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(duì)國(guó)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 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(duì)國(guó)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I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

2、適性要求。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(duì)于安全和舒適性要 求，較長(zhǎng)升溫周期和緩慢除霜效果是不能接受的。忖前在汽車市場(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(duì)國(guó)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，

3、 以供國(guó)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 (Liqu

4、id-to-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。圖1 G)制冷模式圖1 (b)加熱模式低溫風(fēng)洞中的測(cè)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)15°C以

5、上，熱泵輔助加 熱的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。o ifc li »<0M4# wMH <W)圖2溫升性能對(duì)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。圖3 R134a熱泵系統(tǒng)圖Xippondenso公司的Takahisa Suzuki和Katsuya Ishi

6、i為電動(dòng)汽車開發(fā)了一種使用 R134&作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-10°C到40C的范圍內(nèi)，系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)條件 下，以最大能耗lkw能完成對(duì)車室的制冷和制熱。它不僅能在制冷和制熱模式下

7、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U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(cè)試條件測(cè)試結(jié)果容量能耗制冷環(huán)境溫度40°C,車室溫度27°C, 50%RH2. 9kw1. Okw制熱環(huán)境溫度-10°C,車室溫度25°C2. 3kw1. Okw2 C02熱泵空調(diào)系統(tǒng)C02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 C02跨臨界循環(huán)的概念,再次引起了全世界 對(duì)C02的興趣。2. 1

8、車用C02熱泵空調(diào)系統(tǒng)近年來的研究表明，C02作為替代汽車空調(diào)制冷劑R134a的制冷劑是完全可 行。C02熱泵系統(tǒng)有比R134a更大的優(yōu)勢(shì)，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C02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 o在簡(jiǎn) 單實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，圖4給出了 C02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；山于高熱泵系數(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)容積效率和等爛壓縮效率的下降的緣故，熱泵制熱能 力

9、和效率（制熱性能因子，HPF）緩慢地下降。0-15 -10-505101520 Z55.S4 5 3.S24 3 2 iidH、(養(yǎng))疥圖4不同室內(nèi)溫度下的C02熱泵制熱性能Hammer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C02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(duì)比。熱泵系統(tǒng)明顯升溫更快，從-20°C到+20°C的升溫時(shí)間兒乎減少了 50%。山 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)間，這對(duì)發(fā)動(dòng)

10、機(jī) 來說可能帶來危險(xiǎn)。測(cè)量顯示山于山熱泵壓縮機(jī)所產(chǎn)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)試車中測(cè)量溫度對(duì)比（有暖風(fēng)芯體和熱泵系統(tǒng)對(duì)比）同前述的熱泵系統(tǒng)一樣，C02熱泵系統(tǒng)依然要面對(duì)在低溫下蒸發(fā)器除霜的問另一方面，山于熱泵系統(tǒng)能夠“即時(shí)供熱”且C02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)C02熱泵系統(tǒng)。2.2 C02的三角循環(huán)系統(tǒng)圖6 (a) C02三角循環(huán)系統(tǒng)圖»0OQB0200230MO4S0 MO M0圖6 (b)

11、 C02三角循環(huán)壓焰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C02循環(huán)概念，即如圖6 (a)所示的C02三角循環(huán)。 在該系統(tǒng)中，經(jīng)圧縮機(jī)壓縮的高壓高溫C02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(jìn)入車室內(nèi)。被冷卻的C02制冷劑通過節(jié)流閥降壓，再通 過氣液分離器，低溫低壓的C02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圧縮機(jī)壓縮功轉(zhuǎn)化 的熱量，所以該循環(huán)的效率lo 111于換熱器高效傳熱性能，更多人相信，對(duì)比其他 輔助加熱系統(tǒng)來看，該循環(huán)效率應(yīng)

12、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)山于不需要對(duì) 原有系統(tǒng)進(jìn)行較多改變而具有較強(qiáng)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(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(duì)國(guó)內(nèi)外對(duì)于熱泵空調(diào)研究悄況的分析，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(duì)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、C02作為一種天然制冷劑，越來越多的受到國(guó)際汽車業(yè)的重視。山于C02良 好的熱物理性能，使得開發(fā)C02熱泵

13、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、山于熱泵空調(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)1一 John Meyer, George Yang, Evangelos Papoulis R134a Heat Pump for Improved Passenger Comfort, SAE paper, o. 2004一01一1379.2 L P

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