低溫環(huán)境溫度補(bǔ)氣式熱泵空調(diào)采暖性能實(shí)驗(yàn)研究

李曉敏

（山西大同大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院，山西大同 037003）

電動汽車近幾年的發(fā)展非常迅速。由于電動汽車沒有內(nèi)燃機(jī)，在低溫環(huán)境下，為了保證乘車的舒適性，需要采用補(bǔ)氣式熱泵空調(diào)系統(tǒng)[1]，這種空調(diào)能夠在低溫環(huán)境下仍然具有較高的制熱效率。與普通空調(diào)系統(tǒng)相比，補(bǔ)氣式熱泵空調(diào)主要通過補(bǔ)氣回路來控制空調(diào)系統(tǒng)的合理制熱，但是補(bǔ)氣方式多種多樣，空調(diào)系統(tǒng)的匹配相對復(fù)雜[2]，補(bǔ)氣式熱泵空調(diào)的性能對于整車性能的影響很大。在冬季的低溫環(huán)境下，空調(diào)系統(tǒng)的內(nèi)部參數(shù)會出現(xiàn)異常[3]，導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)的采暖性能受到影響。

根據(jù)表1比較結(jié)果及工程現(xiàn)場實(shí)際情況，填筑料場位于項(xiàng)目區(qū)河道內(nèi)，儲量190.68萬m3，距工程區(qū)平均運(yùn)距500m，土石籠袋填筑料各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)滿足質(zhì)量要求。綜合分析選用土石籠袋護(hù)岸形式更適宜。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)焓差實(shí)驗(yàn)室和強(qiáng)化傳熱實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成的，冷源與人員由強(qiáng)化傳熱實(shí)驗(yàn)室中的恒溫空氣相和相關(guān)的溫控裝置實(shí)現(xiàn)[4]。實(shí)驗(yàn)裝置中，設(shè)計(jì)的補(bǔ)氣式熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要包括主路循環(huán)和低壓補(bǔ)路循環(huán)[5]，裝置示意見圖1。

部件主要包括壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器等。壓縮機(jī)型號為海立變頻旋渦壓縮機(jī)EVS34，額定高電壓288 V，范圍在200～400 V 之間，額定低電壓12 V，范圍在8～16 V；最大排氣壓力3.73 MPa，最大吸入壓力0.51 MPa；能夠承受的最高排氣溫度120 ℃，最高的吸入溫度36 ℃[6]。冷凝器和蒸發(fā)器為平行流換熱器，不同換熱器的參數(shù)，見表1。

工程車場區(qū)已開始使用并供暖，經(jīng)使用狀況分析：室外機(jī)組：6 臺，建筑單體：4 個(gè)，取暖設(shè)備：125 臺。制熱時(shí)間：3h，供水溫度：56℃，回水溫度：48℃。機(jī)組加熱到正常溫度時(shí)，抽取3個(gè)房間進(jìn)行研究：會議室，宿舍，走廊。會議室：面積98m2，風(fēng)機(jī)盤管5臺，制熱時(shí)間30min，室內(nèi)溫度23℃;宿舍：建筑面積15m2，風(fēng)機(jī)盤管1臺，制熱時(shí)間30min,室內(nèi)溫度26℃；走廊：建筑面積66㎡，風(fēng)機(jī)盤管2臺，制熱時(shí)間30min.室內(nèi)溫度14℃。

表1 不同類型換熱器參數(shù)

在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速改變的情況下，選擇工況4進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，改變壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在低溫制熱時(shí)，車外換熱器的熱像采集狀態(tài)點(diǎn)劃分，見圖3。

表2 空調(diào)系統(tǒng)低溫制熱模擬工況

在保證其他環(huán)境參數(shù)不變的情況下，改變送風(fēng)量分別為320、380、480 m3/h，對各個(gè)狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)行溫度測量，繪制成圖5曲線。

2 補(bǔ)氣式熱泵空調(diào)的數(shù)學(xué)模型

壓縮機(jī)的功率計(jì)算公式可以表示為：

圖2 壓縮機(jī)工作過程壓焓圖

通過制熱實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與計(jì)算可知，在環(huán)境溫度為-7 ℃和-15 ℃工況下制熱，系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行；-7 ℃制熱可以達(dá)到3 842 W，出風(fēng)的溫度為48 ℃，制熱效率為1.9；在-15 ℃情況下，制熱為3 073 W，出風(fēng)的溫度為46 ℃，制熱效率為1.86。

式中：mcom表示壓縮機(jī)的質(zhì)量流量，kg/s；λ表示壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)；Vth表示壓縮機(jī)的理論容積輸氣量；vsuc表示吸氣口的比容。

二是有機(jī)物排放造成的水資源污染。外源性污染中存在的有機(jī)物主要有植物性營養(yǎng)元素氮、磷以及好氧有機(jī)物等，這些有機(jī)物含有大量的碳水化合物、蛋白質(zhì)、油脂、磷和氮。將含有這些成分的有機(jī)物排放到水資源中，會使水中存在的微生物發(fā)生降解反應(yīng)，進(jìn)而降低水中氧氣含量，嚴(yán)重時(shí)還會出現(xiàn)水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象，這不僅破壞了水產(chǎn)生物的生長環(huán)境，還會造成大量生物因缺氧而死亡。

為了方便后續(xù)的性能比較，需要以補(bǔ)氣式熱泵空調(diào)為基礎(chǔ)建立數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)值模擬的方法研究空調(diào)的運(yùn)行模式[9]。在空調(diào)系統(tǒng)中，壓縮機(jī)是最重要的零部件之一，主要能夠?yàn)闊岜锰峁┭h(huán)動力，其性能直接決定了空調(diào)系統(tǒng)的性能[10]。將壓縮機(jī)的內(nèi)部制冷劑的質(zhì)量流量等參數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，其工作過程壓焓圖，見圖2。

從圖4 可以看出，在相同轉(zhuǎn)速下，狀態(tài)點(diǎn)1～6 的溫度是逐漸上升趨勢，排氣溫度隨著系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間會先增大，后降低，隨后趨于平穩(wěn)，出風(fēng)、回風(fēng)溫度隨著系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間先升高后降低，然后趨于平穩(wěn)；隨著轉(zhuǎn)速升高，相同狀態(tài)點(diǎn)的溫度升高，排氣溫度升高，出風(fēng)與回風(fēng)溫度降低；當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定后，排氣溫度從36.8 ℃升高到了45.3 ℃，出風(fēng)溫度由14.3 ℃升高為18.2 ℃，回風(fēng)溫度由11.0 ℃升高到14.3 ℃。壓縮機(jī)的排氣溫度隨著壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速的升高而升高，主要是由于中壓補(bǔ)氣后，經(jīng)過蒸發(fā)器散熱的輔路飽和氣態(tài)制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)的中壓補(bǔ)氣口，與氣態(tài)制冷劑混合后被壓縮放熱，使壓縮機(jī)的排氣溫度升高。

根據(jù)上述的參數(shù)，可以計(jì)算出壓縮機(jī)的理論功率以及排氣溫度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 改變轉(zhuǎn)速的性能分析

補(bǔ)氣式熱泵空調(diào)裝置中，主路、輔路分別選用的是E2V-26、E2V-11 電子膨脹閥，其調(diào)節(jié)范圍為10%～100%；選擇了軸流式風(fēng)機(jī)作為車外風(fēng)機(jī)，其額定風(fēng)量最大為3 000 m3/h；車內(nèi)使用的是離心式風(fēng)機(jī)，額定風(fēng)量最大為1 000 m3/h。當(dāng)開啟低壓補(bǔ)氣的模式時(shí)，制冷劑會從壓縮機(jī)的排氣口經(jīng)過冷凝器后分成兩路[7]，經(jīng)過主路的制冷劑在中間換熱器中完成與輔路的換熱降溫降壓，最后進(jìn)入到壓縮機(jī)的吸氣口。相對于傳統(tǒng)的空調(diào)，低壓補(bǔ)氣可以降低排氣溫度，提高系統(tǒng)效率?？照{(diào)低溫制熱模擬工況，見表2。

圖3 各熱像狀態(tài)點(diǎn)采集區(qū)域劃分

狀態(tài)點(diǎn)1、2 是第一流程的進(jìn)出口，狀態(tài)點(diǎn)3、4 是第二流程的進(jìn)出口，狀態(tài)點(diǎn)5、6 是第三流程的進(jìn)出口。從圖3 能夠看出，這3 個(gè)流程結(jié)構(gòu)之間的呈現(xiàn)比較清晰，圖中明暗條紋反應(yīng)了工作過程中的溫度和狀態(tài)，溫度從入口到出口都符合該工況下的蒸發(fā)溫度范圍。對各個(gè)狀態(tài)點(diǎn)的溫度進(jìn)行測量，繪制出圖4曲線。

式中：N表示壓縮腔室的對數(shù)，取3；h表示渦旋體高，mm；t表示渦旋體的壁厚；p表示節(jié)距[13-15]。

圖4 各狀態(tài)點(diǎn)溫度隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化

3.2 改變送風(fēng)量的性能分析

表2 中的模擬工況主要借鑒了國標(biāo)中關(guān)于房建空氣調(diào)節(jié)空調(diào)行業(yè)的熱泵系統(tǒng)相關(guān)測試工況和標(biāo)準(zhǔn)[8]，通過對比分析低溫制熱工況下的性能參數(shù)，分析補(bǔ)氣式熱泵空調(diào)的采暖性能。

圖5 狀態(tài)點(diǎn)隨車內(nèi)風(fēng)量的溫度變化

從圖5可知，在送風(fēng)量相同的情況下，狀態(tài)點(diǎn)1～6 溫度是上升的趨勢，在不同送風(fēng)量下，不同點(diǎn)呈現(xiàn)出不同的變化。但是隨著風(fēng)量增大，狀態(tài)點(diǎn)6的溫度逐漸升高，主要是因?yàn)檐噧?nèi)的風(fēng)機(jī)送風(fēng)量變大，車外換熱器的熱量也變大，蒸發(fā)溫度升高。在不同的送風(fēng)量模式下，在開始的階段吹臉模式的排氣溫度要高于吹足模式，吹臉模式下排氣溫度為47.3 ℃，出風(fēng)溫度為37.5 ℃，回風(fēng)溫度為21.4 ℃；在吹足模式下排氣溫度為61.3 ℃，出風(fēng)溫度為43.7 ℃，回風(fēng)溫度為24.6 ℃。在圖5三種送風(fēng)量的條件下，排氣溫度會隨著送風(fēng)量的增加而增大。

勘查區(qū)面積較大，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，煤層層數(shù)多，且標(biāo)志層不明顯，構(gòu)造復(fù)雜程度為中等偏復(fù)雜的類型（二類）。單由鉆探進(jìn)行煤巖層對比，難度較大；且鉆孔網(wǎng)度較稀，煤層沉缺、剝蝕、合并等現(xiàn)象較多，更增加了各鉆孔間煤層對比的多解性。地震時(shí)間剖面具有波形時(shí)間延續(xù)性的特點(diǎn)，可連續(xù)追蹤形成發(fā)射波的煤層。同時(shí)，通過時(shí)間剖面間層位閉合，在全區(qū)進(jìn)行追逐對比。

圖2 中的數(shù)字表示了壓縮機(jī)工作過程中的不同狀態(tài)，狀態(tài)8 的制冷劑與狀態(tài)9 的過熱氣體進(jìn)行混合，質(zhì)量也會有一定的增加[11-12]。壓縮機(jī)模型主要反映了壓縮機(jī)工作過程中的功率、排量以及吸氣排氣的溫度等。在建模過程中，忽略能量損失，理論輸氣量固定，制冷劑的質(zhì)量流量計(jì)算公式為：

4 結(jié)論

（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備裝置參數(shù)，對低溫環(huán)境下補(bǔ)氣式熱泵空調(diào)采暖性能進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究，可以作為理論試驗(yàn)借鑒。

大陸公司的冷卻液控制閥主要應(yīng)用于汽車熱管理系統(tǒng)冷卻液控制回路中，按需調(diào)節(jié)冷卻液流量和流向。冷卻液控制閥由執(zhí)行器和閥體組成，執(zhí)行器包括無刷電動機(jī)，齒輪減速系統(tǒng)以及電子控制系統(tǒng)（智能功能模塊）。通過LIN-BUS實(shí)現(xiàn)與整車通信。閥體部分主要包括殼體、閥芯、外蓋以密封組件。模塊化的殼體和閥芯可實(shí)現(xiàn)兩通、三通、四通和五通等不同的水閥需求。執(zhí)行器配合模塊化的閥體設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)全行程的流量調(diào)節(jié)以及快速切換等功能。

（2）通過不同工況下車外換熱器的溫度測量，以壓縮機(jī)內(nèi)部制冷劑的質(zhì)量流量等參數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)值模擬的方法研究了空調(diào)的運(yùn)行模式。

學(xué)生動手操作后，師生一道總結(jié)得到判定方法2：兩角及其夾邊分別相等的兩個(gè)三角形全等(簡寫為：“角邊角”或“ASA”).判定方法3：兩角分別相等且其中一組等角的對邊也相等的兩個(gè)三角形全等.(簡寫為“角角邊”或“AAS”)

（3）采用壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與送風(fēng)量作為控制變量，找出了制熱量與制熱效率最高的工況。相同送風(fēng)量模式下排氣溫度會隨著運(yùn)行的時(shí)間先增大后平穩(wěn)，出風(fēng)、回風(fēng)溫度會隨著運(yùn)行時(shí)間先升高，然后平穩(wěn)隨之達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

（4）對于低溫環(huán)境，補(bǔ)氣式熱泵空調(diào)采暖可以通過改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和送風(fēng)量方法進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得排氣溫度在安全可靠舒適范圍之內(nèi)。