魏名山， 彭發(fā)展， 黃海圣， 王智興， 張虹， 郝春思

(北京理工大學(xué) 機械與車輛學(xué)院， 北京 100081)

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斜盤式及渦旋式壓縮機對電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱性能的影響

魏名山， 彭發(fā)展， 黃海圣， 王智興， 張虹， 郝春思

(北京理工大學(xué) 機械與車輛學(xué)院， 北京 100081)

設(shè)計了用于電動汽車的熱泵空調(diào)試驗平臺，利用步入式低溫環(huán)境試驗艙，研究了不同環(huán)境溫度下渦旋式壓縮機和斜盤式變排量壓縮機對熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能和車室內(nèi)平均溫度的影響. 試驗結(jié)果表明：采用渦旋式壓縮機的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，車室內(nèi)平均溫度隨時間以近似開口向上的拋物線規(guī)律增加；而采用斜盤式變排量壓縮機的系統(tǒng)，車室內(nèi)平均溫度隨時間以開口向右的拋物線規(guī)律增加. 高壓管路內(nèi)工質(zhì)的溫度和壓力變化趨勢與車室內(nèi)平均溫度變化趨勢類似. 在一定的環(huán)境溫度下，隨著壓縮機轉(zhuǎn)速的增加，車室內(nèi)達到舒適溫度的時間變短.

渦旋式壓縮機；斜盤式變排量壓縮機；電動汽車熱泵空調(diào)；制熱性能；試驗研究

面對日益嚴峻的環(huán)境污染和能源危機，現(xiàn)代社會在選擇交通工具時會越來越傾向于行駛過程中零排放、效率高、噪音低、不受環(huán)境限制等優(yōu)點的電動汽車. 然而，環(huán)境溫度較低時，電機冷卻液提供的余熱無法滿足電動汽車室內(nèi)取暖的要求，所以無法采用與燃油汽車相同的取暖系統(tǒng). 目前，電動汽車大多采用能耗較高的電加熱等傳統(tǒng)方法來提高車室內(nèi)溫度，因此會導(dǎo)致續(xù)航里程的嚴重減少. 相關(guān)研究表明，空調(diào)系統(tǒng)作為電動汽車能耗最大的輔助子系統(tǒng)，在冬季制熱時能耗占整車耗能的33%左右，導(dǎo)致續(xù)航里程減少18%～30%.

熱泵是利用少量高品位能源使熱量由低溫?zé)嵩戳飨蚋邷責(zé)嵩吹墓?jié)能裝置. 在電動汽車的車室內(nèi)取暖熱負荷一定的情況下，如果利用熱泵空調(diào)系統(tǒng)為車室內(nèi)供暖，能以較少的電能滿足取暖的要求，從而為延長電動汽車的續(xù)航里程提供技術(shù)保障. 陳觀生等[1]在電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)中采用了滑片式壓縮機，以試驗的方法研究了制冷模式下壓縮機轉(zhuǎn)速對制冷量、耗電量、容積效率及COP等參數(shù)的影響. 謝卓等[2]對比分析了內(nèi)燃機汽車與電動汽車的空調(diào)系統(tǒng)之間的差異，比較了采用不同工質(zhì)和壓縮機的電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的性能，同時提出了開發(fā)高效節(jié)能電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計方法. Chung-Won Cho等[3]設(shè)計了利用電機冷卻液余熱的電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)，以試驗的方法研究了環(huán)境溫度、冷卻液體積流量等參數(shù)對系統(tǒng)的制熱量、壓縮機功耗和COP的影響. 李麗等[4]設(shè)計了針對電動汽車使用的熱泵空調(diào)試驗系統(tǒng)，研究了斜盤式壓縮機在固定轉(zhuǎn)速下環(huán)境溫度對系統(tǒng)制熱性能的影響. 巫江虹等[5]在電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)中采用了渦旋式壓縮機，分別研究了管翅式換熱器和多流程微通道換熱器在制冷/制熱模式下對系統(tǒng)的制冷量/制熱量和制冷系數(shù)/制熱性能系數(shù)的影響.

文中設(shè)計了適用于電動汽車取暖用的熱泵空調(diào)試驗平臺，利用步入式低溫環(huán)境艙，分別研究了采用渦旋式壓縮機和斜盤式變排量壓縮機的電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)在不同的轉(zhuǎn)速和環(huán)境溫度下對系統(tǒng)性能及車室內(nèi)平均溫度的影響.

1 電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)

電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)處于制熱模式時，四通換向閥內(nèi)部D-E，C-S口相通，管道內(nèi)部工質(zhì)的流動方向如圖1所示. 首先車室外換熱器中低溫低壓的氣態(tài)工質(zhì)經(jīng)四通換向閥的C-S口被吸入壓縮機中，經(jīng)壓縮后變?yōu)楦邷馗邏旱臍鈶B(tài)經(jīng)四通換向閥的D-E口排入車室內(nèi)換熱器，工質(zhì)在其中冷凝放熱變?yōu)橹袦馗邏阂簯B(tài)，從而提高車室內(nèi)溫度；接著工質(zhì)經(jīng)過單向閥、節(jié)流機構(gòu)后變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍庖夯旌衔?；最后工質(zhì)進入車室外換熱器中蒸發(fā)吸熱變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍鈶B(tài). 在壓縮機的作用下，管道內(nèi)部工質(zhì)處于循環(huán)流動狀態(tài)，從而實現(xiàn)了連續(xù)制熱.

2 試驗設(shè)備及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1 試驗設(shè)備

針對某型號的電動汽車，設(shè)計了適用于取暖用的熱泵空調(diào)試驗平臺，該平臺主要由熱泵空調(diào)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和模擬車身部分組成. 熱泵空調(diào)系統(tǒng)為該試驗平臺的核心部分，各構(gòu)件按圖1所示的順序用銅管連接. 模擬車身部分與該車型的車室內(nèi)空間相當(dāng)，除風(fēng)擋玻璃外，內(nèi)部均用保溫材料覆蓋. 在熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，分別采用斜盤式變排量壓縮機和渦旋式壓縮機進行試驗，二者均用三相異步電動機驅(qū)動，其主要參數(shù)如表1所示.

表1 壓縮機主要參數(shù)

斜盤式變排量壓縮機通過改變活塞的行程來改變排量，與斜盤式定排量壓縮機相比，具有吸氣壓力、排氣壓力、工作扭矩波動較小，平均功耗低，且在低負荷時噪音低等優(yōu)點. 而渦旋式壓縮機依靠固定渦旋體和可動渦旋體之間的相對運動，使密閉空間中的體積發(fā)生變化，從而排出高壓氣體. 與傳統(tǒng)往復(fù)式壓縮機相比，渦旋式壓縮機具有體積小、重量輕、效率高、噪聲低等優(yōu)點.

在熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，車室內(nèi)采用管翅式換熱器，車室外采用平行流換熱器. 為模擬電動汽車行駛過程中車室外換熱器表面產(chǎn)生的迎面風(fēng)速，因此在換熱器上安裝轉(zhuǎn)速可調(diào)的低壓直流風(fēng)扇.

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在熱泵空調(diào)系統(tǒng)管道中的關(guān)鍵點處(車室內(nèi)換熱器和車室外換熱器的進、出口處)分別安裝溫度傳感器和壓力傳感器，用于監(jiān)測系統(tǒng)運行時工質(zhì)的溫度值和壓力值，同時在車室內(nèi)距前后擋風(fēng)玻璃15 cm處分別放置兩個溫度傳感器，監(jiān)測車室內(nèi)溫度隨系統(tǒng)運行時間的變化關(guān)系. 利用Simulink搭建了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于記錄熱泵空調(diào)系統(tǒng)運行時監(jiān)測點處工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù).

2.3 步入式環(huán)境艙系統(tǒng)

在試驗時，利用北京理工大學(xué)電動車輛國家工程實驗室的步入式環(huán)境艙系統(tǒng)，用于模擬環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速等環(huán)境因子. 使用環(huán)境艙系統(tǒng)不僅能夠復(fù)現(xiàn)各種自然條件，同時還能針對特定的工況設(shè)置所需的環(huán)境參數(shù)，因此能實現(xiàn)相同環(huán)境參數(shù)下的多次重復(fù)試驗. 步入式環(huán)境艙的主要參數(shù)如表2所示.

表2 環(huán)境艙的主要參數(shù)

3 試驗過程

將熱泵空調(diào)試驗平臺放置于步入式環(huán)境艙內(nèi)，根據(jù)表3所示的5種工況設(shè)定相應(yīng)的環(huán)境參數(shù). 試驗開始前，要保證熱泵空調(diào)試驗平臺內(nèi)所有監(jiān)測點處的溫度值與環(huán)境艙內(nèi)的溫度值近似相等. 當(dāng)系統(tǒng)運行時間超過2 000 s或者車室內(nèi)平均溫度超過30 ℃時，熱泵空調(diào)系統(tǒng)停止工作.

表3 試驗工況

4 試驗結(jié)果

4.1 車室內(nèi)平均溫度的變化規(guī)律

車室內(nèi)平均溫度達到舒適溫度(18 ℃)所需要的時間是衡量熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能的重要參數(shù)之一，圖2為5種工況下車室內(nèi)平均溫度隨系統(tǒng)運行時間的變化關(guān)系. 其中，θin為車室內(nèi)平均溫度，t為系統(tǒng)運行時間.

由圖2可知，當(dāng)壓縮機轉(zhuǎn)速為3 400 r·min-1時，在環(huán)境溫度為0 ℃的情況下，采用斜盤式壓縮機和渦旋式壓縮機的系統(tǒng)θin達到18 ℃分別需要500 s和800 s左右，達到30 ℃時分別需要1 420 s和1 040 s左右；當(dāng)系統(tǒng)運行到920 s時，采用渦旋式壓縮機的系統(tǒng)車室內(nèi)平均溫度超過斜盤式壓縮機的系統(tǒng). 在環(huán)境溫度為-10 ℃的情況下，當(dāng)熱泵空調(diào)系統(tǒng)運行到2 000 s時，采用斜盤式壓縮機和渦旋式壓縮機的系統(tǒng)θin分別達到17.8 ℃和14.5 ℃，雖然未超過舒適溫度，但是從上升的趨勢來看將會很快超過18 ℃. 在系統(tǒng)運行時間內(nèi)，對于采用渦旋式壓縮機的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，車室內(nèi)平均溫度以近似開口向上的拋物線規(guī)律增加，而采用斜盤式壓縮機的系統(tǒng)則以近似開口向右的拋物線規(guī)律增加.

4.2 車室內(nèi)換熱器參數(shù)變化規(guī)律

高溫高壓的氣態(tài)工質(zhì)通過車室內(nèi)換熱器時發(fā)生相變，放出大量的熱能，從而提高車室內(nèi)的溫度，因此該換熱器進出口處工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)對車室內(nèi)平均溫度有直接的影響. 車室內(nèi)換熱器進出口處工質(zhì)的溫度隨系統(tǒng)運行時間的變化關(guān)系如圖3所示，其中，θin-inlet為車室內(nèi)換熱器進口處工質(zhì)的溫度，θin-outlet為車室內(nèi)換熱器出口處工質(zhì)的溫度.

當(dāng)壓縮機轉(zhuǎn)速為3 400 r·min-1時，在環(huán)境溫度為0 ℃的情況下，系統(tǒng)運行的開始階段，采用渦旋式壓縮機的系統(tǒng)θin-inlet較低，當(dāng)系統(tǒng)運行到730 s時，θin-inlet超過斜盤式壓縮機系統(tǒng)；在環(huán)境溫度為-10 ℃的情況下，系統(tǒng)運行到1 500 s左右時，采用渦旋式壓縮機的系統(tǒng)θin-inlet超過斜盤式壓縮機系統(tǒng)，如圖3(a)所示. 由于車室內(nèi)換熱器的幾何參數(shù)、迎面風(fēng)速等參數(shù)保持不變，因此對同一工況而言，θin-inlet與θin-outlet具有相同的變化趨勢. 當(dāng)壓縮機轉(zhuǎn)速為3 400 r·min-1，環(huán)境溫度為0 ℃時，采用渦旋式壓縮機的系統(tǒng)θin-outlet超過斜盤式壓縮機系統(tǒng)需要880 s，環(huán)境溫度為-10 ℃時需要的時間要大于2 000 s. 由圖3可知，在壓縮機轉(zhuǎn)速相同的情況下，環(huán)境溫度越高，θin-inlet與θin-outlet的溫度值越高.

在熱泵空調(diào)系統(tǒng)運行的初始時刻，車室內(nèi)換熱器進口處工質(zhì)的壓力出現(xiàn)了波動，隨后緩慢增加，且環(huán)境溫度越高，車室內(nèi)換熱器進出口處工質(zhì)的壓力越大，如圖4所示，其中，pin-inlet為車室內(nèi)換熱器進口處工質(zhì)的壓力，pin-outlet為車室內(nèi)換熱器出口處工質(zhì)的壓力.

當(dāng)壓縮機轉(zhuǎn)速為3 400 r·min-1，環(huán)境溫度為0 ℃時，采用渦旋式壓縮機的系統(tǒng)在開始運行時pin-inlet較低，當(dāng)系統(tǒng)運行到900 s時，pin-inlet超過斜盤式壓縮機的系統(tǒng)，如圖4(a)所示. 當(dāng)環(huán)境溫度降低到-10 ℃時，與0 ℃下采用相同壓縮機的系統(tǒng)相比，pin-inlet值要低. 由于工質(zhì)在車室內(nèi)換熱器中近似等壓冷凝，因此，在不同工況下pin-inlet與pin-outlet的變化趨勢相同，如圖4(b)所示.

4.3 車室外換熱器參數(shù)變化規(guī)律

制熱模式下，工質(zhì)經(jīng)節(jié)流降壓后進入車室外換熱器中，因此車室外換熱器進出口處屬于熱泵空調(diào)系統(tǒng)的低壓管路部分. 車室外換熱器進出口處工質(zhì)的溫度隨系統(tǒng)運行時間的變化關(guān)系如圖5所示，其中，θout-inlet為車室外換熱器進口處工質(zhì)的溫度，θout-outlet為車室外換熱器出口處工質(zhì)的溫度.

在系統(tǒng)開始運行時刻，θout-inlet急劇下降，然后快速上升，到一定值后繼續(xù)下降，如圖5(a)所示. 在壓縮機的轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度分別相等的情況下，在系統(tǒng)運行的初始階段，θout-inlet的溫度近似相等，隨著系統(tǒng)運行時間的增加，采用渦旋式壓縮機的系統(tǒng)θout-inlet較低. 不同工況下，熱泵空調(diào)系統(tǒng)在運行的最初階段，θout-outlet迅速降低，隨后增加，如圖5(b)所示.

圖6為車室外換熱器進出口處工質(zhì)的壓力隨系統(tǒng)運行時間的變化關(guān)系，其中，pout-inlet為車室外換熱器進口處工質(zhì)的壓力，pout-outlet為車室外換熱器出口處工質(zhì)的壓力.

由圖可知，在系統(tǒng)運行的初始階段，pout-inlet迅速減小，隨后緩慢增加，如圖6(a)所示. 當(dāng)壓縮機轉(zhuǎn)速為3 400 r/min、環(huán)境溫度為0 ℃時，采用渦旋式壓縮機的系統(tǒng)在開始運行時，pout-inlet值較低，當(dāng)系統(tǒng)運行到950 s左右時，該處工質(zhì)壓力值將超過采用斜盤式壓縮機的系統(tǒng). 在壓縮機的類型及轉(zhuǎn)速相等的情況下，環(huán)境溫度越低，pout-inlet越低. 由于工質(zhì)在車室外換熱器中近似等壓蒸發(fā)，因此，pout-inlet與pin-inlet具有相同的變化趨勢，如圖6(b)所示.

4.4 壓縮機轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)性能的影響

當(dāng)環(huán)境溫度為0 ℃時，斜盤式變排量壓縮機的轉(zhuǎn)速分別在1 700 r/min和3 400 r/min的情況下，車室內(nèi)平均溫度達到18 ℃分別需要900 s和500 s，如圖2所示. 這主要是因為：壓縮機轉(zhuǎn)速越高，單位時間內(nèi)壓縮機對工質(zhì)做的功越多，同時管道內(nèi)部工質(zhì)的質(zhì)量流量也變大，在車室內(nèi)換熱器幾何參數(shù)及其迎面風(fēng)速不變的情況下，則意味著單位時間內(nèi)工質(zhì)與車室內(nèi)空氣的換熱量變大，因此壓縮機轉(zhuǎn)速越高，車室內(nèi)平均溫度上升得越快. 當(dāng)環(huán)境溫度為0 ℃時，高壓管路中工質(zhì)的溫度和壓力隨斜盤式變排量壓縮機轉(zhuǎn)速的增加而升高，分別如圖3、圖4所示；在低壓管路中，車室外換熱器進口處工質(zhì)的溫度相差不大，如圖5(a)所示，而車室外換熱器進口處工質(zhì)的壓力，車室外換熱器出口處工質(zhì)的溫度和壓力隨壓縮機轉(zhuǎn)速的增加而升高，分別如圖6(a)、圖5(b)和圖6(b)所示.

5 結(jié) 論

以試驗的方法，研究了兩種類型的壓縮機在不同環(huán)境溫度下對電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能的影響. 得到以下結(jié)論：

① 對于采用渦旋式壓縮機和斜盤式壓縮機的電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)而言，高壓管道內(nèi)部工質(zhì)溫度值和壓力值隨運行時間的變化趨勢與車室內(nèi)平均溫度的變化趨勢相同.

② 采用渦旋式壓縮機的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，車室內(nèi)平均溫度以近似開口向上的拋物線規(guī)律增加，采用斜盤式壓縮機的系統(tǒng)，車室內(nèi)平均溫度以近似開口向右的拋物線規(guī)律增加.

③ 在一定的環(huán)境溫度和壓縮機排量下，壓縮機轉(zhuǎn)速越高，車室內(nèi)平均溫度達到18 ℃的時間變短，同時系統(tǒng)高壓管道內(nèi)部工質(zhì)的溫度值和壓力值越大.

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(責(zé)任編輯：孫竹鳳)

Heating Performance of Heat Pump Air Conditioning System with Scroll and Swash Plate Compressor

WEI Ming-shan， PENG Fa-zhan， HUANG Hai-sheng，WANG Zhi-xing， ZHANG Hong， HAO Chun-si

(School of Mechanical Engineering， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081, China)

The effects of the scroll compressor and the variable displacement swash plate compressor on the average temperature in the electric vehicle cabin and the performance of the heat pump air conditioning system were studied under different environment temperature. The experiments were carried out on an experiment platform designed for the heat pump air conditioning system of electric vehicle. The research results show that the average temperature in the cabin increases with time along the rightwards parabolic curve when the heat pump air conditioning system makes use of the variable displacement swash plate compressor, and the temperature increases with time along the upwards parabolic curve when the heat pump air conditioning system makes use of the scroll compressor. At the constant ambient temperature, the cabin comfortable temperature achieves in less time with the increasing of the compressor rotation speed.

scroll compressor; variable displacement swash plate compressor; heat pump air conditioning system; electric vehicle; heating performance; experimental study

2014-04-09

國家自然科學(xué)基金資助項目(51375048)

魏名山(1975—)男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail:mswei@bit.edu.cn.

TM 925

A

1001-0645(2016)01-0013-06

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.01.003