新能源冷藏车制热系统性能优化

摘 要：【目的】研究新能源冷藏车在冬季极端低温环境下，单级热泵系统制热时所出现的制热性能衰减、压缩机排气温度过高等问题，旨在提高其在低温环境下的制热效率和稳定性。【方法】设计并搭建了一种带经济器的准二级热泵系统试验台，对单级热泵制热系统进行性能优化。【结果】试验结果表明：在室外环境温度为-15～5 ℃时，准二级系统相较于单级系统的排气温度下降幅度为21.16%～42.80%；同时准二级系统的制热量、压缩机功率及性能系数（COP）相比单级压缩系统分别增加了7.69%～19.21%、4.10%～12.12%和3.50%～6.53%。【结论】结果表明，准二级系统显著提高了冷藏车制热系统在低温环境下的制热效率和稳定性。

关键词：准二级热泵系统；制热量；制热效率

中图分类号：TH12" " 文献标志码：A" " "文章编号：1003-5168（2024）24-0044-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.24.009

Optimization of New Energy Refrigerated Truck Heating System

Performance

Abstracts： [Purposes] This paper studies the problems of heating performance degradation and high compressor discharge temperature of single-stage heat pump system in new energy refrigerated trucks under extreme low-temperature environment in winter to improve its heating efficiency and stability in low-temperature environment. [Methods] In this experiment， a quasi two-stage heat pump system with economiser is designed and constructed to optimize the performance of the single-stage heat pump heating system is optimised to improve its heating efficiency and stability in low-temperature environments. [Findings] The experimental results show that at the outdoor ambient temperatures of 5～-15 ℃， the exhaust temperature of the quasi-secondary system decreases by 21.16%～42.80% compared with that of the single-stage system; at the same time， the heat production capacity， compressor power， and coefficient of performance （COP） of the quasi-secondary system increase compared with that of the single-stage compression system， respectively， by 7.69%～19.21%， 4.10%～12.12%， and 3.50%～6.53%.nbsp; [Conclusions] The results show that the quasi-secondary system significantly improves the heating efficiency and stability of the refrigerator truck heating system under low-temperature environment.

Keywords： quasi-secondary heat pump system; heat production; heating efficiency

0 引言

党的二十大报告中提出“积极稳妥推进碳达峰碳中和”。2017年保有量占全国汽车总量6.6%［1］的重型货车碳排放约占道路交通行业排放的40%［2］，因此新能源货车代替传统的重型货车可以有效减少排碳。以新能源冷藏车为例，其热泵系统碳排放量比重较大［3］，可以成为减碳的重要途径。

在冬季，惧寒食物的储藏和运输问题显得尤为重要。为延长这些食物的储藏周期，需要在运输车厢内维持恒定的温度［4］。然而，在极端低温环境下，冷藏车在进行加热时常会面临制热性能衰减和排气温度过高等问题。因此，对于惧寒食物的运输，设计和采取高效的热泵系统和节能措施显得尤为重要。这不仅有助于提升冷藏车在冬季的制热性能，还能够有效节省能源，提高运输效率。针对这些问题诸多学者对此进行了相关研究。Wang等［5］通过试验分析得出，准二级压缩系统的性能系数（COP）无论在高温还是低温工况下均有所提升。宋一平等［6］选用带有经济器的热泵机组系统进行制热工况研究，分析得出带有经济器的热泵系统可以有效提升制热量。周光辉等［7］进行了带有补气技术的热泵机组制热性能试验，得出系统排气温度下降了8～14 ℃，并且系统制热性能得到了提升。张婷等［8］进行补气增焓型热泵研究，发现此技术有效降低了压缩机排气温度并提高了制热性能。田长青等［9］通过试验研究，表明双级压缩热泵机组在降低压缩机排气温度上效果明显。Zhang等［10］对带有经济器的热泵机组进行试验，结果显示，带有经济器补气技术的热泵机组性能提高约5%。崔四齐等［11］在低温环境下进行车载补气增焓热泵系统试验，结果显示，带经济器的补气系统制热量相较于不补气提高了5.2%～21.3%。宁静红等［12］对高温热泵系统制热性能进行了试验研究，得出在补气压力比为1.5时与单级压缩相比，性能系数（COP）提高了18.57%。

针对新能源冷藏车在冬季极端低温环境下，单级热泵系统制热时所出现的制热性能衰减、压缩机排气温度过高等问题，本试验设计搭建了带经济器的准二级热泵系统［13］制热性能试验台，采用R410A作为制冷剂，对热泵制热系统进行性能优化，旨在提高其在低温环境下的制热效率和稳定性。

1 试验系统

试验制热系统原理如图1所示，准二级系统LgP-h图如图2所示。高温高压的气态制冷剂（状态点2）从压缩机流入车内换热器冷凝（状态点3），再流入经济器中，经济器中的高温制冷剂与经过补气阀的中间温度制冷剂进行换热而降低温度，之后补路与主路同时进行循环。主路循环：制冷剂经过主路电子膨胀阀节流冷却后，经车外换热器蒸发吸热，变为气态，从状态8冷却到状态9，然后，它与补路制冷剂混合，并一起压缩到状态2。补路循环：制冷剂通过补路膨胀阀变为中温制冷剂状态4，并再次流入经济器中蒸发吸热，变为过热蒸汽状态5。之后，在压缩机口的节流管中节流为状态6，并与主路制冷剂在压缩机内混合，形成状态点1，以进行下一循环。

①冷凝器制热量的计算见式（1）。

[Q1=（m1+m2）·（h2−h3）] （1）

式中：Q1为系统制热量，kW；m1为制冷剂在主路的质量流量，kg /s；m2为制冷剂在补路的质量流量，kg /s；h2为冷凝器进口处制冷剂的焓值，kJ/kg；h3为冷凝器出口处制冷剂的焓值，kJ/kg。

②压缩机功率的计算见式（2）。

[W=（m1+m2）·（h2−h1）]" " （2）

式中：W为压缩机功率，kW；h1为压缩机入口处制冷剂的焓值，kJ/kg。

③经济器换热量的计算见式（3）。

[ Q2=m2·（h5−h4）]" " " " " " （3）

式中：Q2为经济器换热量，kW；h4为经济器进口处制冷剂的焓值，kJ/kg；h5为经济器出口处制冷剂的焓值，kJ/kg。

④系统制热性能系数的计算见式（4）。

[COP= Q1/W]" " " （4）

式中：COP为制热性能系数。

2 试验过程

2.1 试验设备

本试验设计搭建了带经济器的准二级系统制热性能试验台，如图3所示。主要设备参数见表1。

2.2 试验测试工况

依据《道路运输、食品与生物制品冷藏车安全要求及试验方法》（GB 29753—2013）和《冷藏保温车选型技术要求》（GBT 40475—2021）选取实验工况，见表2。

3 试验结果分析

车外环境温度对压缩机排气温度影响如图4所示。由图4可知，单级压缩与准二级压缩的排气温度会随着车外环境温度的下降而升高。当车外环境温度相同时，准二级压缩工作模式排气温度更低；当车外温度由5 ℃降低到-15 ℃的过程中，准二级压缩相较于单级压缩工作模式的排气温度降低了21.16%～ 42.80%。原因是制冷剂在经济器补路出口与蒸发器出口混合过热度降低，压缩机的排气温度由此降低。特别在-10、-15 ℃工况时，在带经济器的准二级压缩模式下的压缩机排气温度均低于90 ℃。单级压缩系统压缩机排气温度达到120 ℃时，出于安全稳定考虑，暂停正常运行。因此带经济器的准二级热泵系统可以有效解决此问题，使系统在低温环境下具有较高的平稳性。

车外环境温度对系统制热量的影响如图5所示。由图5可知，在相同车外环境温度下，准二级压缩系统制热量明显提高。车外环境温度从5 ℃降低到-15 ℃时，单级压缩系统制热量从3.91 kW降低到2.03 kW，而准二级压缩系统从4.2 kW降低到2.41 kW，制热量升高7.69%～19.21%。 压缩器吸气口处的主路、补路制冷剂混合，吸入的制冷剂过热度减小，制冷剂比容减小，制冷剂质量流量从而提升。

车外环境温度对压缩机功率的影响如图6所示。由图6可知，两系统压缩机功率随车外环境温度降低而降低，车外环境温度从5 ℃下降到-15 ℃时，单级压缩系统的压缩机功率从1.71 kW降至1.32 kW，准二级压缩系统的压缩机功率从5 ℃时的1.78 kW降至-15 ℃时的1.48 kW。两者相比，准二级压缩系统的压缩机功率增幅为4.10%～12.12%，是因为单位时间内准二级压缩热泵系统压缩机流入的制冷剂质量流量较高。

车外环境温度对性能系数（COP）的影响如图7所示。由图7可知，车外环境温度从5 ℃下降到-15 ℃时，单级压缩系统COP从2.28降至1.53，准二级压缩系统COP从2.36降至1.63。可以得出，准二级压缩系统与单级系统相比，性能系数（COP）提升了3.50%～6.53%。其原理为前文公式所述，准二级压缩系统增加了制热量也增加了压缩机功率，增加的制热量大于增加的压缩机功率，因此系统COP增大。

4 结论

本研究针对新能源冷藏车单级热泵系统在冬季极端低温环境下制热时，出现的热泵制热性能衰减、压缩机排气温度高等问题，设计搭建了带经济器的准二级热泵系统制热性能试验台，对单级热泵制热系统进行性能优化，以提高其在低温环境下的制热效率和稳定性，得出以下结论。

①新能源冷藏物流车在外部环境温度多变的情况下，带经济器的准二级压缩热泵系统比单级压缩热泵系统的压缩机排气温度降低了21.16%～42.80%，因此，带经济器的准二级压缩热泵系统在低温环境下展现出排气温度较低的优势，从而提高了压缩机在低温环境下运行稳定性。

②在环境温度设定为5～-15 ℃的条件下，相较于单级压缩系统，带经济器的准二级压缩系统在制热量上表现出7.69%～19.21%的增长。同时，该系统在压缩机功率和性能系数方面也较单级压缩系统有不同程度的优化。由此可见，在低温环境下用于食品运输的恒温车厢中，采用带经济器的准二级压缩热泵系统不仅提升了制热性能，还降低了系统能耗。

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