电动汽车不同工质类型热泵空调系统的制热性能

陈怡吉

Chen Yiji

（重庆交通大学 机电与车辆工程学院，重庆 400074）

0 引 言

电动汽车空调系统冬季取暖时主要采用PTC(Positive Temperature Coefficient，正温度系数)进行制热[1]。PTC 制热的主要缺点是效率不高，会使电动汽车冬季续驶里程减少大约30%[2]，此问题的最好解决办法是采用热泵空调制热。目前电动汽车热泵空调系统的工质大多为R134a，其最大问题是GWP(Global Warming Potential，全球变暖潜能值)太高，对环境污染大，温室效应严重，而R290 工质的GWP 较低，是代替R134a 工质的较好选择。

1 热泵空调的工作原理

热泵是一种能量利用装置，通过消耗部分能量将热能从低温转移至高温。热泵空调系统主要由压缩机、室外换热器、室内换热器、节流装置、储液干燥器、四通阀和温度、压力传感器等部件构成[3]。热泵空调制热循环过程中，压缩机将低温、低压工质通过做功变为高温、高压气体，一部分气体通过循环重新进入压缩机，另一部分气体通过四通阀进入室内换热器，在其中降温冷凝释放热量，使车室内温度上升，并使高温高压的气态工质变为中温高压的过冷液态，随后进入节流装置大幅降低压力，进一步变为低温低压的气液两相态工质，并进入室外换热器吸收热量，将外界环境中热量转移到热泵系统中，工质重新变为低温低压的过热气态，再次经过压缩机作用完成循环[4]。电动汽车热泵空调系统原理如图1所示。

图1 电动汽车热泵空调系统原理

由图1 可知，可将工质在整个制热循环中的作用简化为4个基本过程：等熵压缩、等压冷凝、绝热膨胀、等压蒸发。电动汽车热泵空调系统的热力学循环压焓图如图2所示。

图2 电动汽车热泵空调系统压焓图

图2 中，0 为饱和的低温低压工质形态，1 为压缩机进口和室外换热器出口处工质形态，2 为压缩机出口和室内换热器进口处工质形态，3 为饱和的高温高压工质形态，4 为室内换热器出口和节流装置进口处工质形态，5 为节流装置出口和室外换热器进口处工质形态，a为节流装置的焓值，b为压缩机出口的焓值。过程1→2 为压缩机做功过程，理想状态下为等熵压缩；过程2→4为工质在室内换热器中循环，是等压冷凝放热过程；过程4→5为工质在节流装置中绝热膨胀；过程5→1为工质在室外换热器中等压蒸发，是吸热过程。

系统制热量的计算式为

式中：Qcond为系统制热量，W；为系统质量流量，kg/s；h2、h4分别为图2 中点2、点4 的焓值，kJ/kg。

压缩机功耗的计算式为

式中：Wcomp为压缩机功耗，W；h1为图2 中点1的焓值，kJ/kg。

系统COP（Coefficient of Performance，能效比）用于评价能源转换效率，在制热模式下，其计算式为系统制热量（室内换热器换热）与压缩机功耗之比，即

2 仿真模型建立与验证

基于AMESim 软件建立电动汽车热泵空调系统仿真模型，如图3所示。

图3 电动汽车热泵空调系统仿真模型

为了验证仿真模型的正确性，通过与北京理工大学陈凯胜[3]所做的电动汽车热泵空调系统进行试验对比，校核仿真模型，调整模型中各零部件的主要结构参数，使仿真结果与试验结果误差在合理范围内，结果对比见表1、表2，其中工况1 为环境温度0 ℃、压缩机转速2 200 s、仿真时间1 200 s，工况2 为环境温度-5 ℃、压缩机转速2 500 r/min、仿真时间1 500 s。

表1 工况1试验与仿真结果对比

表2 工况2试验与仿真结果对比

对比表1、表2可知，仿真结果与两组试验结果的最大相对误差为4.27%，此值在误差允许范围内，从而验证了仿真模型的正确性。因此，所建立的仿真模型可以用来对电动汽车热泵空调系统的制热性能进行分析计算。

3 仿真分析结果

3.1 环境温度对制热性能的影响

将环境温度设置为自变量，在－10～0 ℃范围内变化，变化间隔为2 ℃。仿真运行时间设置为1 200 s，压缩机转速为2 500 r/min，乘员舱温度设置与环境温度相同，乘员舱目标温度为18 ℃，在其他因素不变的情况下，仿真对比R134a 工质和R290 工质的制热性能。热泵空调制热量与压缩机功耗随环境温度变化趋势、系统质量流量随环境温度变化趋势如图4、图5所示。

图4 系统制热量和压缩机功耗随环境温度变化趋势

图5 系统质量流量随环境温度变化趋势

由图4 可知，随着环境温度上升，R134a、R290 的制热量均升高，R134a 的制热量从1 082.32 W上升到1 548.43 W，增加值为466.11 W，增幅为43%，R290 的制热量从1 315.36 W 上升到1 720.63 W，增加值为405.27 W，增幅为31%，从制热总量来看，R290 系统的制热性能优于R134a 系统，但是R134a 的制热量增加值和增幅优于R290 系统，R290 系统相较R134a 系统更适合对制热量需求大的低温制热场景；同时，R134a、R290 的压缩机功耗均升高，R134a 的压缩机功耗从338.39 W 上升到413.41 W，增加值为75.02 W，增幅为22.2%，R290 的压缩机功耗从493.55 W 上升到600.82 W，增加值为107.27 W，增幅为21.7%，R290 系统的压缩机功耗更大，但二者压缩机功耗增幅几乎相等，R134a 系统更适合压缩机功耗小的应用场景。由图5可知，R134a的质量流量随环境温度升高而上升，这是因为温度升高，工质在其中的流动速度变快，而R290的质量流量随环境温度上升有小幅下降。

R134a、R290 热泵空调系统COP 随环境温度变化趋势、达到目标温度的时间随环境温度变化趋势如图6、图7所示。

图6 系统COP随环境温度变化趋势

图7 达到目标温度的时间随环境温度变化趋势

由图6 可知，R134a、R290 的COP 均随环境温度上升而升高，前者COP 从3.2 升高到3.75，增加值为0.55，增幅为17.2%，后者COP 从2.66升高到2.86，增加值为0.2，增幅为7.5%，说明R134a 的COP、COP 增加值以及增幅均优于R290，从COP 角度看，R134a 的制热性能优于R290。由图7 可知，R134a、R290 达到目标温度的时间均随环境温度上升而降低，后者达到目标温度的时间短于前者，这是因为R290 系统的制热量大于R134a 系统，从达到目标温度的最短时间来看，R290系统的制热性能优于R134a系统。

3.2 压缩机转速对制热性能影响

将压缩机转速设置为自变量并在1 000～6 000 r/min 范围变化，变化间隔为1 000 r/min。仿真运行时间设置为1 200 s，环境温度设置为－5 ℃，乘员舱温度设置与环境温度相同，乘员舱的目标温度为18 ℃，在其他因素不变的情况下仿真分析R134a 工质和R290 工质的制热性能。热泵空调系统制热量与压缩机功耗随压缩机转速变化趋势、系统质量流量随压缩机转速变化趋势如图8、图9所示。

图8 系统制热量和压缩机功耗随压缩机转速变化趋势

图9 系统质量流量随压缩机转速变化趋势

由图8 可知，随着压缩机转速升高，R134a、R290 制热量均升高，R134a 系统的制热量从536.68 W 上升到2 102.88 W，增加值为1 566.2 W，增长近3 倍，R290 系统的制热量从277.45 W上升到3 102.76 W，增加值为2 825.31 W，增长超10 倍，且当转速超过2 000 r/min 时，后者制热量始终大于前者，从制热量角度看，当压缩机转速超过2 000 r/min 时，R290 的制热性能优于R134a，R290 更适合对制热量要求大的场景；同时，R134a、R290 的压缩机功耗均升高，且前者从124.29 W升高到826.58 W，增加值为702.29 W，增长超5倍，后者从124.47 W 升高到1 510.55 W，增加值为1 386.08 W，增长超11 倍，说明R290系统压缩机功耗大于R134a 系统，R290 系统制热量变大的同时其压缩机功耗也更多。由图9可知，R134a、R290 的质量流量均随压缩机转速上升而升高，当压缩机转速大于3 000 r/min 时，前者的质量流量更大。

R134a、R290 热泵空调系统COP 随压缩机转速变化趋势、达到目标温度时间随压缩机转速变化趋势如图10、图11所示。

图10 系统COP随压缩机转速变化趋势

图11 达到目标温度时间随压缩机转速变化趋势

由图10 可知，R134a 的COP 随压缩机转速上升而降低，COP 从4.3 降低到2.5，降幅为42%，这是因为随着压缩机转速变大，系统制热量和压缩机功耗均变大，但压缩机功耗升高的幅度大于系统制热量升高幅度，R290 的COP 随压缩机转速上升先上升后下降，其COP从2.2升高到3，升幅为36%，之后再降低至2.05，降幅为32%，这是因为转速较低时，R290系统压缩机功耗升高的幅度小于制热量增加的幅度，之后随着压缩机转速升高，压缩机功耗升高的幅度大于制热量增加的幅度，并且R134a 系统COP 始终大于R290 系统，从COP 角度看，R134a 系统制热性能优于R290 系统。由图11 可知，R134a、R290 达到目标温度的时间均随压缩机转速上升而缩短，且后者达到目标温度的时间始终短于前者，从系统达到目标温度所需的最短时间来看，R290系统的制热性能更好。

4 结束语

通过建立仿真模型,分析环境温度和压缩机转速对电动汽车热泵空调系统制热性能的影响。仿真结果表明，R290、R134a 的制热量和COP 均随环境温度的升高而上升，并且R290 的制热量大于R134a，在制热量方面R290 的制热性能更好，R290的COP小于R134a系统，在COP方面R134a的制热性能更好；R290、R134a 的制热量均随压缩机转速的升高而上升，并且R290 的制热量大于R134a，在制热量方面R290 的制热性能更好，R134 的COP 随压缩机转速升高而降低，R290 的COP 随压缩机转速升高先上升后下降，R290 的COP 始终小于R134a，在COP 方面R134a 的制热性能更好。

今后可对仿真分析结果进行实车试验验证，以便更好地分析不同工质热泵空调系统的制热性能。