客車跨臨界CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展

　　【中國制冷網(wǎng)】常規(guī)電動客車熱泵空調(diào)采用氟利昂為循環(huán)工質(zhì)，不僅具有強(qiáng)溫室效應(yīng)，且在低溫下制熱量急速衰減，甚至無法運(yùn)行，北方地區(qū)冬季制熱問題是當(dāng)前電動客車面臨的挑戰(zhàn)性難題。天然工質(zhì)CO2的GWP為1，ODP為0，不僅環(huán)保無污染，且CO2熱泵空調(diào)具有非常優(yōu)異的冬季制熱特性，可以很好的滿足電動客車的冬季采暖需求。

 

 

　　1）Konvekta公司CO2客車熱泵空調(diào)

 

　　作為電動客車CO2熱泵空調(diào)的開創(chuàng)者，德國Konvekta公司針對不同系列的客車、小型卡車、重型卡車等開發(fā)了不同系列的CO2熱泵空調(diào)樣機(jī)，并進(jìn)行了小規(guī)模的路試實(shí)驗(yàn)。Konvekta的CO2熱泵系統(tǒng)，已經(jīng)正常運(yùn)行了10萬公里。與合作商一起制造的20臺第一代熱泵在測試中已經(jīng)證明了它未來的潛力。從乘坐環(huán)境的溫度調(diào)節(jié)到電池溫度的精確控制，第一代Konvekta CO2熱泵完成了整個(gè)電動車的溫度控制，從而延長了精密昂貴電池的壽命和汽車運(yùn)行的里程。 

 

　　2）Valeo公司CO2客車熱泵空調(diào)

 

　　Valeo在2019年10月比利時(shí)布魯塞爾舉行的客車空調(diào)展覽會會上，展出了電動客車CO2熱泵空調(diào)樣機(jī)。已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了50臺原型機(jī)的小批量生產(chǎn)，并于2020年第一季度交付使用。該客車CO2熱泵空調(diào)樣機(jī)充注了3.6公斤的天然工質(zhì)CO2，樣機(jī)總質(zhì)量約為340公斤。適應(yīng)環(huán)境溫度-20℃-44℃，即使在-10℃環(huán)境下，不需要任何額外熱源，滿足一臺12米長的電動客車采暖需求。此外，樣機(jī)配備有自動除霜功能，在環(huán)境溫度低于5℃時(shí)，自動開啟，從而防止結(jié)霜。

 

　　3）Eberspaecher公司CO2客車熱泵空調(diào)

 

　　Eberspaecher針對電動和混動客車推出以CO2為循環(huán)工質(zhì)的熱泵空調(diào)樣機(jī)，可以滿足全年的制冷和制熱需求。相比常規(guī)電動客車的電加熱或水加熱系統(tǒng)，能源利用率大大提升，適應(yīng)低溫下的制熱。該樣機(jī)預(yù)計(jì)2021投入市場。

 

　　1.2 客車CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用

 

　　1）Solaris電動客車

 

　　電動客車沒有余熱可以利用，冬季采用電采暖導(dǎo)致電池能耗巨大，可行使里程大幅衰減，很多的客車廠采用配備柴油加熱器的方式實(shí)現(xiàn)冬季制熱，這種方法雖然有效解決了低溫制熱問題，但是缺違背了電動車發(fā)展的初衷。Solaris將跨臨界CO2熱泵空調(diào)應(yīng)用在電動客車上，不僅保證了冬季制熱需求，同時(shí)大大減小了電池的能量消耗，增加了可行駛里程。

 

　　2）Mercedes-Benz電動客車

 

　　應(yīng)對公共交通系統(tǒng)，Mercedes-Benz在新生產(chǎn)的電動客車上配備了跨臨界CO2熱泵空調(diào)熱管理系統(tǒng)，通過軸載傳感器，根據(jù)乘客數(shù)量實(shí)現(xiàn)溫控調(diào)節(jié)，并對司機(jī)區(qū)域進(jìn)行獨(dú)立的溫度調(diào)節(jié)，始終保持24℃。電池等所有需要散熱的設(shè)備進(jìn)行耦合熱管理，有獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)溫度控制。相比傳統(tǒng)技術(shù)，整車實(shí)現(xiàn)節(jié)能約40%。

 

　　西安交通大學(xué)CO2制冷制熱課題組針對10米客車制冷制熱的溫控需求，設(shè)計(jì)了客車跨臨界CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)，并搭建了樣機(jī)，基于GT-suite建立了耦合客車整機(jī)的CO2熱泵空調(diào)仿真模型，研究了充注量、回?zé)崧省⑿嘛L(fēng)比等對系統(tǒng)熱力學(xué)性能的影響規(guī)律；其次對熱泵空調(diào)的多參數(shù)控制特性、最優(yōu)運(yùn)行控制特性、動態(tài)降溫/升溫特性、冬季除霜特性展開了詳細(xì)的理論研究；同時(shí)，針對跨臨界CO2系統(tǒng)高溫制冷性能衰減的固有問題，研究了膨脹機(jī)、噴射器、耦合雙系統(tǒng)對跨臨界CO2系統(tǒng)性能的提升機(jī)理。結(jié)果表明，所搭建的CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)足以滿足冬季制熱和夏季制冷的負(fù)荷需求，并實(shí)現(xiàn)了大幅度的能效提升。

 

　　西安交通大學(xué)CO2制冷制熱課題組在客車CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)理論研究的基礎(chǔ)上，經(jīng)過理論計(jì)算和工程設(shè)計(jì)，已經(jīng)開發(fā)了適用于8米、10米電動客車的CO2熱泵空調(diào)樣機(jī)。該樣機(jī)可以通過自動控制實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換，滿足-25℃-45 ℃的制熱和制冷需求。目前樣機(jī)已經(jīng)在車用跨臨界CO2熱泵空調(diào)測試中心安裝完畢，進(jìn)入樣機(jī)測試階段。

 

　　在完成初步的樣機(jī)測試后，將在電動客車上完成裝機(jī)，進(jìn)行整車測試。研究團(tuán)隊(duì)的車用跨臨界CO2熱泵空調(diào)測試中心可以完成12米及以下車型的整車熱泵空調(diào)性能測試。在測試中心內(nèi)，完成對裝備跨臨界CO2熱泵空調(diào)客車，-25-45℃環(huán)溫下的溫控特性測試，后續(xù)將展開太陽輻射、雨雪氣候等復(fù)雜環(huán)境對客車溫控特性的影響研究。

 

　　隨著《蒙特利爾議定書》基加利修正案于2019年的正式生效，強(qiáng)溫室效應(yīng)氣體的減排問題迫在眉睫?？蛙嚳缗R界CO2熱泵空調(diào)的開發(fā)和推廣不僅可以有效解決當(dāng)前電動車冬季制熱難題，同時(shí)有助于我國強(qiáng)溫室效應(yīng)氣體減排，有效降低碳排放。

　　CO2因其獨(dú)特的環(huán)保優(yōu)勢，和強(qiáng)勁的冬季制熱能力，在電動客車等車用熱泵空調(diào)領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用前景。然而，CO2系統(tǒng)運(yùn)行壓力高、設(shè)備、部件配套不成熟、控制復(fù)雜、高溫制冷能效衰減劇烈等一系列問題，都亟待解決。