采用車廂底部出風的變頻熱泵空調在低溫地區大巴車輛上的應用研究

李敬恩，史長奎

（青島朗進新能源設備有限公司，山東 青島 266400）

純電動大巴空調冬季制熱是目前行業普遍關注的焦點問題，受大巴空調廠家技術影響，大部分電動空調熱泵制熱在環境溫度0℃左右將無法啟動，所以目前行業冬季制暖主要采用燃油爐或PTC加熱方式。燃油爐與PTC加熱能耗高，嚴重影響整車續航里程。另外，在冬季制熱時，暖風從上部的風道往下吹，大部分熱風下不去，造成了車廂上部溫度高，腳部溫度過低，非常影響舒適性。

在低溫地區進行了熱泵制熱效果驗證，同時又對車廂風道進行了改造，驗證熱泵空調在低溫地區的使用效果，并對比原車自帶的電加熱器進行舒適性和耗電量的對比。

1 低溫地區氣候特點及空調需求

圖1中地區屬北溫帶大陸性季風氣候，四季分明，全年平均氣溫6℃～11℃。1月份最冷，7月份最熱。每年4～5月為春季，6～8月為夏季，9～10月為秋季，11月中旬至翌年3月為冬季。通過平均氣溫的分析，使用-15℃的熱泵空調可以滿足需求。

圖1 北溫帶大陸性季風氣候地區四季氣溫

大巴車輛空調系統設置：通風、制冷、制熱3種工作模式，通過對每個月氣溫情況分析，空調運行狀態如表1所示。

表1 低溫地區空調運行狀態

通過以上數據分析，低溫公交車輛全年運行周期內，實際運行制熱天數約5-6個月時間，根據低溫地區氣候特點，適合選取具有熱泵制熱功能的變頻空調系統，下面進行熱泵制熱效果和耗電量的分析。

2 空調/電加熱器參數分析

根據運營線路特點和低溫地區的氣象數據，通過對10.5m公交車輛空調熱負荷理論計算，空調額定制熱量需求為21kW，變頻熱泵空調及電加熱器主要性能參數如表2所示。

表2 空調及電加熱器主要性能參數表

3 測試內容

1）變頻熱泵空調優化風道試驗前后舒適性對比試驗。

2）變頻熱泵空調和電加熱器升溫對比試驗和舒適性對比。

3）跟車路試空調與電加熱器耗電量對比。

4）變頻熱泵空調和電加熱器每天節電率對比。

測試參考標準：《JT-T 216-2006 客室空調系統技術條件》、《CJT134-2001城市公交空調系統》。

測試要求：測點位置，編號采用如下方法，測點標號由一位大寫字母與一位數字（下角標）組成，定義如下。

A——出風口測溫點，位于出風口表面中心處。

B——回風口測溫點，回風口平面下100mm±10mm處，中心線前后等距兩點。若回風口位于車廂地板上，則取回風口中心平面內前后（或左右）等距兩點。

C——座椅處測溫點，每處測溫點分上、下兩個，上部測溫點設在距坐墊表面上方635mm，水平方向距靠背250mm處，下部測點位于座椅前沿，距地板高度50mm處。兩種測點均設于單人或雙人座椅縱向中心，多人座椅均布兩點，見圖2。

D——溫差測溫點。客車縱向中心平面內，距地板高度1000mm處設置前、中、后3個測點，前后測點分別距前后風窗玻璃1500mm，中部測點位于客車縱向中心。

按照標準選取A、B、C1、C2、D共5點測試數據。

圖2 車內座椅處測溫點分布 （尺寸單位： mm）

3.1 變頻熱泵空調優化風道試驗前后舒適性對比試驗 （圖3～圖8）

結論：優化風道前測試數據發現車廂底部C1位置溫度較低。風道優化后底部C1溫度明顯提高，整車溫差小，舒適度明顯提升。

3.2 變頻熱泵空調和電加熱器升溫對比試驗（圖9～圖12）

圖3 大巴空調制熱測試數據圖 （修改風道前）

結論：裝有熱泵空調的大巴車在22min時車廂內的平均溫度達到設定溫度，而裝有電加熱器的大巴車在30min后最高溫度只到了17℃。熱泵大巴空調升溫最快而電加熱器半小時內沒有達到設定溫度。采用熱泵空調整車溫差小、溫度均勻，舒適性優于電加熱器。

圖4 熱泵空調制熱測試數據圖 （修改風道后）

圖5 車內左右兩側和駕駛員位置各引多個小風道

圖6 車內原始風道圖片

圖7 風道優化后圖片

圖8 熱泵空調加裝風道前后車廂溫度舒適性對比圖

圖9 大巴空調升溫速率試驗曲線

圖10 電加熱器升溫速率試驗曲線

圖11 空調和電加熱器半小時溫升對比

圖12 空調和電加熱器舒適性對比

3.3 熱泵空調與電加熱器耗電量對比（表3）

結論：跟車測試電加熱的耗電量遠大于空調的耗電量。

表3 跟車測試公交車全程空調和電加熱耗電量對比

3.4 變頻熱泵空調和電加熱器每天節電率對比（圖13）

圖13 跟車20天測試公交車空調和電加熱節電率

結論：根據每天記錄的每公里平均耗電量統計，熱泵空調比電加熱器省電，平均每公里比電加熱器節省約45.12%的耗電量，熱泵空調節電性能優勢明顯。

結論：根據每天記錄的每公里平均耗電量統計，熱泵空調比電加熱器省電，平均每公里比電加熱器節省約45.12%的耗電量，熱泵空調節電性能優勢明顯。

4 節能經濟效益分析

10m純電動客車整車電量：210kW·h，平均每日運營里程：125km。熱泵空調平均用電量：0.33kW·h/km，電加熱器平均用電量：0.61kW·h/km，車輛運營平均每公里用電量：1kW·h/km （低溫地區10m客車行業平均用電量）。車輛充電每度電費：0.6元/kW·h按照100臺車輛，制熱季按照60天計算。

通過計算可得：

1）熱泵空調車輛每年節省電量=（電加熱器平均用電量-熱泵空調平均用電量）×平均每天運營里程×車輛總數×天數=（0.61-0.33）×125×100×60=21萬kW·h。

2）熱泵空調車輛每年節電費用=熱泵空調車輛每年節省電量×車輛充電每度電費=21萬×0.6=12.6萬元。

結論：采用熱泵空調，每年可節省電量21萬度電，每年可節省人民幣12.6萬元。節能、節省費用效果明顯。

5 結論

1）在低溫地區采用熱泵空調，并且把風道進行優化，增加車廂底部出風風口，可以有效提高車廂的溫度均勻性，保證了車廂中下部的溫度，避免上下溫差過大。

2）通過實驗對比得知，采用熱泵空調和電加熱在升溫速率、舒適性和耗電量方面對比，熱泵空調具有較明顯的優勢。熱泵空調升溫速度快、溫控精度高、耗電量少，變頻熱泵空調更舒適、更節能。

3）對比電加熱的耗電量，空調平均節電率達到45.12%。采用熱泵空調，按照100臺車輛，制熱季按照60天計算每年可節省電量21萬度電，換算為節省的費用每年可節省人民幣12.6萬元，節能、節省費用效果明顯。