R134a/R32混合制冷劑電動汽車空調系統(tǒng)制熱性能的實驗研究

張耘，李萬勇，陳亮，施駿業(yè)，陳濤，陳江平*

（1-上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海200240；2-上海市高效冷卻系統(tǒng)工程技術中心，上海200240；3-江蘇中關村科技產(chǎn)業(yè)園節(jié)能環(huán)保研究有限公司，江蘇常州213399）

R134a/R32混合制冷劑電動汽車空調系統(tǒng)制熱性能的實驗研究

張耘1,2，李萬勇1，陳亮1，施駿業(yè)1，陳濤3，陳江平*1

（1-上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海200240；2-上海市高效冷卻系統(tǒng)工程技術中心，上海200240；3-江蘇中關村科技產(chǎn)業(yè)園節(jié)能環(huán)保研究有限公司，江蘇常州213399）

目前電動汽車熱泵空調系統(tǒng)制冷劑絕大多數(shù)為R134a，受限于制冷劑本身物性，當外界溫度較低時，系統(tǒng)制熱量衰減明顯。本文采用混合制冷劑以改良熱泵系統(tǒng)的制熱性能，分析了壓縮機在不同轉速、不同混合比例下R134a/R32混合制冷劑在汽車空調中的制熱性能。相對于R134a系統(tǒng)，混合制冷劑空調系統(tǒng)制熱量增加約14.0%～17.1%，性能系數(shù)（Coefficient of Performance，COP）提升4.3%～14%。當混合制冷劑中R32的質量分數(shù)為4%時，系統(tǒng)COP最佳，同時制熱量提升明顯。

R134a/R32；混合制冷劑；汽車空調；制熱

0 引言

汽車作為現(xiàn)代社會的產(chǎn)物，為人們帶來極大便利的同時也消耗了大量的能源。據(jù)統(tǒng)計顯示，全世界46%的石油年產(chǎn)量用于燃油汽車消耗。到2020年中國僅汽車年耗油量將達到8億噸原油，而2020年中國的原油產(chǎn)量預計僅為2億噸[1]。燃油汽車的大量使用增加了我國對進口石油的依賴度，不利于我國的能源安全。因此從長遠看，開發(fā)高效率、低污染的新能源汽車是我國經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

電動汽車由于無發(fā)動機，因此不能采用發(fā)動機的廢熱進行制熱。目前常用的熱敏電阻（Positive Temperature Coefficient，PTC）電加熱制熱[2]的方式具有結構簡單、控制方便、對空調箱內(nèi)的改動較小等優(yōu)點，但其制熱效率較低（小于1），制熱量較小，耗電量較大，使得電動汽車的續(xù)航里程大幅度減小。吳瑋等[3]在某采用PTC加熱的電動汽車上進行了熱泵性能測試，結果表明：采用單冷式空調，續(xù)航里程下降32.5%；采用PTC電加熱器，續(xù)航里程下降37.5%。采用熱泵系統(tǒng)的電動汽車相比于傳統(tǒng)電動汽車系統(tǒng)效率更高，耗電量更低，而且經(jīng)濟性能更佳[4]。目前電動汽車研究熱點主要集中于系統(tǒng)循環(huán)形式：四通閥系統(tǒng)和三換熱器系統(tǒng)的性能對比[5]，對于制冷劑的研究較少。

早期汽車空調多使用R12作為制冷劑[6]。由于其不易分解且穩(wěn)定性很高，當其上升到地球的平流層大氣環(huán)境中時，會與那里的高濃度臭氧發(fā)生反應從而對臭氧的衰減產(chǎn)生鏈式催化作用，因此對于臭氧層有著巨大的破壞作用。為避免臭氧層減少所導致的溫室效應，聯(lián)合國環(huán)境計劃署于1987年9月簽署了《關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》，旨在限制生產(chǎn)氟利昂和哈龍物質[7]。根據(jù)《蒙特利爾條約》的實施要求，發(fā)達國家已經(jīng)停止生產(chǎn)R12，至今被公認為最有替代功能的R134a制冷劑，正在被世界各國所采用[8]。

現(xiàn)有電動汽車熱泵系統(tǒng)多以R134a為制冷劑[9]。受限于制冷劑的特性，隨著環(huán)境溫度降低，R134a比容迅速增加，導致系統(tǒng)流量偏小，而且單位容積制熱量較低，制熱量下降明顯。由于高全球變暖潛能值（Global Warming Potential，GWP）的制冷劑帶來的溫室效應嚴重，使用低GWP值的制冷劑已經(jīng)成為趨勢和必然[10]。R32其本身的容積制冷量遠大于現(xiàn)有的R134a制冷劑，在現(xiàn)有的汽車空調系統(tǒng)制冷劑R134a中加入R32可以顯著地降低制冷劑充注量，從而降低系統(tǒng)的溫室效應影響。由于混合工質的優(yōu)點是充分發(fā)揮“優(yōu)勢互補，取長補短”，既能達到減少環(huán)境危害，又可以同時提高能效比以提高制冷系統(tǒng)的綜合性能[11]。因此在這樣的情況下R32制冷劑在汽車空調中的使用十分值得考慮。

R32在空氣源熱泵、熱泵熱水器方面的應用研究已經(jīng)較多。孟照峰等[12]在房間空調器上用R32替代R410A進行測試，結果表明制熱量提高約7.4%，性能系數(shù)（Coefficient of Performance，COP）提高約3%。CHEN等[13]采用R32/R134a（30/70）二元混合制冷劑在家用空調上的測試結果顯示，其制熱效果與R22效果相當。同時R32制冷劑也與其他工質混合都取得了很好的制熱效果，例如HAN等[14]采用三元混合工質R32/R125/R161的組合直接替代R407C，在-10 ℃～10 ℃的環(huán)境溫度下，制熱量提升10%左右，COP提升1%～5%左右。同時文獻[15]表明，R32和R134a都可與酯類合成冷凍機油（Polyol Ester，POE）有很好的互溶性，因此若采用R134a/R32混合制冷劑直接替代R134a，潤滑油不需要更換。

綜上所述，采用R134a/R32混合制冷劑的電動汽車熱泵空調系統(tǒng)能夠在提升熱泵性能的同時，降低對環(huán)境的危害。同時該混合制冷劑對于系統(tǒng)中各零部件的選型要求同R134a類似，因而能有效降低改造成本。

1 R134a和R32物性研究

R32分子式為CH2-F2，屬于HFC類制冷劑，分子量為52。其基本性質如表1所示?；谥评鋭┪镄缘睦碚撚嬎惚砻?，R32單位容積制熱量為R134a的2.5倍左右。當R32的質量分數(shù)為4%時，單位容積制熱量可以提升12.3%。由于R32是微可燃性制冷劑，因此在汽車空調中的應用要充分考慮其安全性。根據(jù)文獻報道，R134a可作為抑爆劑與R32混合，當R134a的質量分數(shù)不低于40%即可實現(xiàn)與空氣任意比例混合都不會燃爆[16]。

表1 制冷劑物性對比

圖1顯示了R32不同質量分數(shù)下的溫度曲線的變化趨勢。目前汽車空調換熱器和壓縮機設計壓力目前多以R134a為基準，2 MPa已經(jīng)接近壓縮機的高壓報警值，會造成換熱器等部件泄漏量增加；若對壓縮機和換熱器進行重新設計，必將使系統(tǒng)成本大幅增加，因此選定R32的質量分數(shù)為0%、2%、4%、6%、8%這5個不同的比例進行測試。

圖1 R32不同質量分數(shù)下溫度曲線（P=1.2 MPa）

2 實驗原理及實驗結果分析

2.1 實驗原理

本文采用的熱泵型系統(tǒng)結構如圖2所示。測試的空調系統(tǒng)安裝在由溫濕度單獨控制的室內(nèi)和室外環(huán)境室。壓縮機采用排量為27 cc的電動壓縮機。室外側采用防結霜性能更好的小管徑換熱器[17]，室內(nèi)冷凝器采用微通道換熱器，節(jié)流機構布置在室外側換熱器入口，采用外平衡熱力膨脹閥。

室內(nèi)/外側兩個環(huán)境室均可通過制冷機組、可調電加熱器以及加濕器的比例-積分-導數(shù)控制器（Proportion Integration Differentiation，PID）調節(jié)，分別控制其環(huán)境溫/濕度，以保持測試條件的穩(wěn)定。電動壓縮機轉速由其自身的控制器進行調節(jié)，室外側換熱器的迎面風速通過軸流風機的變頻器調節(jié)。高溫高壓制冷劑經(jīng)壓縮機出口進入四通換向閥，四通閥通電后流向切換，制冷劑進入室內(nèi)換熱器，在室內(nèi)側換熱器內(nèi)被冷凝成高壓液體，高壓液體再經(jīng)過雙向熱力膨脹閥節(jié)流進入室外側換熱器，在室外側換熱器內(nèi)蒸發(fā)吸熱，變成低溫低壓氣體回到壓縮機。實驗系統(tǒng)管路中安裝有6個溫度和壓力測點以及1個質量流量計，用以采集實驗中測點處的制冷劑狀態(tài)信息。除此之外，實驗中還需采集電動壓縮機的輸入電壓及電流、環(huán)境室干/濕球溫度以及外部換熱器的迎面風速。傳感器類型及測量精度如表2所示。

圖2 電動汽車空調系統(tǒng)原理圖

表2 測量設備參數(shù)

2.2 數(shù)據(jù)處理

實驗中，室內(nèi)側環(huán)境溫度為12 ℃、室外側環(huán)境溫度為3 ℃（相對濕度0.3），室外換熱器迎面風速為3.0 m/s，室內(nèi)側離心風機電壓為12 V；壓縮機轉速設有2,000 r/min、3,500 r/min和5,000 r/min三檔，R32/R134a設定為0%、2%、4%、6%和8%這5種不同質量混合比例。實驗在3種轉速下對2種制冷劑不同的質量混合比分別進行實驗。由于不同模式下系統(tǒng)中作為蒸發(fā)器的換熱器不同，所以制冷模式下僅對室內(nèi)側環(huán)境的相對濕度進行控制，熱泵模式則正好相反。

在每個工況的實驗中，待室內(nèi)外側環(huán)境溫濕度以及各測點的制冷劑狀態(tài)穩(wěn)定后，就進行數(shù)據(jù)的讀取和保存。

電動壓縮機的供電是穩(wěn)定的直流電，無論制冷還是熱泵模式，在測量其供電電壓U及電流I之后，就可計算得電動壓縮機的功耗：

式中：

Wcomp——壓縮機的耗能，kW；

I——壓縮機的供電電流，A；

U——壓縮機的供電電壓，V。

由于5個溫度及壓力測點處的R134a制冷劑均不處于兩相狀態(tài)，可通過測出的溫度和壓力查詢得到其相應的焓值。再由質量流量計測出R134a的質量流量，就可計算各換熱器的換熱量。

系統(tǒng)的制熱量為：

系統(tǒng)運行效率為：

式中：

Qheat——系統(tǒng)制熱量，kW；

hcond,in——冷凝器入口焓值，kJ/kg；

hcond,out——冷凝器出口焓值，kJ/kg；

Wcomp——壓縮機的耗能，kW；

˙——R134a的質量流量；

COPheat——系統(tǒng)運行效率。

2.3 實驗結果及分析

圖3～圖6分別顯示了R32/R134a不同混合比例下制熱量、壓縮機耗功、COP和壓縮機排氣溫度的變化情況。

由圖3可以看出，在不同轉速情況下，制冷劑中加入少量R32都會對系統(tǒng)的制熱性能有明顯的改善。在低轉速工況下，隨著 R32在混合制冷劑中的質量分數(shù)的增加，系統(tǒng)制熱量逐漸增加。當R32質量分數(shù)為2%時，性能提升較?。划擱32質量分數(shù)為4%時，制熱量分別提升了195 W、280 W和298 W，相對應提升了13.3%、15.3%和14.4%；當R32質量分數(shù)為6%時，制熱量分別提升了189 W、223W和204 W，相對應提升了13.0%、12.2%和9.9%；當R32質量分數(shù)為8%時，制熱量分別提升了243 W、316W和250 W，相對應提升了16.6%、17.3%和12.1%。因此當R32質量分數(shù)為8%時，制熱性能最佳。

由圖4可以看出，隨著R32質量分數(shù)的增加，壓縮機不同轉速下的耗功都相應增加，主要是由于R32的加入，壓縮機排氣壓力增加，壓縮機的壓比增加耗功增加明顯。當R32的質量分數(shù)為4%時，耗功增加為0.8%、7.7%和9.7%；當R32的質量分數(shù)為6%時，耗功增加最多，分別為5.2%、17.5%和12.3%；當R32的質量分數(shù)為8%時，耗功增加最多，分別為11.9%、39.8%和12.9%。

圖3 R134a/R32不同混合比例的系統(tǒng)制熱量對比

由圖5可以看出，隨著R32質量分數(shù)的增加，COP呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。在各個轉速下，當R32的質量分數(shù)為4%時，COP均為最高（分別為14.2%、7.0%和4.3%）。

圖5 R134a/R32不同混合比例的系統(tǒng)COP對比

由圖6可以看出，在R134a制冷劑中加入R32后，壓縮機的排氣溫度在6%以內(nèi)，隨著R32的質量分數(shù)增加而升高。為避免壓縮機排氣溫度過高，綜合考慮系統(tǒng)的制熱量和 COP，當 R32質量分數(shù)為4%時，系統(tǒng)的性能表現(xiàn)最優(yōu)。

圖6 R134a/R32不同混合比例的壓縮機排氣溫度對比

隨著R32質量分數(shù)的增加，制熱量增加，但是當超過4%后壓縮機耗功增加明顯，COP下降明顯。由于R32制冷劑比容更小且冷凝壓力更高，同等排量下相對R134a系統(tǒng)流量更大，冷凝壓力更高，造成壓縮機耗功增加明顯，COP降低。當R32質量分數(shù)相對較少時，制熱量增加更顯著；隨著R32質量分數(shù)增加，壓縮機排氣溫度上升，壓縮機耗功增加更顯著；因此R32質量分數(shù)存在一個最佳比例，當R134a/R32的混合制冷劑中R32的質量分數(shù)為4%時，系統(tǒng)COP最佳，同時制熱量提升明顯。

3 結論

1）隨著R32在混合制冷劑中的質量分數(shù)的增加，系統(tǒng)制熱量逐漸增加。由于R32制冷劑比容更小且冷凝壓力更高，因此隨著R32的加入，壓縮機排氣壓力增加，壓縮機的壓比增加，耗功增加明顯。

2）R134a/R32混合制冷劑相對于純質的R134a在同等系統(tǒng)充注量下，系統(tǒng)制熱量和性能系數(shù)（COP）都有很大提升。在R134a/R32的混合制冷劑中R32的質量分數(shù)存在一個綜合考慮的最佳比例，當混合制冷劑中R32的質量分數(shù)為4%時，系統(tǒng)COP最佳，同時制熱量提升明顯。在低速、中速和高速 3個轉速下，制熱量分別提升13.3%、15.3%和14.4%，COP分別提升14.2%、7.0%和4.3%。

3）系統(tǒng)中零部件的選型均基于R134a制冷劑，直接替代效果較好，如果對原系統(tǒng)零部件（如膨脹閥等）稍加改進，性能可以進一步提升。

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Experimental Investigation on Heating Performance of Electric Vehicle Air Conditioning System Using Mixed Refrigerant of R134a/R32

ZHANG Yun1,2, LI Wanyong1, CHEN Liang1, SHI Junye1, CHEN Tao3, CHEN Jiangping*1
(1-Institude of Refrigerant and Cryogenics, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240,China; 2-Shanghai High Efficient Cooling System Reseaech Center, Shanghai 200240, China;3-Jiangsu Z-Park Energy Saving and Environmental Protection Research Co., Ltd., Changzhou, Jiangsu 213399, China)

Presently, the majority of refrigerant for the heat pump system of electric automotive air conditioning systems is R134a, and the heating capacity of the air conditioning system with refrigerant of R134a decreases evidently due to the refrigerant physical properties as the external temperature is very low. The mixed refrigerant isused toimprovetheheating performanceof the heat pumpsystem,and theheating performance of the automotive air conditioning system is analyzed at different speeds of the compressor with different mixing ratios of R134a and R32. Compared with the system with pure R134a, the heating capacity of the air conditioning system with the R134a/R32 mixture is increased by 14.0%～17.1%, and the coefficient of performance (COP) is increased by 4.3%～14%. When the mass fraction of R32 in the mixed refrigerant is 4%, the system COP is the best and the heating capacity is increased significantly.

R134a/R32;Mixed refrigerant;Automobile air conditioner;Heating

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.05.106

*陳江平（1970-），男，教授，博士。研究方向：汽車空調技術。聯(lián)系地址：上海市閔行區(qū)東川路800號，郵編：200240。聯(lián)系電話：021-62933242。E-mail：jpchen70@aliyun.com。