純電動(dòng)公交車熱泵型空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

張 偉 李紅旗 鄭 新

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純電動(dòng)公交車熱泵型空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

張 偉 李紅旗 鄭 新

（北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院 北京 100124）

針對(duì)純電動(dòng)公交車設(shè)計(jì)了一套熱泵型空調(diào)系統(tǒng)，并對(duì)其運(yùn)行特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了環(huán)境溫度、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和室內(nèi)外風(fēng)速對(duì)制冷/制熱量、COP/EER和排氣溫度的影響。研究結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的熱泵型空調(diào)系統(tǒng)具有較好的制冷/制熱性能，在制冷工況轉(zhuǎn)速為2700r/min時(shí)COP最高，而制熱工況下EER隨轉(zhuǎn)速增加而減小。在制熱工況下，EER隨室外風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加而降低，因此較低的室外風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速更有利于系統(tǒng)的節(jié)能。

純電動(dòng)公交車；熱泵空調(diào)；實(shí)驗(yàn)研究

0 引言

隨著節(jié)能減排任務(wù)的推進(jìn)和霧霾天氣的突顯，汽車尾氣排放對(duì)城市環(huán)境的污染已倍受關(guān)注。純電動(dòng)汽車依靠其零排放、能效高的特點(diǎn)，成為解決汽車尾氣污染的重要途徑之一，因此受到廣泛關(guān)注[1]。作為公共交通工具的電動(dòng)公交車，具有車速低、線路短和行車時(shí)間固定等特點(diǎn)，成為國(guó)家推廣電動(dòng)汽車的重要措施之一[2]。

由于純電動(dòng)公交車沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)余熱作為冬季采暖熱源，需要獨(dú)立的熱源系統(tǒng)為冬季采暖提供熱量。現(xiàn)運(yùn)行純電動(dòng)公交車的以PTC系統(tǒng)為主，該系統(tǒng)供熱能效低，大大影響了純電動(dòng)公交車的冬季續(xù)航里程。因此，適用于純電動(dòng)公交車的高效熱泵型空調(diào)的研究，對(duì)純電動(dòng)公交車的推廣具有重要的意義。

史保新等人[3]設(shè)計(jì)了一臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的熱泵型電動(dòng)汽車空調(diào)進(jìn)行測(cè)試，指出電動(dòng)汽車空調(diào)具有較好的高速性能。Antonijevic和Heckt[4]將開(kāi)發(fā)的熱泵空調(diào)安裝在一輛燃油汽車上進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)采用熱泵空調(diào)供暖時(shí)汽車性能更優(yōu)，耗油量更少。李麗等人[5]設(shè)計(jì)了一套熱泵型電動(dòng)汽車空調(diào)，并對(duì)其啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明其能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到溫度要求。徐磊等人[6]設(shè)計(jì)了一套使用渦旋壓縮機(jī)的熱泵型電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)，并指出渦旋壓縮機(jī)系統(tǒng)的性能在高轉(zhuǎn)速時(shí)要優(yōu)于斜盤(pán)壓縮機(jī)系統(tǒng)。歐陽(yáng)光[7]、孫樂(lè)[8]和金鵬[9]針對(duì)某品牌純電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)了一臺(tái)熱泵型空調(diào)系統(tǒng)，并對(duì)其運(yùn)行特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

然而上述研究主要針對(duì)電動(dòng)轎車，系統(tǒng)的制冷劑也以R134a為主，針對(duì)純電動(dòng)公交車熱泵型空調(diào)系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究并沒(méi)有太多的涉及。此外，綠色制冷劑R410A依據(jù)其環(huán)境友好性和良好的制冷/制熱性能[10]，現(xiàn)在已在家用空調(diào)日益廣泛的應(yīng)用[11]。本文針對(duì)在純電動(dòng)公交車設(shè)計(jì)了一套以R410A為制冷劑的熱泵型空調(diào)系統(tǒng)，并對(duì)其運(yùn)行特性實(shí)驗(yàn)研究。

1 純電動(dòng)公交車熱泵空調(diào)系統(tǒng)

1.1 空調(diào)系統(tǒng)工作原理

熱泵型空調(diào)系統(tǒng)如圖1所示，在制冷模式下，壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑蒸氣通過(guò)四通換向閥，在外部換熱器中與室外空氣換熱，變?yōu)楦邏阂后w，經(jīng)熱力膨脹閥降為低溫低壓氣液混合態(tài)，在干燥過(guò)濾器中除去水分和雜質(zhì)，在內(nèi)部換熱器中吸收熱量變?yōu)榈蜏氐蛪簹鈶B(tài)，經(jīng)四通換向閥、氣液分離器回壓縮機(jī)。

圖1 純電動(dòng)公交車熱泵空調(diào)系統(tǒng)

制熱模式下，四通換向閥通電，壓縮機(jī)排出的高溫高壓氣態(tài)制冷劑通過(guò)四通換向閥，流入內(nèi)部換熱器，與室內(nèi)空氣換熱，變?yōu)楦邏阂簯B(tài)，流過(guò)干燥過(guò)濾器除去水分和雜質(zhì)，經(jīng)過(guò)熱比膨脹閥降為低溫低壓氣液混合態(tài)，在外部換熱器中與室外空氣換熱變?yōu)闅鈶B(tài)，最后經(jīng)四通換向閥、氣液分離器回到壓縮機(jī)。

1.2 樣機(jī)主要部件規(guī)格參數(shù)

此熱泵型汽車空調(diào)樣機(jī)的主要部件規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要部件規(guī)格參數(shù)

2 試驗(yàn)系統(tǒng)和測(cè)試條件

為了更好的模擬實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，將空調(diào)系統(tǒng)安裝在1:1的汽車車頂殼體模型上，并在標(biāo)準(zhǔn)焓差室中進(jìn)行測(cè)試，室內(nèi)外風(fēng)量的控制由室內(nèi)外風(fēng)機(jī)的電壓實(shí)現(xiàn)。參考QC/T657-2000《汽車空調(diào)制冷裝置試驗(yàn)方法》、QC/T656-2000《汽車空調(diào)制冷裝置性能要求》和GB7725-2004《房間空氣調(diào)節(jié)器》，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)試基礎(chǔ)工況如表2所示，在基礎(chǔ)工況下改變其中一個(gè)參數(shù)來(lái)測(cè)量其對(duì)系統(tǒng)性能的影響。系統(tǒng)溫度和壓力的測(cè)量分別由J型熱電偶（TT-J-30-SL，測(cè)量范圍-200℃～260℃），壓力變送器（JYHR，測(cè)量范圍-0.1～100MPa）實(shí)現(xiàn)。測(cè)量制冷劑流量的設(shè)備為RHENNIK生產(chǎn)的型號(hào)為RHM03T1P2SM0M0G1N的質(zhì)量流量計(jì)，測(cè)量范圍為0.1～3kg/min。

表2 純電動(dòng)公交車熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能測(cè)試工況

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 系統(tǒng)制冷運(yùn)行特性

如圖2所示，系統(tǒng)的制冷量隨壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速的增加而升高，而系統(tǒng)制冷COP在2700r/min時(shí)達(dá)到最大值5.31，是因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)速的增大系統(tǒng)的壓縮比也逐漸增加使得壓縮機(jī)的輸入功率隨著增大，因此當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)2700r/min后制冷COP呈下降趨勢(shì)。

圖2 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)系統(tǒng)制冷運(yùn)行特性的影響

如圖3所示，隨環(huán)境溫度的升高，壓縮比和排氣溫度線性增加，制冷量和COP線性降低。環(huán)境溫度由31℃升高到43℃，系統(tǒng)制冷量下降16%，COP下降30.7%。

圖3 環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)制冷運(yùn)行特性的影響

如圖4、5所示，隨著室內(nèi)外風(fēng)機(jī)電壓的增加，風(fēng)速增大，換熱器的傳熱溫差降低，使系統(tǒng)的壓縮比降低，制冷冷量和COP增加。室內(nèi)風(fēng)機(jī)電壓由5V增加到6V，系統(tǒng)制冷量增加478W，COP增加0.245；由6V增加到7V，系統(tǒng)制冷量增加196W，COP增加0.124；表明受制冷劑流量和室外換熱器能力的限制，室內(nèi)風(fēng)機(jī)電壓對(duì)系統(tǒng)的影響逐漸減弱。室外風(fēng)機(jī)由4V增加到6V，系統(tǒng)制冷量增加613W，COP增加0.333；由6V增加到8V，系統(tǒng)的制冷量增加1093W，COP增加0.260；表明繼續(xù)增加室外風(fēng)機(jī)電壓對(duì)系統(tǒng)制冷效果仍有較好影響。在測(cè)量范圍內(nèi)室內(nèi)風(fēng)機(jī)每增加1V系統(tǒng)制冷量增加337V，COP增加0.185；室外風(fēng)機(jī)每增加1V制冷量增加427W，COP增加0.148；室外風(fēng)機(jī)對(duì)系統(tǒng)制冷量影響較大，而室內(nèi)風(fēng)機(jī)對(duì)系統(tǒng)COP影響較大，主要因?yàn)槭覂?nèi)風(fēng)機(jī)對(duì)壓縮比影響較大，而室外風(fēng)機(jī)對(duì)多熱度和排氣溫度的影響更優(yōu)。

圖4 室內(nèi)風(fēng)機(jī)電壓對(duì)系統(tǒng)制冷運(yùn)行特性的影響

圖5 室外風(fēng)機(jī)電壓對(duì)系統(tǒng)制冷運(yùn)行特性的影響

3.2 系統(tǒng)制熱運(yùn)行特性

圖6 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)系統(tǒng)制熱運(yùn)行特性的影響

圖7 環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)制熱運(yùn)行特性的影響

如圖6所示，與制冷工況相同，隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的增加系統(tǒng)的壓縮比和排氣溫度隨之增加；壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速每增加600r/min，壓縮比增加0.333、0.424、0.432和0.431，排氣溫度增加3.47℃、5.99℃、7.33℃和7.75℃，增長(zhǎng)趨勢(shì)均逐漸增大；而系統(tǒng)制熱量增長(zhǎng)為5716W、3338W、2788W和2492W，增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸下降使得EER呈下降趨勢(shì)，且EER在2100-2700r/min之間降低速度最大為1.71。如圖7所示隨著環(huán)境溫度的增加制熱逐漸增加但趨勢(shì)逐漸放緩，與之相反系統(tǒng)制熱能效的增加趨勢(shì)卻逐漸增強(qiáng)。由于結(jié)霜的影響系統(tǒng)的排氣溫度在環(huán)境溫度為3℃時(shí)出現(xiàn)最低點(diǎn)。

圖8 室內(nèi)風(fēng)機(jī)電壓對(duì)系統(tǒng)制熱運(yùn)行特性的影響

圖9 室外風(fēng)機(jī)電壓對(duì)系統(tǒng)制冷運(yùn)行特性的影響

由圖8、9可知室內(nèi)風(fēng)機(jī)（冷凝器風(fēng)機(jī)）電壓對(duì)系統(tǒng)性能的影響與制冷工況下室外風(fēng)機(jī)（冷凝器風(fēng)機(jī)）對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響相同。而室外風(fēng)機(jī)（蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)）與制冷工況下室內(nèi)風(fēng)機(jī)（蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)）對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響不同，隨室外風(fēng)機(jī)電壓的增加系統(tǒng)的COP逐漸下降，壓縮比和排氣溫度在6V時(shí)出現(xiàn)最大值。

4 結(jié)論

系統(tǒng)在額定制冷和額定制熱工況下有較高的制冷量和制熱量，能夠滿足電動(dòng)客車室內(nèi)溫度需求。制冷工況下壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為2700r/min時(shí)系統(tǒng)COP最大，而制熱工況下轉(zhuǎn)速越低節(jié)能效果越好。

在制熱工況下，當(dāng)室外溫度下降或壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)制熱效率降低，但所測(cè)范圍內(nèi)最小值2.28仍遠(yuǎn)高于1，說(shuō)明與目前采用的PTC系統(tǒng)相比熱泵系統(tǒng)有明顯節(jié)能效果。

在制熱工況下，隨室外風(fēng)機(jī)電壓的增加系統(tǒng)EER呈下降趨勢(shì)，因此在冬季制熱運(yùn)行時(shí)應(yīng)適當(dāng)降低室外風(fēng)速。室外風(fēng)速受車速影響明顯，因此在低速運(yùn)行的純電動(dòng)公交車上熱泵系統(tǒng)的節(jié)能效果更為明顯。

[1] 孫樂(lè),李紅旗,程睿,等.純電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷特性的試驗(yàn)研究[J].汽車工程,2014,(8):1014-1018.

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Design and Experimental Study of a Heat Pump A/C System in Pure Electric Bus

Zhang Wei Li Hongqi Zheng Xin

( Beijing University of Technology, Beijing, 100124 )

A heat pump air conditioning system is designed for pure electric bus, and its operating characteristics are studied. The cooling/heating capacity, the coefficient of performance (COP)/EER and the exhaust temperature varied with the ambient temperature, the compressor speed and the wind speed are analyzed. The results show that the heat pump air-conditioner system designed in this paper has better cooling/heating performance; the COP is highest when the speed of compressor is 2700r/min in refrigeration conditions, but the EER is lower with the speed increases in heating conditions. In heating conditions, when the speed of outdoor fan is increaser, the EER is lower, so the lower speed of outdoor fan is more conducive to energy-saving.

pure electric bus; heat pump air-conditioner; experimental study

1671-6612（2017）02-118-04

TB61

A

張 偉（1987.10-），男，在讀碩士研究生，E-mail：zhangwei7119@163.com

李紅旗（1963.06-），男，博士研究生，教授，E-mail：hongqili@sina.com

2016-01-04