HFO-1234yf 在汽車空調(diào)系統(tǒng)中替代HFC-134a 的仿真分析

瞿 成，葉 立，陳 宇，李慧麗，趙天瑋

（上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093）

在國內(nèi)，HFC-134a 是目前汽車空調(diào)系統(tǒng)中普遍使用的制冷劑，由于其全球變暖潛能值（GWP）高達1300，大量使用會加劇全球變暖。自2011 年1 月1 日起，歐盟禁止在新車的空調(diào)系統(tǒng)中使用HFC-134a 等GWP 大于150 的制冷劑，并于2017 年1 月1 日起全面禁止[1]。此外，2016 年10 月1 日的《蒙特利爾議定書》基加利修正案越過了審批門檻，標志著從2019 年1 月1 日起將開始全球逐步削減使用影響氣候的制冷劑氫氟烴（HFCs）[2]。因此，自2021 年1 月1 日起，美國也將禁止HFC-134a 在某些新產(chǎn)品中的應(yīng)用[3]。

HFO-1234yf 作為一種新型環(huán)保制冷劑，在國內(nèi)還沒有普及使用，它和HFC-134a 的熱物理性質(zhì)和環(huán)保特性如表1 所示，其大氣分解物與HFC-134a 相同，并且可燃性要遠小于目前已知的幾種可燃性制冷劑[4]；HFO-1234yf 在不同溫度下的飽和蒸氣壓與HFC-134a 非常接近，兩者在330 K（57℃）以下時基本重合，在330 K 以上，HFC-134a 的飽和蒸氣壓稍微偏高；并且HFO-1234yf 在各種換熱表面上的換熱系數(shù)基本與HFC-134a 類似[5]。采用HFC-134a 作為制冷劑時，在不同溫度下的動力粘度要比使用HFO-1234fy 平均高出約1.6×10-4Pa·s[6]，HFO-1234yf 較小的動力粘度在系統(tǒng)回路中有著較小的部件摩擦以及不可逆性?；谝陨显颍贖FC-134a 空調(diào)系統(tǒng)中可以不做任何更改，直接替換為HFO-1234yf 制冷劑，但會造成一定程度上的系統(tǒng)性能下降[7]。Daviran 等[8]對汽車空調(diào)系統(tǒng)中比較了HFC-134a 與HFO-1234yf 性能差異，其結(jié)果表明隨著壓縮機轉(zhuǎn)速的變化，HFO-1234yf 系統(tǒng)的COP 始終略低于HFC-134a 系統(tǒng)1.3%～5%。

表1 HFO-1234yf 和HFC-134a 的熱物理性質(zhì)和環(huán)保特性

在空調(diào)系統(tǒng)中添加回?zé)峁芸梢允拐舭l(fā)器出口的低溫低壓蒸汽與冷凝器出口的中溫高壓液體進行熱交換，提高蒸發(fā)器出口制冷劑的過熱度，使可能出現(xiàn)的液滴過熱汽化，防止壓縮機發(fā)生液擊。同時，也提高了冷凝器出口制冷劑的過冷度，可以避免因管道阻力等因素導(dǎo)致的閃發(fā)現(xiàn)象。增大工質(zhì)在膨脹閥前的過冷度以及壓縮機進氣的過熱度，降低蒸發(fā)器入口的焓值以達到改善系統(tǒng)性能的目的[9-10]。

張耘等[11]研究了不同回?zé)峁軐FO-1234yf 汽車空調(diào)系統(tǒng)性能的影響。嚴詩杰等[12]利用汽車空調(diào)系統(tǒng)臺架試驗，研究了回?zé)峁茉诓煌囁俸湍Ｊ较聦FC134a 汽車空調(diào)系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明，采用了回?zé)峁艿钠嚳照{(diào)系統(tǒng)的COP 至少能被提高3%左右，在惡劣工況下，能被提高16%左右?？梢钥闯瞿壳皩?zé)峁艿难芯恐饕性趯嶒炑芯俊６S著計算機和軟件技術(shù)的發(fā)展，仿真模擬逐漸成為產(chǎn)品開發(fā)和性能測試過程中可靠有效的方法之一，且能在很大程度上降低研發(fā)成本、縮短開發(fā)周期[13]。

現(xiàn)有研究主要針對空調(diào)系統(tǒng)本身，而空調(diào)系統(tǒng)對車艙溫度的影響分析較少，本文引入簡化的車艙模型，建立了電動汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)一維仿真模型，將原HFC-134a 系統(tǒng)優(yōu)化為帶回?zé)峁艿腍FO-1234yf 系統(tǒng)，并在不同工況下對兩種系統(tǒng)的制冷性能進行了對比研究，為回?zé)峁茉谄嚳照{(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用以及HFO-1234yf在國內(nèi)的推廣提供參考。

1 電動汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)建模

1.1 系統(tǒng)模型

原HFC-134a 汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)模型如圖1 所示，后文以HFC-134a 系統(tǒng)簡稱。同時，將該系統(tǒng)的制冷劑直接替換為HFO-1234yf 的系統(tǒng)簡稱為HFO-1234yf 系統(tǒng)。

優(yōu)化后的帶回?zé)峁艿腍FO-1234yf 汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)模型如圖2 所示，后文以HFO-1234yf+IHX 系統(tǒng)簡稱，其制冷循環(huán)過程：經(jīng)過壓縮機對低溫低壓的氣態(tài)工質(zhì)做功，使其壓縮成高溫高壓氣體；再經(jīng)由冷凝器變?yōu)橹袦馗邏旱囊后w，并向環(huán)境中散熱；然后液體工質(zhì)流入回?zé)峁?，增大工質(zhì)在膨脹閥前的過冷度以及壓縮機進氣的過熱度，降低蒸發(fā)器入口的焓值；接著通過膨脹閥節(jié)流降壓變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍庖夯旌衔?；然后工質(zhì)通過蒸發(fā)器變?yōu)榈蜏氐蛪簹怏w，并從車內(nèi)吸收熱量；最后工質(zhì)通過汽液分離器去除微小液滴，再次流入壓縮機完成循環(huán)。

圖1 原HFC-134a 汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)模型

圖2 帶回?zé)峁艿腍FO-1234yf 汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)模型

1.2 仿真模型

利用仿真軟件提供的空調(diào)模塊庫以及信號模塊庫搭建的帶回?zé)峁艿腍FO-1234yf 汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)仿真模型如圖3 所示，對模型做如下假設(shè)：1）忽略各部件間以及連接管路間的熱交換；2）將制冷劑在壓縮機的壓縮簡化為絕熱壓縮，電動渦旋式壓縮機的工作特性僅與壓縮機轉(zhuǎn)速、壓縮機排量、容積效率等熵效率和機械效率有關(guān)；3）將制冷劑在膨脹閥的膨脹簡化為絕熱膨脹；4）將車速與冷凝器進風(fēng)風(fēng)速簡化為線性關(guān)系。

圖3 帶回?zé)峁艿腍FO-1234yf 汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)仿真模型

2 結(jié)果與討論

2.1 壓縮機轉(zhuǎn)速對空調(diào)系統(tǒng)制冷性能的影響

圖4 至圖7 是壓縮機轉(zhuǎn)速對空調(diào)系統(tǒng)制冷性能的影響。環(huán)境溫度為35℃，相對濕度為40%，車速為80 km/h，壓縮機轉(zhuǎn)速由900 r/min 增加至3 400 r/min，全新風(fēng)。

圖4 所示為HFC-134a 系統(tǒng)、HFO-1234yf 系統(tǒng)以及HFO-1234yf+IHX 系統(tǒng)在不同壓縮機轉(zhuǎn)速下的制冷量的對比。從圖中可以看出，HFO-1234yf 系統(tǒng)制冷量要低于HFC-134a 系統(tǒng)，且隨著壓縮機轉(zhuǎn)速的升高，兩者差值逐漸增大，并在壓縮機轉(zhuǎn)速為3 400 r/min 時，HFC-134a 系統(tǒng)制冷量要比HFO-1234yf 系統(tǒng)高出9.3%；經(jīng)過優(yōu)化后的HFO-1234yf+IHX 系統(tǒng)制冷量有著明顯的提升，與優(yōu)化前的HFO-1234yf 系統(tǒng)相比，其制冷量提升10%；在壓縮機低轉(zhuǎn)速時，HFO-1234yf+IHX 系統(tǒng)制冷量略高于HFC-134a 系統(tǒng)，隨著壓縮機轉(zhuǎn)速的升高，兩者差值逐漸減小。采用HFC-134a 作為制冷劑時，在不同蒸發(fā)溫度下的單位制冷量要比使用HFO-1234fy 平均高出約34.9 kJ/kg[14]，但HFO-1234yf 系統(tǒng)以及HFO-1234yf+IHX 系統(tǒng)較大的質(zhì)量流量[15]使其能夠彌補HFO-1234yf 制冷劑本身單位制冷量偏低的不足，這種情況在壓縮機低轉(zhuǎn)速時較為明顯。

圖5 所示為HFC-134a 系統(tǒng)、HFO-1234yf 系統(tǒng)以及HFO-1234yf+IHX 系統(tǒng)在不同壓縮機轉(zhuǎn)速下的壓縮機功耗的對比。隨著壓縮機轉(zhuǎn)速的升高，HFO-1234yf 系統(tǒng)的壓縮機功耗始終比HFC-134a 系統(tǒng)略低3.0%左右，這是由于HFO-1234yf 的熱力學(xué)性質(zhì)導(dǎo)致它的壓縮比低于HFC-134a，并且HFO-1234yf 的動力粘度小于HFC-134a，有效降低了HFO-1234yf 系統(tǒng)的壓縮機功耗。優(yōu)化后的HFO-1234yf+IHX 系統(tǒng)因加入了回?zé)峁?，?dǎo)致其壓縮機功耗略大于HFO-1234yf 系統(tǒng)。

HFC-134a 系統(tǒng)、HFO-1234yf 系統(tǒng)以及HFO-1234yf+IHX 系統(tǒng)在不同壓縮機轉(zhuǎn)速下的COP 對比如圖6所示，HFO-1234yf 系統(tǒng)的COP 始終低于HFC-134a 系統(tǒng)1.0%～4.3%；經(jīng)過優(yōu)化后的HFO-1234yf+IHX 系統(tǒng)的COP 有著明顯的提升，與優(yōu)化前的HFO-1234yf 系統(tǒng)相比，其COP 提升9.2%，與HFC-134a 系統(tǒng)相比，其COP 高4.4%～7.1%。

圖4 在不同壓縮機轉(zhuǎn)速下的系統(tǒng)制冷量

圖6 在不同壓縮機轉(zhuǎn)速下的COP

圖7 在不同壓縮機轉(zhuǎn)速下的蒸發(fā)器各部位制冷劑的氣體質(zhì)量分數(shù)

HFO-1234yf 系統(tǒng)以及HFO-1234yf+IHX 系統(tǒng)的蒸發(fā)器各部位制冷劑的氣體質(zhì)量分數(shù)如圖7 所示，經(jīng)過優(yōu)化后的HFO-1234yf+IHX 系統(tǒng)，在不同壓縮機轉(zhuǎn)速下，蒸發(fā)器各部位的制冷劑均為兩相態(tài)，這使得蒸發(fā)器表面溫度分布較為均勻，有利于改善蒸發(fā)器出風(fēng)溫度的均勻性，給乘客帶來更多的舒適感。HFO-1234yf系統(tǒng)在不同壓縮機轉(zhuǎn)速下，蒸發(fā)器在第三排入口處制冷劑已經(jīng)全轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)并開始過熱，蒸發(fā)器表面溫度分布較不均勻，影響舒適性。

2.2 環(huán)境溫度對空調(diào)系統(tǒng)制冷性能的影響

圖8 至圖9 表明了環(huán)境溫度對空調(diào)系統(tǒng)制冷性能的影響，此時將壓縮機轉(zhuǎn)速設(shè)定為PI 控制，比例常數(shù)15，積分常數(shù)0.5；車艙目標溫度為22℃，環(huán)境溫度由35℃增加至50℃，相對濕度為40%；車速采用NEDC 工況；半新風(fēng)半回風(fēng)。

圖8 所示為HFC-134a 系統(tǒng)以及HFO-1234yf+IHX 系統(tǒng)在不同環(huán)境溫度下的系統(tǒng)制冷量隨時間變化曲線。從圖中可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度為35℃和40℃時，HFC-134a 系統(tǒng)和HFO-1234yf+IHX 系統(tǒng)的制冷量基本持平；當(dāng)環(huán)境溫度為45℃和50℃時，HFO-1234yf+IHX 系統(tǒng)制冷量要分別比HFC-134a 系統(tǒng)低3.8%，8.3%。

圖9 所示為HFC-134a 系統(tǒng)以及HFO-1234yf+IHX 系統(tǒng)在不同環(huán)境溫度下的COP 隨時間變化曲線。從圖中可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度為35℃和40℃時，HFO-1234yf+IHX 系統(tǒng)的COP 比HFC-134a 系統(tǒng)略高；當(dāng)環(huán)境溫度為45℃和50℃時，HFO-1234yf+IHX 系統(tǒng)的COP 則要比HFC-134a 系統(tǒng)低。

圖8 在不同環(huán)境溫度下的系統(tǒng)制冷量隨時間變化曲線

圖9 在不同環(huán)境溫度下的COP 隨時間變化曲線

在較低的環(huán)境溫度時，HFO-1234yf+IHX 系統(tǒng)的制冷性能與HFC-134a 系統(tǒng)相當(dāng)，而隨著環(huán)境溫度的上升，HFO-1234yf+IHX 系統(tǒng)的制冷性能逐漸弱于HFC-134a 系統(tǒng)。

3 結(jié)論

本文分別對HFC-134a 系統(tǒng)、HFO-1234yf 系統(tǒng)以及HFO-1234yf+IHX 系統(tǒng)進行了仿真，結(jié)論如下：

1）優(yōu)化后的帶有回?zé)峁艿腍FO-1234yf+IHX 系統(tǒng)較原HFC-134a 系統(tǒng)直接替換制冷劑的HFO-1234yf系統(tǒng)在制冷量和COP 上分別提升10%和9.2%；

2）在部分工況下，HFO-1234yf+IHX 系統(tǒng)的制冷量和COP 可與HFC-134a 系統(tǒng)持平，總體而言，HFO-1234yf+IHX 系統(tǒng)制冷性能要弱于HFC-134a；

3）帶有回?zé)峁艿腍FO-1234yf+IHX 系統(tǒng)中蒸發(fā)器各部位的制冷劑均為兩相態(tài)，有利于改善蒸發(fā)器出風(fēng)溫度的均勻性，提升吹風(fēng)舒適性；

4）HFO-1234yf 作為第四代制冷劑，GWP＝4，ODP＝0，相比與HFC-134a 更具環(huán)保性，盡管在性能上略低于HFC-134a，但在可接受的范圍內(nèi)，可作為未來車輛主要使用的制冷劑。