中國汽研環境風洞低溫控濕功能已正式上線，各項性能指標優異，滿足低溫控濕試驗要求。本期介紹電動汽車熱泵系統環境風洞結霜試驗研究。試驗結果表明：在不同溫度相同高濕環境下，外蒸發器很快出現結霜，結霜后熱泵系統COP 逐漸降低，全程需要開啟 PTC 補熱；而在不同濕度相同溫度環境下，低濕工況不會結霜，高濕工況則因為結霜其總功率高出低濕工況 200W-300W 左右，高濕工況COP比不結霜工況 COP 低0.5。

1.研究背景

近年來，國內外新能源車發展迅猛，常規電動汽車采用PTC加熱實現冬季采暖，但因消耗大量電能導致冬季續航大幅削減，低溫下甚至降低 20%以上。隨著新能源車的快速發展，一些新技術也開始應用到新能源車上，比如采用熱泵空調替代PTC制熱正在各主機廠推廣應用，熱泵系統COP大于1使其成為可行的替代方案。但熱泵系統應用也存在一些問題，比如熱泵在低溫高濕環境采暖運行時，車外換熱器外表面易結霜，阻礙冷媒與外界的有效熱交換，換熱效率顯著下降。如何減少熱泵空調冬季采暖結霜及快速除霜、提高舒適性、降低冬季采暖能耗等是主機廠及零部件廠家需持續研究的共性課題。本文在環境風洞進行了電動車熱泵結霜實驗，分別研究了不同溫度、不同濕度熱泵結霜性能。

2.試驗設備和方法

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2.1試驗設備

試驗在中國汽研汽車環境風洞實驗室中進行，原理如圖1所示。

圖1? ?汽車環境風洞

圖1中：101—拐角1；102—拐角2；103—拐角3；104—拐角4；105—噴口；106—駐室；107—保溫倉板；108—收集口；109—履帶式轉鼓地坑蓋板；110—轉鼓；111—轉鼓地坑；112—主風機；113—主換熱器。

中國汽研環境風洞具有低溫控濕功能，也即在-40℃—5℃也可將濕度控制在5%—95%，良好的低溫控濕功能可為需要低溫控濕的汽車整車及零部件企業提供高質量試驗服務。

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2.2試驗方法

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Qu Xiaohua等研究表明[1]，外蒸發器易在高濕、非極低外界溫度、低風速下結霜。本文選取如下圖所示的實驗工況，實驗開始前需在環境風洞溫度、濕度穩定后打開車門，環境風洞風速設為30km/h，浸車一段時間，使得乘員倉內的溫濕度與環境溫濕度一致，正式實驗后車輛空調模式設為自動模式，設定溫度24℃。實驗中采用數采儀實時采集各溫度、壓力、電流、電壓等信號。實驗過程采用安裝在外蒸發器前的高清攝像頭實時拍攝外蒸發器結霜過程。

圖2? 實驗工況

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3. 實驗結果及分析

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3.1相同環境濕度、不同環境溫度對比試驗研究??

3.1.1 不同環境溫度結霜過程對比

試驗時選取相同的環境濕度（90%），不同的環境溫度，即分別選取-5℃、0℃、2℃作為環境條件，車速和風速都一致，選取30km/h。試驗過程實時拍攝外蒸發器結霜情況，3種不同溫度下的結霜情況如下圖所示。

（a）-5℃, 90%結霜過程? ?

(b)0℃，90%結霜過程

(c) 2℃，90%結霜過程

圖3? 不同環境溫度結霜過程

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由圖可知，在低溫高濕環境下，熱泵系統外蒸發器很快出現結霜現象，基本4分鐘以內開始掛霜，且越積越厚，各工況下都沒有除霜控制。

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3.1.2不同環境溫度舒適性對比

采暖試驗舒適性評判通常包括呼吸點溫度，腳部溫度，吹腳出風口溫度。圖下所示為不同環境溫度舒適性對比。

圖4? ?不同環境溫度舒適性對比圖

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由圖可知，該電動車在低溫（-5℃，0℃，2℃）高濕（90%）環境下，呼吸點溫度偏低，比設定溫度低4℃左右，原因是低溫高濕環境下外蒸發器結霜嚴重，熱泵效率變低，放熱變少，雖PTC全程參與補熱，但補熱不夠。

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3.1.3 不同環境溫度能耗對比

熱泵空調系統冬季采暖時主要能耗包括壓縮機電機能耗、風暖PTC能耗。能耗及COP對比如下圖所示。

圖5? ?不同環境溫度能耗對比

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由圖可知，熱泵系統在低溫（-5℃，0℃，2℃）高濕（90%）環境下，外蒸發器結霜嚴重，外蒸發器吸熱變差，為了維持蒸發器一定過熱度，必須減小膨脹閥開度，導致冷媒質量流量減小，各工況壓縮機功率逐漸降低，熱泵產熱也較少，各工況全程需開啟PTC補熱。同時，結霜后，壓縮機吸氣壓力降低，壓比增大，熱泵系統的COP逐漸減小。

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3.2 相同環境溫度、不同環境濕度對比實驗研究??

3.2.1 不同環境濕度舒適性對比

試驗時選取相同的環境溫度（2℃），不同的環境濕度，即分別選取30%、60%、90%作為環境條件，車速和風速都一致，選取30km/h。實驗過程發現30%與60%均不結霜，90%結霜情況如圖3（c）所示。下圖所示為不同環境溫度舒適性對比。

圖6? ?不同環境濕度舒適性對比圖

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由圖可知，該電動車低溫環境（2℃）呼吸點溫度偏低的原因為：30%，60%工況雖未結霜，但壓縮機功率較低，熱泵放熱量偏小，PTC又未參與補熱，而90%工況已經嚴重結霜，熱泵放熱量較小，PTC雖參與補熱，但補熱不夠。

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3.2.2 不同環境濕度能耗對比

不同環境濕度時，自動空調仍設置為24℃時，各工況下的能耗及COP對比如圖8所示。

圖7? ?不同環境濕度能耗對比

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圖8? 不同環境濕度電子風扇電流

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圖9? ?不同環境濕度空調低壓

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由圖7可知，熱泵系統在低溫（2℃）不同濕度（30%，60%，90%）環境下，要實現相同的制熱水平，90%工況相對于不結霜工況（30%，60%），PTC需全程參與補熱，總功率高濕結霜工況（90%）高出（30%，60%）200W-300W左右，結霜后的COP比不結霜COP低0.5。

30%和60%工況熱效率仍有提高的空間，原因是如圖8所示，整個試驗過程電子風扇未開，外蒸發器空氣側對流換熱系數大幅下降，影響熱泵效率。由圖9可知，熱泵啟動初期（100秒前）空調低壓最低1.7bar，對應蒸發溫度-14℃，而2℃/60%對應露點溫度為-4.5℃，而60%工況并未結冰，可見蒸發溫度和露點溫度差值在-10℃以內不易結冰。因此建議，調節蒸發溫度和露點溫度相差在-10℃以內霜，同時建議開啟電子風扇，提高外蒸發器換熱，增大熱泵COP。

4.?小結

中國汽研環境風洞低溫控濕功能已正式上線，各項性能指標優異，滿足低溫控濕試驗要求。本文進行了熱泵系統環境風洞結霜試驗研究，試驗結果表明：在不同溫度相同高濕環境下，外蒸發器很快出現結霜，結霜后熱泵 系統COP 逐漸降低，最低只有1.2，全程需要開啟 PTC 補熱；而在不同濕度（30%，60%，90%）相同溫度（2℃）環境下，30%工況和 60%工況不會結霜，90%工況則因為結霜其總功率高出（30%，60%）工況 200W-300W 左右，90%工況 COP 比不結霜工況 COP 低0.5。實驗還得出：蒸發溫度和露點溫度相差在-10℃以內不易結霜，同時建議開啟電子風扇，提高外蒸發器換熱，增大熱泵COP。

參考文獻

[1]? QU Xiaohua，SHI Junye，QI Zhaogang，et al． Experimental study on frosting control of mobile air conditioning system with microchannel evaporato［J］． Applied Thermal Engineering，2011，31(14/15):2778－2786．

編輯：黃飛