1、熱泵系統(tǒng)技術(shù) 傳統(tǒng)的制熱模式是通過PTC加熱器來(lái)實(shí)現(xiàn)的,然而,使用PTC加熱器會(huì)嚴(yán)重減少電動(dòng)汽車的行駛里程。ZHANG Z等對(duì)兩種空調(diào)系統(tǒng)(帶PTC加熱器的單一制冷空調(diào)系統(tǒng)和熱泵空調(diào)系統(tǒng))在中國(guó)30個(gè)城市的年度能耗進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明,除了熱帶城市,熱泵系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)平均41.3%的節(jié)能。因此,熱泵系統(tǒng)應(yīng)用在電動(dòng)汽車上,是很實(shí)際也是很有前景的。2013年,李麗等設(shè)計(jì)了一個(gè)最基本的用于電動(dòng)汽車的可逆蒸汽壓縮式熱泵空調(diào)系統(tǒng),制冷工質(zhì)是R134a。制冷模式和制熱模式是通過四向閥的轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)的。分別在環(huán)境溫度為35 ℃和-15 ℃做了實(shí)驗(yàn),測(cè)得系統(tǒng)的制冷量和制熱量分別為2.95 kW、2.63 kW。 考慮到車內(nèi)除霧和除濕的需求,1996年, IRITANI K和SUZUKI T提出了一種以R134a為制冷劑的電動(dòng)車熱泵系統(tǒng)??梢詫?shí)現(xiàn)制冷、制熱、車內(nèi)除霧和除濕的功能。系統(tǒng)包含了兩個(gè)車內(nèi)換熱器(一個(gè)蒸發(fā)器和一個(gè)冷凝器),一個(gè)車外換熱器。當(dāng)系統(tǒng)切換至除霧模式時(shí),制冷劑流經(jīng)3個(gè)換熱器,車內(nèi)蒸發(fā)器的蒸發(fā)制冷過程可以減少空氣的相對(duì)濕度,達(dá)到除霧除濕的目的。結(jié)果顯示,在環(huán)境溫度為-10 ℃時(shí),系統(tǒng)的COP可以達(dá)到2.3 kW。2014年,QIN F等設(shè)計(jì)了一種帶有3個(gè)換熱器的蒸汽壓縮式熱泵系統(tǒng),研究了其在低溫環(huán)境下的熱性能。基于車內(nèi)擋風(fēng)玻璃水汽凝結(jié)除霧的需求,在全新風(fēng)供應(yīng)和多個(gè)低溫環(huán)境(-20 ℃,-15 ℃,-10 ℃)條件下進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果指出,在-20 ℃條件下,最大COP超過了1.7。 在制熱模式下,車外換熱器被當(dāng)作蒸發(fā)器使用,其表面溫度可能會(huì)低于0 ℃,這會(huì)引起換熱器表面結(jié)霜或者結(jié)冰,從而使換熱器的性能急劇下降。李會(huì)喜試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)車外換熱器結(jié)霜會(huì)嚴(yán)重降電動(dòng)汽車熱泵系統(tǒng)的熱性能,空氣通過車外換熱器時(shí)流量減少了36.7%,制熱量會(huì)減少大約34.7%,系統(tǒng)的COP降低了31.2%。因此,電動(dòng)汽車的除霜是必不可少的,應(yīng)用于電動(dòng)汽車除霜的方法主要有逆循環(huán)法和熱氣旁通法。逆循環(huán)法除霜是通過改變四通換向閥的方向,切換至短暫的制冷模式,車外換熱器當(dāng)作冷凝器使用,從而融化掉換熱器表面的霜。李會(huì)喜對(duì)一臺(tái)電動(dòng)汽車用空調(diào)熱泵系統(tǒng)的除霜過程進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)在給定的條件下,使用逆循環(huán)的方法,可以在120s內(nèi)實(shí)現(xiàn)全部融化。研究還發(fā)現(xiàn),車外換熱器表面未被蒸發(fā)的水容易導(dǎo)致二次結(jié)冰,這又會(huì)降低系統(tǒng)的性能。熱氣旁通法除霜通常是指將壓縮機(jī)排氣旁通到蒸發(fā)器入口處,利用壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑的潛熱來(lái)融霜。A. STEINER等對(duì)電動(dòng)汽車熱泵系統(tǒng)的熱氣旁通法除霜進(jìn)行了研究,加了兩個(gè)電磁閥,可以實(shí)現(xiàn)除霜模式和制熱模式的切換。研究表明,在一定的工況下,以結(jié)霜和除霜過程的平均COP為優(yōu)化目標(biāo),存在一個(gè)最佳的除霜時(shí)間點(diǎn)。 上述兩種電動(dòng)汽車常用的除霜方法,各有優(yōu)缺點(diǎn)。逆循環(huán)法除霜,有更高的除霜效率,因?yàn)橛辛藴囟容^高的駕駛艙熱源可以用,但是逆循環(huán)法除霜過程會(huì)引起車內(nèi)溫度的波動(dòng)。熱氣旁通法除霜過程中可以同時(shí)保證車內(nèi)制熱模式正常地運(yùn)行。然而,熱氣旁通法除霜,需要加一個(gè)旁通閥,還要考慮到壓縮機(jī)排氣溫度升高,需要額外的冷卻裝置,這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。從節(jié)能和可行性來(lái)看,在實(shí)際運(yùn)用中逆循環(huán)法除霜法更有前景。 電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵問題是,隨著溫度降低,熱泵性能會(huì)急劇下降,尤其是對(duì)于R134a的熱泵系統(tǒng)。王灃浩等指出,空氣源熱泵在環(huán)境溫度較低時(shí),會(huì)出現(xiàn)壓縮機(jī)的壓縮比增大、排氣溫度高、制熱量不足等問題。因此需要引入其他的輔助措施,提高熱泵系統(tǒng)的性能。KIM K Y等研究了一種混合供熱系統(tǒng),將PTC加熱器和熱泵系統(tǒng)結(jié)合起來(lái),用于電動(dòng)汽車在制熱模式下供暖。相比較單一的PTC加熱器供熱,在滿足車內(nèi)溫度20 ℃條件下,混合供暖熱泵系統(tǒng)的制熱量提高了59%。LI H等將經(jīng)濟(jì)器補(bǔ)氣增焓技術(shù)運(yùn)用于電動(dòng)汽車的空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng),原理圖如下圖。將壓縮機(jī)高壓側(cè)單獨(dú)引出一條補(bǔ)氣回路,節(jié)流后經(jīng)過經(jīng)濟(jì)器與主回路制冷劑換熱,然后再噴入壓縮機(jī)中。補(bǔ)氣回路增加了系統(tǒng)的制熱量,同時(shí)改善了壓縮機(jī)的排氣溫度,提高了系統(tǒng)的能源效率。試驗(yàn)結(jié)果顯示在-20 ℃環(huán)境下,COP約為1.5,制熱量提升了20%。AHN J H等研發(fā)了一種雙熱源熱泵空調(diào)系統(tǒng),并將其應(yīng)用于電動(dòng)汽車上。這種雙熱源是指空氣源和電動(dòng)汽車廢熱源,工質(zhì)是R134a。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,這種雙熱源系統(tǒng)比單一空氣源或者單一廢熱源性能更好。然而,當(dāng)環(huán)境溫度低于-10 ℃時(shí),這種雙熱源系統(tǒng)的性能很大程度上要依賴于廢熱量。作者還指出,可以通過兩種單一模式的交替運(yùn)行來(lái)解決極端環(huán)境下熱源熱泵性能低的問題。 圖 LI H等人設(shè)計(jì)的帶噴氣增焓的熱泵系統(tǒng) 雙級(jí)壓縮機(jī)的應(yīng)用可以進(jìn)一步增加熱泵系統(tǒng)的制熱量,PITARCH M等人對(duì)R744跨臨界循環(huán)熱泵系統(tǒng)的不同方式的雙級(jí)壓縮進(jìn)行了分析和優(yōu)化,一種是兩個(gè)壓縮機(jī)串聯(lián),另一種是兩個(gè)壓縮機(jī)并聯(lián),原理圖如下圖所示。 對(duì)于第一種,兩個(gè)壓縮機(jī)串聯(lián)的方式,為了降低其高壓級(jí)壓縮機(jī)的排氣溫度,這種熱泵系統(tǒng)必須要有中間冷卻,中間冷卻有兩個(gè)方式: 一是從低壓級(jí)壓縮機(jī)出來(lái)的氣體先和環(huán)境換熱之后,再進(jìn)入高壓級(jí)壓縮機(jī); 二是低壓級(jí)壓縮機(jī)的氣體和節(jié)流后的制冷劑混合后再進(jìn)入高壓級(jí)壓縮機(jī)。將兩種方式的雙級(jí)壓縮和R744單級(jí)壓縮、R134a雙級(jí)壓縮系統(tǒng)做了對(duì)比,雙級(jí)壓縮機(jī)的COP分別提高了11%和14%。 研究還指出,并聯(lián)雙級(jí)壓縮更容易實(shí)現(xiàn),但是串聯(lián)雙級(jí)壓縮系統(tǒng)相比并聯(lián)壓縮系統(tǒng)有更高的COP和更大的工作溫度范圍。 圖 R744雙級(jí)壓縮循環(huán)原理圖:(a)兩壓縮機(jī)串聯(lián),(b)兩壓縮機(jī)并聯(lián) 2、汽車空調(diào)制冷劑 對(duì)于汽車空調(diào)制冷劑方面的研究,目前R134a是主流的車用空調(diào)制冷劑。但是,根據(jù)歐盟已通過的含氟溫室氣體控制法規(guī)的要求,自2017年1月1日起,歐盟將禁止新生產(chǎn)的汽車空調(diào)使用GWP(全球變暖潛能值)大于150的制冷劑。然而,R134a的GWP大于1 300,因此對(duì)于新的車用空調(diào)替代制冷劑的研究是非常迫切的。GWP在150以下的能夠替代R134a的制冷劑主要有以下兩類:一是不飽和氟化烯烴類制冷工質(zhì),例如R1234yf、R1234ze等;二是天然制冷工質(zhì),例如R744、R717等。 R1234yf具有較好的環(huán)保性能,ODP(臭氧耗減潛能值)為0,GWP為4,整個(gè)生命周期碳排放量較低,毒性小。其熱力性能與R134a相近,因此可以直接應(yīng)用于目前典型的空調(diào)系統(tǒng)。有關(guān)R1234yf空調(diào)系統(tǒng)的研究表明,用R1234yf的空調(diào)系統(tǒng)的COP和制冷量略低于R134a系統(tǒng)。 R744(CO2)的ODP為0,GWP為1,具有無(wú)毒、不可燃、來(lái)源廣泛等優(yōu)點(diǎn)。此外,在熱泵模式,R744有較高的制熱量和COP,使得其可以在較低的環(huán)境溫度和較高的乘員艙送風(fēng)溫度下運(yùn)行。但是,由于CO2的飽和蒸汽壓較高,R744系統(tǒng)需要在高壓條件下運(yùn)轉(zhuǎn),需要進(jìn)行跨臨界循環(huán),R744系統(tǒng)的工作壓力是傳統(tǒng)系統(tǒng)的7~10倍。WANG D等研究了寒冷天氣下電動(dòng)汽車R744熱泵空調(diào)系統(tǒng)的供暖性能。該系統(tǒng)采用電動(dòng)渦旋壓縮機(jī),采用電磁閥來(lái)調(diào)節(jié)超臨界區(qū)域的制冷劑質(zhì)量流量和壓力。試驗(yàn)結(jié)果表明,在室外溫度、室內(nèi)進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口溫度分別為-20 ℃、20 ℃和40 ℃的條件下,該系統(tǒng)的COP能達(dá)到1.7。 R717(氨)也是一種環(huán)保制冷劑,其ODP和GWP均可忽略,但R717有一定刺激性、毒性和可燃性,若將R717應(yīng)用到汽車空調(diào)系統(tǒng)上,必須要設(shè)計(jì)回路解決密封和防爆的問題。胡楊等提出了將R717應(yīng)用到電動(dòng)汽車空調(diào)上,作為R134a的替代制冷劑。研究表明,設(shè)計(jì)的氨工質(zhì)電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)的理論COP與R1234yf系統(tǒng)的理論COP相當(dāng),二次回路的設(shè)計(jì)可使得R717比R1234yf更安全可靠。 R1234yf和R134a具有相似的物理性質(zhì),因此,R1234yf會(huì)成為取代R134a的優(yōu)先選擇。但是,關(guān)于R1234yf應(yīng)用于電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)的研究卻略顯不足。R744系統(tǒng)在寒冷環(huán)境條件下具有出色的供暖性能,也是一個(gè)很有前景的選擇,但冷卻性能卻有所不足。目前在車用空調(diào)制冷劑領(lǐng)域還沒有非常好的替代方案,現(xiàn)有的替代方案需要犧牲系統(tǒng)性能或者經(jīng)濟(jì)性來(lái)實(shí)現(xiàn),尋求更優(yōu)秀的替代制冷劑仍將是今后研究重點(diǎn)之一。 |
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