 單實(shí)驗(yàn)的根底上，圖4給出了 C0?汽車(chē)空調(diào)熱泵運(yùn)行的一些根木特征：汽車(chē)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(chē)變暖和從發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水來(lái)的熱量變得 可用時(shí)，在更高的溫升下，壓縮機(jī)容積效率和等炳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）

9、緩慢地下降。o.15 -10 -50510 15 20 25車(chē)室內(nèi)空氣照度C）5 3 5 232.圖4不同室內(nèi)溫度下的C0?熱泵制熱性能Hammer和Wertenbach給出了一輛排量1. 6升的Audi A4汽車(chē)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 比擬了基于發(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(wú)加熱器芯體）在足部出風(fēng)溫度和 車(chē)室內(nèi)溫度的比照。熱泵系統(tǒng)明顯升溫更快，從-20C到+20°C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(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)升溫時(shí) 問(wèn)，這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)可能帶來(lái)危險(xiǎn)。測(cè)量顯示由于由熱泵壓縮機(jī)所產(chǎn)

10、生的對(duì)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(cè)試車(chē)中測(cè)量溫度比照(有暖風(fēng)芯體和熱泵系統(tǒng)比照)同前述的熱泵系統(tǒng)一樣，CO?熱泵系統(tǒng)依然要面對(duì)在低溫下蒸發(fā)器除霜的問(wèn) 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?chē)室提供更復(fù)雜的氣候控制系統(tǒng)，同時(shí)與全新動(dòng)力汽車(chē)開(kāi)展和 環(huán)保性能的要求相適應(yīng)，使得越來(lái)越多的機(jī)構(gòu)來(lái)研究與開(kāi)發(fā)C(X熱泵系統(tǒng)。2.2(:兒的三角循環(huán)系統(tǒng)FX推FX推圖6 (a) CO?三角循環(huán)系統(tǒng)圖02心圖6 (b) CO?三角循環(huán)壓嬉圖為了能夠在冬季工況下為現(xiàn)有高效率汽車(chē)提供足夠的熱量，Hager

11、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,蒸汽通過(guò)換熱器將熱量傳遞給車(chē)室內(nèi) 冷空氣，冷空氣加熱后直接進(jìn)入車(chē)室內(nèi)。被冷卻的CO?制冷劑通過(guò)節(jié)流閥降壓， 再通過(guò)氣液別離器，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(lái)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，比照其他輔助加熱系統(tǒng)來(lái)看，該循環(huán)效率應(yīng)該較其他系統(tǒng)為高，但目前沒(méi) 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

12、夠時(shí)，利用三 角循環(huán)可以提供局部熱量。因此，三角循環(huán)系統(tǒng)可以作為汽車(chē)空調(diào)的輔助加熱裝 置，同時(shí)由于不需要對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)展較多改變而具有較強(qiáng)的可操作性。3結(jié)論隨著汽車(chē)技術(shù)的開(kāi)展，開(kāi)發(fā)現(xiàn)實(shí)可用的汽車(chē)空調(diào)熱泵系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之急。本 文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外對(duì)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(chē)空調(diào)系統(tǒng)的輔助加熱系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)展改良，局部利 用發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱，可以到達(dá)為車(chē)室提供度好舒適性的要求。2、CO,作為一種天然制冷劑，越來(lái)越多的受到國(guó)際汽車(chē)業(yè)的重視。由于CO? 良好的熱物理性能，使得開(kāi)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(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)的開(kāi)展，研究人員提出了一種完全不

13、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)器的除霜問(wèn)題顯得尤 其重要?？紤]到汽車(chē)空調(diào)的特殊性，除霜問(wèn)題應(yīng)該成為研究人員今后研究的重點(diǎn)。參考文獻(xiàn)1 John Meyer, George Yang, Evangelos Papoulis. R134a Heat Pump for Improved Passenger Comfort, SAE paper, No. 2004-01-1379.2 L. P. Scherer, M. Ghodbane, J. A. Baker and P.

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