汽車空調熱泵系統(tǒng)可行性方案說明.docx

1、汽車空調熱泵系統(tǒng)可行性分析隨著汽車技術的開展，熱泵空調系統(tǒng)的開發(fā)顯得尤其重要。本文通過對國內 外熱泵空調研究進展進展分析，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。關鍵詞：熱泵空調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系統(tǒng)僅.隨著汽車技術的開展，熱泵寶調系統(tǒng)的開發(fā)顯得尤其重要。本文通過對國內外熱 泵也I研究進展進展分析，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。關鍵詞：熱泵空調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舒適性

2、要求。隨著科學技術的進步和汽車工業(yè)的不斷開展，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取暖的余熱越來越少。對于平安和 舒適性要求，較長升溫周期和緩慢除霜效果是不能承受的。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木錢、性能、效率等方面仍然 存在缺乏。同時電動汽車工業(yè)的快速開展需要熱泵空調。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，電動汽車的空調系統(tǒng)必須自身 具有供暖的功能，即熱泵型空調系統(tǒng)和或)電加熱供熱。目前，研究汽車熱泵 空調系統(tǒng)仍然是一個全新的課題。本文將對國內外研究較多的汽車空調熱泵系統(tǒng) 形式進展綜述與探討，以供

3、國內研究者參考。1 R134a熱泵空調系統(tǒng)1.1改良的R134a空調系統(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等人改良 現(xiàn)有空調的加熱系統(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)與普通汽車空調最大區(qū)別是使用了電 磁線圈驅動的滑塊式四通閥來進展模式轉換并使用節(jié)流短管/氣液別離器的系統(tǒng) 構造。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)器構造，使它成為能夠 承受高壓的換熱器。圖1 (a)制冷模式Y盤回石：SE»>0gAof H圖1 (b)加熱模式低溫風洞中的測試結果與根本加熱系統(tǒng)進展了比擬，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分鐘關閉熱泵時，車室溫度已經較高并且乙二醇的溫度也已經足 夠高，這時可以翻開節(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，

5、兩者足部出風溫度相差最大達 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)動機的汽車中，該熱泵空調可以作為加熱系統(tǒng)的有益補 充。圖2溫升性能比照1.2全新的R134a熱泵空調系統(tǒng)以空氣為熱源的家用熱泵空調允許制冷劑反向流動。空調能夠在動態(tài)制熱， 夏天制冷。熱泵空調通常利用四通閥進展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到達制熱效果的理念也被 運用到了汽車空調中。圖3 R134a熱泵系統(tǒng)圖Nippondcnso 公司的 Takahisa Suzuki 和 Katsuya Ishii 為電動汽車開發(fā)了 一

6、種使用R134a作為制冷劑的汽車空調熱泵系統(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。普通家用熱泵空調在室內只需 一個換熱器的構造不能運行在汽車上，因為在制冷模式轉換成制熱模式時，換熱 器上的冷凝水將迅速蒸發(fā)，在擋風玻璃上結霜。因此，為了保證平安駕駛，在熱 泵系統(tǒng)中有圖3所示的內部冷凝器和內部蒸發(fā)器。該系統(tǒng)的實驗結果如表1所示，環(huán)境溫度在-10°C到40°C的范圍內，系統(tǒng)在 穩(wěn)態(tài)條件下，以最大能耗Ikw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

7、通過使用電子膨脹閥來控制出風溫度，也能以較小的 能耗在很大的濕度范圍內完成除濕操作，但該系統(tǒng)需要提供全電動壓縮機，該項 技術是目前汽車空調行業(yè)開發(fā)的重點。表1實驗結果測試條件測試結果容W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. 3kwl.Okw2 CO?熱泵空調系統(tǒng)CO?是最早被廣泛使用的制冷劑，同時也是一種天然工質。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C0?的興趣。2.1車用CO?熱泵空調系

8、統(tǒng)近年來的研究說明，C0?作為替代汽車空調制冷劑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到達較高的加熱 能力和COP,并且能夠提供應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原型系統(tǒng)而得到對。在簡 單實驗的根底上，圖4給出了 C0?汽車空調熱泵運行的一些根木特征：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車室內空氣照度C）5 3 5 232.圖4不同室內溫度下的C0?熱泵制熱性能Hammer和Wertenbach給出了一輛排量1. 6升的Audi A4汽車的試驗數(shù)據(jù)， 比擬了基于發(fā)動機冷卻水作為熱源的標準暖風芯體加熱器和CO?熱泵系統(tǒng)。圖5 給出了使用標準的暖風芯體和使用熱泵系統(tǒng)（無加熱器芯體）在足部出風溫度和 車室內溫度的比照。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 問，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

10、生的對發(fā)動 機的附加負荷，當熱量被從冷卻回路吸走時，升溫時間實際上略有下降。圖5 Audi A4測試車中測量溫度比照(有暖風芯體和熱泵系統(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雜的氣候控制系統(tǒng)，同時與全新動力汽車開展和 環(huán)保性能的要求相適應，使得越來越多的機構來研究與開發(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 冷空氣，冷空氣加熱后直接進入車室內。被冷卻的CO?制冷劑通過節(jié)流閥降壓， 再通過氣液別離器，低溫低壓的CO?氣體進入壓縮機，從而周而復始。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)來看，該循環(huán)效率應該較其他系統(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，當發(fā)動機提供的熱源不

12、夠時，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)可以作為汽車空調的輔助加熱裝 置，同時由于不需要對原有系統(tǒng)進展較多改變而具有較強的可操作性。3結論隨著汽車技術的開展，開發(fā)現(xiàn)實可用的汽車空調熱泵系統(tǒng)成為當務之急。本 文通過對國內外對于熱泵空調研究情況的分析，得出了如下一些結論：1、增加汽車空調系統(tǒng)的輔助加熱系統(tǒng)，對現(xiàn)有空調系統(tǒng)進展改良，局部利 用發(fā)動機的余熱，可以到達為車室提供度好舒適性的要求。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開展，研究人員提出了一種完全不

13、需 要發(fā)動機余熱的R134a熱泵空調系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)制冷、制熱和除霜/除霧的要求, 但要求系統(tǒng)提供全電動壓縮機。4、由于熱泵空調運行溫度較低，因此在低溫下的蒸發(fā)器的除霜問題顯得尤 其重要?？紤]到汽車空調的特殊性，除霜問題應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. 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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15、 M, Murphy R, Yin J, Kim M-H, Bullard C, Hrnjak P. Experimental investigations of an automotive heat pump prototype for mil itary, SUV and compact cars. Tn: Grol1 EA, Robinson DM, editors. The Fourth IIR-Gustav Lorentzen Conference on Natural Working Fluids, West Lafayette, IN. 2000. Pl 15 - 22.5 Hammer H, Wertenbach J. Carbon dioxide (R-744) as supplementary heating device. The SAE Automotive Alter