基于AMESim的熱泵空調低溫制熱系統設計及仿真

郭木生，程賢福，李 駿，劉霏霏

（華東交通大學 機電與車輛工程學院，南昌 330013）

0 引言

冬季,純電動汽車由于沒有發動機,無法像傳統燃油汽車一樣利用發動機的冷卻液對乘客艙進行制熱,所以需要額外的輔助熱源制熱[1]。使用PTC（Positive Temperature Coefficient）電加熱器對乘客艙加熱的制熱能效比較低,加上動力電池在低溫環境下工作性能下降嚴重,續航里程下降超過50%[2,3]。相比于PTC加熱系統,熱泵技術在制熱效率和經濟上有著明顯的優勢,是目前的研究主流。Promme等[4]提出一種具備電池－電機熱管理功能的熱泵空調系統,在-10℃環境下熱泵制熱量為2.5kW,相比于采用PTC的空調系統可節約15%的電能。同時,他們提出在-10℃的環境下,換熱器表面會出現結霜現象,影響系統性能[4]。車外換熱器在低溫潮濕環境下結霜會導致室外換熱器制冷劑側的溫度、壓縮機吸排氣壓力、制熱量等降低,而導致壓縮機單位功耗增加,系統性能降低,嚴重時甚至會造成停機現象[5～7]。為了提高熱泵系統在冬季的工作效率,需要采用更加合理的熱泵空調系統。

許多學者對純電動汽車熱泵系統性能進行了研究[8～11],但大部分針對單空氣熱源熱泵系統以及混合動力汽車熱泵系統,沒有考慮到其它熱源的利用。文獻[12]表明：在冬季低溫條件下,單空氣熱源熱泵空調系統會出現制熱不足,壓縮機功耗過大,換熱器結霜等問題。李萍等[13]研究了廢熱回收的熱泵空調系統,采用2個分回路吸收電池和電機產生的廢熱以達到冬季惡劣條件下的制熱要求。但文中是將電池和電機產生的廢熱傳遞給制冷劑來提升制熱能力,無法解決換熱器的結霜問題。因此,本文從電動汽車的電機余熱出發,對可利用的熱量進行仿真分析,設計帶有能量回收功能的熱泵空調系統,同時在低溫時設計該系統與PTC加熱器耦合制熱抑制蒸發器結霜,并對新型熱泵空調系統的性能進行評價。

1 新型熱泵空調系統的構成及原理

1.1 新型熱泵空調系統的構成

一般的熱泵空調系統由壓縮機、車內外換熱器、膨脹閥和氣液分離器等部件組成,動力電池直接控制壓縮機的轉速,從而使制冷劑在各個管道及部件中流動,在車內外換熱器中實現的熱量交換。如圖1所示,本文提出的新型熱泵空調系統增加了電機余熱回收模塊,將電機運行中產生的熱量傳輸到車外換熱器外表面,以此提高車外換熱器的環境溫度,從而達到抑制車外換熱器結霜,提高熱泵空調工作能力的效果,并且還設計了PTC加熱器,可以在低溫時抑制結霜。本文只涉及制熱工況,故不對空調制冷部分進行表述。

圖1 新型熱泵空調構成示意圖

1.2 電機余熱分析

純電動汽車的余熱主要集中在動力電池和電機上,電機余熱遠遠大于動力電池的余熱,并且動力電池在冬季低溫環境下既需要散熱又需要加熱,這導致電池熱管理系統較為復雜,因此本文設計中只考慮對電機余熱的利用。在AMESim軟件中建立的電機循環散熱系統模型如圖2所示,圖中電源只為電機提供電壓,不對電池本身的放電情況和溫度影響等進行研究。

圖2 電機余熱模型

模型中設置電動機轉速分別為1500r/min、3000r/min、5000r/min和8000r/min,扭矩設置為75N·m,風扇處空氣的質量流量為0.3kg/s。通過散熱器進風口和出風口的焓值的變化,可以計算得到電機余熱的熱功率如式(1)所示：

式(1)中,P為電機余熱的熱功率,單位kJ；為空氣的質量流量,單位kg/s；h1、h2分別為散熱器進風口和出風口的焓增,單位kJ/kg。

不同電機轉速工況下電機余熱的熱功率變化情況如圖3所示。從圖3中可以看出,電機余熱的熱功率隨著電機運行時間的增加而增大,隨著電機轉速的增大而增大。開始時電機余熱的熱功率較低是因為剛啟動時殼體以及循環水的溫度較低,大部分的電機余熱被自身冷卻循環吸收了,只有少部分被帶到散熱器,當電機以中高轉速運行時間超過十分鐘后,可利用的電機余熱變得十分可觀。

圖3 電池和電動機廢熱對比圖

2 仿真模型的建立

經過電機散熱模型的電機余熱分析發現,電機運行中產生的余熱非常具有利用價值,但一般情況下這部分能量都散失到外界環境當中,造成了能源的浪費。若將這一部分能量通過水循環輸送到空調系統中的車外換熱器處加以利用,這相當于降低了動力電池的能量消耗,符合目前節能化的發展趨勢。為了更好的分析電機能量回收對于熱泵空調制熱性能的影響情況,本文建立了對應的熱泵空調系統的AMESim仿真模型。

2.1 壓縮機模型

壓縮機是空調系統的驅動部件,是最重要的核心部件之一。在AMESim軟件的壓縮機模型中不考慮其實際的結構形式,只計算影響壓縮機性能的主要參數容積效率和等熵效率等。

容積效率如式(2)所示：

式(2)中：m為制冷劑質量流量,單位kg/s；ρ為壓縮機入口制冷劑密度,單位kg/m3；n為壓縮機轉速,單位r/min；Vh為壓縮機排量,單位m3。

等熵效率如式(3)所示：

式(3)中：hout為壓縮機出口焓值,單位kJ/kg；hin為壓縮機進口焓值,單位kJ/kg；Δhi為等熵焓差,單位kJ/kg。

本文選用排量為36cm3的定排量壓縮機,并且壓縮機轉速設定為4000r/min不變。

2.2 換熱器模型

冷凝器采用的是微通道平行流式換熱器模型,其幾何參數如表1所示。蒸發器采用的是U型通道翅片換熱器模型,其幾何參數如表2所示。

表1 仿真模型冷凝器參數

表2 仿真模型蒸發器器參數

雖然冷凝器和蒸發器所采用的換熱器結構形式不同,但是換熱原理一樣。

制冷劑與換熱器壁面之間的對流換熱量為：

式(4)中,h3為換熱系數,單位W/(m2·K)；A1為換熱面積,單位m2；Tre為制冷劑溫度,Twall為壁面溫度,單位K。其中換熱系數h3的計算如式(5)所示：

式(5)中,λ為制冷劑導熱系數,單位W/(m·K)；Nu為努賽爾數；dh為制冷劑側水力直徑,單位m。

空氣側與換熱器壁面之間的對流換熱量如式(6)所示：

式(6)中,h4為換熱系數,單位W/(m2·K)；A2為換熱面積,單位m2；Ta為制冷劑溫度,Twall為壁面溫度,單位K。其中換熱系數h2的計算為：

式(7)中,λa為制冷劑導熱系數,單位W/(m·K)；Nu為努賽爾數；dha為制冷劑側水力直徑,單位m。

2.3 計算模型

本文利用AMESim軟件建立汽車空調系統仿真模型。仿真中使用了其中的空調模塊、熱力學模塊、兩相流模塊、機械及隨動件模塊和信號控制模塊,選用的制冷劑為R134a。依據圖1所示的構成原理搭建的空調仿真計算模型如圖4所示,該模型在一般的熱泵空調系統中加入了圖2所示的電機余熱模型,將電機運行時所產生的余熱和熱泵空調系統模型中的蒸發器模塊相結合,車外的冷空氣首先會與電機冷卻循環回路中的散熱器發生熱交換,在吸收了電機余熱之后再與蒸發器發生熱交換,從而提高了蒸發器的環境溫度,達到抑制蒸發器結霜、提高空調制熱性能的效果。若蒸發器仍然發生結霜現象,則開啟PTC加熱器,提高蒸發器進氣口的空氣溫度,從而將霜融化,達到除霜的效果。

圖4 新型熱泵空調仿真模型

2.4 仿真工況

本文研究的新型汽車空調系統主要針對冬季低溫環境下的制熱性能,所以設置冬季汽車空調工作條件作為仿真工況,車外環境溫度為-10℃～5℃,空氣相對濕度為60%,壓縮機轉速為4000r/min,電動機轉速取5000r/min代表中等轉速,PTC功率設置為0和1000W兩個狀態,具體工況設置如表3所示。

表3 仿真工況設置

3 系統仿真分析

3.1 蒸發器溫度分析

本文的仿真計算是在蒸發器不發生結霜現象下進行的,而蒸發器的結霜現象的發生與蒸發器的進風溫度、濕度和濕度都有關,為簡化模型,本文中假設蒸發器的進風溫度為0℃、濕度為60%、質量流量為0.3kg/s時,模型中蒸發器的結霜速率與化霜速率處于動態平衡狀態,即蒸發器處于結霜的臨界狀態。

按照表3中1、2、3工況點運行仿真得到新型空調系統蒸發器進風溫度的情況如圖5所示。

圖5 蒸發器進風溫度分析

普通空調的蒸發器進風溫度即是車外環境溫度,而新型空調的蒸發器進風溫度是環境中的空氣經過電機余熱或者PTC加熱器加熱之后的空氣溫度。從圖5中可以看出,新型熱泵空調系統的蒸發器進風溫度隨著仿真運行時間的增加而增大。當環境溫度在0℃左右時,普通空調的蒸發器會發生結霜現象,而新型熱泵空調不會發生結霜現象；當環境溫度為-10℃,新型熱泵空調的蒸發器也會發生結霜,此時需要開啟PTC加熱器耦合制熱來抑制結霜；當環境溫度為-10℃,同時開啟PTC時,仿真運行20分鐘后可以達到臨界結霜溫度。這是由于電機循環水的初始溫度設置為和環境溫度一致,PTC加熱器需要先對循環水加熱,實際工況中可以增加PTC功率來縮短這段加熱時間。

3.2 空調系統制熱能效比分析

空調系統的制熱能效比COP（Coefficie nt of Performance）是反映空調制熱能耗大小的重要指標,同時也是評價制熱性能優劣的重要參數。

式(8)中,Q為空調系統的制熱量,單位J；W為壓縮機的功耗,單位J。

根據表3所示仿真工況中1、2、3、4工況點運行得到普通空調系統的COP與帶電機余熱回收功能的空調系統COP的對比情況如表4所示。

表4 兩種空調系統COP對照表

其中,開啟PTC加熱器后新型熱泵空調的能效比為等效等效比,即式(8)中W為壓縮機與PTC功耗之和。

從表4中可以看出,帶有電機余熱回收功能的新型熱泵空調系統的COP有較大提升,當環境溫度為0℃時,在蒸發器不發生結霜的情況下,COP能夠提升14.5%,能夠有效減少能量的浪費,提高熱泵空調的制熱性能；當環境溫度為-10℃,同時開啟PTC加熱器時,熱泵空調的等效能效比為1.10,仍然大于單獨使用PTC加熱器進行制熱的能效比。

4 結語

1）運用AMESim軟件搭建了電機循環散熱回路仿真模型,對電機在運行中所產生的熱量變化情況進行分析,由仿真模型可以看出,電機余熱的熱功率隨著電機運行時間的增加而增大,隨著電機轉速的增大而增大,在電機頻繁以中高轉速運行的工況下,電機余熱具有很大的回收價值。

2）針對電機余熱設計帶能量回收的熱泵空調系統,利用AMEsim軟件建立了壓縮機、換熱器、膨脹閥、氣液分離器等新型空調系統模型,聯合電機循環散熱回路模型對電動汽車熱泵空調的冬季制熱性能進行優化,由仿真模型可以看到,模型的假設以及簡化符合實際研究范圍,仿真模型滿足設計要求。

3）根據不同的工況條件,對所建立的熱泵空調系統模型進行仿真分析,并與普通空調進行對比,得到新型熱泵空調能夠更好的抑制蒸發器結霜現象的發生,并且可以在發生結霜時進行除霜；同時,新型熱泵空調系統的制熱能效比COP比普通熱泵空調提升了13.5%～18.7%,即使在-10℃的環境溫度下開啟PTC進行抑制結霜,系統的等效COP也大于1。

本文設計的新型熱泵空調系統從抑制車外換熱器結霜出發,將電機余熱與熱泵空調系統以一種全新的方式結合來優化熱泵空調的低溫制熱性能,使得熱泵空調可以在更低的環境溫度下工作,同時提出了熱泵空調、PTC加熱器和電機余熱三者耦合制熱的新思路。