引言随着中国城市化进程的加快，汽车保有量增加[1]，导致能源消耗量大幅增加，大气污染问题日益加剧。汽车空调作为汽车的主要设备，正向着高效化、节能环保的方向发展[2]。环境温度较低时，补气式热泵空调系统比单级压缩热泵空调系统有更高的系统制热量、COP以及更低的压缩机排气温度等[3]。但在低温环境下，空调换热器容易出现结霜状况，传统平行流换热器的通道紧凑、间距狭小，微通道平行流换热器更易结霜，堵塞现象更严重[4]。潘军刚[4]分析了电动汽车热泵系统的结霜、除霜方法，结果表明，温度、相对湿度和风速均会对结霜情况造成影响，进而影响热泵空调系统的运行性能。葛昕[5]等研究电动汽车热泵系统的结霜过程，发现不同的环境温度和湿度条件下，室外换热器的结霜速度不同，在不同流程的换热器中表面结霜现象不均匀。潘乐燕[6]等对室外换热器结霜和化霜特性进行实验研究，结果表明，换热器结霜程度可通过吸气温度或吸气压力相对于无霜状态下的变化率判断，化霜完成可通过室外换热器出口温度大于0 ℃判断。钟晓辉[7]等提出单独设立化霜温度传感器的系统优化方案，适宜的化霜温度传感器位置可以优化空气源热泵热水器化霜周期及化霜效果。包佳倩[8]等分析多流程微通道换热器的结霜特性，实验表明，室外换热器表面霜层生长和表面温度下降这两个因素为联动关系，各流道霜层分布不均匀。徐晨晨[9]设计室外换热器融霜控制策略，经模拟表明，室外换热器融霜控制策略可达到热泵空调系统的融霜控制需求。上述文献研究了热泵空调系统的制热性能及车外换热器的结霜、融霜特性。文中提出采用准双级压缩技术的纯电动汽车低温热泵空调系统，设计实验装置，选用系统运行压力排气温度低、压缩比更小的新型制冷剂R1234yf，在中压补气方式下，分析不同风量对系统制热性能与结霜的影响，并分析在逆循环除霜法下，不同风量的融霜效果。1纯电动低温型热泵空调系统1.1循环原理纯电动低温型热泵准双级压缩空调系统如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.008.F001图1纯电动低温型热泵准双级压缩空调系统空调系统采用逆循环除霜法，制冷循环时，制冷剂流经储液干燥器及中间换热器后分成两路，一路进行常规的制冷循环；另一路流经补阀进行节流降压，经中间换热器与主路工质换热，使主路的工质再次过冷。中间换热器出口工质经截止阀1，与车外平行流换热器流出的工质一同进入压缩机，即为低压补气；还有一路通过截止阀2进入压缩机的中压补气口[10]。1.2逆循环除霜法逆循环除霜法[11]利用四通换向阀转变制冷工质的流向，从而达到除霜目的。该方法结构简单、成本低，除霜时间比热气旁通法短。逆循环除霜系统原理如图2所示。热泵除霜时间会因为低温热量来源不足而增长，从而增大除霜能耗，降低室内热舒适性。文中设计的准双级压缩系统可以很好地减少除霜时间。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.008.F002图2逆循环除霜系统原理2纯电动低温型热泵空调系统实验设置试验在标准焓差试验室进行，室内环境干球温度为-10~20 ℃，室外环境干球温度为-10~20 ℃。试验台的主要设备规格与参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.008.T001表1试验台的主要设备规格与参数部件名称设备规格及参数EVS36型涡旋压缩机制冷工质：R1234yf；转速范围：2 000~6 000 r/min；电压：400~720 V；冷冻机油种类：HAF68；冷冻油量：150 mL蒸发器铜管翅片换热器，外形尺寸：634 mm×460 mm×170 mm；流程数：1；管数：36；管尺寸：Φ9.2/L=534 mm；换热面积（光管）：0.6 m3冷凝器平行流换热器，外形尺寸：524 mm×450 mm×25 mm；翅片高度：8 mm；流程数：2；扁管数：43；扁管尺寸：20.0 mm×1.8 mm；换热面积（光管）：1.1 m3LNF1211BXF2冷凝风机风机类型：轴流式变频风机；额定风量：1 200 m3/h主（补）电子膨胀阀型号：DPF（TS1）2.4C-40；制冷量：3.6 kW；调节范围：0~100%中间换热器型号：上海泰达TDHE-0305储液干燥器型号：格润特T135依据《汽车用电驱动空调器》（GB/T 37123—2018）中对低温型空调器全性能工况的规定，结合实验设备的参数规格及焙差实验室所能达到的工况设定值确定的实验测试的制热工况：环境温度为1 ℃；车厢内温度为15 ℃；压缩机转速为3 600 r/min；冷凝风机风量为90%；主阀过热度为5 K；补阀过热度为10 K；补气方式为中压补气；车外风机风速为4.5 m/s；相对湿度为70%；蒸发风机风量分别为60%、80%、100%。3实验结果分析3.1风量变化对热泵空调系统结霜性能影响不同风量下蒸发温度与结霜运行时间的关系如图3所示。热泵空调系统运行时，车内风机送风量从60%变化至100%，随着结霜运行时间增加，蒸发温度均下降，直至结霜稳定。随着车内风机送风量变大，热泵空调系统的蒸发温度降低。车内风机送风量为60%时，蒸发温度由1.05 ℃下降到-21.03 ℃；车内风机送风量为80%时，蒸发温度由0.46 ℃下降到-22.55 ℃；车内风机送风量为100%时，蒸发温度由-0.26 ℃下降到-23.55 ℃。原因是热泵空调系统的冷凝器与蒸发器的换热量会因车内送风量的加大而升高，换热效率提高，使蒸发温度下降。换热器表面结霜完成后，蒸发温度趋于稳定。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.008.F003图3不同风量下蒸发温度与结霜运行时间的关系风量不同时制热量和COP随结霜运行时间变化的曲线如图4和图5所示。由图4可知，车内风机送风量变化时，制热量随热泵空调系统运行略微上升再下降，换热器结霜后制热量稳定。车内风机送风量为60%时，制热量由最高值2.30 kW降低到1.28 kW，下降了44.3%；车内风机送风量为80%时，制热量由最高值2.70 kW降低到1.56 kW，下降了42.2%；车内风机送风量为100%时，制热量由最高值3.40 kW降低到1.78 kW，下降了42.8%。由图5可知，车内风机送风量变化时，COP也随热泵空调系统运行先略微上升再下降，换热器表面结霜后COP值趋于稳定。车内风机送风量为60%时，COP由最高值1.42降低到1.01，下降了28.8%；车内风机送风量为80%时，COP由最高值1.65降低到1.20，下降27.2%；车内风机送风量为100%时，COP由最高值2.01降低到1.45，下降27.8%。热泵空调系统的制热量与COP变化是因为车内送风量不断扩大时，车内车外的平行流换热系统换热性能加强，导致制热量减少量加大，减少其换热器系统表面的结霜时间。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.008.F004图4风量不同时制热量随结霜运行时间变化的曲线10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.008.F005图5风量不同时COP随结霜运行时间变化的曲线从热泵空调系统运行至换热器表面结霜完成，3种车内风机风量的结霜时间如表2所示。与风量60%相比，风量80%时换热器表面的结霜时间减少4.85%，风量100%时换热器表面的结霜时间减少7.77%。随着车内风机风量的提高，热泵空调系统的结霜速度加快。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.008.T002表23种车内风机风量的结霜时间车内风量/%结霜时间/min601038098100953.2风量变化对热泵空调系统融霜性能影响关闭车外风机进行融霜实验。3种风量下的融霜时间如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.008.T003表33种风量下的融霜时间风机风量/%融霜过程的平均冷凝温度/℃融霜时间/s6014.462728016.2624810017.36236由表3可知，融霜时平均冷凝温度会随着车内风量的加大而升高，融霜时间随着风量的加大而加快。车内送风量不断扩大时，车内外的平行流换热系统换热性能加强，冷凝温度升高，热泵空调系统的整体换热能力增强，缩短了融霜周期。4结语在设置的标准环境工况下，车内风机送风量在60%、80%、100%内变化时，80%风量时，蒸发温度由0.46 ℃下降到-22.55 ℃，制热量降低42.2%，COP降低28.8%，结霜时间比60%风量时减少4.85%；100%风量时，蒸发温度由-0.26℃下降到-23.55℃，制热量降低42.8%，COP降低26.8%，结霜时间减少7.77%。融霜试验中，与风量60%相比，风量80%的融霜时间减少8.82%；100%风量的融霜时间减少13.24%，融霜时的平均冷凝温度也随着风量的加大而升高。风量增大至100%时，电动汽车低温热泵空调系统的结霜速度最快，融霜时间最短，融霜效果最好。