Soluzioni tecniche tradizionali per i condizionatori a pompa di calore
per i veicoli a nuova energia
Una pompa di calore è un dispositivo di climatizzazione in grado di trasferire con forza l'energia termica da una fonte di calore di basso livello a una fonte di calore di alto livello, simile a una "pompa dell'acqua" che può pompare l'acqua da un luogo basso a uno alto. L'uso di una valvola di inversione a quattro vie può scambiare le funzioni dell'evaporatore e del condensatore di un condizionatore d'aria a pompa di calore e cambiare la direzione del trasferimento di calore, ottenendo così l'effetto di raffreddamento in estate e riscaldamento in inverno.
La base teorica delle pompe di calore deriva dal ciclo termodinamico di Carnot inverso. La refrigerazione e il riscaldamento dei sistemi di climatizzazione a pompa di calore utilizzano compressori elettrici dedicati per azionare il ciclo di refrigerazione o riscaldamento. In inverno il riscaldamento non è più uguale ai condizionatori elettrici esistenti. Il riscaldamento PTC utilizza l'azionamento del compressore elettrico per ottenere il riscaldamento.
Attualmente, la ricerca sul condizionamento dell'aria a pompa di calore per veicoli elettrici si divide principalmente in tre tipologie: 1) sistemi a pompa di calore basati sul refrigerante esistente R134a; 2) tecnologia a pompa di calore che utilizza il refrigerante CO2; 3) sistemi di climatizzazione a pompa di calore solare. In base al numero di scambiatori di calore, questi sistemi possono essere suddivisi in due tipologie: scambiatore di calore singolo e scambiatore di calore doppio; a seconda dei diversi compressori, il sistema può essere suddiviso in due diverse tipologie: compressore a palette e compressore scroll.
Secondo il refrigerante, i sistemi di climatizzazione a pompa di calore comprendono principalmente il tipo R134a e il tipo CO2. Sebbene la CO2 abbia buone proprietà termofisiche e il potenziale di riscaldamento globale (GWP) della CO2 sia un millesimo di quello dell'R134a, dal momento che vari sistemi di climatizzazione per autoveicoli attualmente utilizzano principalmente il refrigerante R134a, la progettazione dei componenti, la produzione e l'assistenza post-vendita e la manutenzione sono progettate sulla base di le proprietà fisiche del refrigerante R134a e dei sistemi di climatizzazione a pompa di calore R134a sono diventati la tecnologia principale attualmente in fase di sviluppo.
Utilizzando l'R134a come refrigerante, di solito ci sono due opzioni per la struttura dei sistemi di climatizzazione a pompa di calore per veicoli elettrici.
1. Opzione 1: il sistema è costituito da un compressore elettrico per il condizionamento dell'aria, un separatore gas-liquido, un gruppo HVAC (compreso un condensatore per auto, un evaporatore, una ventola dell'evaporatore e un PTC di riscaldamento ausiliario), uno scambiatore di calore esterno e molteplici elettrovalvole. In generale, si basa sul condizionatore elettrico comunemente utilizzato nei veicoli elettrici esistenti, utilizzando un compressore elettrico, lo scambiatore di calore esterno è uno scambiatore di calore a flusso parallelo con alette a forma di "V" verticale e aumenta la condensazione all'interno del veicolo all'interno dell'HVAC assemblaggio e riscaldamento ausiliario PTC, aggiungere più elettrovalvole alla tubazione dell'aria condizionata e controllare la direzione del flusso del refrigerante controllando l'apertura e la chiusura di più elettrovalvole. La combinazione di più elettrovalvole può non solo cambiare la direzione del flusso del refrigerante, ma anche espandere il refrigerante.
2. Opzione 2: utilizzare un compressore elettrico per modificare la direzione del flusso del refrigerante attraverso una valvola di inversione a quattro vie. Utilizzare una valvola di espansione elettronica per ottenere un flusso bidirezionale del refrigerante. Lo scambiatore di calore esterno utilizza alette verticali a "V" per lo scambio di flussi paralleli. Riscaldatore, aggiungere riscaldamento ausiliario.
Nel sistema di climatizzazione a pompa di calore dello Schema 2, i principi di raffreddamento e riscaldamento sono simili a quelli dello Schema 1. La differenza è che la valvola di inversione a quattro vie può commutare simultaneamente il refrigerante della valvola TXV di refrigerazione e la valvola TXV della pompa di calore dello Schema 1. L'espansione elettronica La valvola funziona come refrigerante di espansione sia per la refrigerazione TCV che per la pompa di calore TXV. Il funzionamento del sistema è controllato da un controller dedicato della pompa di calore.
Esistono differenze nei componenti coinvolti tra le due soluzioni precedenti
I componenti coinvolti nella prima opzione sono relativamente maturi e affidabili ed è meno difficile realizzare le funzioni di raffreddamento e riscaldamento. Tuttavia, il sistema ha molti componenti. Per realizzare le funzioni di commutazione ed espansione del refrigerante, vengono aggiunte un'elettrovalvola, una valvola di inversione e una valvola di espansione elettromagnetica. Per realizzare la funzione di scambio di calore nell'auto, all'evaporatore viene aggiunto un condensatore di bordo. È difficile organizzare lo spazio della tubazione e l'unità principale del condizionamento dell'aria deve essere riprogettata. Poiché il progetto prevede molti corpi valvola e troppi giunti di tubi, la resistenza al flusso del refrigerante è elevata e l'efficienza e il risparmio energetico sono leggermente insufficienti. In termini di precisione del controllo, è difficile controllarlo accuratamente e il costo di sviluppo complessivo è elevato.
L'opzione 2 ha una struttura di sistema semplice e coinvolge meno parti. Il nucleo è costituito dalla valvola di inversione a quattro vie e dalla valvola di espansione elettronica. Poiché lo scambiatore di calore dell'auto funziona sia come condensatore che come evaporatore, l'unità principale del climatizzatore può essere presa in prestito direttamente e la complessità delle tubazioni è ridotta. In termini di precisione del controllo, ci sono relativamente pochi prodotti maturi a livello nazionale per le valvole di espansione elettronica e le valvole di inversione a quattro vie, e i principali produttori di componenti per valvole stanno attualmente lavorando su sviluppi chiave. Per ottenere un controllo preciso sono necessari regolatori speciali per il condizionamento dell'aria a pompa di calore, motivo per cui diverse aziende ospitanti sono alla ricerca di compiti di implementazione chiave nello sviluppo del condizionamento dell'aria. In questa fase, i costi di sviluppo e calibrazione sono relativamente elevati e il costo del sistema è equivalente a quello della Soluzione 1. Tuttavia, man mano che il prodotto diventa più popolare e il volume aumenta, il prezzo diminuirà in modo significativo. Attualmente tutte le aziende ospitanti in patria e all’estero adottano questa soluzione.
Al fine di realizzare l’industrializzazione di massa dei sistemi a pompa di calore nel contesto industriale esistente, la tendenza è sviluppare il sistema di condizionamento d’aria a pompa di calore mostrato nel Piano 2. L’industria deve coltivare componenti fondamentali come l’alta velocità e l’alta efficienza compressori elettrici, scambiatori di calore esterni ed interni, valvole di inversione a quattro vie e valvole di espansione elettroniche e promuovono i componenti affinché diventino maturi e affidabili il prima possibile. Le aziende ospitanti devono migliorare il controllo sull’integrazione dei sistemi a pompa di calore. Capacità di sviluppo.
