任学铭，武卫东，朱群东，余强元

（上海理工大学 制冷与低温工程研究所，上海 200093）

能源和环境问题一直是各国关注的焦点问题。城市环境污染的主要原因之一便是燃油汽车尾气的排放。《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》提出将大力推广纯电动汽车。据中国汽车工业协会统计[1]，2017年中国汽车销量为2 888万辆，其中纯电动汽车销量为46.8万辆，市场占比还很小，仅有1.62%。纯电动汽车依靠车载蓄电池提供动力，而目前车载空调系统的耗电量大约会占蓄电池总容量的1/3，对纯电动汽车续驶里程的影响很大，因此，研制高效节能的热泵空调系统对节能环保和开拓纯电动汽车市场具有重要的意义。

为了给驾乘人员创造一个舒适的驾乘环境，除了温度、空气流速、空气清晰度等参数外，车室内的湿度也是一个重要参数。根据文献[2]：在50%～70%的相对湿度下人体感受最舒服，车内湿度过高或者过低都会影响乘客舒适感。除此之外，若车内湿度过高，挡风玻璃温度低于室内空气露点温度时，容易在前挡风玻璃结雾，行车过程中严重影响视线，从而造成安全隐患。因此，研究纯电动汽车热泵型空调的除湿性能对车内环境舒适性和行车安全都具有重要的实际意义。

传统汽车空调制热所需的热量通常是由发动机提供，而纯电动汽车由于缺少发动机冷却系统，所以其空调系统不但要满足制冷功能，还需考虑制热和除湿等功能。针对除湿这一功能，龚卫强等[3]指出，利用传统制冷模式除湿时，在除湿过程中蒸发器吸收空气的热量经冷凝器释放到室外没有得到利用，为了保证车室内舒适的温度需采用PTC加热。KOWSKY等[4]设计了一套外加冷却剂热交换器的单一热泵空调系统，该系统的制热、制冷、除湿过程只需改变冷却剂的流动方向即可实现，而不需要改变制冷剂的流动方向，在除湿过程中制热量不足的情况下仍需要PTC辅助加热。SUZUKI等[5]开发了以R134a为工质的具有除湿功能的三换热器串联的热泵空调系统，为了实现制热和制冷模式的切换在系统中增加了1个电子膨胀阀和电磁四通换向阀。考虑到车用四通换向阀的可靠性问题，电装公司[6]在此系统的基础上增加了3个旁通阀以代替四通换向阀来实现制热、制冷、除湿模式的切换。电装公司的杨云等[7]对上述改进型的系统除湿模式进行试验，结果表明：相对于除湿过程需要PTC电加热的传统制冷除湿模式，其可节省功耗67%。HIGUCHI等[8]设计了一套具有两种除湿模式的补气增焓的电动汽车热泵空调系统，该文献偏重于对出风温度的研究，而没有涉及对除湿速率的探讨。武卫东等[9-10]设计了一套三换热器电动汽车热泵空调系统，并通过试验研究了电动汽车空调制冷性能和热泵模式下的除霜性能。总体看来，目前对于纯电动汽车除湿的解决方案还多停留在系统理论设计上，相关的试验研究相对较少。

本文基于课题组设计的一套纯电动汽车热泵空调系统，针对热泵运行工况，提出两种新的热泵系统除湿模式，并对其除湿效果进行了对比试验研究。研究结果可为电动汽车热泵型空调系统的开发提供一定的参考。

1 热泵型汽车空调除湿系统设计

本文提出两种热泵除湿模式。第1种除湿模式为双蒸发器热泵除湿模式（简称双蒸除湿模式），如图1所示。该模式压缩机排出的高温高压制冷剂气体经过车内冷凝器冷凝放热后分成两个支路，其中一路经过EXV1后进入蒸发器吸热，车室内空气中的水蒸气在车内蒸发器表面冷凝达到除湿效果；另一路经过EXV2后进入车外蒸发器吸收热量，最后两条支路的制冷剂汇合后进入压缩机完成循环。

图1 双蒸除湿模式系统原理

第2种除湿模式为单室内蒸发器热泵除湿模式（简称单蒸除湿模式），如图2所示。该模式的除湿过程为压缩机排出高温高压的制冷剂气体，经过车内冷凝器和EXV后进入车内蒸发器吸热，车室内空气中的水蒸气在车内蒸发器表面冷凝达到除湿效果，制冷剂流出车内蒸发器后进入压缩机完成循环。这两种除湿模式在除湿期间通过冷凝风机将车内冷凝器放出的热量传递给刚被除湿过的低温空气，可提高进入车室内的出风温度，在一定程度上保证了除湿过程中车内舒适的乘车环境。而双蒸除湿模式利用热泵循环原理从车外换热器吸收热量，进一步提高车内出风温度，从而提高舒适度，并可通过改变车外/车内两蒸发器内制冷剂的质量流量分配，达到调节车内出风温度和湿度的目的。

图2 单蒸除湿模式系统原理

2 除湿性能试验

2.1 试验系统与数据采集

在焓差环境试验室中，针对以上两种除湿模式进行除湿性能试验。为了满足试验所需环境参数的要求，分别用室内、室外环境室模拟车内、车外的环境。在两个环境室中分别配置两台制冷机组、加热器、加湿器、循环风机作为空气处理装置，除此之外，还配备风洞装置以及相对应的参数测量和控制系统。系统温度控制精度为±0.5 ℃，相对湿度控制精度为±2%。

热泵系统所选用的制冷剂为R134a，压缩机为电动变频涡旋压缩机，理论排量为33 cm3/r，转速可调范围为800～9 000 r/min。EXV的调节范围为0～500步，EXV开度百分比与步数的线性关系如图3所示。

图3 EXV开度百分比与步数的对应关系

本试验所涉及的电气控制部分主要有用于控制调节涡旋压缩机转速的控制器、EXV脉冲信号控制器、电磁阀通断控制器。数据采集包括热泵空调系统测点数据采集和环境室数据采集。系统测点的数据采集主要包括制冷剂在压缩机出口、室内冷凝器进出口、电子膨胀阀进口、室内和室外蒸发器进出口的温度和压力，测点布置如图1和图2所示。环境室数据主要有室内换热器进风的风量、温度和湿度，室外换热器进风的风量和温度。所有测量信号均通过安捷伦数据采集仪导入电脑，控制信号通过PLC和自编的LabVIEW软件对相应的控制部件进行控制。系统所需的主要传感器参数见表1。

2.2 试验方法与工况

试验方法为：首先开启环境室机组及相应的温度和湿度控制系统。当环境工况稳定后，在计算机控制软件中分别选择单蒸除湿模式和双蒸除湿模式，由计算机选择对应的电磁阀和膨胀阀的开度。将膨胀阀开度设定为60%，从低转速启动压缩机，开始除湿试验。为了精确测量除湿量，在蒸发器下方设有接水盘，采用美国TIF公司生产的精度为1 g的高精度电子秤对冷凝水量进行称重。对于被测系统压缩机转速和EXV开度选择的主要考虑因素是整个系统的最高压力不高于2 MPa，在此限制条件下调节压缩机转速以及相匹配的EXV开度，待系统稳定（蒸发器出风温度上下波动在0.5 ℃以内），持续记录5 min凝水量，记录下相关运行参数，结束试验。

表1 测量仪器主要参数

试验工况的设定：文献[11]指出，当环境温度低于10 ℃时，R134a型电动汽车热泵空调制热性能会下降。因此，设定室内侧、室外侧干球温度为10 ℃，目标相对湿度为100%。事实上，100%相对湿度为试验的理想状态，本试验过程中尽可能增大湿度，测量的实际相对湿度接近于100%且不低于95%，考虑到系统误差及实际测量误差，近似认为环境室相对湿度为100%。具体试验工况见表2。

表2 除湿试验环境工况

2.3 除湿评价指标

为了说明两种热泵除湿循环系统的性能，采用下列评价指标。

2.3.1 除湿速率

汽车中湿负荷主要为人体散湿，由文献[12]可知成年男子的散湿量w约为33 g/h。据文献[13]可知人体散湿W的计算公式为：

式中：N为车内总人数，N按照车内最大乘客人数取值，N=5；w为每个成年人在某温度下的散湿量，g/h。据式（1）计算得车室内成年男子的总散湿量W为165 g/h。

除湿速率W'（g/h）是评价除湿系统的最主要指标。当W'≥W时，认为热泵除湿循环系统可以满足使用要求。

2.3.2 出风温度

在满足除湿要求的情况下，尽可能地提高出风温度可以进一步提升车内舒适度。

2.3.3 除湿热泵性能系数

为了比较两种除湿模式下系统能效的差异，这里引入了评价热泵系统除湿性能的系数ε=，即除湿过程中用于湿空气除湿（析出冷凝水）的冷量和用于提高出风温度的热量之和与热泵系统压缩机功耗的比值。ε=可表示为：

式中：Q'为冷凝水带走的冷量，W；Q为出风温升吸收的热量，W；P为压缩机功耗，W。

式中：hl为凝结水的比焓，kJ/kg。

式中：m为空气的质量流量，kg/s；hin为室内蒸发器进风焓值，kJ/kg；hout为室内冷凝器出风焓值，

kJ/kg。

湿空气焓的计算式[14]为：

式中：t为湿空气温度，℃；d为湿空气含湿量，g/kgdryair。进风为10 ℃的饱和空气，其含湿量为14.7 g/kgdryair。

3 试验结果与分析

3.1 单蒸和双蒸除湿模式的除湿效果对比分析

表3为两种除湿模式在相同环境工况下，不同压缩机转速和EXV开度时的除湿速率情况。由表3可知，双蒸除湿模式在压缩机转速为1 000 r/min时，EXV2即使开度调到较小范围也不具备除湿能力；压缩机转速在2 000 r/min时，除湿速率随着EXV2的开度减小而增大；压缩机转速在4 000 r/min时，EXV2开度较大时具备除湿能力，当EXV2开度降低到50步时，室内蒸发器表面结霜而失去除湿能力。分析可知，这是由于在不同的压缩机转速和EXV开度下所对应的蒸发压力不同。当蒸发压力过高时，蒸发温度较高，蒸发器表面温度高于湿空气的露点温度，湿空气中的水蒸气不能在蒸发器表面凝露，从而没有除湿效果；当蒸发压力过低时，蒸发温度较低，蒸发器表面温度低于0 ℃，水蒸气在蒸发器表面结霜导致系统失去除湿能力；当蒸发压力对应的蒸发温度可使蒸发器表面温度低于露点温度且高于0 ℃时系统有除湿效果。单蒸除湿模式在压缩机转速为1 000 r/min，EXV1开度为300步时不除湿，降低EXV1开度可获得除湿能力，且随着EXV1开度的降低，除湿速率升高；当压缩机转速为2 000 r/min，EXV1开度为350步时有除湿效果，但继续降低EXV1开度时室内蒸发器表面结霜。压缩机转速为4 000 r/min时同样如此，因此，此处仅提供了压缩机转速为2 000 r/min的一组典型数据。由表3可知，在本研究的试验工况中，双蒸除湿模式的最小除湿速率为216 g/h，单蒸除湿模式的最小除湿速率为276 g/h，这两种除湿模式均可达到除湿要求。

表3 不同工况下双蒸和单蒸除湿模式除湿速率表

图4和图5分别是双蒸除湿模式压缩机转速为2 000 r/min和单蒸除湿模式压缩机转速为1 000 r/min的典型工况，在有除湿效果时不同EXV开度下蒸发压力与除湿速率的关系曲线。由图可知，两种除湿模式在EXV开度增大的过程中，蒸发压力升高，除湿速率降低。这是因为蒸发压力升高，蒸发温度升高，蒸发器表面温度升高，蒸发器表面温度和湿空气温度的温差降低，换热效果变差，析出冷凝水的速率降低，从而导致除湿速率降低甚至无除湿效果。综上，蒸发压力是除湿效果的重要影响因素，通过调节压缩机转速、EXV开度控制蒸发压力，可在一定范围避免结霜和无除湿效果的发生，在有除湿效果的蒸发压力范围内改变蒸发压力可调节除湿的速率。

图4 双蒸除湿模式不同EXV2开度下除湿速率和蒸发压力的变化（压缩机转速为2 000 r/min）

图5 单蒸除湿模式不同EXV1开度下除湿速率和蒸发压力的变化（压缩机转速为1 000 r/min）

3.2 单蒸和双蒸除湿模式的出风温度对比分析

单蒸和双蒸除湿模式在满足除湿要求时（除湿速率W’＞165 g/h），不同压缩机转速下的出风温度如图6所示。由图可知，单蒸除湿模式压缩机转速在1 000 r/min和2 000 r/min下的出风温度分别为15.2 ℃和15.5 ℃，在转速为4 000 r/min时室内蒸发器表面结霜，失去除湿能力；双蒸除湿模式在压缩机转速为1 000 r/min时不具备除湿能力，当压缩机转速在2 000 r/min和4 000 r/min时的出风温度分别为20.3 ℃和32.2 ℃。综上所述，单蒸除湿模式在达到除湿要求条件下的出风温度比室内环境温度高5 ℃，且提高压缩机转速并不能提高出风温度。与单蒸除湿模式相比，双蒸模式可以通过提高压缩机的转速来提高出风温度以满足室内舒适性要求。

3.3 两种除湿模式相同除湿效果的除湿热泵性能系数对比

表4为单蒸除湿模式和双蒸除湿模式在相同环境工况下，除湿速率相同时的出风温度、功耗和除湿热泵性能系数对比。由表可知，在除湿量为276 g/h时，单蒸除湿模式和双蒸除湿模式的出风温度分别为15.5 ℃和29.3 ℃，此时压缩机对应的转速分别为2 000 r/min和4 000 r/min，压缩机功率分别为393.2 W和1 245.2 W，系统除湿热泵性能系数ε分别为1.90和2.11。在除湿量为600 g/h时，单蒸除湿模式和双蒸除湿模式的出风温度分别为15.1 ℃和19.1 ℃，此时压缩机所对应的转速分别为1 000 r/min和2 000 r/min，压缩机功率分别为196.6 W和485.7 W，系统除湿热泵性能系数ε分别为3.50和2.54。这两种除湿模式与空调结合PTC的除湿供暖相比，基于热泵原理利用冷凝器放热来供暖，提高了系统除湿工况运行的除湿热泵性能系数。对比分析可知，在除湿量均为600 g/h时，双蒸除湿模式比单蒸除湿模式的出风温度升高4 ℃，系统除湿热泵性能系数ε下降0.96；而在除湿量均为276 g/h时，双蒸除湿模式比单蒸除湿模式出风温度高13.8 ℃，系统除湿热泵性能系数ε也提升0.21。由此可见，当车室内湿度较大时，驾乘人员可选择单蒸除湿模式，实现快速除湿；当车室内湿度合适时，为除去行车过程中驾乘人员产生的湿负荷可选择双蒸除湿模式，这样可在满足除湿要求的条件下大幅度提高出风温度，以保证车室内的舒适度。

表4 两种模式在不同除湿速率下出风温度、压缩机功率和除湿热泵性能系数的对比

4 结论

本文基于设计的一个新的纯电动汽车热泵空调系统，针对热泵型空调除湿问题，提出了两种热泵除湿模式，并进行了相应的除湿性能试验研究。以除湿速率、出风温度和除湿热泵性能系数为参数指标，对单蒸除湿模式和双蒸除湿模式进行了对比分析，得出以下结论：

（1）蒸发压力是除湿效果的重要影响因素，通过调节压缩机转速和EXV开度控制蒸发压力，可在一定范围避免结霜和无除湿效果的发生，且在有除湿效果的蒸发压力范围内改变蒸发压力可调节除湿的速率。

（2）在本研究的试验工况下，单蒸除湿模式和双蒸除湿模式的最小除湿速率分别为276 g/h和216 g/h，均可达到除湿要求。

（3）在满足除湿要求的前提下，与单蒸除湿模式相比，双蒸除湿模式可以大幅度提高出风温度，提高车室内舒适度。

（4）当除湿速率为600 g/h时，单蒸除湿模式的除湿热泵性能系数高于双蒸除湿模式，但双蒸除湿模式的出风温度高于单蒸除湿模式；当除湿速率为276 g/h时，双蒸除湿模式的除湿热泵性能系数和出风温度均高于单蒸除湿模式。因此，在满足除湿要求的条件下，为大幅度提高出风温度以保证车室内的舒适度，宜选择双蒸除湿模式。