环境温度对电动汽车热泵空调系统性能的影响.pdf

2 0 1 4 年1 2 月 第4 0 卷第1 2 期 北京航空航天大学学报 J o u r n a lo fB e i j i n gU n i v e r s i t yo fA e r o n a u t i c sa n dA s t r o n a u t i c s D e c e m b e r2 0 1 4 V 0 1 4 0N o 1 2 环境温度对电动汽车热泵空调系统性能的影响 彭发展魏名山+黄海圣张虹 ( 北京理工大学机械与车辆学院，北京1 0 0 0 8 1 ) 摘要：针对电动汽车冬天取暖能耗较高，设计了基于蒸气压缩循环的热泵空调试 验系统，研究了制热模式下不同的环境温度和压缩机转速对车室内平均温度、高压管路内部工 质的温度和压力、系统能效比( C O P ，C o e f f i c i e n to fP e r f o r m a n c e ) 等参数的影响试验结果表明， 当环境温度和压缩机的转速较高时，压缩机出口、车室内换热器出口处工质的温度和压力值较 大，车室内平均温度的上升速度越快，达到舒适温度所需的时间越短在压缩机转速相同时，环 境温度越高，系统的C O P 值越大 关键 词：电动汽车；热泵空调；环境温度；能效比；试验研究 中图分类号：T M9 2 5 文献标识码：A文章编号：1 0 0 1 5 9 6 5 ( 2 0 1 4 ) 1 2 1 7 4 1 - 0 6 E f f e c t so fd i f f e r e n ta m b i e n tt e m p e r a t u r e so np e r f o r m a n c eo f e l e c t r i cv e h i c l e s h e a tp u m pa i rc o n d i t i o n i n g P e n gF a z h a n W e iM i n g s h a n + H u a n gH a i s h e n g Z h a n gH o n g ( S c h o o lo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g ，B e i j i n gI n s t i t u t eo f T e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 0 0 8 1 。C h i n a ) A b s t r a c t ：Ah e a tp u m pa i rc o n d i t i o n i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e mf o re l e c t r i cv e h i c l e sb a s e do nt h ev a p o r - c o m p r e s s i o nc y c l ew a sd e s i g n e db e c a u s em u c he n e r g yw a sc o n s u m e df o rt h ee l e c t r i cv e h i c l ea i rc o n d i t i o n i n gu n d e r t h eh e a t i n gm o d ew h e nt h ea m b i e n tt e m p e r a t u r ew a sl o w T h er e f r i g e r a n tt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ei nt h eh i g h p r e s s u r ep i p e l i n e ，t h er a t eo ft e m p e r a t u r er i s i n gi nt h ec a ba n dt h ec o e f f i c i e n to fp e r f o r m a n c e ( C O P ) f o rt h e a i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mw e r es t u d i e di nt h eh e a t i n gm o d eu n d e rd i f f e r e n ta m b i e n tt e m p e r a t u r e sa n dd i f f e r e n t c o m p r e s s o rs p e e d s T h et e s tr e s u l t si n d i c a t et h a t ，w h e nt h ea m b i e n tt e m p e r a t u r ea n dt h ec o m p r e s s o rs p e e d s a r eh i g h e r ，t h et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r eo ft h er e f r i g e r a n ta tt h ec o m p r e s s o ro u t l e ta n dt h eh e a te x c h a n g e ro u t - l e ta r eh i g h e r ，a n dt h ea v e r a g et e m p e r a t u r ei n c r e a s e sf a s t e ra n dt h et i m er e a c h e dt ot h ec o m f o r tt e m p e r a t u r ei s s h o r t e ri nt h ec a b W h e nt h ea m b i e n tt e m p e r a t u r ei sh i g h e ri nc a s et h a tt h ec o m p r e s s o rk e p tt h es a m es p e e d ， t h eC O Pi sg r e a t e r K e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ；h e a tp u m pa i r c o n d i t i o n i n g ；a m b i e n tt e m p e r a t u r e ；c o e f f i c i e n to fp e r f o r m - a n c e ( C O P ) ；e x p e r i m e n t a ls t u d y 传统内燃机汽车在工作时不仅会消耗掉大量 的化石能源，同时排放的尾气也会对环境产生不 利的影响而电动汽车作为新型的绿色交通工 具，在行驶过程中具有零排放、效率高、噪音低等 突出优点，已引起广泛的注意。电动汽车在冬 季使用时，由于电池输出功率随环境温度的降低 而减小，且环境温度较低时电动汽车大多采用能 耗较高的电加热等方法取暖，从而导致电动汽车 冬季的续航里程严重降低H 5 1 据相关资料研究 表明，空调系统作为电动汽车能耗最大的辅助子 系统。7 1 ，在冬季取暖时能耗占整车耗能的3 3 左右，导致续航里程减少1 8 3 0 ”1 热泵是利用少量高品位能源使热量由低温热 源流向高温热源的节能装置引，在电动汽车中使 收稿日期：2 0 1 4 - 0 1 - 0 9 ；月终出版时间：2 0 1 4 - 0 5 - 0 51 8 ：1 7 ；D O I ：1 0 ，1 3 7 0 0 j b h 1 0 0 1 - 5 9 6 5 2 0 1 3 0 7 5 4 网络出版地址：W 、h q r c n k i n e t k c m s d o i 1 0 1 3 7 0 0 j b h ，1 0 0 1 - 5 9 6 5 2 0 1 3 0 7 5 4 h t m l 作者简介：彭发展( 1 9 8 1 一) ，男，安徽宿州人，博士生，p e n g f a z h a n 1 2 6 c o l n ；$ 通信作者：m s w e i b i t e d u c n 万方数据 1 7 4 2 北京航空航天大学学报 用热泵空调系统取暖。可利用电能将环境中的热 量泵送到车室内，得到的热量为消耗的电能与吸 收的低位热能之和，因此其能效比( C O P ，C o e f f i c i e n to fP e r f o r m a n c e ) 大于1 谢卓等人u 分析了 内燃机汽车与电动汽车空调系统之间的区别，提 出了开发适合我国国情的电动汽车热泵空调系统 的设计方法H o s o z 等人列将传统汽车空调改装 为热泵系统，研究了压缩机转速与制冷制热 量、C O P 等参数之间的关系史保新等人副研制 了电动汽车热泵空调系统，并分析了压缩机转 速对制冷量、压缩机输入功等参数的影响魏名 山等人4 1 针对电动汽车在冬天取暖时能耗较高 的问题，设计了一套用于取暖的热泵空调系统 本文设计了用于电动汽车室内取暖的热泵空调 试验平台，研究了不同的环境温度和压缩机转 速对热泵空调系统的性能及车室内平均温度的 影响 电动汽车热泵空调系统 1 1 热泵空调的工作原理 电动汽车热泵空调系统主要由压缩机、节流 机构、换热器、四通换向阀等构成，工作原理如 图1 所示当热泵空调系统处于制热模式时，工质 的流动方向如图1 a 所示在压缩机V 的作用下， 换热器I 中低温低压的气态工质经四通换向阀 被吸入压缩机中，经压缩后变为高温高压的气态 经四通换向阀的另一通道进入换热器中冷凝 放热，在提高车室内环境温度的同时工质变为中 温高压的液体，然后工质经过节流机构变为低 温低压的气液混合物进入换热器I 中蒸发吸热， 从而将环境中的热量带到热泵空调系统中当热 泵空调系统处于制冷模式时工质的流动方向如 图1 b 所示，此时工质在换热器I 中冷凝放热，在 换热器中蒸发吸热 由此可知，车室外换热器I 在制热模式下当 蒸发器使用，在制冷模式下当冷凝器使用；车室内 换热器在制热模式下当冷凝器使用，在制冷模 式下当蒸发器使用 1 2 热泵空调系统的能效比 C O P 是制热模式下热泵空调系统的实际制 热量与实际输入功率之比“，是衡量系统性能的 重要参数之一当电动汽车热泵空调系统处于制 热模式时，理论上工质要经过等熵压缩、等压冷 凝、绝热膨胀和等压蒸发4 个基本过程，将低温环 境中的热量源源不断地泵送到车室内图2 为热 泵空调系统理论循环的温熵图和压焓图 H I ， 2 。 a 制热模式 I 车 赛 Q m 环 境 I 车 荞 Q 0 u 。环 境 b 制冷模式 I 一车室外换热器；I I 一换向阀；1 1 I 一车室内换热器 一节流机构；V 一压缩机 图1 热泵空调工作原理 F i g 1P r i n c i p l eo fh e a tp u m pa i rc o n d i t i o n i n g aT - s 图 图2 蒸气压缩式热泵的理论循环 F i g 2 T h e o r e t i c a lc y c l eo fv a p o rc o m p r e s s i o nh e a tp u m p 一 车室内环境 万方数据 第1 2 期彭发展等：环境温度对电动汽车热泵空调系统性能的影响 1 7 4 3 由图2 可知，单位质量工质的制热量g 。在n s 图中以2 - 2 一2 ”- 3 一a 6 2 所围成的面积J s ：m 表示，其值包括显热和潜热两部分，在l g P h 图中 以点2 与点3 的焓差表示，即单位质量工质的制 热量为 g 。= S 2 2 2 - 3 。6 2 = h 2 一h 3 ( 1 ) 压缩单位质量工质的耗功量W 在弘s 图中以 1 - 2 - 2 - 2 ”- 3 - 4 - 1 所围成的面积S 。：。表示，在l g P - h 图中以点2 与点1 之间的焓差表示