纯电动公交车热泵型空调系统设计与实验研究

张 伟 李红旗 郑 新



纯电动公交车热泵型空调系统设计与实验研究

张 伟 李红旗 郑 新

（北京工业大学环境与能源工程学院 北京 100124）

针对纯电动公交车设计了一套热泵型空调系统，并对其运行特性进行了实验研究，分析了环境温度、压缩机转速和室内外风速对制冷/制热量、COP/EER和排气温度的影响。研究结果表明，设计的热泵型空调系统具有较好的制冷/制热性能，在制冷工况转速为2700r/min时COP最高，而制热工况下EER随转速增加而减小。在制热工况下，EER随室外风机转速增加而降低，因此较低的室外风机转速更有利于系统的节能。

纯电动公交车；热泵空调；实验研究

0 引言

随着节能减排任务的推进和雾霾天气的突显，汽车尾气排放对城市环境的污染已倍受关注。纯电动汽车依靠其零排放、能效高的特点，成为解决汽车尾气污染的重要途径之一，因此受到广泛关注[1]。作为公共交通工具的电动公交车，具有车速低、线路短和行车时间固定等特点，成为国家推广电动汽车的重要措施之一[2]。

由于纯电动公交车没有发动机余热作为冬季采暖热源，需要独立的热源系统为冬季采暖提供热量。现运行纯电动公交车的以PTC系统为主，该系统供热能效低，大大影响了纯电动公交车的冬季续航里程。因此，适用于纯电动公交车的高效热泵型空调的研究，对纯电动公交车的推广具有重要的意义。

史保新等人[3]设计了一台电机驱动的热泵型电动汽车空调进行测试，指出电动汽车空调具有较好的高速性能。Antonijevic和Heckt[4]将开发的热泵空调安装在一辆燃油汽车上进行测试，发现采用热泵空调供暖时汽车性能更优，耗油量更少。李丽等人[5]设计了一套热泵型电动汽车空调，并对其启动过程进行实验研究，结果表明其能在短时间内达到温度要求。徐磊等人[6]设计了一套使用涡旋压缩机的热泵型电动汽车空调系统，并指出涡旋压缩机系统的性能在高转速时要优于斜盘压缩机系统。欧阳光[7]、孙乐[8]和金鹏[9]针对某品牌纯电动汽车设计了一台热泵型空调系统，并对其运行特性进行了实验研究。

然而上述研究主要针对电动轿车，系统的制冷剂也以R134a为主，针对纯电动公交车热泵型空调系统的系统设计和实验研究并没有太多的涉及。此外，绿色制冷剂R410A依据其环境友好性和良好的制冷/制热性能[10]，现在已在家用空调日益广泛的应用[11]。本文针对在纯电动公交车设计了一套以R410A为制冷剂的热泵型空调系统，并对其运行特性实验研究。

1 纯电动公交车热泵空调系统

1.1 空调系统工作原理

热泵型空调系统如图1所示，在制冷模式下，压缩机排出的高温高压制冷剂蒸气通过四通换向阀，在外部换热器中与室外空气换热，变为高压液体，经热力膨胀阀降为低温低压气液混合态，在干燥过滤器中除去水分和杂质，在内部换热器中吸收热量变为低温低压气态，经四通换向阀、气液分离器回压缩机。

图1 纯电动公交车热泵空调系统

制热模式下，四通换向阀通电，压缩机排出的高温高压气态制冷剂通过四通换向阀，流入内部换热器，与室内空气换热，变为高压液态，流过干燥过滤器除去水分和杂质，经过热比膨胀阀降为低温低压气液混合态，在外部换热器中与室外空气换热变为气态，最后经四通换向阀、气液分离器回到压缩机。

1.2 样机主要部件规格参数

此热泵型汽车空调样机的主要部件规格参数见表1。

表1 热泵空调系统主要部件规格参数

2 试验系统和测试条件

为了更好的模拟实际运行环境，将空调系统安装在1:1的汽车车顶壳体模型上，并在标准焓差室中进行测试，室内外风量的控制由室内外风机的电压实现。参考QC/T657-2000《汽车空调制冷装置试验方法》、QC/T656-2000《汽车空调制冷装置性能要求》和GB7725-2004《房间空气调节器》，实验系统的测试基础工况如表2所示，在基础工况下改变其中一个参数来测量其对系统性能的影响。系统温度和压力的测量分别由J型热电偶（TT-J-30-SL，测量范围-200℃～260℃），压力变送器（JYHR，测量范围-0.1～100MPa）实现。测量制冷剂流量的设备为RHENNIK生产的型号为RHM03T1P2SM0M0G1N的质量流量计，测量范围为0.1～3kg/min。

表2 纯电动公交车热泵空调系统性能测试工况

3 实验结果分析

3.1 系统制冷运行特性

如图2所示，系统的制冷量随压缩机的转速的增加而升高，而系统制冷COP在2700r/min时达到最大值5.31，是因为随着转速的增大系统的压缩比也逐渐增加使得压缩机的输入功率随着增大，因此当转速超过2700r/min后制冷COP呈下降趋势。

图2 压缩机转速对系统制冷运行特性的影响

如图3所示，随环境温度的升高，压缩比和排气温度线性增加，制冷量和COP线性降低。环境温度由31℃升高到43℃，系统制冷量下降16%，COP下降30.7%。

图3 环境温度对系统制冷运行特性的影响

如图4、5所示，随着室内外风机电压的增加，风速增大，换热器的传热温差降低，使系统的压缩比降低，制冷冷量和COP增加。室内风机电压由5V增加到6V，系统制冷量增加478W，COP增加0.245；由6V增加到7V，系统制冷量增加196W，COP增加0.124；表明受制冷剂流量和室外换热器能力的限制，室内风机电压对系统的影响逐渐减弱。室外风机由4V增加到6V，系统制冷量增加613W，COP增加0.333；由6V增加到8V，系统的制冷量增加1093W，COP增加0.260；表明继续增加室外风机电压对系统制冷效果仍有较好影响。在测量范围内室内风机每增加1V系统制冷量增加337V，COP增加0.185；室外风机每增加1V制冷量增加427W，COP增加0.148；室外风机对系统制冷量影响较大，而室内风机对系统COP影响较大，主要因为室内风机对压缩比影响较大，而室外风机对多热度和排气温度的影响更优。

图4 室内风机电压对系统制冷运行特性的影响

图5 室外风机电压对系统制冷运行特性的影响

3.2 系统制热运行特性

图6 压缩机转速对系统制热运行特性的影响

图7 环境温度对系统制热运行特性的影响

如图6所示，与制冷工况相同，随着压缩机转速的增加系统的压缩比和排气温度随之增加；压缩机转速每增加600r/min，压缩比增加0.333、0.424、0.432和0.431，排气温度增加3.47℃、5.99℃、7.33℃和7.75℃，增长趋势均逐渐增大；而系统制热量增长为5716W、3338W、2788W和2492W，增长趋势逐渐下降使得EER呈下降趋势，且EER在2100-2700r/min之间降低速度最大为1.71。如图7所示随着环境温度的增加制热逐渐增加但趋势逐渐放缓，与之相反系统制热能效的增加趋势却逐渐增强。由于结霜的影响系统的排气温度在环境温度为3℃时出现最低点。

图8 室内风机电压对系统制热运行特性的影响

图9 室外风机电压对系统制冷运行特性的影响

由图8、9可知室内风机（冷凝器风机）电压对系统性能的影响与制冷工况下室外风机（冷凝器风机）对系统运行特性的影响相同。而室外风机（蒸发器风机）与制冷工况下室内风机（蒸发器风机）对系统运行特性的影响不同，随室外风机电压的增加系统的COP逐渐下降，压缩比和排气温度在6V时出现最大值。

4 结论

系统在额定制冷和额定制热工况下有较高的制冷量和制热量，能够满足电动客车室内温度需求。制冷工况下压缩机转速为2700r/min时系统COP最大，而制热工况下转速越低节能效果越好。

在制热工况下，当室外温度下降或压缩机转速增加时制热效率降低，但所测范围内最小值2.28仍远高于1，说明与目前采用的PTC系统相比热泵系统有明显节能效果。

在制热工况下，随室外风机电压的增加系统EER呈下降趋势，因此在冬季制热运行时应适当降低室外风速。室外风速受车速影响明显，因此在低速运行的纯电动公交车上热泵系统的节能效果更为明显。

[1] 孙乐,李红旗,程睿,等.纯电动汽车空调系统负荷特性的试验研究[J].汽车工程,2014,(8):1014-1018.

[2] 张景来,宫一洧.纯电动公交车推广的综合效益与可行性分析[J].环境污染与防治,2015,(11):106-110.

[3] 史保新,马国远,陈观生.电动车用空调装置的研究[J].流体机械,2002,(4):48-50,37.

[4] Antonijevic D, Heckt R. Heat pump supplemental heating system for motor vehicles[C]. Proceedings of the institution of mechanical Engineers Part D-Journal of Automobile Engineering, 2004,218(D10):1111-1115.

[5] 李丽,魏名山,彭发展,等.电动汽车用热泵空调系统设计与实验[J].制冷学报,2013,(6):60-63.

[6] 徐磊,林用满,宋文吉,等.电动汽车用热泵空调系统的设计与研究[J].新能源技术,2013,(11):55-58.

[7] 欧阳光.热泵型电动汽车空调系统性能试验研究[D].广州:华南理工大学,2011.

[8] 孙乐.热泵型电动汽车空调系统负荷特性与运行特性的实验研究[D].北京:北京工业大学,2014.

[9] 金鹏.电动汽车热泵空调系统实验研究[D].广州:华南理工大学,2015.

[10] 夏怡,张萍.绿色替代制冷剂R410A热力性能的分析比较[J].制冷与空调,2006,(3):29-33.

[11] 陈武,Mark W Spatz.电动汽车用热泵空调系统设计与实验[J].建筑科学,2007,(2):66-70.

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

张 伟（1987.10-），男，在读硕士研究生，E-mail：zhangwei7119@163.com

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

2016-01-04