0 前言

目前汽车中广泛使用的空调系统仅仅能满足夏季工况的制冷要求，冬季工况的采暖是利用温度较高的发动机冷却水加热空气来满足车室内舒适性要求。

随着科学技术的进步和汽车工业的不断发展，汽车发动机的效率越来越高，这就使得发动机在冬季工况下能够用来车室内取暖的余热越来越少。对于安全和舒适性要求，较长升温周期和缓慢除霜效果是不能接受的。目前在汽车市场上的辅助加热手段，如电加热、阻尼加热器等等在制造成本、性能、效率等方面仍然存在不足。同时电动汽车工业的快速发展需要热泵空调。电动车没有传统汽车用来采暖的发动机余热，无法提供采暖热源。因此，电动汽车的空调系统必须自身具有供暖的功能，即热泵型空调系统和（或）电加热供热。目前，研究汽车热泵空调系统仍然是一个全新的课题。本文将对国内外研究较多的汽车空调热泵系统形式进行综述与探讨，以供国内研究者参考。

1 R134a热泵空调系统

1.1 改进的R134a空调系统-辅助加热系统

发动机效率越高，可利用来加热车厢的余热就越少。John Meyer等人改进现有空调的加热系统，提高了余热利用率和系统性能。作者利用乙二醇代替空气作为发动机的冷却剂将加热系统改装成利用乙二醇作为热源的热泵。热泵系统运行图如图1（a）和（b）所示。该系统仍然需要使用发动机余热来加热车室，只能作为加热模式下的辅助加热系统。该系统与普通汽车空调最大区别是使用了电磁线圈驱动的滑块式四通阀来进行模式转换并使用节流短管/气液分离器的系统结构。作者在系统中加入了用于冷却液与制冷剂换热的换热器LTR（Liquid-to-Refrigeration），并且改进原系统的蒸发器结构，使它成为能够承受高压的换热器。

图1（a）制冷模式

图1（b）加热模式

低温风洞中的测试结果与基本加热系统进行了比较，如图2所示。利用热泵作为辅助加热手段的系统性能在总体上要比基本加热系统要好。在第5分钟，热泵足部出风温度比基本模式高出10.4℃，因此在快速取暖要求方面，热泵性能更优越。在20分钟关闭热泵时，车室温度已经较高并且乙二醇的温度也已经足够高，这时可以打开节温阀利用发动机余热来加热车室。在怠速时，热泵辅助加热能够提供更多的热量来加热车室。在怠速阶段，两者足部出风温度相差最大达15℃以上，热泵辅助加热的效果要比基本加热系统的效果好很多。因此，在使用余热不多的新型燃油发动机的汽车中，该热泵空调可以作为加热系统的有益补充。

图2 温升性能对比

1.2 全新的R134a热泵空调系统

以空气为热源的家用热泵空调允许制冷剂反向流动。空调能够在动态制热，夏天制冷。热泵空调通常利用四通阀进行不同工况下的制冷剂换向，同时蒸发器能够承受较高的运行压力。这种利用制冷剂反向流动来达到制热效果的理念也被运用到了汽车空调中。

图3 R134a热泵系统图

Nippondenso公司的Takahisa Suzuki和Katsuya Ishii为电动汽车开发了一种使用R134a作为制冷剂的汽车空调热泵系统，系统如图3所示，该系统能够在制冷、制热和除霜/除雾模式下运行。在汽车仪表盘下部的蒸发箱总成中有两个换热器，在不同循环时成为功能不同的换热器。普通家用热泵空调在室内只需一个换热器的结构不能运行在汽车上，因为在制冷模式转换成制热模式时，换热器上的冷凝水将迅速蒸发，在挡风玻璃上结霜。因此，为了保证安全驾驶，在热泵系统中有图3所示的内部冷凝器和内部蒸发器。

该系统的实验结果如表1所示，环境温度在-10℃到40℃的范围内，系统在稳态条件下，以最大能耗1kw能完成对车室的制冷和制热。它不仅能在制冷和制热模式下满足舒适性，也能通过使用电子膨胀阀来控制出风温度，也能以较小的能耗在很大的湿度范围内完成除湿操作，但该系统需要提供全电动压缩机，该项技术是目前汽车空调行业开发的重点。

2 CO₂热泵空调系统

CO₂是最早被广泛使用的制冷剂，同时也是一种天然工质。在上世纪90年代初，Lorentzen和Pettersen首先提出了CO₂跨临界循环的概念，再次引起了全世界对CO₂的兴趣。

2.1 车用CO₂热泵空调系统

近年来的研究表明，CO₂作为替代汽车空调制冷剂R134a的制冷剂是完全可行。CO₂热泵系统有比R134a更大的优势，因为其在低温下也能达到较高的加热能力和COP，并且能够提供给车室的空气温度很高。

首次CO₂热泵实验是通过反向运行一个汽车空调原型系统而得到^[13-15]。在简单实验的基础上，图4给出了CO₂汽车空调热泵运行的一些基本特征：汽车在低温下刚启动时，热泵制热能力为最高；由于高热泵系数的缘故，能力至少是电加热器或阻尼加热器所得热量的三倍；当汽车变暖和从发动机冷却水来的热量变得可用时，在更高的温升下，压缩机容积效率和等熵压缩效率的下降的缘故，热泵制热能力和效率（制热性能因子，HPF）缓慢地下降。

图4 不同室内温度下的CO₂热泵制热性能

Hammer和Wertenbach给出了一辆排量1.6升的Audi A4汽车的试验数据，比较了基于发动机冷却水作为热源的标准暖风芯体加热器和CO₂热泵系统。图5给出了使用标准的暖风芯体和使用热泵系统(无加热器芯体)在足部出风温度和车室内温度的对比。热泵系统明显升温更快，从-20℃到+20℃的升温时间几乎减少了50%。由于热泵使用了发动机冷却水作为热源，这可能会延长发动机升温时间，这对发动机来说可能带来危险。测量显示由于由热泵压缩机所产生的对发动机的附加负荷，当热量被从冷却回路吸走时，升温时间实际上略有下降。

图5 Audi A4测试车中测量温度对比(有暖风芯体和热泵系统对比)

同前述的热泵系统一样，CO₂热泵系统依然要面对在低温下蒸发器除霜的问题。另一方面，由于热泵系统能够“即时供热”且CO₂热泵系统能够提供更多热量的特性，能够为车室提供更复杂的气候控制系统，同时与全新动力汽车发展和环保性能的要求相适应，使得越来越多的机构来研究与开发CO₂热泵系统。

2.2 CO₂的三角循环系统

图6 (a) CO₂三角循环系统图

图6 (b) CO₂三角循环压焓图

为了能够在冬季工况下为现有高效率汽车提供足够的热量，Hager和Anzenberger提出了一种全新的CO₂循环概念，即如图6 (a)所示的CO₂三角循环。在该系统中，经压缩机压缩的高压高温CO₂蒸汽通过换热器将热量传递给车室内冷空气，冷空气加热后直接进入车室内。被冷却的CO₂制冷剂通过节流阀降压，再通过气液分离器，低温低压的CO₂气体进入压缩机，从而周而复始。三角循环的P-h图如图6 (b)所示。根据三角循环理论，换热器的热量主要来自于压缩机压缩功转化的热量，所以该循环的效率≤1。由于换热器高效传热性能，更多人相信，对比其他辅助加热系统来看，该循环效率应该较其他系统为高，但目前没有实验数据给予有力证明。在冬季工况下，当发动机提供的热源不够时，利用三角循环可以提供部分热量。因此，三角循环系统可以作为汽车空调的辅助加热装置，同时由于不需要对原有系统进行较多改变而具有较强的可操作性。

3 结论

随着汽车技术的发展，开发现实可用的汽车空调热泵系统成为当务之急。本文通过对国内外对于热泵空调研究情况的分析，得出了如下一些结论：

1、增加汽车空调系统的辅助加热系统，对现有空调系统进行改进，部分利用发动机的余热，可以到达为车室提供良好舒适性的要求。

2、CO₂作为一种天然制冷剂，越来越多的受到国际汽车业的重视。由于CO₂良好的热物理性能，使得开发CO₂热泵空调系统成为一种可能。

3、考虑到电动汽车和混合动力汽车的发展，研究人员提出了一种完全不需要发动机余热的R134a热泵空调系统，能够实现制冷、制热和除霜/除雾的要求，但要求系统提供全电动压缩机。

4、由于热泵空调运行温度较低，因此在低温下的蒸发器的除霜问题显得尤其重要。考虑到汽车空调的特殊性，除霜问题应该成为研究人员今后研究的重点。

参考文献

[1] John Meyer, George Yang, Evangelos Papoulis. R134a Heat Pump for Improved Passenger Comfort, SAE paper, No. 2004-01-1379.

[2] L. P. Scherer, M. Ghodbane, J. A. Baker and P. S. Kadle, On-Vehicle Performance Comparison of an R-152a and R-134a Heat Pump System, SAE Paper, No. 2003-01-0733, Advances in Automotive Climate Control Technologies, SAE 2003 World Congress.

[3] Takahisa Suzuki, Katsuya Ishii. Air Conditioning System for Electric Vehicle, SAE paper 960688.

[4] Giannavola M, Murphy R, Yin J, Kim M-H, Bullard C, Hrnjak P. Experimental investigations of an automotive heat pump prototype for military, SUV and compact cars. In: Groll EA, Robinson DM, editors. The Fourth IIR-Gustav Lorentzen Conference on Natural Working Fluids, West Lafayette, IN. 2000. P115–22.

[5] Hammer H, Wertenbach J. Carbon dioxide (R-744) as supplementary heating device. The SAE Automotive Alternate Refrigerants Systems Symposium, Scottsdale, AZ; 2000.

[6] Josef Hager, Thomas Anzenberger. Supporting the Assesement Process for Early A/C System Design Studies Using Simulation Tools. Alternate refrigerant wintermeeting, Saalfel en, 2003.

*本文受上海汽车工业科技发展基金项目资助。