熱泵系統
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-05
熱泵系統的實例教程
熱泵采暖系統分為冷媒系統和水系統兩部分。本文從熱泵采暖系統結構原理特點以及實際應用環境負荷變化對水系統的要求進行分析，提出了利用變頻技術調節水泵電機的轉速，來調節流量和壓力的變化取代用閥門控制流量，增加系統運行的穩定性和可靠性的解決方案，可以帶來明顯的節能效果和良好的經濟效益。
一、熱泵采暖系統工作原理及特點
熱泵采暖系統是由一連串的流體機械和熱交換器組合而成的。它主要由制冷系統、水循環系統、地暖管系統和風機盤管系統四部分組成。圖1為典型熱泵采暖系統工作原理示意圖。
圖1.熱泵采暖系統工作原理示意圖
熱泵采暖系統的特點如下：
1. 冷熱負荷要求的不均勻性。
在熱泵采暖系統設計時，為保證在大氣溫度最低的情況下能滿足使用要求，所以按最大負荷設計并有15%左右的富裕量，而平時使用時并不能達到滿負荷，所以存在較大裕度，其中熱泵主機可以根據負載變化使用變頻壓縮機或者并聯多臺主機來自動加載、卸載，而水泵的流量如不能隨熱泵主機進行調節，必然存在很大的能量浪費。
除此之外，每年的氣象條件是隨季節呈周期性變化的。據統計，國內中央空調水泵在滿負荷情況下運行的時間較少，大部分時間運行在總負荷的60%～80%之間(如圖2)。而從歐盟ERP指令中關于水泵EEI指數計算流量、時間百分比來看（如表1），歐洲采暖系統水泵運行負荷更多集中在50%以下，這可能和歐洲建筑保溫效果好有很大關系。
展開 一、帶熱泵的加熱回路
寶馬i3純電動車的熱泵換熱器安裝在冷卻液泵和電加熱器之間。由于使用熱泵，電加熱器的電能消耗明顯減少。
在進行效率比較時，清晰地顯示了熱泵節約的能量。為了獲得5kW的輸出熱量，由于電阻損失，電加熱器需要消耗5.5kW的電能。而帶熱泵的系統只需要2.5kW的電能。EKK使用這些電能壓縮制冷劑，在熱泵換熱器產生所需的輸出熱量。如圖1所示。
圖1 熱泵和電加熱器效率比較
1 熱泵 2 電加熱器 A 輸出熱量 B 消耗的電能
冷卻液回路只是增加了熱泵換熱器。即使使用熱泵，也必須配置電加熱器，以保證系統發生故障時，還能夠達到乘客艙所需的溫度，如圖2所示。為了防止回路堵塞或損壞，必須使用寶馬i3新型專用冷卻液。
圖2 帶熱泵的乘客艙加熱
1 乘客艙換熱器 2 電加熱器 3 電動冷卻液泵(12V) 4 儲液罐 5 熱泵換熱器
二、熱泵系統圖
在寶馬i3純電動車上，電機和動力電控裝置產生的可用廢熱很少。即使在寶馬i3增程式純電動車上，也不使用增程式發動機上產生的廢熱。為了減輕重量，該款增程式純電動車上不配置熱泵。
由于配置了熱泵，使用電加熱器的純電動車的行駛里程并不明顯減少。乘客艙所需的熱量由帶熱泵的暖風空調系統提供。
熱泵的工作原理與暖風空調系統相反，高溫高壓的制冷劑流過冷凝器時，釋放的熱能直接排入大氣。而高溫高壓的制冷劑流過熱泵熱交換器時，制冷劑釋放的熱能用于加熱乘客艙。如圖3所示。
展開 集成熱管理系統（ITMS）作為保證電動汽車最佳運行的框架，已受到越來越多關注。目前，對ITMS的研究大多集中在機艙和電池的溫度控制上，只有少數研究考慮了電機或電控制的熱管理。Kexin等[6]設計了一種基于單級壓縮熱泵系統（SCHPS）的ITMS，通過三通和電磁閥的開關，實現了電池和座艙的加熱和冷卻。特斯拉的Y型使用了一個復雜的ITMS，覆蓋了座艙、電池、電機和電控，該系統設置為多種模式，以確保各部件的溫度調節和系統的高效運行。但上述研究都是基于SCHPS的，這在一定程度上限制了系統效率。
02
成果掠影
近期，華南理工大學Jianghong Wu團隊通過對熱泵系統的實驗研究和電氣系統的熱分析，創新性地開發了一種基于制冷劑注入熱泵的高效集成熱管理系統，并利用工程系統仿真高級建模環境（AMESim）軟件搭建了系統仿真平臺，對系統性能進行評估。結果表明，基于中間熱交換器的電池冷卻穩定性和效率優于雙蒸發器設置，可以在 35 ℃ 的環境溫度下降低 30% 的能耗。電機熱回收及高溫電控熱管理系統可降低能耗11.98%～56.69%，滿足-22.04℃的供暖條件?；谥评鋭﹪娚?em>熱泵的集成熱管理系統擴大了高速公路燃油經濟性測試 (EPA-420-B-12-001) 的運行范圍。在電加熱的輔助下，本研究開發的仿真系統可以滿足中國寬溫度范圍的負載要求。
展開 如何提高氫燃料汽車的熱管理效率
針對商用車而言，它的分布式有30%是排氣排走了，會有25%到了冷卻系統，45%到了其他的系統。到了氫燃料電池系統，最終的效率會高一些，會有50%-52%，但它排氣所能排放的熱量是很有限，因為它要采用低溫排放的方式，所以42%以上的熱量都要通過冷卻系統排掉。
這樣和原來的冷卻系統比，能力要提高到原來的1.5-2倍，這是一個非常大的挑戰。因為換熱器面積是有限的，這樣必須采用一個更好更高效的系統解決方案，才可以應對。
馬勒在應對氫燃料電池汽車熱管理的挑戰時，首先馬勒采用電池冷卻方式，主要是有空氣和氫氣的熱管理系統，各種各樣的換熱器，整個系統設計方案，是從系統架構的設計，從系統的模擬，從零部件的規格制定和選型，包括整個測試，以及支持整車的驗證。馬勒已經有全面的氫燃料電池汽車系統全面的系統設計、測試驗裝等能力。
賈宏濤表示：馬勒是有一個整體化的熱管理解決方案的公司，它結合了所有電池、電驅系統的解決方案。馬勒有高度集成化的系統，可以大大優化空調管路、傳感器，從而降低成本和整個系統的重量。馬勒提供全面的熱泵系統解決方案，從間接式和直接式，但馬勒認為直接式的熱泵系統是最優選擇。再是馬勒也針對不同的制冷劑有不同的解決方案，包括R290包括二氧化碳系統?，F在馬勒已經在研發二氧化碳的熱泵系統，以及R290的熱泵系統，包括2124F熱泵系統。
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展開 這份 SSP 881213《 ID Air Conditioning and Heat Pump in MEB Vehicles》是有關于大眾熱泵空調很詳細的敘述，我想摘錄一些有空的內容供各位讀者參考，當然最重要的還是基于R744（CO2）制冷劑的熱泵熱泵系統，可以充分回收電池、電機、功率電子和充電系統的能量來作為能量源，這也是大眾在熱管理方面的布局。
圖1 大眾的兩種熱泵空調
一、熱泵系統
二氧化碳熱泵的低溫性能很好，能夠在更低的溫度下吸收更多的熱量，系統壓比更低，對壓縮機的要求也會低一些，可以提高熱泵的制熱性能。但是二氧化碳熱泵的工作壓力大概是傳統制冷劑的10倍，極限的工作情況可達90bar左右。
備注：R-744的終極優勢是環保，并且二氧化碳沒有毒性，不需要考慮回收。
圖2 大眾對于R-744（CO2）的選擇
基于R-744的熱泵系統主要包含這些部件：VX841空氣壓縮機總成（還包含J842的控制模塊）、ZX17的高壓PTC模塊和J848的PTC控制模塊，還有一系列的管路。
圖3 大眾的熱泵系統組成
（1）AC Compressor
熱泵的核心是這個空氣壓縮機，這個壓縮機兼容R1234yf和R744兩種制冷劑，在后者上增加了厚度，并且相應對于尺寸做了適配。
圖4 空壓機設計變化
如下所示，空壓機工作范圍覆蓋-28度到70度，采用lin通信，最大的功率5.5kW，其中電機功率為4.4kW。
表1 空壓機的參數
（2）Valve Unit 總成
這套總成由5個截止閥和3個膨脹閥共8個電磁閥裝置組成，通過8個電磁閥不同的組合方式，MEB的熱泵系統可以實現4種制冷模式和3種加熱模式場景的切換。
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3.
</p><p>油泵/水泵電機：小型化設計適配集成式熱管理系統，如特斯拉熱泵系統中的循環泵電機。</p><p><strong style="background-color: rgb(253, 198, 32);">2、工業與商用設備</strong></p><p>1）. 工業驅動電機</p><p>場景：數控機床、機器人關節電機、風機、泵類等大功率工業設備。
熱泵系統
熱泵系統是一種利用制冷劑在封閉系統中循環流動，實現能量轉移的高效熱管理方案。該方案具有較高的能效比，但對系統密封性和制冷劑選擇要求較高。
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根據種類不同，冷媒在生產和使用過程中可能會產生爆炸風險（如R290灌注環節）、中毒風險（如使用R717 (NH3)的冷庫機房）和缺氧風險（如使用R744 (CO2)的熱泵系統）。此外，某些冷媒還可能產生環境影響，如溫室氣體泄漏。因此，除了在生產和使用過程中尋求更安全的流程和方式外，還需要配備可靠且穩健的冷媒氣體檢測措施，以確保人身安全和環境保護。
冷媒直冷方式是指繞過空調的熱泵系統、通過把冷媒注入貼在電池上的冷卻板來對電池進行冷卻/加熱的方式。水冷方式是從熱泵系統通過板式換熱器等將熱量從冷媒傳遞到水（冷卻劑）、以水作為熱介質調節電池溫度。
如果單從電池來看，只不過是用冷媒冷卻還是用水冷卻的差異而已。但是，從純電動汽車的整體熱管理系統來看，兩者的差異隨處可見。
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如果單從電池來看，只不過是用冷媒冷卻還是用水冷卻的差異而已。但是，從純電動汽車的整體熱管理系統來看，兩者的差異隨處可見。
