兩種換熱器在車用四通閥熱泵系統中的對比研究

嚴瑞東 王 穎 高天元 陳江平 宋 吉 高屹峰

(1 上海交通大學 上海 200240; 2 國際銅業協會上海代表處 上海 200020)

兩種換熱器在車用四通閥熱泵系統中的對比研究

嚴瑞東1王 穎1高天元1陳江平1宋 吉2高屹峰2

(1 上海交通大學 上海 200240; 2 國際銅業協會上海代表處 上海 200020)

PTC加熱效率較低對電動汽車行駛里程影響較大，因此開發效率更高的熱泵系統十分必要。實驗搭建了四通閥熱泵系統，并將兩種不同流程排布的小管徑換熱器與微通道換熱器分別被用于室外側，在制冷、制熱模式下進行了實驗對比，由實驗結果可知，在制熱模式低風速下，小管徑換熱器相比微通道換熱器，能力可以高出10.5%，而COP與微通道換熱器相近；在制冷模式低風速下，小管徑換熱器樣件能力可高出3.8%，COP可高出22.8%。但隨風速的提高，小管徑換熱器能力和COP提升并不明顯，而微通道換熱器隨風速提升幅度較大，由上可知，在風速較低的怠速和城市工況中，使用小管徑換熱器作為車用熱泵的外側換熱器使用擁有一定的優勢。

電動汽車；能力與能效；四通閥熱泵系統；換熱器

傳統燃油汽車給交通帶來許多便利，但也帶來很多問題。據統計目前有46%的石油被燃油汽車消耗，同時伴隨著排放和污染的問題，在歐盟二氧化碳排放的統計中，私人汽車的貢獻可以達到60%[1]。由于電動汽車環保、低噪聲等優點，我國已投入大量人力物力推動電動汽車的發展。

盡管目前電池行業飛速的發展，使電動汽車的行駛里程被大幅度提升，但仍有較多的能量被浪費，如空氣阻力造成的損失、電功轉化效率的損失等，其中空調造成的能源損失占33%[2]。區別于傳統燃油車，純電動汽車使用蓄電池作為動力，沒有用來采暖的發動機余熱，不能提供冬天用于制熱的熱量，而目前常用的PTC電加熱系統效率較低，因此對電動汽車的行駛里程有較大的影響，需要尋求更高效、效果更好的制熱方式[3]。Meyer J等[4]把車用空調改造成使用R134a的熱泵，并測量了車內溫升曲線，發現與對比數據相比熱泵系統在采暖性能上更優越。

當微通道換熱器用于電動汽車熱泵空調時存在流量分配不均勻的問題，多流程蒸發器存在嚴重的流量分配不均勻的問題，制熱工況下，車外換熱器流量分配不均導致即使在環境溫度不低的情況下，換熱器仍有嚴重的結霜，極大地降低了熱泵循環效率[5]。韋偉等[6]在電動汽車三換熱器熱泵系統中，用小管徑換熱器替代傳統微通道換熱器作為車外換熱器使用，進行了實驗研究，由結果得出，小管徑換熱器在一定程度上可以提高熱泵系統的COP，并且使原微通道換熱器結霜不均、排水不暢的問題得到改善。

王穎等[7]通過實驗對比了三換熱器熱泵系統和四通閥熱泵系統的性能，發現兩個系統的能力相近，但四通閥系統COP可提高7%～15%。X Zeng等[8]在混合動力的乘用車上，采用熱泵系統與冷卻水暖風芯體并聯的方式，對乘員艙內進行供暖，取得較好的效果。目前，電動汽車熱泵系統普遍存在能力不足，出風溫度較低的問題，當冬季需要除霜除霧時，熱泵系統不能滿足實際使用。而對于三換熱器系統，第三個換熱器替代原HVAC內的PTC加熱器，此時沒有可用于輔助加熱的手段實現除霜除霧，因此四通閥熱泵系統外加輔助PTC加熱器，將會是更優的選擇。

本文設計并搭建了一種四通閥熱泵系統，并設計開發了5 mm小管徑換熱器替代微通道換熱器作為室外側換熱器使用，分別在制冷與制熱模式下進行實驗研究，對使用兩種換熱器時的系統能力與能效進行了對比。

1 熱泵系統實驗臺

如圖1所示，整個實驗系統被安裝在由室內、室外兩個環境室組成的實驗倉內。它采用兩個換熱器，其中室內側空調總成HVAC內使用的換熱器為微通道換熱器，室外側有外部小管徑換熱器，并使用四通閥進行制熱、制冷模式切換。

室內/外側兩個環境室均可通過制冷機組、電加熱器以及加濕器的PID調節，分別控制其環境溫濕度，以保持測試條件的穩定。電動壓縮機轉速由其自身的控制器進行調節，室外側換熱器的迎面風速通過軸流風機的變頻器調節。實驗系統管路中安裝有五個溫度/壓力測點以及一個質量流量計，用以采集實驗中測點處制冷劑狀態信息。除此之外，實驗中還需采集電動壓縮機的輸入電壓及電流、環境室的干/濕球溫度以及外部換熱器的迎面風速。傳感器類型及測量精度如表1所示。

實驗對比了兩個不同流程的5 mm小管徑換熱器與微通道換熱器在該熱泵系統中作為室外側換熱器使用時的制冷、制熱能力。三個樣件參數如表2。

2 實驗設計及數據處理方法

實驗所用壓縮機為渦旋式電動壓縮機，其排量為24 cm3/r并且可實現轉速的自由調整，由于電動汽車熱泵空調目前還沒有行業測試標準，因此制冷模式參考車用空調國家測試標準，制熱模式參考家用熱泵空調的測試標準，設計如表3所示的實驗工況。通過改變室外側換熱器的迎面風速，模擬車速變化時對應的車外側換熱器風速變化。

在每個工況的實驗中，待室內外側環境溫濕度以及各測點的制冷劑狀態穩定后，進行數據的讀取和保存，實驗通過采集各點的溫度和壓力來確定制冷劑側焓值，通過質量流量計測定管路中的制冷劑流量，從而得到制冷劑側系統的制冷、制熱能力以及COP等，分別使用小管徑樣件1#和樣件2#與微通道換熱器進行對比實驗，其他所有部件和實驗條件保持相同，對采集得到的數據進行分析對比。

各參數的計算方式如下，電動壓縮機耗電量：

Wcomp=Icomp×Ucomp

(1)

制熱模式下，系統的制冷量可通過經過室內換熱器的制冷劑側焓差計算：

(2)

制熱模式下的系統運行效率為：

COPh=Qheat/Wcomp

(3)

制冷模式下，系統的制冷量可通過經過室內換熱器的制冷劑側焓差計算：

(4)

制冷模式下的系統運行效率為：

COPc=Qcool/Wcomp

(5)

3 實驗結果與分析

3.1 制熱模式

切換四通換向閥使系統處于制熱的工作狀態，各個電動壓縮機轉速和迎面風速下的制熱能力如圖2所示，對于小管徑換熱器樣件1與樣件2隨其迎面風速的提升能力變化并不大，而微通道換熱器的隨其迎面風速的提升能力變化較大，在低風速下小管徑樣件1相比微通道換熱器能力高出10.5%。

各個電動壓縮機轉速和迎面風速下的能效如圖3所示，對于小管徑換熱器樣件1與樣件2隨其迎面風速的提升COP變化不大，而微通道換熱器的隨其迎面風速的增大，COP提升較大，這是由于風速高，較多的提高了微通道換熱器的換熱能力，從而使COP提升更為明顯，而在低風速下小管徑樣件1相比微通道換熱器具有相近的COP。

3.2 制冷模式

切換四通換向閥使系統處于制冷的工作狀態，各個電動壓縮機轉速和迎面風速下的制熱能力如圖4所示，明顯區別于制熱模式下的趨勢，在制熱模式下能力和COP較低的小管徑樣件2，在制冷模式下擁有更好的能力和COP，在低風速下，能力可以分別高出3.8%和3.5%，這是由于其流程排布更為簡單，降低了制冷劑側的壓降，從而在作為制冷模式冷凝器使用時可以獲得更好的效果，同樣，隨風速的提高，小管徑樣件1和樣件2能力提升并不明顯，而微通道換熱器隨風速的提高能力增加幅度更大。

各個電動壓縮機轉速和迎面風速下的能效如圖5所示，在低風速下，小管徑樣件1和樣件2在COP方面明顯高出微通道換熱器，分別高22.8%和15.2%，而隨風速的增加，使用微通道換熱器的系統COP增加幅度更大，在風速4.5 m/s時與小管徑樣件1和樣件2基本達到一致，此時對應車速40 km/h，在高速工況下隨風速進一步增大，微通道換熱器的系統COP有進一步提升并超過小管徑換熱器的趨勢。

4 結論

兩種不同流程排布的小管徑換熱器與微通道換熱器分別被用于熱泵系統室外側換熱器，并在制冷、制熱模式下進行了實驗對比，由實驗結果可知：

1)在制熱模式低風速下，小管徑換熱器樣件1相比微通道換熱器，在能力方面更有優勢，其能力可以高出10.5%，而在COP方面與原微通道換熱器相近。但隨風速的增大，微通道換熱器的能力提升幅度相比小管徑換熱器更大，從而在高風速下擁有更高的能力和COP；

2)在制冷模式低風速下，小管徑換熱器樣件1和2相比微通道換熱器，在能力和COP方面都有較大的優勢，其能力可高出3.8%和3.5%，由于小管徑換熱器流程排布更為簡單，降低了制冷劑側的壓降，從而在作為制冷模式冷凝器使用時，可獲得更好的效果，而在COP方面，小管徑樣件1和樣件2明顯高微通道換熱器，分別高22.8%和15.2%。同樣，隨風速的提高，小管徑樣件1和樣件2能力提升并不明顯，而微通道換熱器隨風速的提高能力增加幅度更大；

3)由汽車空調國家測試標準，在怠速工況下，迎面風速為2.5 m/s，城市工況下車速達到40 km/h時，迎面風速4.5 m/s，因此在風速較低的怠速和城市工況中，使用小管徑換熱器作為車用熱泵的外側換熱器使用擁有一定的優勢。

[1] Manuel Frondel, Christoph M Schmidt, Colin Vance. A regression on climate policy: The European Commission’s legislation to reduce CO2emissions from automobiles [J]. Transportation Research, 2011, 45(10): 1043-1051.

[2] Atsushi Yokoyama. Thermal management system for electric vehicles[J]. SAE Int. J. Mater. Manuf., 2011, 4(1): 1277-1285.

[3] 陳素梅. 純電動空調系統分析[C]//河南省汽車工程學會第八屆科研學術研討論文集. 河南：河南省汽車工程學會, 2012: 182-183.

[4] Meyer J, Yang G, Papoulis E. R134a heat pump for improved passenger comfort[C]//SAE 2004 World Congress & Exhibition, Detroit, Michigan, United States, 2004.

[5] 巫江虹, 謝方, 劉超鵬, 等. 電動汽車熱泵空調系統微通道換熱器適應性研究[J]. 機械工程學報, 2012, 48(14): 141-147. (Wu Jianghong, Xie Fang, Liu Chaopeng, et al. Adaptability research on micro-channel heat exchanger applied to heat pump air conditioning system for electrical vehicle[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2012, 48(14): 141-147.)

[6] 韋偉, 趙宇, 陳江平, 等. 車用熱泵用小管徑管片式換熱器性能研究[J]. 制冷學報, 2013, 34(1): 35-39. (Wei Wei, Zhao Yu, Chen Jiangping, et al. Feasibility study of the biltube-and-fin heat exchanger in automotive heat pump system[J]. Journal of Refrigeration, 2013, 34(1): 35-39.)

[7] 王穎, 施駿業, 陳江平, 等. 采用三換熱器和四通閥的兩種車用熱泵系統的對比研究[J]. 制冷學報, 2014, 35(1): 71-76. (Wang Ying, Shi Junye, Chen Jiangping, et al. Comparative study of two kinds of automotive air conditioning system with three heat exchangers and four-way valve[J]. Journal of Refrigeration, 2014, 35(1): 71-76.)

[8] X Zeng, G A Major, T Hirao. An automotive hybrid heating system for parallel hybrid passenger cars[C]//SAE 2000 World Congress & Exhibition, Detroit, Michigan, United States, 2000.

About the author

Yan Ruidong, male, master, School of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiaotong University, +86 15221575412, E-mail: qq358369820@126.com. Research fields: heat pump in electrical vehicle, application of small diameter heat exchanger, heat pump system in electrical vehicle.

Experimental Study on Two Kinds of Heat Exchangers in Four-way-valve Heat Pump System of Electric Vehicles

Yan Ruidong1Wang Ying1Gao Tianyuan1Chen Jiangping1Song Ji2Gao Yifeng2

(1.Instisute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiaotong University, Shanghai, 200240, China; 2.International Copper Association Shanghai Office, Shanghai, 200020, China)

Low efficiency of PTC in electrical vehicles would cut down its travelled distance, so it’s necessary to design high efficiency heat pump system. Two kinds of heat exchangers were used as outside heat exchangers (HX) in four-way-valve heat pump system, and experimental study was finished under both heating and cooling modes. The results showed, under low face velocity in heating model, small diameter tube HX had higher capacity by 10.5%, and the same COP compared with parallel flow HX. Under low face velocity in cooling model, small diameter tube HX had higher capacity by 3.8%, and higher COP by 22.8% compared with parallel flow HX. With the increasing of wind velocity, capacity and COP with small diameter tube HX increased little; however, the one with parallel flow HX had a higher increasing. It is concluded that heat pump system used small diameter tube HX had a potential prospect under low wind velocity.

electrical vehicles; capacity and COP; four-way-valve heat pump system; heat exchanger

0253- 4339(2015) 01- 0065- 05

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.01.065

2014年4月18日

TQ051.5.5； TB61+1； U463.85+1

A

嚴瑞東，男，碩士研究生，上海交通大學，制冷與低溫工程研究所，15221575412，E-mail: qq358369820@126.com。研究方向：電動汽車熱泵，小管徑換熱器在電動汽車上的應用，電動汽車熱泵系統的研究和優化。