[摘要] 以R134a 电动汽车热泵空调系统为研究对象，在不同压缩机转速和室外环境温度下，实验研究了电子膨胀阀开度对热泵系统性能的影响规律。结果表明：在不同压缩机转速和室外温度下调节电子膨胀阀开度，压缩机吸排气特性变化趋势一致。随着电子膨胀阀开度的增加，压缩机吸气压力缓慢上升，吸气温度基本维持不变，而排气压力先增加后减小，排气温度显著降低。压缩机转速为2 000 r/min 和3 000 r/min时的最佳EXV 开度分别为40%和60%，且最佳电子膨胀阀开度与室外环境温度无关。低室外温度下将压缩机转速由2 000 r/min 提升至3 000 r/min，同时调整EXV 至最佳开度，空调箱出风温度上升2～6℃，制热量增加5%～36%，COP 提高4%～11%。
1 实验装置和方法
1.1 实验装置简介
为模拟实验所需环境，整个热泵系统搭建在新能源汽车空调综合评估焓差室中。该焓差室由室内侧和室外侧两个相互独立的环境控制室组成，主要包含有环境控制系统、室内外风洞和出风混合箱等，可同时模拟车内和车外环境。图1为实验装置及测试系统示意图。
图1 实验装置及测试系统
实验系统的相关部件规格参数如表1 所示。
表1 热泵系统部件规格
热泵系统采用三换热器形式，组成部件有压缩机、室外换热器、室内蒸发器、室内冷凝器、电子膨胀阀、热力膨胀阀、气液分离器、质量流量计等。其中，电子膨胀阀装有电子式驱动装置，全开至全闭过程只需0.6 s，开度调节快、精度高。实验台测量参数及精度范围如表2 所示。
表2 实验台测量参数及精度
1.2 实验方法与测试工况
实验中所有操作步骤均可通过控制软件和控制柜面板遥控完成。实验开始前，先运行软件，设定好实验所需环境工况，具体测试工况如表3 所示。待环境工况达到设定值，将初始压缩机转速设为2 000 r/min，然后调节EXV 开度为100%（全开），室外环境温度控制为10 ℃。观察软件数据监控界面，压缩机排气温度波动范围在±0.5 ℃之内，系统高低压保持恒定5 min 以上时，记录压缩机吸排气压力、温度，空调箱出风温度等数据。
表3 测试工况
本文系统制热量按室内冷凝器制冷剂侧换热量计算，压缩机功耗由功率计测得。制热量和性能系数COP 计算公式如下：
式中： Q ——系统制热量，kW； q m ——制冷剂质量流量，kg/s； h in ——冷凝器侧进口焓值，kJ/kg； h out ——冷凝器侧出口焓值，kJ/kg； W ——压缩机功耗，kW。
2 实验结果与分析
2.1 压缩机吸排气压力
图2 和图3 分别为不同工况下压缩机吸排气压力随EXV 开度的变化趋势。如图所示，随着系统中EXV 开度的不断增大，压缩机吸气压力均缓慢上升，排气压力均先上升后降低。这是因为EXV 开度越大，流入压缩机的制冷剂质量流量越大 [ ，导致吸气口吸气量增加，故吸气压力升高。排气压力先升后降是因为EXV开度较小时，冷凝压力升高，排气压力受到吸气压力和冷凝压力的共同影响。因此随着EXV 开度的增大，排气压力会先升高。且压缩机转速越高，压缩效率越高，压比也越高，导致排气压力增幅也越大；但当EXV 开度开启到一定程度时，冷凝压力随EXV 开度的增大而减小，此时排气压力受到冷凝压力的影响大于吸气压力对它的影响，所以排气压力降低。
图2 2 000 r/min 下压缩机吸排气压力变化
图3 3 000 r/min 下压缩机吸排气压力变化
另外，压缩机转速对吸气压力影响较小，对排气压力影响较大。不同转速下，吸气压力峰值均出现在EXV 开度100%处，分别为0.42 MPa和0.41 MPa，而排气压力峰值则随转速有所变化。当压缩机转速为2 000 r/min 时，排气压力峰值为0.69 MPa，其对应的EXV 开度为40%；转速为3 000 r/min 时，排气压力峰值为1.01 MP，其对应的EXV 开度为60%。
2.2 压缩机吸排气温度
图4、图5 分别为不同工况下压缩机吸排气温度随EXV 开度的变化趋势。如图4、图5 所示，两种压缩机转速下，吸气温度在所有EXV 开度下的波动范围都很小，而排气温度随着EXV 开度的增大而不断降低。造成这种现象的原因是，吸气温度波动受室外环境换热条件的制约，排气温度则受蒸发器出口过热度影响较大。
图4 2 000 r/min 下压缩机吸排气温度变化
图5 3 000 r/min 下压缩机吸排气温度变化
随着EXV 开度的不断增大，系统内制冷剂流量不断增加，室外侧蒸发器出口过热度不断下降，导致压缩机吸气中可能存在少量液体，使得压缩机的排气温度下降明显。
压缩机转速和室外环境温度对排气温度影响较大。与2 000 r/min 相比，转速为3 000 r/min 时，各工况点排气温度同比上升12%～33%，且EXV开度越小，上升幅度越大；转速为3 000 r/min 时，温度每下降5 ℃，同一EXV 开度下的排气温度下降3～9 ℃，且EXV 开度越大，下降幅度越大。转速2 000 r/min、室外温度10 ℃时，调节EXV开度至20%，排气温度峰值为85 ℃左右；而在相同室外温度和EXV 开度下，转速3 000 r/min时的排气温度峰值高达114 ℃，即使降低室外温度到-5 ℃，排气温度也有100 ℃左右。可以看出，当压缩机以较高转速运行时，不宜将EXV 开度设置过小。
2.3 空调箱出风温度
电动汽车热泵空调系统中，空调箱出风温度被认为是最能反映系统制热能力的参数。图6 为热泵空调系统在不同压缩机转速和环境温度下运行时，空调箱出风温度随EXV 开度的变化趋势。
由图6（a）可知，压缩机转速为2 000 r/min时，调节EXV 开度，出风温度变化不明显，各室外温度下最高出风温度对应的EXV 开度为40%。由图6（b）可知，转速为3 000 r/min 时，各室外温度下空调箱出风温度随EXV 开度的增加而上升，但当EXV 开度上升至60%后，出风温度趋于稳定，最大值为35.8 ℃。分析可知，EXV开度越大，系统中制冷剂质量流量增加，冷凝器会在制冷剂流量增加后放出更多热量，进而空气侧也相应得到更多的热量，所以出风温度逐渐增加。继续加大EXV 开度，流量虽有所增加，但受冷凝器换热能力限制，出风温度变化不大。
图6 空调系统出风温度变化
（a）2 000 r/min 出风温度（b）3 000 r/min 出风温度
实验结果表明，低室外环境温度下提升转速至3 000r/min 并调整EXV 至最佳开度，空调箱出风温度上升2～6℃。由此可见，在低温高转速下调节EXV 开度可以获得更高的出风温度，更好地满足乘员舱舒适性。
2.4 系统制热量及COP
热泵空调系统中，制热量和能效比是非常重要的性能指标。图7 和图8 所示为不同工况下系统制热量和COP 随EXV 开度的变化情况。转速2 000 r/min 和3 000 r/min 的最佳EXV 开度分别为40%和60%。随着转速的提高，系统制热量增加，COP 却降低，原因在于，高转速下，压缩机等熵效率和容积效率降低，功耗增加，其增加的幅度超过了制热量的增加，从而导致COP降低。系统COP 随着EXV 开度的增加而逐渐增大，一旦超过工况最佳EXV 开度，COP 便开始下降，此现象在转速3 000 r/min 时尤其明显。原因在于，EXV 开度在最佳开度以上时，制热量稳定，压缩机功耗持续增大，所以COP 下降。
图7 不同工况下系统制热量变化
图8 不同工况下系统COP 变化
压缩机以3 000 r/min 转速运行时，调节EXV至最佳开度60%，制热量在室外温度10 ℃时达最大值2 868 W，相比-5 ℃的1 721 W，增长了40%。COP 也从2.4 上升到3.1，增幅为20%。
综上可知，在低转速和低温工况下运行热泵空调，其性能会出现衰减，压缩机转速和室外温度越高，系统制热量和COP 越大。EXV 开度对系统性能影响较大，其影响随着压缩机转速的升高而逐渐增强，且不同压缩机转速下系统最佳EXV 开度存在差异。
3 结论
搭建了电动汽车R134a 热泵空调系统实验台架，研究在不同压缩机转速和室外环境温度下EXV 开度对系统性能的影响。得出以下结论：
（1）当压缩机转速和室外环境温度一定时，随着EXV开度的增加，压缩机吸气压力缓慢上升，吸气温度几乎不变；而排气压力先增加后减小，排气温度显著降低。
（2）不同压缩机转速下，EXV 开度存在最优值，使空调箱出风温度和COP 最优，此时EXV最佳开度与室外温度无关。且转速2 000 r/min 和3 000 r/min 时的最佳阀开度分别为40%和60%。
（3）在较高的压缩机转速和较高的室外环境温度下调节EXV 开度至最佳开度，热泵系统性能发挥更好。当压缩机转速为3 000 r/min，室外环境温度为10 ℃时，调节EXV 开度为60%，空调箱最高出风温度为35.8 ℃，制热量最高为2.9 kW，COP 为3.1。
作者：穆文杰，苏林，李康，方奕栋，余军，杨忠诚
上海理工大学 制冷与低温工程研究所
来源：汽车热管理之家
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