1、汽車空調熱泵系統可行性分析隨著汽車技術的發展，熱泵空調系統的開發顯得尤其重要。本文通過對國內 外熱泵空調研究進展進行分析，討論了各種系統在汽車中實現的可能性以及今后所 要重點解決的問題。關鍵詞：熱泵空調輔助加熱二氧化碳三角循環0前言 前汽車中廣泛使用的空調系統僅 隨著汽車技術的發展，熱泵空調系統的開發顯得尤其重要。本文通過對國內外熱泵 空調研究進展進行分析，討論了各種系統在汽車中實現的可能性以及今后所要重點 解決的問題。關鍵詞：熱泵空調 輔助加熱 二氧化碳 三角循環0前言I前汽車中廣泛使用的空調系統僅僅能滿足夏季工況的制冷要求，冬季工況的采暖 是利用溫度較高的發動機冷卻水加熱空氣來滿足車室內舒

2、適性要求。隨著科學技術的進步和汽車工業的不斷發展，汽車發動機的效率越來越高，這就使 得發動機在冬季工況下能夠用來車室內取暖的余熱越來越少。對于安全和舒適性要 求，較長升溫周期和緩慢除霜效果是不能接受的。忖前在汽車市場上的輔助加熱手 段，如電加熱、阻尼加熱器等等在制造成本、性能、效率等方面仍然存在不足。同 時電動汽車工業的快速發展需要熱泵空調。電動車沒有傳統汽車用來采暖的發動機 余熱，無法提供采暖熱源。因此，電動汽車的空調系統必須自身具有供暖的功能， 即熱泵型空調系統和(或)電加熱供熱。目前，研究汽車熱泵空調系統仍然是一個 全新的課題。本文將對國內外研究較多的汽車空調熱泵系統形式進行綜述與探討，

3、 以供國內研究者參考。1 R134a熱泵空調系統1. 1改進的R134a空調系統-輔助加熱系統發動機效率越高，可利用來加熱車廂的余熱就越少。John Meyer等人改進現有空調 的加熱系統，提高了余熱利用率和系統性能。作者利用乙二醇代替空氣作為發動機 的冷卻劑將加熱系統改裝成利用乙二醇作為熱源的熱泵。熱泵系統運行圖如圖1(a)和(b)所示。該系統仍然需要使用發動機余熱來加熱車室，只能作為加熱模 式下的輔助加熱系統。該系統與普通汽車空調最大區別是使用了電磁線圈驅動的滑塊式四通閥來進行模式轉換并使用節流短管/氣液分離器的系統結構。作者在系統中 加入了用于冷卻液與制冷劑換熱的換熱器LTR (Liqu

4、id-to-Refrigeration),并且 改進原系統的蒸發器結構，使它成為能夠承受高壓的換熱器。圖1 G)制冷模式圖1 (b)加熱模式低溫風洞中的測試結果與基本加熱系統進行了比較，如圖2所示。利用熱泵作為輔 助加熱手段的系統性能在總體上要比基本加熱系統要好。在第5分鐘，熱泵足部出 風溫度比基本模式高出10.4°C,因此在快速取暖要求方面，熱泵性能更優越。在20 分鐘關閉熱泵時，車室溫度已經較高并且乙二醇的溫度也已經足夠高，這時可以打 開節溫閥利用發動機余熱來加熱車室。在怠速時，熱泵輔助加熱能夠提供更多的熱 量來加熱車室。在怠速階段，兩者足部出風溫度相差最大達15°C以

5、上，熱泵輔助加 熱的效果要比基本加熱系統的效果好很多。因此，在使用余熱不多的新型燃油發動 機的汽車中，該熱泵空調可以作為加熱系統的有益補充。o ifc li »<0M4# wMH <W)圖2溫升性能對比1.2全新的R134a熱泵空調系統以空氣為熱源的家用熱泵空調允許制冷劑反向流動。空調能夠在動態制熱，夏天制 冷。熱泵空調通常利用四通閥進行不同工況下的制冷劑換向，同時蒸發器能夠承受 較高的運行壓力。這種利用制冷劑反向流動來達到制熱效果的理念也被運用到了汽 車空調中。圖3 R134a熱泵系統圖Xippondenso公司的Takahisa Suzuki和Katsuya Ishi

6、i為電動汽車開發了一種使用 R134&作為制冷劑的汽車空調熱泵系統，系統如圖3所示，該系統能夠在制冷、制熱 和除霜/除霧模式下運行。在汽車儀表盤下部的蒸發箱總成中有兩個換熱器，在不同 循環時成為功能不同的換熱器。普通家用熱泵空調在室內只需一個換熱器的結構不 能運行在汽車上，因為在制冷模式轉換成制熱模式時，換熱器上的冷凝水將迅速蒸 發，在擋風玻璃上結霜。因此，為了保證安全駕駛，在熱泵系統中有圖3所示的內 部冷凝器和內部蒸發器。該系統的實驗結果如表1所示，環境溫度在-10°C到40C的范圍內，系統在穩態條件 下，以最大能耗lkw能完成對車室的制冷和制熱。它不僅能在制冷和制熱模式下

7、滿 足舒適性，也能通過使用電子膨脹閥來控制出風溫度，也能以較小的能耗在很大的濕度范圍內完成除濕操作，但該系統需要提供全電動壓縮機，該項技術是U前汽車 空調行業開發的重點。表1實驗結果測試條件測試結果容量能耗制冷環境溫度40°C,車室溫度27°C, 50%RH2. 9kw1. Okw制熱環境溫度-10°C,車室溫度25°C2. 3kw1. Okw2 C02熱泵空調系統C02是最早被廣泛使用的制冷劑，同時也是一種天然工質。在上世紀90年代 初，Lorentzen和Pettersen首先提出了 C02跨臨界循環的概念,再次引起了全世界 對C02的興趣。2. 1

8、車用C02熱泵空調系統近年來的研究表明，C02作為替代汽車空調制冷劑R134a的制冷劑是完全可 行。C02熱泵系統有比R134a更大的優勢，因為其在低溫下也能達到較高的加熱能力 和COP,并且能夠提供給車室的空氣溫度很高。首次C02熱泵實驗是通過反向運行一個汽車空調原型系統而得到13-15 o在簡 單實驗的基礎上，圖4給出了 C02汽車空調熱泵運行的一些基本特征：汽車在低溫 下剛啟動時，熱泵制熱能力為最高；山于高熱泵系數的緣故，能力至少是電加熱器 或阻尼加熱器所得熱量的三倍；當汽車變暖和從發動機冷卻水來的熱量變得可用 時，在更高的溫升下，壓縮機容積效率和等爛壓縮效率的下降的緣故，熱泵制熱能 力

9、和效率（制熱性能因子，HPF）緩慢地下降。0-15 -10-505101520 Z55.S4 5 3.S24 3 2 iidH、(養)疥圖4不同室內溫度下的C02熱泵制熱性能Hammer和Wertenbach給出了一輛排量1. 6升的Audi A4汽車的試驗數據，比 較了基于發動機冷卻水作為熱源的標準暖風芯體加熱器和C02熱泵系統。圖5給出 了使用標準的暖風芯體和使用熱泵系統（無加熱器芯體）在足部出風溫度和車室內溫 度的對比。熱泵系統明顯升溫更快，從-20°C到+20°C的升溫時間兒乎減少了 50%。山 于熱泵使用了發動機冷卻水作為熱源，這可能會延長發動機升溫時間，這對發動

10、機 來說可能帶來危險。測量顯示山于山熱泵壓縮機所產生的對發動機的附加負荷，當 熱量被從冷卻回路吸走時，升溫時間實際上略有下降。圖5 Audi A4測試車中測量溫度對比（有暖風芯體和熱泵系統對比）同前述的熱泵系統一樣，C02熱泵系統依然要面對在低溫下蒸發器除霜的問另一方面，山于熱泵系統能夠“即時供熱”且C02熱泵系統能夠提供更多熱量的特性，能夠為車室提供更復雜的氣候控制系統，同時與全新動力汽車發展和環保 性能的要求相適應，使得越來越多的機構來研究與開發C02熱泵系統。2.2 C02的三角循環系統圖6 (a) C02三角循環系統圖»0OQB0200230MO4S0 MO M0圖6 (b)

11、 C02三角循環壓焰圖為了能夠在冬季工況下為現有高效率汽車提供足夠的熱量，Hager和Anzenberger提出了一種全新的C02循環概念，即如圖6 (a)所示的C02三角循環。 在該系統中，經圧縮機壓縮的高壓高溫C02蒸汽通過換熱器將熱量傳遞給車室內冷 空氣，冷空氣加熱后直接進入車室內。被冷卻的C02制冷劑通過節流閥降壓，再通 過氣液分離器，低溫低壓的C02氣體進入壓縮機，從而周而復始。三角循環的P-h 圖如圖6 (b)所示。根據三角循環理論，換熱器的熱量主要來自于圧縮機壓縮功轉化 的熱量，所以該循環的效率lo 111于換熱器高效傳熱性能，更多人相信，對比其他 輔助加熱系統來看，該循環效率應

12、該較其他系統為高，但目前沒有實驗數據給予有 力證明。在冬季工況下，當發動機提供的熱源不夠時，利用三角循環可以提供部分 熱量。因此，三角循環系統可以作為汽車空調的輔助加熱裝置，同時山于不需要對 原有系統進行較多改變而具有較強的可操作性。3結論隨著汽車技術的發展，開發現實可用的汽車空調熱泵系統成為當務之急。本文 通過對國內外對于熱泵空調研究悄況的分析，得出了如下一些結論：1、增加汽車空調系統的輔助加熱系統，對現有空調系統進行改進，部分利用發 動機的余熱，可以到達為車室提供良好舒適性的要求。2、C02作為一種天然制冷劑，越來越多的受到國際汽車業的重視。山于C02良 好的熱物理性能，使得開發C02熱泵

13、空調系統成為一種可能。3、考慮到電動汽車和混合動力汽車的發展，研究人員提出了一種完全不需要發 動機余熱的R134a熱泵空調系統，能夠實現制冷、制熱和除霜/除霧的要求，但要求 系統提供全電動壓縮機。4、山于熱泵空調運行溫度較低，因此在低溫下的蒸發器的除霜問題顯得尤其重 要。考慮到汽車空調的特殊性，除霜問題應該成為研究人員今后研究的重點。參考文獻1一 John Meyer, George Yang, Evangelos Papoulis R134a Heat Pump for Improved Passenger Comfort, SAE paper, o. 2004一01一1379.2 L P

14、Scherer, M Ghodbane, J A. Baker and P S Kadle, On- Vehicle Performance Comparison of an R-152a and R-134a Heat Pump System,SAE Paper, o. 2003-01-0733, Advances in Automotive Climate Control Technologies, SAE 2003 World Congress3 Takahisa Suzuki, Katsuya Ishii Air Conditioning System for Electric Veh

15、icle, SAE paper 9606884 Giannavola M, Murphy R, Yin J, Kim MH, Bullard C, Hrnjak P. Experimental investigations of an automotive heat pump prototype for nilitary, SUV and compact cars In: Groll EA, Robinson DM, editors The Fourth IIR-Gustav Lorentzen Conference on Natural Working Fluids, West Lafayette, IN. 2000. P115 - 225J Hammer H, Wertenbach J Carbon dioxide (R-744) as supplementary heating device The SAE Automotive A