武悅*1，鄭銘鑄，楊堅(jiān)1，彭栩駿

（1-上汽大眾汽車有限公司，上海 201805；2-上海翼銳汽車科技有限公司，上海 201805）

0 引言

純電動(dòng)汽車的推廣對(duì)汽車空調(diào)系統(tǒng)的舒適性與能效性提出了更大的挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)汽車相比，由于純電動(dòng)汽車沒有發(fā)動(dòng)機(jī)，其采暖必須消耗電池的電量，采暖效率直接影響電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程，如何提高冬季空調(diào)制熱能效是亟需解決的重要問題[1]。

目前，電動(dòng)車的制熱大多采用正溫度系數(shù)（Positive Temperature Coefficient，PTC）加熱器或者熱泵方案，也有PTC與熱泵同時(shí)使用的系統(tǒng)[2]。PTC加熱方式直接將電能轉(zhuǎn)化成熱能，能效利用率較低，理論上性能系數(shù)（Coefficient of Performance，COP）最大值為1；而熱泵空調(diào)則在能效比上具有更大的優(yōu)勢(shì)[3-5]。若采用 R134a或 R1234yf作為熱泵的制冷劑，系統(tǒng)在低溫工況下（-5℃以下）整體性能將大幅衰減，不僅 COP下降，甚至可能影響乘客艙的舒適性[6]。CO2作為一種自然工質(zhì)，無毒無害，無可燃性，成本低廉[7]，已被廣泛應(yīng)用于熱水器和超市制冷等領(lǐng)域[8-13]。CO2既符合新環(huán)保指標(biāo)的規(guī)定，也滿足低溫制熱工況的要求[14]，國內(nèi)外眾多學(xué)者已對(duì)其作了大量理論與實(shí)驗(yàn)研究[15]，對(duì)CO2在汽車空調(diào)上的應(yīng)用提供了有力支持。

為了研究CO2熱泵系統(tǒng)在汽車空調(diào)領(lǐng)域應(yīng)用的可行性，本文利用Dymola軟件對(duì)采暖性能進(jìn)行了仿真計(jì)算和預(yù)測(cè)，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。在電動(dòng)車上換裝CO2熱泵系統(tǒng)，進(jìn)行冬季低溫環(huán)境采暖實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)采暖性能和對(duì)電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程的影響。

1 CO2熱泵系統(tǒng)采暖性能理論研究

CO2的熱物理性質(zhì)與氟利昂制冷劑差別較大。圖1所示為CO2與R134a溫熵圖對(duì)比。R134a制冷劑在冷凝過程時(shí)利用相變潛熱放熱，相變階段溫度保持不變。CO2在放熱過程中處于超臨界狀態(tài)，沒有相變潛熱區(qū)，溫度出現(xiàn)大幅滑移。這一溫度滑移的存在有利于換熱的充分進(jìn)行，提高了CO2熱泵的換熱效率[15]。

圖1 R134a與CO2的T-s圖

CO2制熱的另一大優(yōu)勢(shì)為低溫下的能量密度較大。圖2所示為R134a和CO2在不同蒸發(fā)溫度下的密度率的對(duì)比。假設(shè)兩者過熱度相同，以蒸發(fā)溫度為5℃時(shí)兩種制冷劑的密度為基準(zhǔn)，設(shè)密度率為1.0，標(biāo)準(zhǔn)化得到不同蒸發(fā)溫度下兩種介質(zhì)各自的密度率。由圖2可知，隨著蒸發(fā)溫度降低，CO2與R134a的密度率差值增大。當(dāng)蒸發(fā)溫度為-25℃時(shí)，CO2的密度率約比R134a高24%。制冷劑質(zhì)量流量和系統(tǒng)換熱量均隨著壓縮機(jī)進(jìn)口密度的提高而增加。-20℃時(shí)，CO2的潛熱焓差比R134a高33%，氣體比熱容比 R134a高 50%，即單位質(zhì)量的 CO2比R134a有更大的吸熱量。因此低溫工況下，與R134a熱泵相比，CO2熱泵的采暖能力更強(qiáng)[15]。

圖2 R134a與CO2的密度率的對(duì)比

為了研究CO2熱泵系統(tǒng)在實(shí)車上的采暖性能，將一輛電動(dòng)車從R134a制冷結(jié)合PTC制熱的空調(diào)系統(tǒng)，改造成了CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)。圖3所示為該CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理。通過電子閥的通斷改變制冷劑流向，實(shí)現(xiàn)夏季制冷、冬季采暖與除濕三大功能。

圖3 CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理

圖4所示為CO2熱泵系統(tǒng)采暖模式溫焓圖。圖4中，1-2為壓縮機(jī)壓縮過程，設(shè)制冷劑質(zhì)量流量為m，各點(diǎn)制冷劑焓值分別為h1、h2、h3和h4，則壓縮機(jī)對(duì)制冷劑做功：

2-3為制冷劑在換熱器內(nèi)放熱的過程，則制冷劑側(cè)的制熱功率：

系統(tǒng)循環(huán)COPcycle以及實(shí)際COP分別為：

式中，Welec為壓縮機(jī)實(shí)際消耗的電功率，kW。

圖4 CO2熱泵系統(tǒng)采暖模式T-h圖

一般情況下h1大于h3，故CO2熱泵系統(tǒng)的COP大于1。由于PTC加熱方式的最大效率為1，因此CO2熱泵系統(tǒng)的COP通常大于PTC系統(tǒng)。后續(xù)將利用搭載CO2熱泵的電動(dòng)車與PTC采暖電動(dòng)車的能耗對(duì)比，驗(yàn)證CO2熱泵對(duì)電動(dòng)車?yán)m(xù)航的提升。

2 CO2熱泵系統(tǒng)仿真計(jì)算分析與驗(yàn)證

采用Dymola軟件[16]對(duì)該CO2熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了一維系統(tǒng)仿真分析，以預(yù)測(cè)其制熱性能。該軟件可滿足多領(lǐng)域物理系統(tǒng)的建模與仿真工作，并可以進(jìn)行二次開發(fā)。

以Dymola的熱力學(xué)庫為基礎(chǔ)，建立CO2熱泵系統(tǒng)模型。包括壓縮機(jī)、室內(nèi)換熱器、室外換熱器、電子膨脹閥、氣液分離器、管路等部件。通過輸入各部件幾何數(shù)據(jù)、壓縮機(jī)流量、換熱器進(jìn)風(fēng)溫度、換熱器進(jìn)風(fēng)量和電子膨脹閥流通面積等參數(shù)，對(duì)CO2熱泵系統(tǒng)工況進(jìn)行一維仿真計(jì)算。

系統(tǒng)中使用的換熱器是平行流微通道換熱器，Dymola采用一維有限元方法將其劃分為多個(gè)離散網(wǎng)格，結(jié)合幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行性能計(jì)算。室外換熱器中制冷劑側(cè)傳熱系數(shù)采用Gnielinski-Dittus-Boelter關(guān)聯(lián)式[17]，室內(nèi)換熱器中制冷劑側(cè)傳熱系數(shù)采用KIND等[18]關(guān)聯(lián)式，制冷劑壓降系數(shù)采用SWAMEE等[19]關(guān)聯(lián)式，空氣側(cè)傳熱系數(shù)采用 WANG等[20]的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。

在不同室外溫度工況下，定義進(jìn)風(fēng)模式為外循環(huán)，即空調(diào)箱與室外換熱器的進(jìn)風(fēng)溫度均為環(huán)境溫度，對(duì)CO2熱泵系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算。設(shè)空調(diào)箱內(nèi)風(fēng)量為220 kg/h，室外換熱器風(fēng)量為1.8 kg/s，通過調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與電磁閥開度參數(shù)設(shè)置，使出風(fēng)溫度達(dá)到50℃左右。仿真結(jié)果如表1所示。

表1 CO2熱泵系統(tǒng)性能仿真結(jié)果

由表1可知，在低溫環(huán)境（-20～-10℃）下，CO2熱泵系統(tǒng)有能力制熱，并提供達(dá)到 50℃的熱風(fēng)，可滿足大部分地區(qū)的冬季車內(nèi)的制熱需求。CO2系統(tǒng)制熱COP始終大于2，證明CO2熱泵系統(tǒng)可以有效節(jié)約冬季空調(diào)能耗，有助于增加電動(dòng)車冬季續(xù)航里程。

通過實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性。將一輛純電動(dòng)車的空調(diào)系統(tǒng)改裝為CO2熱泵系統(tǒng)，所用各部件的幾何數(shù)據(jù)和性能參數(shù)與Dymola模型設(shè)置一致。在車輛空調(diào)腳部出風(fēng)口布點(diǎn)測(cè)量出風(fēng)溫度，測(cè)試儀表符合《QC/T 657—2000汽車空調(diào)制冷裝置試驗(yàn)方法》[21]的規(guī)定。在環(huán)模室不同室外溫度條件下，進(jìn)行車輛采暖實(shí)驗(yàn)，進(jìn)風(fēng)模式為外循環(huán)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、電子膨脹閥開度、換熱器風(fēng)量等參數(shù)設(shè)定與之前Dymola仿真計(jì)算的參數(shù)設(shè)置一致，待出風(fēng)溫度穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)，并計(jì)算得到制熱量和COP。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如表2所示。

表2 CO2熱泵系統(tǒng)性能仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由表2知，出風(fēng)溫度與制熱量的仿真與實(shí)驗(yàn)誤差值在5%之內(nèi)，可見仿真結(jié)果可以較精確地預(yù)測(cè)CO2熱泵系統(tǒng)采暖性能。誤差可能源于仿真模型誤差，也可能來自仿真系統(tǒng)輸入?yún)?shù)與實(shí)車實(shí)際數(shù)據(jù)的偏差。COP的仿真結(jié)果誤差較大，在5%～10%范圍內(nèi)，說明仿真所使用的壓縮機(jī)模型誤差較大，后續(xù)應(yīng)繼續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化。

因此利用Dymola仿真可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)熱泵系統(tǒng)的制熱能力，驗(yàn)證了仿真的可靠性。在后續(xù)工作中，可以通過仿真手段輔助實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化，以加快開發(fā)工作。

隨著環(huán)境溫度的升高，CO2熱泵系統(tǒng)的COP從1.98提高至3.01，預(yù)計(jì)隨著室外溫度繼續(xù)升高這一效率還可進(jìn)一步提高，可見冬季CO2熱泵的采暖效率較高，對(duì)電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程提高有積極作用。

3 CO2熱泵系統(tǒng)采暖性能實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)試條件

前述裝有CO2熱泵系統(tǒng)的純電動(dòng)車，在黑龍江省黑河地區(qū)進(jìn)行冬季道路實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證CO2熱泵系統(tǒng)在實(shí)際低溫環(huán)境下的動(dòng)態(tài)采暖性能，并與 PTC采暖電動(dòng)車和傳統(tǒng)燃油車進(jìn)行采暖性能及續(xù)航里程對(duì)比。

所選用的3輛實(shí)驗(yàn)車分別為CO2熱泵系統(tǒng)電動(dòng)車、PTC采暖電動(dòng)車和傳統(tǒng)燃油車，3輛車的車身空間大小相同。實(shí)驗(yàn)前首先檢查車輛狀態(tài)，隨后進(jìn)行布點(diǎn)和數(shù)采裝置連接調(diào)試。在每輛實(shí)驗(yàn)車的空調(diào)出風(fēng)口與座椅頭部位置分別布置OMEGA的K型熱電偶（測(cè)量精度±0.1℃），用于空氣溫度采集。每個(gè)測(cè)量位點(diǎn)布置兩個(gè)熱電偶，取兩者平均值為所測(cè)位點(diǎn)溫度值。注意避免熱電偶頭部與風(fēng)道壁面或座椅相接觸，否則會(huì)影響測(cè)量準(zhǔn)確性。溫度數(shù)據(jù)采集儀器和軟件選用imc Device和imc FAMOS，采樣頻率為100 Hz，測(cè)試儀表符合QC/T 657—2000[21]的規(guī)定。由于冬季采暖工況下，汽車空調(diào)主要通過腳部出風(fēng)口出風(fēng)，因此利用腳部出風(fēng)口出風(fēng)溫度平均值與頭部溫度平均值來評(píng)價(jià)汽車空調(diào)的采暖性能與乘客舒適性。

當(dāng)環(huán)境溫度約為-20℃時(shí)，進(jìn)行車輛采暖性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件是先將車輛于-20℃環(huán)境中室外無光照放置10 h，實(shí)驗(yàn)時(shí)開啟數(shù)采裝置，啟動(dòng)車輛，空調(diào)系統(tǒng)調(diào)至外循環(huán)和最大制熱模式。實(shí)驗(yàn)車首先保持時(shí)速50 km/h行駛30 min，然后停車怠速15 min。每輛車內(nèi)乘員數(shù)相等，實(shí)驗(yàn)中全程持續(xù)采集出風(fēng)口和頭部各測(cè)點(diǎn)空氣溫度值。當(dāng)環(huán)境溫度為-5℃時(shí)，進(jìn)行CO2熱泵車與PTC車的采暖性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)。其他實(shí)驗(yàn)條件與前述實(shí)驗(yàn)條件相同。

為定量比較CO2熱泵和PTC對(duì)電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程的影響，在室外溫度-5℃下對(duì)CO2熱泵電動(dòng)車與PTC采暖電動(dòng)車進(jìn)行了續(xù)航里程對(duì)比路試。實(shí)驗(yàn)開始前兩車均處于滿電狀態(tài)，在-5℃室外無光照條件下放置10 h，實(shí)驗(yàn)時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)車輛，開啟測(cè)量設(shè)備，兩車一起以50 km/h的速度經(jīng)由相同路線行駛，車內(nèi)乘客數(shù)一致，PTC車空調(diào)設(shè)定為自動(dòng)模式（車內(nèi)目標(biāo)溫度設(shè)為22℃），通過調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與電子膨脹閥開度，控制CO2熱泵性能，保持兩車單位時(shí)間制熱量相等（風(fēng)量與出風(fēng)溫度均相等），對(duì)比其續(xù)航里程。電動(dòng)車在續(xù)航里程剩余50 km左右時(shí)會(huì)進(jìn)入 ECO（Ecology，Conservation，Optimization）模式，此時(shí)空調(diào)系統(tǒng)將犧牲一部分舒適性，通過降低空調(diào)能耗來提高續(xù)航里程。兩車均保持勻速行駛直至電池耗盡，記錄車輛進(jìn)入 ECO模式時(shí)的總行駛里程和電量耗盡時(shí)的總行駛里程，進(jìn)行對(duì)比。作為參考，在室外溫度-20℃下也測(cè)試并記錄了 CO2熱泵系統(tǒng)車的續(xù)航里程數(shù)據(jù)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在室外溫度-20℃下進(jìn)行采暖對(duì)比實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到3輛車空調(diào)腳部出風(fēng)溫度與頭部溫度隨時(shí)間的變化，如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)開始 30 min后，傳統(tǒng)車、CO2熱泵車和PTC車的腳部出風(fēng)溫度分別為51.9、42.2和32.0℃，頭部溫度分別為23.5、17.3和15.1℃；45 min后，三者腳部出風(fēng)溫度分別為42.9、43.0和35.3℃，頭部溫度分別為22.8、23.9和19.2℃。對(duì)比可見CO2熱泵的制熱能力明顯強(qiáng)于PTC制熱，并且在考慮怠速的情況下與燃油車的制熱能力相當(dāng)。

傳統(tǒng)車怠速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水提供的熱量減少，導(dǎo)致采暖性能下降。由圖6可知，出風(fēng)溫度和頭部溫度在30 min后均有明顯降低。無論是CO2熱泵系統(tǒng)還是PTC系統(tǒng)的電動(dòng)車，采暖性能都不受車速的影響，因此怠速時(shí)溫度曲線走勢(shì)無變化。對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可知各車的最大采暖性能從高到低依次為燃油車、CO2熱泵車、PTC車。一般行車考慮到乘客艙的舒適性，空調(diào)控制面板并不會(huì)設(shè)定在最大制熱模式，而是通過自動(dòng)控制（Auto）模式將車內(nèi)溫度控制在一個(gè)乘客感覺最為舒適的范圍內(nèi)。在低溫工況-20℃下，CO2熱泵系統(tǒng)的制熱性能可以滿足乘客艙的舒適性需求。

圖6所示為在室外溫度-5℃下，CO2熱泵與PTC系統(tǒng)采暖性能的對(duì)比。在實(shí)驗(yàn)開始45 min后，CO2熱泵車和PTC車的腳部出風(fēng)溫度分別為69.6℃和54.8℃，頭部溫度分別為41.4℃和33.2℃。因此在室外溫度-5℃下，CO2熱泵系統(tǒng)采暖能力仍顯著優(yōu)于PTC系統(tǒng)。

圖5 3輛車空調(diào)腳部出風(fēng)溫度與頭部溫度隨時(shí)間的變化

圖7所示為CO2熱泵系統(tǒng)與PTC系統(tǒng)電動(dòng)車的續(xù)航里程對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在室外溫度為-5℃下，兩車分別在行駛157 km和127 km后進(jìn)入ECO模式，在行駛198 km和175 km后電量耗盡?？梢奀O2熱泵系統(tǒng)為車輛在正常模式下增加了 23.6%行駛里程，約30 km，全程共增加續(xù)航里程23 km。由于在ECO模式下制熱量下降，而熱泵系統(tǒng)的COP大于PTC系統(tǒng)，因此節(jié)約的能源相比正常模式會(huì)減少。考慮到乘員艙舒適性要求，評(píng)價(jià)車輛正常模式下的續(xù)航里程更具有實(shí)際意義。

圖6 外溫-5℃下CO2熱泵與PTC系統(tǒng)采暖性能的對(duì)比

圖7 CO2熱泵與PTC系統(tǒng)電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程的對(duì)比

在低溫工況-20℃下，CO2熱泵系統(tǒng)車在行駛137 km后進(jìn)入ECO模式，177 km后電量耗盡，此時(shí)其續(xù)航能力仍然優(yōu)于-5℃室外溫度下的 PTC電動(dòng)車。對(duì)照實(shí)驗(yàn)證明了相比PTC系統(tǒng)，CO2熱泵更為節(jié)能，在冬季低溫工況下可顯著增加電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程。

4 結(jié)論

本文通過Dymola軟件仿真模擬，對(duì)CO2熱泵系統(tǒng)的采暖性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并利用低溫環(huán)境下的實(shí)車采暖實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性。將CO2熱泵電動(dòng)車與PTC電動(dòng)車和傳統(tǒng)燃油車進(jìn)行冬季路試對(duì)比，研究CO2熱泵的低溫制熱能力與其對(duì)電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程的影響，得到如下結(jié)論：

1）利用 Dymola軟件搭建了 CO2熱泵系統(tǒng)模型，計(jì)算和預(yù)測(cè)熱泵系統(tǒng)的制熱性能，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，仿真得到的制熱量和出風(fēng)溫度誤差不大于5%；

2）在電動(dòng)車上測(cè)試了 CO2熱泵系統(tǒng)的制熱性能，并與傳統(tǒng)車和PTC制熱電動(dòng)車進(jìn)行了對(duì)比。在-20℃下進(jìn)行采暖實(shí)驗(yàn)，45 min后CO2車的腳部出風(fēng)溫度和頭部溫度分別比PTC制熱電動(dòng)車高7.7℃和4.7℃，比傳統(tǒng)車高0.1℃和1.1℃，CO2車采暖性能優(yōu)于PTC車，并與傳統(tǒng)車考慮怠速的綜合采暖性能相近；

3）在實(shí)車上研究了 CO2熱泵系統(tǒng)對(duì)車輛續(xù)航里程的影響，通過與 PTC車的對(duì)比測(cè)試，得到在-5℃環(huán)境下以正常模式行駛時(shí)，CO2熱泵電動(dòng)車相比PTC電動(dòng)車可增加23.6%續(xù)航里程，約30 km。