針對電動汽車熱泵空調系統在冬季運行時室外換熱器易結霜而影響系統制熱性能的問題，本文設計搭建實驗系統并進行研究，分析了多流程微通道換熱器的結霜特性。實驗結果表明:室外換熱器表面霜層生長和表面溫度下降兩個因素之間為聯動關系，各流道霜層分布呈不均勻狀態，換熱器內兩相制冷劑密度不同且受重力影響，導致產生氣液相分離和在流道內分布不均的狀況。另外，室外換熱器表面霜覆蓋率的增長會導致室外換熱器制冷劑側的溫度、壓縮機吸排氣壓力、制熱量等降低，引起導致壓縮機單位功耗增加，以環境溫度為0 ℃的數據為例，當霜覆蓋率達77．4%時，吸氣壓力、排氣壓力和制熱量的降幅分別為33．4%、12．1%和25．8%，單位功耗增幅為32．0%，導致系統運行的穩定性降低，使制熱量無法滿足乘員艙制熱需求。

能源危機和氣候變暖成為亟待解決的全球問題，使電動汽車替代燃油車成為主流趨勢，這對汽車空調提出了更高的要求。電動汽車的電機余熱無法滿足冬季供熱需求，采用正溫度系數熱敏電阻(PTC，positive temperature coefficient)加熱成為常用的解決方案，但因消耗更多的電池動力而導致續航里程大幅削減，低溫環境下削減量甚至達50%以上。研發更高效的汽車空氣調節系統成為學術界和產業界的共同方向，熱泵系統由于COP 大于1 成為可行的替代方案。S．Bellocchi 等研究表明，不同的環境溫度下用熱泵替代PTC 可節約17%～52%的能耗。但熱泵系統的應用也存在一些問題，在制熱模式下運行時，室外換熱器作為蒸發器，扁管中的制冷劑溫度低于0 ℃，又因鋁的熱阻較小，熱傳導后，扁管表面溫度降至水蒸氣的露點和冰點溫度以下而結霜。

國內外很多學者研究了熱泵型電動汽車空調系統結霜問題。在結霜機理方面，李景善等對空氣源熱泵室外換熱器表面霜層生長特性及系統動態性能進行了實驗研究，結果表明:系統性能惡化是室外換熱器表面溫度下降、霜層厚度的增加和空氣流阻增加導致風量降低這3 個因素之間循環作用的結果，而且迎面風速對平均霜密度有重要影響。還有學者研究了換熱器類型對結霜的影響及換熱器內制冷劑流動分布對系統性能的影響。Xu Bo 等研究了水平和豎直扁管型兩種微通道換熱器的循環結霜和除霜的性能和機理，發現對于水平扁管型微通道換熱器，其循環結霜和除霜過程所積存在翅片間的水會加快結霜速率并提前觸發除霜動作，而豎直扁管型微通道換熱器則具有更好的排水能力，參數穩定性較好。

L．Feng 等建立了一套熱泵系統模型，包括壓縮機、儲液罐、微通道換熱器等部件的理論模型，仿真結果表明該模型在其他工況下與實驗結果的一致性較好，但在制熱模式下存在功耗和制熱量高于實驗值的問題，這主要是由實測時室外換熱器中制冷劑流動分布不均勻導致。為緩解結霜問題，J．S．Byun 等設計了一種從壓縮機排氣管引一條支路通向室外換熱器進口的熱泵系統來減緩室外換熱器表面霜層的生長和擴散，發現在支路制冷劑流量占總流量20%時性能最佳，但在此過程中，室外換熱器中制冷劑流量的增加會導致熱泵運行的瞬態波動。在制熱模式運行時室外換熱器表面霜層生長分布特性及結霜對系統主要參數的影響。

1 實驗裝置和方法

1.1 實驗裝置

上述研究主要集中于空氣源熱泵系統的結霜機理、換熱器類型或系統設計對結霜速率的影響，而汽車空調系統的室外換熱器流道設計對結霜的影響以及結霜對系統的影響研究較少，因此本文設計并搭建了某款電動汽車熱泵空調系統的實驗臺架，研究系統 實驗在汽車空調焓差室中進行，熱泵系統所充注制冷劑為R134a。實驗裝置和測試系統如圖1所示。焓差室由內外側兩個環境室構成，通過獨立安裝的空氣處理裝置控制環境室內空氣的溫度、濕度和風量維持在設定值。

受焓差室能力限制，外環境室的相對濕度無法達到實驗所需的值，故本實驗中采用獨立加濕器輔助加濕。 熱泵系統由壓縮機、室外換熱器、室內冷凝器、室內蒸發器、電子膨脹閥、熱力膨脹閥、儲液罐等組成，其中電子膨脹閥和熱力膨脹閥均帶有截止功能，系統通過電磁閥切換制熱和制冷模式，本實驗所用制熱模式的相關組件參數如表1所示。圖1 中黑色細線表示無制冷劑流動，制熱模式下室內蒸發器不起作用，內環境室風道的室內蒸發器側模式風門關閉、室內冷凝器側模式風門開啟，電磁閥1 關閉、電磁閥2 開啟。

圖1 實驗裝置及測試系統(制熱模式)
Fig.1 Experimental device and test system(in heating mode) 壓縮機、室外換熱器、室內冷凝器的制冷劑側進出口布置有Pt100 鉑電阻和壓力傳感器來測量制冷劑的溫度和壓力，采用科氏質量流量計測量制冷劑質量流量，采用功率計測量壓縮機功耗。為測量制熱運行時室外換熱器表面各區域的溫度變化和分布情況，在迎風面距扁管端面2 mm 處布置了12 個K 型熱電偶，具體位置如圖2所示。從左至右標記為第一至第四流程，每個流程靠近中軸的上中下3 個位置分別布置3 個溫度測點。測量精度見表2，實驗中所有數據由自編軟件讀取并儲存，取樣時間間隔設置為6 s。 表1 熱泵系統參數
Tab.1 Specifications of heat pump system

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圖2 室外換熱器結構及測點布置
Fig.2 Structure of outdoor heat exchanger and layout of measuring points 表2 主要參數測量精度
Tab.2 Main measured parameters and the precision

另外，經手持溫濕度測量儀的測試，實驗中室外換熱器迎風表面相對濕度能維持在80%～85%，相對濕度誤差的來源為:因獨立加濕器產生的誤差5%，以及手持溫濕度計的儀器誤差±3%。采用R．J．Moffat提出的誤差傳遞方法進行分析，上述兩個誤差分量相互獨立，故按均勻分布考慮，相對濕度的總體誤差為5．8%。

1.2 實驗方法

此熱泵系統制冷劑充注量為650 g。Qu Xiaohua等研究表明，蒸發器易在高濕、非極低環境溫度、高換熱量和低風速下結霜。因此選取如表3所示的實驗工況，其中由于室外側采用獨立加濕器輔助加濕，故雖為全新風工況，但室內側的相對濕度不同于室外側，與實車運行時有所區別。實驗中每隔5 min拍照記錄結霜現象。 表3 實驗工況
Tab.3 Test conditions

為定性分析室外換熱器表面霜層覆蓋率對熱泵系統性能和各相關參數的影響，用ImageJ 軟件(版本1．52a)對實驗中所拍攝的室外換熱器結霜過程圖片進行處理。ImageJ 是一款科學圖像分析工具，除可計算選定區域內分析對象的幾何特征外，還可進行圖片的區域和像素統計，實現數據的可視化。ImageJ通過閾值法將原始圖片轉換成灰度模式，進而轉化成二值圖像。閾值法可對不同屬性的像素進行劃分，引入一個二值圖像函數f(x，y)，若像素點灰度值高于設定的灰度閾值T，則記為最大灰度值Tmax，否則，記為最小灰度值Tmin。 此處理方法能使霜層有效地獨立于背景，但灰度閾值的選擇對于霜覆蓋率的計算有較重要的影響。由于本實驗采取定性分析法，故通過對一組實驗的結霜過程圖片進行預處理，最終選定一個合適的灰度閾值，并應用于所有圖片的處理。

2 實驗結果及分析

2.1 霜層生長模式及霜量表征

圖3所示為此熱泵系統在制熱模式下運行時，外環境溫度為0 ℃和3 ℃時，室外換熱器表面的霜層生長照片，集液管水平放置，制冷劑上進上出。另外，為凸顯霜層生長與換熱器流程分布的關系，在其中兩張照片上框示出了換熱器的4 個流程，箭頭方向為制冷劑流向。由于環境溫度0、3、5 ℃下室外換熱器處進風均為高濕度，故環境溫度越低霜層生長越快，最終的霜覆蓋率也越高，但是霜層生長模式呈現相同的規律。 ? 圖3 室外換熱器表面霜層生長照片
Fig.3 Photos of frost growth on surface of outdoor heat exchanger 第一流程霜層均勻分布，因液態制冷劑占比較高、流程扁管數較少，且扁管和集液管內流阻所產生的壓降最低、整體流速最高，氣態和液態制冷劑不易分離。進入第二流程時，右半流道先結霜，因為在下方集液管中氣液分層，氣態制冷劑密度較小，更易上升進入垂直扁管，所以氣態制冷劑主要集中在左半流道，使得該區域幾乎沒有制冷劑蒸發吸熱，直觀表現為前期表面無霜層生長。

進入第三流程時，左半流道先結霜，這是由于氣態制冷劑與液態制冷劑相比有更高的流速，液態制冷劑在重力的作用下更易進入靠近入口的扁管，使得氣液分離。進入第四流程時的現象和原因與第二流程相同，但無霜層生長的區域面積率更大，因為第四流程扁管數更多，且此時為制冷劑在室外換熱器中蒸發吸熱的最后階段，氣態制冷劑占比較液態制冷劑高。另外，在制熱運行后期，換熱器表面原來無霜層生長部分也均逐漸由外邊緣至內部覆蓋霜層。原因是由于扁管的導熱作用使得冷量逐漸由結霜區域向未結霜區域傳遞，同時霜層覆蓋區域翅片空隙被堵，制冷劑在換熱器中換熱不足，導致液態制冷劑占比提高而結霜區域擴大。J．Benouali等對四流程的豎直扁管型微通道換熱器中制冷劑的流動分布進行了實驗研究，制冷劑同樣為上進上出，據紅外熱像圖顯示的兩相制冷劑分布與本實驗的現象及解釋具有一致性。 圖4所示為環境溫度0 ℃下室外換熱器迎風表面12 個測點的溫度變化趨勢，系統運行5 min 時各測點溫度已低于0 ℃。

測點1～9 的溫度從10 min 開始進入快速下降階段，直至25 min 后趨勢減緩，此過程中各測點所在區域的霜層從較薄狀態逐漸長至較厚狀態。而測點10～12 的溫度在起始35 min 內基本維持在-2 ℃，從35 min 才開始快速下降且速率大于測點1～9，直至40 min 時所在流道被薄霜覆蓋，此后降溫速度放緩、霜層增厚。上述現象反映了室外換熱器表面霜層生長和表面溫度下降兩個因素之間的聯動關系，即表面溫度下降為霜層生長提供條件，而霜層的生長又加劇了表面溫度的下降。 圖4 環境溫度0 ℃時室外換熱器迎風表面測點溫度隨時間變化 Fig.4 Variations of temperature at measured points on windward surface of outdoor heat exchanger in ambient temperature of 0 ℃with time 換熱器表面溫度分布反映了扁管內制冷劑溫度分布。
以20 min 時各點溫度為例，對各流程3 個溫度點取平均值，第一流程至第四流程的平均溫度值分別為-12．7、-8．8、-11．7、-2．3 ℃，最大溫度差值達10．4 ℃，因為流動過程中氣態和液態制冷劑分離，且氣態制冷劑處于過熱態，溫度高于蒸發溫度。這表明室外換熱器存在兩相制冷劑流動分布不均的問題，且由于氣態制冷劑與空氣之間的傳熱溫差小、傳熱效率低，氣態制冷劑所在區域的面積未得到充分利用，使得換熱器的換熱能力降低。 圖5所示為各溫度下霜覆蓋率隨系統運行時長的變化趨勢。霜覆蓋率定義為霜層覆蓋面積和室外換熱器面積的比值，其值由ImageJ 處理得出。 圖5 霜覆蓋率變化 Fig.5 Change of frost coverage rate 由圖5 可知，霜覆蓋率均呈增長狀態，環境溫度越低則霜生長速度越快。系統在0 ℃、3 ℃環境溫度下定時運轉50 min，前者霜覆蓋率已接近100%，而后者不足80%，5 ℃環境溫度下尚不足50%，霜分布特征及對系統參數的影響還不明顯，故持續運轉至130 min。若以環境溫度3 ℃下77．4%的霜覆蓋率為基準，各溫度下霜覆蓋率達到該程度的時長分別為25、50、100 min，此后將對比各環境溫度下系統從啟動到運行至以上時長的部分參數變化趨勢。

2.2 結霜對室外換熱器制冷劑側參數的影響

圖6所示為室外換熱器制冷劑側進出口溫度隨時間的變化趨勢。由圖6 可知，各環境溫度下進出口溫度均呈下降趨勢，且環境溫度越低則下降速率越快。進出口溫度呈下降趨勢是因霜層的生長引起空氣側對流換熱表面傳熱系數和導熱系數降低，使得流經換熱器的制冷劑吸熱量減少，蒸發溫度降低，即制冷劑側進出口溫度降低。而環境溫度越低下降速率越快，則是因環境溫度越低，蒸發溫度越低，故換熱器表面的溫度越低、霜層越易于生長，而霜層生長又促進了蒸發溫度的進一步降低。 ? 圖6 室外換熱器制冷劑側進出口溫度變化
Fig.6 Change of inlet and outlet temperature of outdoor heat exchanger in refrigerant side 另外，環境溫度3 ℃和5 ℃下制冷劑側的溫度較為接近，而環境溫度0 ℃和3 ℃下的則相差較大。以各環境溫度下的初始狀態點的進口處制冷劑溫度進行對比，環境溫度3 ℃時比5 ℃時低1．5 ℃，而環境溫度0 ℃時比3 ℃低4．3 ℃，環境溫度下降1 ℃引起的制冷劑側溫度下降量分別為0．75 ℃和1．43 ℃。可知，環境溫度影響室外換熱器制冷劑側的溫度，且環境溫度越低，同等環境溫度下降量引起的制冷劑側溫度下降量越大。

2.3 結霜對壓縮機參數及制熱量的影響

圖7所示為壓縮機的吸排氣壓力隨時間的變化趨勢。由圖7 可知，各環境溫度下壓縮機吸排氣壓力均呈下降趨勢。環境溫度0、3、5 ℃下初始狀態的吸氣壓力分別為0．13、0．18、0．19 MPa，至霜覆蓋率達77．4%時的下降量均為0．06 MPa，降幅分別為33．4%、24．0%、24．7%，而排氣壓力降幅為12．1%、12．0%、13．0%。

圖7 壓縮機吸、排氣壓力變化
Fig.7 Change of suction and discharge pressure of compressor 吸氣壓力降低是因其受室外換熱器出口處制冷劑壓力的影響，而室外換熱器出口處制冷劑壓力又隨霜覆蓋率的提高而降低。排氣壓力降低是因壓縮機定轉速運轉而能力有限導致，其值降低意味著系統的冷凝溫度降低，同時，由于壓縮機吸氣密度降低，制冷劑質量流量也呈降低趨勢。 圖8所示為制熱量及壓縮機單位功耗隨時間的變化趨勢，環境溫度0、3、5 ℃下，制熱量在起始階段均呈平穩或略微增長趨勢，而后均呈下降趨勢，降幅分別為25．8%、20．7%、20．5%；環境溫度對制熱量有較大影響，以過程中各環境溫度對應的最大制熱量為例，分別為2．4、3．1、3．3 kW。壓縮機單位功耗則呈增長趨勢，漲幅分別為32．0%、28．5%、20．9%，因室外換熱器結霜過程中壓比增長，壓縮機運行偏離高效狀態，這里采用單位功耗表征壓縮機的運轉效率是為了排除制冷劑質量流量降低對功耗的影響。綜上所述，室外換熱器結霜會導致系統能效降低，制熱量無法滿足制熱負荷要求。

圖8 制熱量及壓縮機單位功耗變化
Fig.8 Change of heating capacity and unit power consumption of compressor

3 結論

本文搭建了熱泵型電動汽車空調系統實驗臺，研究了熱泵系統在制熱模式運行時，室外換熱器的霜層生長分布特性及結霜對系統重要參數的影響，得出結論如下: 1)在實驗所測試的工況下，環境溫度越低霜層生長越快，最終的霜覆蓋率也越高，但霜層生長模式呈現相同的規律，即各流道霜層分布呈不均勻狀態，原因為其內兩相制冷劑密度不同且受重力影響，導致產生氣液相分離、在流道內分布不均的狀況。 2)室外換熱器結霜會導致室外換熱器制冷劑側溫度降低，其表面霜層生長和表面溫度下降兩個因素之間為聯動關系，即表面溫度下降為霜層生長提供條件，而霜層的生長又加劇了表面溫度的下降。 3)室外換熱器結霜會導致壓縮機的吸排氣壓力和系統制熱量降低，從而導致壓縮機單位功耗增長。在本實驗工況下，當霜覆蓋率達77．4%時，環境溫度0、3、5 ℃下的吸排氣壓力降幅分別為33．4%和12．1%、24．0%和12．0%、24．7%和13．0%，制熱量降幅分別為25．8%、20．7%、20．5%，而壓縮機單位功耗增幅分別為32．0%、28．5%、20．9%，即環境溫度越低，系統各參數及性能受結霜影響越大。其中，吸氣壓力的大幅降低會極大影響系統運行的穩定性。

作者：包佳倩 蘇林 劉明康 方奕棟 李康

編輯：黃飛