摘?要：本文基于自然環(huán)保工質(zhì)CO2的物理特性，對極低溫-20℃環(huán)境溫度下的熱泵系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行理論仿真研究和預(yù)測。在不同的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速條件下，分析不同的EXV開度大小對CO2熱泵系統(tǒng)制熱性能的影響，包括壓縮機(jī)排氣溫度，排氣壓力，采暖加熱量，壓縮機(jī)耗功以及COP等重要系統(tǒng)性能參數(shù)，為后續(xù)CO2熱泵系統(tǒng)低溫下的高效運(yùn)行打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：CO2熱泵；膨脹閥開度；仿真；制熱性能

隨著能源危機(jī)和環(huán)境問題的加劇，汽車電動(dòng)化趨勢不可逆轉(zhuǎn)。但是，在冬季工況下，采用PTC（高電壓熱敏電阻）加熱，續(xù)航里程較差。作為解決方案，空調(diào)熱泵系統(tǒng)［13］通過逆卡諾循環(huán)，從車外低溫空氣中吸取熱量，疊加壓縮機(jī)做功，給乘員艙加熱，提高加熱性能系數(shù)COP，大幅提升電動(dòng)車冬季續(xù)航里程。但是目前主流的HFC134a熱泵僅能在-7℃以上的環(huán)境溫度正常工作，不適用于極低溫環(huán)境，而HFC134a作為強(qiáng)溫室氣體，又會(huì)加劇全球變暖的趨勢，造成環(huán)境破壞，因此制冷劑替代勢在必行［4］。

CO2作為自然工質(zhì)，無溫室效應(yīng)，無毒不可燃，是理想的環(huán)保替代制冷劑。CO2在高壓側(cè)超臨界區(qū)有較高的制熱性能［5］，吸氣密度和體積潛熱較高，以減少系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的熱量衰減，達(dá)到較高的出風(fēng)溫度和比較好的系統(tǒng)效率［6］。但是CO2跨臨界循環(huán)存在系統(tǒng)復(fù)雜，排氣壓力溫度高，系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)變化快，難以工作在高效運(yùn)行區(qū)間的問題［7］。針對此問題，李海軍等人［8］進(jìn)行了模擬計(jì)算，研究熱泵系統(tǒng)在低溫工況下的制熱性能衰減。

由于EXV（電子膨脹閥）的調(diào)節(jié)，對CO2熱泵系統(tǒng)的低溫加熱性能有著至關(guān)重要的作用，本文將在-20℃的極低環(huán)境溫度下，根據(jù)CO2熱泵系統(tǒng)零件參數(shù)，包括壓縮機(jī)、氣體冷卻器、EXV、蒸發(fā)器、熱芯（內(nèi)部加熱器），使用Dymola軟件進(jìn)行熱泵系統(tǒng)模型搭建。出于節(jié)能和防止車內(nèi)起霧的原因，仿真不考慮冷熱風(fēng)門混風(fēng)換熱，完全依靠外循環(huán)進(jìn)風(fēng)，系統(tǒng)的工作狀態(tài)主要取決于壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速和EXV的開度。因此，仿真的目的是在不同的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下，進(jìn)行EXV開度變化模擬預(yù)測，找出EXV開度對系統(tǒng)運(yùn)行的影響規(guī)律，確定超低環(huán)境溫度下的調(diào)節(jié)策略，為后續(xù)CO2熱泵系統(tǒng)低溫下的高效運(yùn)行打下基礎(chǔ)。

1?系統(tǒng)仿真模型

CO2熱泵系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、氣體冷卻器、熱芯、儲液罐、EXV和截止閥組成，采暖時(shí)氣體冷卻器與熱芯串聯(lián)加熱，提高換熱面積。針對這一套熱泵系統(tǒng)，采用成熟度比較高的Dymola軟件［9］進(jìn)行模型搭建和仿真。

仿真采用的壓縮機(jī)為CO2轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，通過壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)特性參數(shù)，考慮壓縮機(jī)的容積效率，機(jī)械效率等效率，建立壓縮機(jī)工作模型，并對壓縮機(jī)的質(zhì)量流量，排氣溫度和功耗進(jìn)行仿真計(jì)算；對于蒸發(fā)器、氣體冷卻器、暖芯這些換熱器，則結(jié)合各自平行流換熱器屬微通道換熱特性，采用一維有限元方法將劃分網(wǎng)格，結(jié)合幾何參數(shù)進(jìn)行性能計(jì)算。其中，車外蒸發(fā)器制冷劑側(cè)傳熱系數(shù)采用GnielinskiDittusBoelter關(guān)聯(lián)式［10］，車內(nèi)氣體冷卻器和暖芯制冷劑側(cè)傳熱系數(shù)采用KIND等關(guān)聯(lián)式［11］，制冷劑壓降系數(shù)采用SWAMEE等關(guān)聯(lián)式［12］，空氣側(cè)傳熱系數(shù)采用WANG等［13］的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。根據(jù)EXV通過步進(jìn)電機(jī)等手段使閥芯產(chǎn)生連續(xù)位移，從而改變制冷劑的流通面積的原理，按照動(dòng)量方程和能量守恒建立EXV模型。最后，根據(jù)各部件之間的耦合特性聯(lián)系，建立熱泵系統(tǒng)仿真模型。根據(jù)武悅等人［14］利用Dymola在多種低溫工況下，對串聯(lián)式CO2熱泵系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證了制熱性能的仿真誤差可控制在5%以內(nèi)。

2?制熱仿真結(jié)果

2.1?膨脹閥開度對排氣影響

為了滿足乘員艙加熱采暖需求，在-20℃的低溫環(huán)境下，壓縮機(jī)需要在比較高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。由于較高的高低壓壓差，此時(shí)膨脹閥開度的太小，會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)溫度和壓力超過極限值。如圖1所示，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為2000rpm時(shí)，由于轉(zhuǎn)速較小，排氣溫度1～11℃，不適用于實(shí)際工況；壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為8000rpm時(shí)，膨脹閥開度100對應(yīng)的排氣溫度為200℃，排溫排壓過高，超過了壓縮機(jī)和系統(tǒng)的溫度極限值（>150℃），也不適用于實(shí)際工況。并且在這種極端高溫高壓工況下，潤滑油產(chǎn)生不可逆的化學(xué)反應(yīng)（如碳化等），壓縮機(jī)就會(huì)失去潤滑效果，無法正常工作。而壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為8000rpm，膨脹閥開度為300時(shí)，排氣溫度為130.1℃，有效降低了壓縮機(jī)的高壓以及壓縮比，避免進(jìn)入極限工況。

2.2?膨脹閥開度對加熱量和功耗的影響

熱泵系統(tǒng)加熱量隨著膨脹閥開度的增大減小，如圖2所示。這是因?yàn)椋?20℃的環(huán)境溫度以及空調(diào)進(jìn)風(fēng)溫度下，隨著膨脹閥開度的增加，壓縮機(jī)排溫排壓下降非常快，導(dǎo)致車內(nèi)加熱溫差快速減少，降低加熱量。另外，由于排氣壓力的大幅下降，而吸氣壓力由于受外界溫度的影響沒有明顯變化，也會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)的壓縮比大幅下降，導(dǎo)致壓縮機(jī)做功變少，從而也會(huì)降低最后的加熱量。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速越高，這種加熱量的下降趨勢越發(fā)明顯。例如，當(dāng)壓縮機(jī)在8000rpm時(shí)，如果膨脹閥開度為100，車內(nèi)加熱量為87kW，而膨脹閥開度300時(shí)，車內(nèi)加熱量為6.97kW，加熱量下降幅度為1.73kW。但是當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為4000rpm時(shí)，相應(yīng)的加熱量降幅為1.15kW，這說明在極低溫環(huán)境工況下，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，吸排氣壓比越大，膨脹閥的開度對加熱量和壓縮機(jī)功率的影響越大。因此，在需要比較大的加熱量時(shí)，需要盡量保持大的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和小的膨脹閥開度，通過大溫差提高換熱量，實(shí)現(xiàn)快速制熱。

2.3?膨脹閥開度對COP影響

系統(tǒng)采暖系數(shù)COP體現(xiàn)的是熱泵系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率，直接決定電動(dòng)汽車的電能熱能的轉(zhuǎn)化率，影響電動(dòng)汽車在冬季的續(xù)航里程。同時(shí)，COP是熱泵系統(tǒng)的一個(gè)綜合指標(biāo)，需進(jìn)行綜合考慮，如圖3所示，在不同的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下，閥開度對系統(tǒng)COP的影響。由圖可知，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)越低，系統(tǒng)的COP越高，因?yàn)榇藭r(shí)高低壓比較小，壓縮機(jī)做功較少。例如，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速在2000rpm時(shí)，COP可達(dá)到較高的4以上，但是此時(shí)壓縮機(jī)排氣溫度和加熱出風(fēng)溫度過低，不能符合正常的冬季采暖加熱需求。同時(shí)，不同的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和排量，對閥開度的調(diào)節(jié)區(qū)間也不一樣：在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，由于整體排氣溫度和制冷劑流量較低，閥的開度不宜過大，否則導(dǎo)致過小的車內(nèi)換熱溫差和低的系統(tǒng)COP，比如在低壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速4000rpm，膨脹閥開度為中間值200時(shí)，COP為最高2.64；但是在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，由于整體排氣溫度和制冷劑流量較高，加大膨脹閥的開度可以將排氣溫度和加熱量控制在適宜的水平，且能夠大幅減少壓縮機(jī)耗功，提高系統(tǒng)COP效率，比如高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速8000rpm，膨脹閥開度為較大值300時(shí)，COP為最高1.74。

3?結(jié)論

本文在-20℃的極低溫環(huán)境下，進(jìn)行了在不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下的膨脹閥EXV開度仿真分析，主要結(jié)論如下：

（1）在-20℃的極低溫環(huán)境下，壓縮機(jī)需要運(yùn)行在比較高的轉(zhuǎn)速區(qū)間，才能得到合適的排氣溫度和出風(fēng)溫度。此時(shí)，膨脹閥開度不宜過小，否則會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)溫度和壓力超過上限。

（2）壓縮機(jī)高轉(zhuǎn)速工況下，膨脹閥的開度對加熱量和壓縮機(jī)功率的影響比較大。通過盡量小的膨脹閥開度（開度<300），通過大溫差提實(shí)現(xiàn)較高的換熱量（>6.97kW）。

（3）不同的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和排量下，閥開度的調(diào)節(jié)不一樣：加熱需求較小時(shí)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速較低（<4000rpm），排氣溫度和制冷劑流量較低，閥的開度為中間值200時(shí)，COP最高2.64；加熱需求大時(shí)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速較高（8000rpm），需加大膨脹閥的開度，達(dá)到高COP效率（1.74）。

（4）綜上所述，CO2熱泵系統(tǒng)在-20℃的極低溫環(huán)境溫度下，通過調(diào)節(jié)EXV，完全可以滿足正常的車內(nèi)采暖加熱需求，且整體能量利用效率COP能夠保持在1.5～2.5之間，為今后CO2熱泵系統(tǒng)的試驗(yàn)研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供有益的參考。

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*通訊作者：楊堅(jiān)（1986—?），男，漢族，江西人，碩士，工程師，研究方向：汽車空調(diào)系統(tǒng)及控制。