TMS BOOK · ACADEMY 讲义

热泵采暖原理与低温制热衰减

大纲的完整展开版——讲师授课蓝本 / 学员自学材料

C3-02 热泵采暖原理与低温制热衰减

课程代码 C3-02 · 板块 C 乘员舱空调与 HVAC / 热泵与采暖系统 时长 约 4.0 小时(5 讲) 前置 A5-02 从燃油车到电动车的热管理演进(热泵为什么值得上、代价是什么);A1-04 log p-h 图判读;C1-05 空调系统能效(COP)优化路径;G1-02 压缩机排量、转速控制与容调 本讲义定位 讲师授课蓝本 / 学员自学讲义,是 C3-02 大纲的完整展开版


引言:把「不够热」拆到链上的某一环

热泵值得上车,是因为它把功用在搬运热量而不是产生热量上——同样一度电,电阻加热只能变出一度电的热,热泵还能再从环境里拖一份进来。代价是它有个很硬的脾气:越冷越没劲,而最需要它出力的偏偏是最冷的那几天。这门课不打算把这件事总结成「热泵天生怕冷」就收场——那句话听上去像结论,实际上支撑不了任何一个工程动作。

全课要敲的第一根钉子是:低温制热的衰减是一条乘积链,不是一条曲线。制热量是质量流量与冷凝段焓差的乘积,而质量流量本身又是一条乘积——ṁ = V_disp·n·η_v·ρ_suc。环温一降,吸气密度 ρ_suc 与容积效率 η_v 同时往下走、并且相乘;排气温度随高压比撞上保护限,控制器只能压掉转速 n,同一条式子的第三个因子上又被砍一刀;室外换热器结霜再从换热能力与时间平均两侧各扣一次。四重不是相加,是相乘,曲线因此掉得比任何单项都陡。所以听到「制热量不够」,第一个动作是把它拆到这条链上的某一环,而不是整体归因给一句脾气。这里先划一条界线:卡诺上限里只有两个温度,不含排量、不含转速、不含任何几何量,它管的是 COP 的天花板、不管制热量;它是 COP 的上界,不得当作可达值,也不得据它推容量——拿卡诺曲线的斜率去预期制热量曲线的斜率,是把一个量用到了它管不着的地方。

第二根钉子钉在交付物上:平衡点温度不是热泵的属性,是两条曲线的交点。报出或者收下任何一个平衡点温度,都必须同时说清三件事——用的是哪一条座舱需求线、制热量曲线是台架值还是扣过化霜与寄生功的有效值、冷凝热落在哪一条路线上。三项缺任何一项,这个温度既不能与另一个平衡点比大小,也不能直接写进标定表。换一条需求线就换一个平衡点,这不是精度问题,是口径问题。

也正因为平衡点在图上是一个交点,本课最容易被读反的一条就是「平衡点就是该关掉热泵、切到 PTC 的那个温度」。这个误读几乎是本课自己制造的:第 4 讲还有另一个交点——COP_h 曲线掉到与电阻加热持平的那一点,两个交点在图上长得一模一样,很容易被并成一件事、再起名叫「切换点」。请从一开始就换成另一句:平衡点回答「要不要补」,不回答「要不要关」。这是互不相干的两条判据链,连量纲都不一样——平衡点在容量轴上,单位是 kW,问的是热量够不够;另一个交点在能效轴上,无量纲,问的是这份热用搬的还是用烧的更省。本课把两者分开判、分两张图画,也不从其中一个推出另一个。读反之后最典型的错误动作,是把平衡点温度直接写进标定表当停机门限:只要有效 COP 还在电阻加热那条基准之上,停掉热泵就是把一件更省的事换成一件更费的事,而亏了多少,第 4 讲可以当场算出来。

第 1 讲 热泵制热循环怎么走

很多人第一次接触车用热泵,脑子里的图像是「空调系统上多接了一条制热的管路」。这个图像会让后面所有的判断都偏掉。热泵不是多长出来的一条支路,它是同一套系统换了角色——同一台压缩机、同一套冷媒、同一条热力学循环,只是「哪一侧是低温热源、哪一侧是热汇」对调了。这一讲要交付四件事:把制热循环在 log p-h 图上画清楚并认准哪一段是有用输出;把冷凝热的落点从「三条路线」还原成一张二维表;把换向的实现方式与各自的副作用分门别类;以及把 COP 大于 1 这件事的能量来源讲到能自己推一遍。这四件事讲完,第 2 讲的「四重衰减」才有地方挂。

⚠ 先划一条射程线:本课的全部结论都建立在亚临界循环上——高压侧存在一个明确的冷凝饱和温度,冷凝段可以分成过热、两相、过冷三段。跨临界工质(R744/CO₂)的排热侧走的是气冷器、根本没有冷凝饱和温度这个概念,它的低温衰减形态与本课讲的不是一回事,本课在完整清单里给它留了位置但不展开。⛔ 本讲的任何一条结论都不得写成「对所有热泵都成立」。

1.1 换向是角色互换,不是多长出一条制热支路

是什么。制冷与制热共用同一条循环。制冷时热从座舱搬到环境,制热时热从环境搬到座舱;室外换热器从冷凝器变成蒸发器,室内侧从蒸发器变成冷凝器。在 log p-h 图上还是那四个点,编号与走向都不变:

  • 1 低压过热气(压缩机吸气口)
  • 2 高压过热气(压缩机排气口)
  • 3 高压过冷液(冷凝出口)
  • 4 低压两相(节流后,节流是等焓过程,故 h₄ = h₃)

变的不是这四个点的连法,而是哪一段是「有用输出」:制冷时有用输出是蒸发段焓差 h₁ − h₄(座舱的热被吸走),制热时有用输出是冷凝段焓差 h₂ − h₃(热被送进座舱)。这条对调是整门课的起点。承接 A1-04 工程热力学与蒸气压缩制冷循环(log p-h 图判读) 的读图能力;若你还没读过那门课,本讲把用得到的那一层就地写清了,不必先回去补。

为什么这件事值得单列一节。热泵之所以能把能效从 PTC 的 1 抬上去,靠的不是「做了一个更好的加热器」,而是把电功用在搬运而不是产生热量上。把这一点想通,你才会明白低温下衰减的是搬运能力而不是加热能力——这正是第 2 讲要逐环拆开的那条链。反过来,如果脑子里是「多了一条制热支路」,你会自然地以为制热工况可以独立选部件;而实际上两个模式共用同一台压缩机、同一套换热器面积,选型只有一次机会,这就是本讲 1.7 那条「权重反转」的由来。

有用输出包含排气过热段,这一点最容易漏。冷凝段的全长是 h₂ − h₃,它由三段构成:排气过热段(2 → 2′,把过热气冷却到饱和气,放的是排气显热)、两相冷凝段(2′ → 3′)、过冷段(3′ → 3)。低温制热时压比高、排气过热度大,过热段在冷凝段焓差里占的份额随压比上升而上升。只算两相段就会低估制热量——这是把制冷侧「有用输出等于蒸发段焓差」的习惯直接搬过来的必然结果,因为制冷侧的有用输出确实几乎全在两相段里。

工程量级(教学口径)。本课统一取一组教学口径:工质 R134a、冷凝温度 T_cond = 50℃、吸气过热 SH = 5 K、过冷 SC = 5 K、等熵效率 η_is = 0.65。该口径下冷凝段焓差 h₂ − h₃ 随蒸发温度的取值为:

T_evap +10℃ 0℃ −10℃ −20℃ −30℃
h₂ − h₃(kJ/kg) 183.07 188.70 195.14 202.60 211.32
排气温度 T_dis(℃) 70.2 75.3 81.2 88.0 96.1

(CoolProp 8.0.0 逐点复算,教学口径,⚠ 教学假设值,不对应任何平台。)

把 T_dis 与 T_cond = 50℃ 相减就能看出排气过热度的量级:T_evap = −20℃ 时约 38 K,T_evap = +10℃ 时约 20 K。排气过热段随蒸发温度下降而变长,这就是「有用输出必须含过热段」在数上的分量。⚠ 上表的 T_dis 是循环层的值,不含电机绕组对吸气的额外加热,也不含实际 η_is 低于 0.65 时的额外升温,真车会更高;⛔ 这组数不得拿去与任何排温保护限比较得出「撞不撞限」的结论,保护限是部件相关量,本课不给——它由压缩机与冷冻油共同决定,须由压缩机规格书给出(第 2 讲讲这条边的机理);把它落成本平台的标定表去向 K6-07 热泵与多模式切换标定,⚠ 去那里能拿到的是落表方式,不是限值本身。

⚠ 关于这组教学口径,有三条局限必须说在前面:① 真实平台的 T_cond 由冷凝热落点路线、出风温度目标与逼近度共同决定,间接式会明显更高;② η_is = 0.65 在本课里是一个不随工况变的常数,而实际 η_is 随压比下降,因此本课算出的 T_dis 趋势是偏乐观的——⛔ 但正因为它是偏乐观侧,就不得反过来拿它论证「实际排气温度至少有多少」;③ 未计电机绕组对吸气的加热。它们存在的唯一目的,是让第 2 讲的几重衰减能在同一套输入下逐环复算给你看,⛔ 不得被当作可取用的设计参数。

易错点。① 把换向理解成系统里多了一条制热支路;② 把制热循环画成一个新循环而不是同一个循环换了角色——后者会让人以为制热工况可以独立选部件;③ 只算冷凝两相段,把排气过热段漏掉;④ 把两个模式画在同一张 p-h 图上时默认它们的冷凝温度相同。⚠ 第 ④ 条要特别说明:下面的图1 为了让「有用输出换了一段」一眼可辨,刻意让两条循环取同一个 T_cond,只让低压侧不同——这是本图为作对比而做的简化。真车上两个模式的冷凝温度根本不同(制冷时冷凝对环境空气,制热时冷凝对座舱空气或冷却液),⛔ 不得据图认为两个模式共用一个冷凝温度。

log p-h 图上叠画制热循环(实线,蒸发温度 −20℃)与制冷循环(虚线,蒸发温度 5℃),四个状态点 1/2/3/4 各带标签,制热侧用双箭头标出有用输出 h₂−h₃=202.60 kJ/kg 并把冷凝段拆成排气过热段与两相段,制冷侧用另一支双箭头标出蒸发段焓差;左下角小框列出 202.60=126.73+75.87。图中的 T_cond=50℃、SH=5 K、SC=5 K、η_is=0.65 与制冷循环的 T_evap=5℃ 全部是教学假设值,不对应任何平台,不得据本图取用任何设计参数。
图1 制热与制热循环的角色互换:两条循环点位编号相同、走向相同,变的只是哪一段被当作有用输出——制热读冷凝段(含排气过热段),制冷读蒸发段;两条循环的低压侧位置明显不同,说明它们不是同一个运行点。图中 T_cond=50℃、SH=5 K、SC=5 K、η_is=0.65 与制冷循环的 T_evap=5℃ 全部是教学假设值,不对应任何平台,⛔ 不得据本图取用任何设计参数。

1.2 冷凝热的落点是一张二维表,不是三条路线

是什么。热泵的冷凝热要交给谁,常被讲成三条路线:直接式(舱内冷凝器 IC,冷凝热直接给舱内空气)、间接式(水冷冷凝器 WCC + 暖风芯体)、双冷凝器混合。这三条是对的,但它们只填满了一根轴。把落点画全,是两根轴:

  • 轴 A:冷凝热先交给什么介质——① 直接交给舱内空气(IC);② 先交给冷却液(WCC);③ 两者并存并可分配(双冷凝器,串联或并联,分配比可调或固定)。
  • 轴 B:这份热最终去哪个热汇——① 座舱空气;② 电池包;③ 低温散热器 LTR/排向环境(化霜与除湿再热时的余量排放);④ 余热总线上的其它需热件;⑤ 蓄热件(相变或水路蓄热,供化霜空窗期用)。

两根轴的组合不是满格的:选 IC,轴 B 就被锁死在第 ① 行;WCC 与双冷凝器才留下 ②③④⑤。⚠ 这里的「可达」是本课为画这张表所下的定义——不新增换热器即可把冷凝热送到该热汇。再加一套换热器当然送得到,但那已经是另一套架构、另一笔成本与包装账,不算这一格可达。

为什么必须把轴 B 画出来。只沿「IC/WCC/双冷凝器」这条实现线往下数,清单看上去是完整的——三条路线一条不少。但漏掉的是整根轴 B,而漏掉之后你不会看到「少了一条」,你只会得到一个听起来天经地义的结论:「热泵的冷凝热就是给座舱的」。带着这个结论去做余热架构或电池加热,你会找不到接口,而且找不到的时候不知道是自己漏了一整类。本讲 1.8 那条硬约束(选 IC 等于锁死路由自由度)也只有在轴 B 存在时才有落点。

工程量级。⛔ 不给数——两根轴上哪些组合可达、双冷凝器的分配比取多少,都是平台架构决策,不是可取用的典型值。本课交付的是这张表的结构与每个不可达格的理由。

与轴 B 对偶的另一根轴:热从哪来。冷凝热的去处画全了,蒸发侧的来处同样容易被整类漏掉。把它也列全:① 环境空气(室外换热器,本课主线);② 电驱/电控余热;③ 电池余热;④ 冷却液环路上的蓄热;⑤ 不搬运、直接电加热(PTC)。⚠ 第 ⑤ 项要说清它的身份:PTC 不是热泵的热源,它是并联的另一条腿;把它放进这张清单,是为了让第 4 讲的「热泵打底+补差」有位置可站。只讲第 ① 项,第 4 讲的补差看起来就只有热泵与 PTC 两条腿,而实际的低温采暖架构常常是三条腿(还有一条是余热)。余热总线去向 B3-06 余热回收与多热源采暖架构(电机/电控/环境热),PTC 本体的功率匹配与控制去向 C3-01 PTC 采暖系统设计与功率匹配

易错点。① 把二维表压成一维的三条路线;② 把双冷凝器混合当成「IC 与 WCC 的折中」——它不是折中,它多出来的是一个可调的分配比,即一个新的自由度(代价是模式切换与充注窗口多出一种形态,第 5 讲会再碰一次)。回路构型、阀位与双 EXV 组合去向 C3-06 热泵除湿再热模式:冷媒侧构型、中压与双 EXV 解耦控制,室外机侧的部件后果去向 G2-09 直接式热泵室外换热器(冷凝/蒸发双向工况)部件设计,水—气逼近度的热链账去向 G2-02 水冷冷凝器(板式)设计,本课只转指、不展开。

二维矩阵示意图:横向三列为冷凝热先交给什么介质(IC 直接给舱内空气 / WCC 先给冷却液 / 双冷凝器并存可分配),纵向五行为热的最终热汇(座舱空气 / 电池包 / LTR 排环境 / 余热总线其它需热件 / 蓄热件),格子用实心、斜纹加禁止符号、点纹三种底纹表示可达、不可达、需另加换热器才可达;IC 列除第一行外全为禁止符号格,列下方加粗方框写明选 IC 即把热汇锁死在座舱这一行。右侧另一栏列出蒸发侧的五类热源,PTC 一项用不同底纹并标注它是并联的另一条腿。本图为定性关系示意,不代表任何平台的实际构型,不得据图判断某车用了哪条路线。
图2 冷凝热落点的二维表:三条路线只填满了「先交给什么介质」这一根轴,热汇是另一根独立的轴;禁止符号格的分布让「选 IC 即锁死路由自由度」这条约束一眼可见;右栏的蒸发侧热源提示「打底+补差」不止两条腿。本图只给结构与判据,⛔ 不回答「哪条路线更好」(判据体系见 [B3-03 二次回路 vs 直接回路架构对比](/academy/topic/B3-03/) 与 [B1-06 架构方案权衡:性能/成本/重量/可靠性多目标决策](/academy/topic/B1-06/));本图为定性关系示意,不代表任何平台的实际构型,⛔ 不得据图判断某车用了哪条路线。

1.3 换向的实现有五类,各类的副作用不同源

是什么。「热泵怎么换向」常被答成三种:四通阀、多通阀、电磁阀组。按谁改变了流向这条线索把它画全,是五类(这条划分线索是本课为建立完整清单而归纳的):

  1. 单一换向阀(四通/五通滑阀):一次动作反转冷媒流向。
  2. 多通比例阀/集成阀岛:一个执行器给出多个阀位,模式表由阀位组合定义。
  3. 离散电磁阀 + 单向阀构成的桥:用若干通断件组合出方向。
  4. 不换向:双换热器 + 各自的 EXV/通断阀选支路——冷媒流向根本不反转。
  5. 水侧换向:冷媒回路一动不动,靠水路阀改变冷凝热的去向。

第 ④ ⑤ 两类是本课补进来的,而它们恰恰是间接式方案的主流实现——很多 WCC 平台根本没有四通阀。漏掉它们,1.2 讲的「三条路线」与本节的「三种换向」在你脑子里就对不上号。

为什么必须按类分开:副作用不同源,误判会修错件。

本类特有的主要副作用 它扣的是什么
① 滑阀 滑阀内泄漏,高低压直接串通 COP,且随压比增大而加剧
② 阀岛 阀位组合定义模式表,模式表错即阀位错 模式正确性
③ 电磁阀桥 关断件泄漏 + 停用支路的冷媒滞留 改变有效循环充注量
④ 不换向 无反向流动,但停用支路仍会积液积油 有效循环充注量与回油
⑤ 水侧换向 冷媒侧无泄漏问题,代价转到水侧混流与热惯性 水侧响应与掺混

请把第 ① 类与第 ③ 类之间的界线记牢:内泄漏与冷媒滞留不同源——前者吃的是能效,后者改的是有效充注量。⛔ 两者的判据不得互相套用:拿内泄漏的判据去查滞留(或反过来),指向的是完全不同的处置动作。低温制热恰恰是压比最大的时候,第 ① 类的内泄漏在这里最严重,而这一点在制冷季的台架上未必看得出来。

工程量级。⛔ 内泄漏率与停用支路的滞留量都不给数——它们是部件与构型相关量,去向 C3-06 热泵除湿再热模式:冷媒侧构型、中压与双 EXV 解耦控制 与 G4 阀件模块。本课只给判据方向:同工况下压比正常、制热量偏低而排气过热度异常升高,提示换向件内泄漏(高低压串通把一部分高温排气直接引回吸气侧);模式切换之后制热量随时间逐渐恢复,提示滞留冷媒的再动员。

易错点。① 默认「WCC 路线也有四通阀」;② 把内泄漏与冷媒不足混判——两者都表现为制热量不足,但取点与伴随特征不同:内泄漏的特征是压比正常而排气过热度异常升高,冷媒不足的特征是蒸发压力异常低而吸气过热度大,这两支的完整分诊在第 5 讲展开。

五栏并列的回路骨架示意,每栏一类换向实现:单一四通滑阀、多通比例阀或阀岛、离散电磁阀加单向阀桥、不换向的双换热器各自 EXV 选支路、水侧换向;每栏画压缩机、室外换热器、室内侧换热器、节流件与本类特有的换向元件,用实线与虚线区分制冷与制热两种模式的冷媒流向。每栏下方一个副作用框分别写滑阀内泄漏、阀位组合定义模式表、关断件泄漏与停用支路滞留、停用支路积液积油、水侧混流与热惯性;第一栏与第三栏之间画禁止符号,说明内泄漏与滞留不同源、判据不得互相套用。本图为定性拓扑示意,各栏均为骨架、省略了传感器、储液件与旁通,不代表任何平台的完整回路,不得据图接管路。
图3 换向实现的五类与各自的副作用:④ 不换向与 ⑤ 水侧换向是间接式方案的常见形态,很多 WCC 路线并没有四通阀;五个副作用框内容各不相同,据此选对诊断入口,⛔ 内泄漏与冷媒滞留的判据不得互相套用。本图为定性拓扑示意,各栏均为骨架、省略了传感器、储液件与旁通,不代表任何平台的完整回路,⛔ 不得据图接管路。

1.4 COP 大于 1 的全部来源,是 Q_cond = Q_e + W_comp

先把符号钉死。本课把三个都叫「制热量」的量分列开:Q_cond=冷媒侧冷凝放热;Q_h,air=真正进入座舱空气的热(间接式还要减水路损失);Q_h,eff=把化霜期不供热的时间也计入后的时间平均值。本节公式里的制热量指的是 Q_cond。另外,压缩功 W_comp压缩机对冷媒做的功(轴功侧),⛔ 不是电功——电功还要除以电机效率 η_motor 与逆变器效率 η_inverter,这两者的差落在 COP 的分母上,不在分子上(第 4 讲的口径矩阵会把这件事摊开)。

是什么。以压缩机为绝热控制体、稳态下做能量守恒:进入的是从环境吸的热 Q_e 与压缩机做的功 W_comp,输出的是冷凝放热,于是

Q_cond = Q_e + W_comp

两边同除以 W_comp,立刻得到

COP_h = COP_c + 1

为什么这条式子要单独讲透。它一次解释了两件读者常混的事:① COP_h 大于 1 不违反能量守恒——分子是「搬来的热 + 做的功」,分母只有「做的功」,比值当然大于 1,热泵没有创造任何热量;② 压缩机的电耗不是纯损失,它最终也进了座舱。这一点与制冷模式恰好相反:制冷时压缩机的功是冷凝器必须排掉的负担,制热时它是白得的一份热。

COP_h = COP_c + 1 是恒等式,不是理想化近似。它的成立只需要两个前提:绝热控制体、稳态。与工质、压比、部件好坏统统无关。它仍然不精确的地方只有两处:① 压缩机壳体与管路对环境散热(真实壳体不绝热);② 口径换成含风机/水泵寄生功的有效 COP 时,分母变了,恒等式不再成立(第 4 讲)。

⛔ 但它不能用来跨模式校核实测。制冷与制热根本不是同一个运行点:两器的面积分配、风量、油分布、蒸发温度与冷凝温度全都变了。COP_c 与 COP_h 各自对应各自的运行点,把两个不同点上的实测值代进同一个恒等式,没有任何意义。⛔ 任何「实测 COP_c 加 1 应等于 COP_h」的对照表,都是错误口径的产物。

工程量级(教学口径,⚠ 教学假设值,不对应任何平台)。取 T_evap = −20℃、T_cond = 50℃、SH = 5 K、SC = 5 K、η_is = 0.65,工质 R134a,CoolProp 8.0.0 逐点复算:

  • h₁ = 390.63 kJ/kg(吸气)、h₂ = 466.50 kJ/kg(排气)、h₃ = h₄ = 263.90 kJ/kg(50℃ 饱和压力下的 45℃ 过冷液)
  • 蒸发段吸热 Q_e = h₁ − h₄ = 126.73 kJ/kg
  • 压缩功 W_comp = h₂ − h₁ = 75.87 kJ/kg
  • 冷凝放热 Q_cond = h₂ − h₃ = 202.60 kJ/kg
  • 校核:126.73 + 75.87 = 202.60

⚠ 上面三个绝对焓值取 CoolProp 默认参考态;换一个参考态整组数会沿焓轴整体平移,⛔ 不得与另一本图册的绝对焓值直接对照。焓差不受参考态影响,本课全部结论只用焓差。

同一个运行点上,COP_h = 202.60 / 75.87 = 2.67,COP_c = 126.73 / 75.87 = 1.67,两者之差恰为 1.00,你可以当场加一遍。⚠ 请注意这里的 COP_c 是同一运行点上「如果把蒸发段吸热当作有用输出」的记账值,不是这台机器在制冷模式下的实测能效——把它读成后者,就正好犯了上一段要防的那个错。

易错点。① 把 W_comp 写成电功;② 拿制冷季台架测出的 COP_c 加 1 去判制热季实测「偏低」,进而判成系统故障并拆机换四通阀或压缩机——这是第 5 讲服务侧口径要挡的头号动作。

双联图。左幅一根堆叠柱把单一运行点(蒸发温度 −20℃、冷凝温度 50℃)的能量拆开:下段是从环境吸的热 126.73 kJ/kg,上段是压缩机做的功 75.87 kJ/kg,柱顶总高为冷凝放热 202.60 kJ/kg,柱旁竖排写出 COP_h=202.60/75.87=2.67 与 COP_c=126.73/75.87=1.67,并用大括号标明差值恰为 1。右幅是两根不同运行点的柱并排(制热点蒸发温度 −20℃、制冷点蒸发温度 5℃),两柱之间画大禁止符号,说明两器面积分配、风量、油分布全变了,不得把一根柱的 COP_c 加 1 去校核另一根柱的 COP_h。全部输入口径是教学假设值,不对应任何平台,不得据本图取用 COP 或制热量。
图4 能量守恒与 COP 恒等式:左幅让你看出分子是两段之和、分母只有上面那一段,所以 COP 大于 1 并不违反守恒;大括号指明「差值为 1」的来源是「分子差一个 W、分母就是 W」,不是经验拟合;右幅两根柱高度与分段比例明显不同,说明恒等式虽然成立,⛔ 却不能拿两个不同运行点的实测值互相校核。纵轴统一为 kJ/kg;本图两个 COP 的分母都取压缩机对冷媒做的功(轴功侧),⛔ 不是电功——这是本节那条恒等式所在的一格口径,⛔ 不是全课的分母口径:第 4 讲凡是可代入的判据式,分母一律取含全部寄生功的有效 COP(COP_h,eff)。全部输入口径是教学假设值,不对应任何平台,⛔ 不得据本图取用 COP 或制热量。

1.5 间接式多的那一级逼近度,在 p-h 图上是看得见的一段

是什么。直接式的冷凝段直接对风道空气放热,冷媒 → 空气一级传热;间接式先把热交给冷却液,再经暖风芯体交给空气,冷媒 → 水 → 空气两级传热。每一级都要一个温差才推得动,间接式因此多背一级逼近度。

为什么它会一路推高整条链。要把同样温度的风吹出来,间接式的冷凝温度必须比直接式高出这一级逼近度对应的温差,于是冷凝压力 p_cond 更高、压比 π 更高、压缩功更大、制热 COP 更低;同时排气温度 T_dis 也更高,更早逼近排温那条边(第 2 讲)。在 p-h 图上,这件事表现得非常直观:间接式的冷凝线整体上移一格

工程量级。⛔ 这一级逼近度的具体温差不给数——它取决于板换面积、水流量、暖芯面积与风量,热链账去向 G2-02 水冷冷凝器(板式)设计,本课不重推。既然本课不给这个数,本课也就不给任何幅度表述:⛔ 不写「间接式的 COP 比直接式低多少」这类比例或倍数的话,只写方向。

易错点。① 把这一级当成「工程上可以忽略的小量」,于是拿直接式的循环参数去评估间接式;② ⚠ 反向也要防——⛔ 不得据此断言「间接式一定比直接式差」。间接式换来的是轴 B 的路由自由度(1.2、1.8)与化霜空窗期的水路蓄热缓冲(1.6、1.7);这是一笔有代价的交换,不是一个优劣结论。

单幅 log p-h 图,以 R134a 饱和线为底图,纵轴为绝压对数刻度。实线为直接式制热循环(冷媒对空气一级传热),虚线为间接式(冷媒对水再对空气两级传热),两条循环取同一目标出风温度作为比较基准并在图内左上角写明。间接式冷凝线整体位于直接式之上,两条冷凝线之间用一段可伸缩的竖向温差标记标出多出来的这一级水—气逼近度,旁注幅度由 G2-02 给出、本图不标 K 值。右侧三支带标签的箭头分别指出冷凝温度更高、压比更高、制热 COP 更低。本图的循环相对位置为定性示意,不得据图读取任何温度、压力或压比数值。
图5 多出来的那一级逼近度是图上一段看得见的竖向距离,它一路把冷凝压力与压比推上去;同一目标出风温度是本图写死的比较基准,换一个基准两条线的相对位置就变。⛔ 本图不得读成「间接式一定更差」——它换来的是冷凝热的路由自由度与化霜时的水路蓄热缓冲。本图的循环相对位置为定性示意,⛔ 不得据图读取任何温度、压力或压比数值。

1.6 路线一变,本课要画的两条曲线会一起动

是什么。冷凝热落点的路线选择,不是一个只影响部件清单的决定。它同时移动本课后面要画的两条曲线:制热量曲线因多一级逼近度而下移;而「要吹出同样温度的风」这一侧的需求,也因为需要更高的冷凝温度而整体上移。两条线一起动,交点自然被推向更高的环温。

为什么这一条要放在第 1 讲就埋下。它是本课第二根钉子的第一个应用:平衡点不是热泵的属性,是两条曲线的交点——不说清用的是哪条路线,两个平台的平衡点温度就不能比大小。平衡点的严格定义、怎么画、报出一个平衡点温度必须同时声明哪三件事,都在第 3 讲;这里你只需要先接受一个事实:它会随路线而变

工程量级。⛔ 推高多少是平台相关量,不给数。本课能交付的只有一句:方向是确定的,幅度须由 1D 模型或台架数据给出。

易错点。① 把不同路线平台的平衡点温度直接列表对比(口径都不同,比出来的大小没有意义);② 把间接式的化霜经验搬到直接式——直接式没有水路那份蓄热,化霜空窗期压缩机的热不再供舱时,舱内温降更陡,这条接第 4 讲的有效 COP 与 C3-04 除霜循环与化霜策略(热泵)

1.7 换到制热侧,有几条选型权重会反转

是什么。制热侧的架构选型不另起炉灶:二次回路与直接回路的选型判据体系见 B3-03 二次回路 vs 直接回路架构对比,多目标决策方法见 B1-06 架构方案权衡:性能/成本/重量/可靠性多目标决策,本课一律不重复。本课只讲一件别处不会讲的事——换到制热侧之后,哪几条判据的权重要反过来打分

最典型的是热惯性。制冷侧要的是快速 pull-down,二次回路多出来的那些水量与金属热容是拖累;而制热侧到了化霜的那几十秒到几分钟,压缩机的热不再送进座舱,这份热容反而成了维持出风温度的缓冲(箱内暖芯与 PTC 的集成布置见 C2-06 暖风芯体与 PTC 在箱内的集成布置)。同一条物理属性,在两个模式下打的是相反的分。

为什么这件事重要。它直接推出一条方法上的结论:选型必须按模式分别打分再合成,不能用一张只在制冷侧成立的表。热泵平台的选型如果沿用制冷侧的打分表,等于拿甲侧的判据去管乙侧。

工程量级。⛔ 不给数——权重取值与多目标合成方法归 B1-06 架构方案权衡:性能/成本/重量/可靠性多目标决策;本课只负责指出「哪几条会反转」。

易错点。① 拿制冷侧的打分表原样用于热泵平台选型;② ⛔ 把「热惯性是好事」写成全称——它只在化霜空窗掉电保温这两个子集上成立,出了这两个子集,热惯性照旧是拖累(pull-up 阶段尤其明显)。自检的办法很简单:说出这句话之前先问一句「我知道的反例是什么」,答得上来就说明它不是全称。

1.8 选 IC 等于把冷凝热锁死在座舱——这是约束,不是缺点

是什么。这是制热侧唯一一条硬约束式的结论:选直接式(IC),冷凝热就不能再路由给电池、LTR 或余热总线;只有 WCC 与双冷凝器留下了路由自由度。理由很朴素:舱内冷凝器是一个装在 HVAC 空调箱风道里的空气侧换热器,它的热只能给流过它的那股风,其它热汇根本没有物理接口。

为什么它值得单独钉一节:架构决策的不可逆性。回路构型可以改、阀可以加、控制策略可以重写,但「冷凝热能不能被路由」这件事,在选定路线的那一刻就定了。后期想加电池加热或余热耦合,只能再加一套换热器——那是另一套架构、另一笔成本与包装账,不是一次标定能补回来的。这正是 1.2 那张二维表里 IC 那一列除首行外全是禁止格的含义。

工程量级。⛔ 不给数。本课交付的是这条判据本身与它的边界:双冷凝器混合只做量级认知——它让模式切换与充注窗口多出一种形态(单模式制冷的充注基础见 C1-03 充注量优化与系统油循环管理,多模式窗口的折中与取交集方法见 G10-03 系统充注、排气与最低液位设计,第 5 讲会再碰一次)。

易错点。最大的一个是把这条读成「IC 不好」。它是约束,不是缺点——直接式换来的是少一级逼近度与更高的制热 COP(1.5)。判据是「本平台需不需要冷凝热的路由自由度」,不是「哪条路线更先进」。⛔ 本课不给「哪条路线更好」的结论,只给判据与代价。

去向。IC 与 WCC 各自的回路构型、阀位与双 EXV 组合去向 C3-06 热泵除湿再热模式:冷媒侧构型、中压与双 EXV 解耦控制;室外机侧的部件后果去向 G2-09 直接式热泵室外换热器(冷凝/蒸发双向工况)部件设计;IC 装进空调箱后与蒸发器、暖风芯体的相对位置与风道顺序(它决定能不能同时除湿再热)去向 C2-01 HVAC 空调箱总体架构与分类(半/全集成、单/双蒸发)C2-06 暖风芯体与 PTC 在箱内的集成布置。本课只转指、不展开。

本讲小结:热泵是同一条循环换了角色——四个点不变,变的是哪一段算有用输出(制热读冷凝段全长,含最容易被漏掉的排气过热段)。冷凝热的落点是「先给谁 × 最终去哪」的二维表,不是三条路线;换向的实现有五类,各类副作用不同源、判据不得互套。COP 大于 1 的全部来源是 Q_cond = Q_e + W_comp,由它导出的 COP_h = COP_c + 1 是恒等式,⛔ 但不能跨模式校核实测。最后三条是路线选择的后果:间接式多的那一级逼近度会一路推高冷凝温度、压比与排温;路线一变,制热量曲线与需求曲线一起动,交点随之移动;而选 IC 就把冷凝热锁死在座舱——这是一条要在架构阶段拍板的约束,不是一个优劣判断。

后面还有 4 讲正文 · 关键公式 · 案例拆解 · 常见误区 · 动手做

会员专属

后续为会员深水区内容——四库数据与深度拆解。

查看会员方案