純電動汽車熱泵型空調系統除濕試驗研究

任學銘，武衛東，朱群東，余強元

（上海理工大學 制冷與低溫工程研究所，上海 200093）

能源和環境問題一直是各國關注的焦點問題。城市環境污染的主要原因之一便是燃油汽車尾氣的排放。《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十三個五年規劃的建議》提出將大力推廣純電動汽車。據中國汽車工業協會統計[1]，2017年中國汽車銷量為2 888萬輛，其中純電動汽車銷量為46.8萬輛，市場占比還很小，僅有1.62%。純電動汽車依靠車載蓄電池提供動力，而目前車載空調系統的耗電量大約會占蓄電池總容量的1/3，對純電動汽車續駛里程的影響很大，因此，研制高效節能的熱泵空調系統對節能環保和開拓純電動汽車市場具有重要的意義。

為了給駕乘人員創造一個舒適的駕乘環境，除了溫度、空氣流速、空氣清晰度等參數外，車室內的濕度也是一個重要參數。根據文獻[2]：在50%～70%的相對濕度下人體感受最舒服，車內濕度過高或者過低都會影響乘客舒適感。除此之外，若車內濕度過高，擋風玻璃溫度低于室內空氣露點溫度時，容易在前擋風玻璃結霧，行車過程中嚴重影響視線，從而造成安全隱患。因此，研究純電動汽車熱泵型空調的除濕性能對車內環境舒適性和行車安全都具有重要的實際意義。

傳統汽車空調制熱所需的熱量通常是由發動機提供，而純電動汽車由于缺少發動機冷卻系統，所以其空調系統不但要滿足制冷功能，還需考慮制熱和除濕等功能。針對除濕這一功能，龔衛強等[3]指出，利用傳統制冷模式除濕時，在除濕過程中蒸發器吸收空氣的熱量經冷凝器釋放到室外沒有得到利用，為了保證車室內舒適的溫度需采用PTC加熱。KOWSKY等[4]設計了一套外加冷卻劑熱交換器的單一熱泵空調系統，該系統的制熱、制冷、除濕過程只需改變冷卻劑的流動方向即可實現，而不需要改變制冷劑的流動方向，在除濕過程中制熱量不足的情況下仍需要PTC輔助加熱。SUZUKI等[5]開發了以R134a為工質的具有除濕功能的三換熱器串聯的熱泵空調系統，為了實現制熱和制冷模式的切換在系統中增加了1個電子膨脹閥和電磁四通換向閥。考慮到車用四通換向閥的可靠性問題，電裝公司[6]在此系統的基礎上增加了3個旁通閥以代替四通換向閥來實現制熱、制冷、除濕模式的切換。電裝公司的楊云等[7]對上述改進型的系統除濕模式進行試驗，結果表明：相對于除濕過程需要PTC電加熱的傳統制冷除濕模式，其可節省功耗67%。HIGUCHI等[8]設計了一套具有兩種除濕模式的補氣增焓的電動汽車熱泵空調系統，該文獻偏重于對出風溫度的研究，而沒有涉及對除濕速率的探討。武衛東等[9-10]設計了一套三換熱器電動汽車熱泵空調系統，并通過試驗研究了電動汽車空調制冷性能和熱泵模式下的除霜性能。總體看來，目前對于純電動汽車除濕的解決方案還多停留在系統理論設計上，相關的試驗研究相對較少。

本文基于課題組設計的一套純電動汽車熱泵空調系統，針對熱泵運行工況，提出兩種新的熱泵系統除濕模式，并對其除濕效果進行了對比試驗研究。研究結果可為電動汽車熱泵型空調系統的開發提供一定的參考。

1 熱泵型汽車空調除濕系統設計

本文提出兩種熱泵除濕模式。第1種除濕模式為雙蒸發器熱泵除濕模式（簡稱雙蒸除濕模式），如圖1所示。該模式壓縮機排出的高溫高壓制冷劑氣體經過車內冷凝器冷凝放熱后分成兩個支路，其中一路經過EXV1后進入蒸發器吸熱，車室內空氣中的水蒸氣在車內蒸發器表面冷凝達到除濕效果；另一路經過EXV2后進入車外蒸發器吸收熱量，最后兩條支路的制冷劑匯合后進入壓縮機完成循環。

圖1 雙蒸除濕模式系統原理

第2種除濕模式為單室內蒸發器熱泵除濕模式（簡稱單蒸除濕模式），如圖2所示。該模式的除濕過程為壓縮機排出高溫高壓的制冷劑氣體，經過車內冷凝器和EXV后進入車內蒸發器吸熱，車室內空氣中的水蒸氣在車內蒸發器表面冷凝達到除濕效果，制冷劑流出車內蒸發器后進入壓縮機完成循環。這兩種除濕模式在除濕期間通過冷凝風機將車內冷凝器放出的熱量傳遞給剛被除濕過的低溫空氣，可提高進入車室內的出風溫度，在一定程度上保證了除濕過程中車內舒適的乘車環境。而雙蒸除濕模式利用熱泵循環原理從車外換熱器吸收熱量，進一步提高車內出風溫度，從而提高舒適度，并可通過改變車外/車內兩蒸發器內制冷劑的質量流量分配，達到調節車內出風溫度和濕度的目的。

圖2 單蒸除濕模式系統原理

2 除濕性能試驗

2.1 試驗系統與數據采集

在焓差環境試驗室中，針對以上兩種除濕模式進行除濕性能試驗。為了滿足試驗所需環境參數的要求，分別用室內、室外環境室模擬車內、車外的環境。在兩個環境室中分別配置兩臺制冷機組、加熱器、加濕器、循環風機作為空氣處理裝置，除此之外，還配備風洞裝置以及相對應的參數測量和控制系統。系統溫度控制精度為±0.5 ℃，相對濕度控制精度為±2%。

熱泵系統所選用的制冷劑為R134a，壓縮機為電動變頻渦旋壓縮機，理論排量為33 cm3/r，轉速可調范圍為800～9 000 r/min。EXV的調節范圍為0～500步，EXV開度百分比與步數的線性關系如圖3所示。

圖3 EXV開度百分比與步數的對應關系

本試驗所涉及的電氣控制部分主要有用于控制調節渦旋壓縮機轉速的控制器、EXV脈沖信號控制器、電磁閥通斷控制器。數據采集包括熱泵空調系統測點數據采集和環境室數據采集。系統測點的數據采集主要包括制冷劑在壓縮機出口、室內冷凝器進出口、電子膨脹閥進口、室內和室外蒸發器進出口的溫度和壓力，測點布置如圖1和圖2所示。環境室數據主要有室內換熱器進風的風量、溫度和濕度，室外換熱器進風的風量和溫度。所有測量信號均通過安捷倫數據采集儀導入電腦，控制信號通過PLC和自編的LabVIEW軟件對相應的控制部件進行控制。系統所需的主要傳感器參數見表1。

2.2 試驗方法與工況

試驗方法為：首先開啟環境室機組及相應的溫度和濕度控制系統。當環境工況穩定后，在計算機控制軟件中分別選擇單蒸除濕模式和雙蒸除濕模式，由計算機選擇對應的電磁閥和膨脹閥的開度。將膨脹閥開度設定為60%，從低轉速啟動壓縮機，開始除濕試驗。為了精確測量除濕量，在蒸發器下方設有接水盤，采用美國TIF公司生產的精度為1 g的高精度電子秤對冷凝水量進行稱重。對于被測系統壓縮機轉速和EXV開度選擇的主要考慮因素是整個系統的最高壓力不高于2 MPa，在此限制條件下調節壓縮機轉速以及相匹配的EXV開度，待系統穩定（蒸發器出風溫度上下波動在0.5 ℃以內），持續記錄5 min凝水量，記錄下相關運行參數，結束試驗。

表1 測量儀器主要參數

試驗工況的設定：文獻[11]指出，當環境溫度低于10 ℃時，R134a型電動汽車熱泵空調制熱性能會下降。因此，設定室內側、室外側干球溫度為10 ℃，目標相對濕度為100%。事實上，100%相對濕度為試驗的理想狀態，本試驗過程中盡可能增大濕度，測量的實際相對濕度接近于100%且不低于95%，考慮到系統誤差及實際測量誤差，近似認為環境室相對濕度為100%。具體試驗工況見表2。

表2 除濕試驗環境工況

2.3 除濕評價指標

為了說明兩種熱泵除濕循環系統的性能，采用下列評價指標。

2.3.1 除濕速率

汽車中濕負荷主要為人體散濕，由文獻[12]可知成年男子的散濕量w約為33 g/h。據文獻[13]可知人體散濕W的計算公式為：

式中：N為車內總人數，N按照車內最大乘客人數取值，N=5；w為每個成年人在某溫度下的散濕量，g/h。據式（1）計算得車室內成年男子的總散濕量W為165 g/h。

除濕速率W'（g/h）是評價除濕系統的最主要指標。當W'≥W時，認為熱泵除濕循環系統可以滿足使用要求。

2.3.2 出風溫度

在滿足除濕要求的情況下，盡可能地提高出風溫度可以進一步提升車內舒適度。

2.3.3 除濕熱泵性能系數

為了比較兩種除濕模式下系統能效的差異，這里引入了評價熱泵系統除濕性能的系數ε=，即除濕過程中用于濕空氣除濕（析出冷凝水）的冷量和用于提高出風溫度的熱量之和與熱泵系統壓縮機功耗的比值。ε=可表示為：

式中：Q'為冷凝水帶走的冷量，W；Q為出風溫升吸收的熱量，W；P為壓縮機功耗，W。

式中：hl為凝結水的比焓，kJ/kg。

式中：m為空氣的質量流量，kg/s；hin為室內蒸發器進風焓值，kJ/kg；hout為室內冷凝器出風焓值，

kJ/kg。

濕空氣焓的計算式[14]為：

式中：t為濕空氣溫度，℃；d為濕空氣含濕量，g/kgdryair。進風為10 ℃的飽和空氣，其含濕量為14.7 g/kgdryair。

3 試驗結果與分析

3.1 單蒸和雙蒸除濕模式的除濕效果對比分析

表3為兩種除濕模式在相同環境工況下，不同壓縮機轉速和EXV開度時的除濕速率情況。由表3可知，雙蒸除濕模式在壓縮機轉速為1 000 r/min時，EXV2即使開度調到較小范圍也不具備除濕能力；壓縮機轉速在2 000 r/min時，除濕速率隨著EXV2的開度減小而增大；壓縮機轉速在4 000 r/min時，EXV2開度較大時具備除濕能力，當EXV2開度降低到50步時，室內蒸發器表面結霜而失去除濕能力。分析可知，這是由于在不同的壓縮機轉速和EXV開度下所對應的蒸發壓力不同。當蒸發壓力過高時，蒸發溫度較高，蒸發器表面溫度高于濕空氣的露點溫度，濕空氣中的水蒸氣不能在蒸發器表面凝露，從而沒有除濕效果；當蒸發壓力過低時，蒸發溫度較低，蒸發器表面溫度低于0 ℃，水蒸氣在蒸發器表面結霜導致系統失去除濕能力；當蒸發壓力對應的蒸發溫度可使蒸發器表面溫度低于露點溫度且高于0 ℃時系統有除濕效果。單蒸除濕模式在壓縮機轉速為1 000 r/min，EXV1開度為300步時不除濕，降低EXV1開度可獲得除濕能力，且隨著EXV1開度的降低，除濕速率升高；當壓縮機轉速為2 000 r/min，EXV1開度為350步時有除濕效果，但繼續降低EXV1開度時室內蒸發器表面結霜。壓縮機轉速為4 000 r/min時同樣如此，因此，此處僅提供了壓縮機轉速為2 000 r/min的一組典型數據。由表3可知，在本研究的試驗工況中，雙蒸除濕模式的最小除濕速率為216 g/h，單蒸除濕模式的最小除濕速率為276 g/h，這兩種除濕模式均可達到除濕要求。

表3 不同工況下雙蒸和單蒸除濕模式除濕速率表

圖4和圖5分別是雙蒸除濕模式壓縮機轉速為2 000 r/min和單蒸除濕模式壓縮機轉速為1 000 r/min的典型工況，在有除濕效果時不同EXV開度下蒸發壓力與除濕速率的關系曲線。由圖可知，兩種除濕模式在EXV開度增大的過程中，蒸發壓力升高，除濕速率降低。這是因為蒸發壓力升高，蒸發溫度升高，蒸發器表面溫度升高，蒸發器表面溫度和濕空氣溫度的溫差降低，換熱效果變差，析出冷凝水的速率降低，從而導致除濕速率降低甚至無除濕效果。綜上，蒸發壓力是除濕效果的重要影響因素，通過調節壓縮機轉速、EXV開度控制蒸發壓力，可在一定范圍避免結霜和無除濕效果的發生，在有除濕效果的蒸發壓力范圍內改變蒸發壓力可調節除濕的速率。

圖4 雙蒸除濕模式不同EXV2開度下除濕速率和蒸發壓力的變化（壓縮機轉速為2 000 r/min）

圖5 單蒸除濕模式不同EXV1開度下除濕速率和蒸發壓力的變化（壓縮機轉速為1 000 r/min）

3.2 單蒸和雙蒸除濕模式的出風溫度對比分析

單蒸和雙蒸除濕模式在滿足除濕要求時（除濕速率W’＞165 g/h），不同壓縮機轉速下的出風溫度如圖6所示。由圖可知，單蒸除濕模式壓縮機轉速在1 000 r/min和2 000 r/min下的出風溫度分別為15.2 ℃和15.5 ℃，在轉速為4 000 r/min時室內蒸發器表面結霜，失去除濕能力；雙蒸除濕模式在壓縮機轉速為1 000 r/min時不具備除濕能力，當壓縮機轉速在2 000 r/min和4 000 r/min時的出風溫度分別為20.3 ℃和32.2 ℃。綜上所述，單蒸除濕模式在達到除濕要求條件下的出風溫度比室內環境溫度高5 ℃，且提高壓縮機轉速并不能提高出風溫度。與單蒸除濕模式相比，雙蒸模式可以通過提高壓縮機的轉速來提高出風溫度以滿足室內舒適性要求。

3.3 兩種除濕模式相同除濕效果的除濕熱泵性能系數對比

表4為單蒸除濕模式和雙蒸除濕模式在相同環境工況下，除濕速率相同時的出風溫度、功耗和除濕熱泵性能系數對比。由表可知，在除濕量為276 g/h時，單蒸除濕模式和雙蒸除濕模式的出風溫度分別為15.5 ℃和29.3 ℃，此時壓縮機對應的轉速分別為2 000 r/min和4 000 r/min，壓縮機功率分別為393.2 W和1 245.2 W，系統除濕熱泵性能系數ε分別為1.90和2.11。在除濕量為600 g/h時，單蒸除濕模式和雙蒸除濕模式的出風溫度分別為15.1 ℃和19.1 ℃，此時壓縮機所對應的轉速分別為1 000 r/min和2 000 r/min，壓縮機功率分別為196.6 W和485.7 W，系統除濕熱泵性能系數ε分別為3.50和2.54。這兩種除濕模式與空調結合PTC的除濕供暖相比，基于熱泵原理利用冷凝器放熱來供暖，提高了系統除濕工況運行的除濕熱泵性能系數。對比分析可知，在除濕量均為600 g/h時，雙蒸除濕模式比單蒸除濕模式的出風溫度升高4 ℃，系統除濕熱泵性能系數ε下降0.96；而在除濕量均為276 g/h時，雙蒸除濕模式比單蒸除濕模式出風溫度高13.8 ℃，系統除濕熱泵性能系數ε也提升0.21。由此可見，當車室內濕度較大時，駕乘人員可選擇單蒸除濕模式，實現快速除濕；當車室內濕度合適時，為除去行車過程中駕乘人員產生的濕負荷可選擇雙蒸除濕模式，這樣可在滿足除濕要求的條件下大幅度提高出風溫度，以保證車室內的舒適度。

表4 兩種模式在不同除濕速率下出風溫度、壓縮機功率和除濕熱泵性能系數的對比

4 結論

本文基于設計的一個新的純電動汽車熱泵空調系統，針對熱泵型空調除濕問題，提出了兩種熱泵除濕模式，并進行了相應的除濕性能試驗研究。以除濕速率、出風溫度和除濕熱泵性能系數為參數指標，對單蒸除濕模式和雙蒸除濕模式進行了對比分析，得出以下結論：

（1）蒸發壓力是除濕效果的重要影響因素，通過調節壓縮機轉速和EXV開度控制蒸發壓力，可在一定范圍避免結霜和無除濕效果的發生，且在有除濕效果的蒸發壓力范圍內改變蒸發壓力可調節除濕的速率。

（2）在本研究的試驗工況下，單蒸除濕模式和雙蒸除濕模式的最小除濕速率分別為276 g/h和216 g/h，均可達到除濕要求。

（3）在滿足除濕要求的前提下，與單蒸除濕模式相比，雙蒸除濕模式可以大幅度提高出風溫度，提高車室內舒適度。

（4）當除濕速率為600 g/h時，單蒸除濕模式的除濕熱泵性能系數高于雙蒸除濕模式，但雙蒸除濕模式的出風溫度高于單蒸除濕模式；當除濕速率為276 g/h時，雙蒸除濕模式的除濕熱泵性能系數和出風溫度均高于單蒸除濕模式。因此，在滿足除濕要求的條件下，為大幅度提高出風溫度以保證車室內的舒適度，宜選擇雙蒸除濕模式。