采用R1234yf制冷劑的汽車超低溫強化補氣熱泵空調(diào)性能

劉雨聲， 李萬勇， 張 立， 施駿業(yè)， 陳江平

(1. 上海交通大學 制冷與低溫工程研究所， 上海 200240；2. 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 213300)

發(fā)展新能源汽車代表世界汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，是推動我國經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要引擎[1-3].自《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》的正式出臺與“十二五”進入七大戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)以來，新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展[4]，2018年產(chǎn)銷量已超過125萬輛.在新能源汽車銷量的組成中，純電動乘用車和純電動客車的占比分別為67.9%和22.8%[5]，純電動汽車是新能源汽車產(chǎn)銷的主力軍，而空調(diào)系統(tǒng)是純電動汽車的耗電大戶.

在冬季，傳統(tǒng)汽車空調(diào)制熱由發(fā)動機冷卻水余熱提供熱量，而電動汽車沒有充足的發(fā)動機余熱來滿足乘員艙的制熱需求[6].采用正溫度系數(shù)(PTC)材料電加熱器的電動空調(diào)會導致續(xù)航里程衰減高達50%～60%，極大地阻礙了電動汽車在全國范圍內(nèi)的應用與推廣.為進一步提升電動汽車空調(diào)的能效與續(xù)航里程，高效節(jié)能的熱泵技術(shù)應運而生，但熱泵技術(shù)在汽車上的應用并無過多先例.寶馬、奧迪、豐田、日產(chǎn)等國際汽車領軍品牌近年來都逐漸開始研發(fā)R134a低溫熱泵，但市場反饋表明，其制熱性能難以滿足車輛的運行需求，即使在近年量產(chǎn)的寶馬i3車型上，其熱泵空調(diào)的最低工作環(huán)境溫度也只能達到-5 ℃.

目前，針對用于低溫環(huán)境的車用熱泵研究較少.Zhang等[7]對低溫下R134a車用熱泵系統(tǒng)進行了測試，結(jié)果顯示在-10 ℃環(huán)境中通過強化補氣(EVI)技術(shù)可使制熱量提升44.1%.許樹學等[8]搭建了閃蒸罐式強化補氣熱泵系統(tǒng)，在-25 ℃環(huán)境測試中的補氣可使制熱量與制熱能效比(COP)分別提升17.4%與12.9%.彭慶豐等[9]設計的電動汽車新型熱泵空調(diào)系統(tǒng)相比PTC采暖能夠節(jié)能15%，續(xù)航里程提升15 km以上，但最低工作溫度也僅到 -10 ℃.同時，與家用熱泵相比，汽車熱泵系統(tǒng)具有布局空間有限、振動程度大、運行工況多變惡劣等技術(shù)難題[10].此外，日益嚴苛的環(huán)保法規(guī)對制冷劑選擇的環(huán)保性也是一大挑戰(zhàn).因此，研發(fā)適用于北方低溫氣候區(qū)(-20～-10 ℃)高能效比的車用超低溫熱泵空調(diào)成為全面提升我國新能源汽車整車節(jié)能與競爭力的關鍵和迫切需求.

本文以汽車超低溫熱泵空調(diào)系統(tǒng)為研究對象，采用新型低全球變暖潛能值(GWP)的R1234yf制冷劑作為運行工質(zhì)，通過經(jīng)濟器式的強化補氣(EVI)技術(shù)提升系統(tǒng)的低溫性能，基于-20 ℃～0 ℃ 低溫性能測試的結(jié)果，分析制熱量、制熱能效化、排氣溫度、補氣壓力等核心評價指標，并提出系統(tǒng)零部件優(yōu)化方法.

1 EVI試驗技術(shù)

1.1 EVI原理

EVI技術(shù)可以通過提升蒸發(fā)器中的焓差改善熱泵空調(diào)系統(tǒng)(下文簡稱熱泵系統(tǒng))的循環(huán)穩(wěn)定性和工作性能，分為閃蒸罐式與經(jīng)濟器式.目前，市場采用EVI熱泵空調(diào)技術(shù)的汽車較少且均為閃蒸罐式，存在補氣流量較小且不可控等技術(shù)難點.本研究中車用熱泵采用經(jīng)濟器式EVI技術(shù)，通過準二級壓縮增焓與大流量補氣技術(shù)提升能效，其熱泵系統(tǒng)技術(shù)原理如圖1所示.從冷凝器出來的制冷劑先經(jīng)過經(jīng)濟器過冷后一分為二，其中一部分經(jīng)過大開度獨立電子膨脹閥的流量控制后，再從經(jīng)濟器中吸熱進入壓縮機的中壓補氣口，與一級壓縮的制冷劑混合并進行二級壓縮后排出，以提升熱泵系統(tǒng)整體循環(huán)流量與節(jié)流前的過冷度.與傳統(tǒng)強化補氣技術(shù)不同的是，熱泵系統(tǒng)將補氣流路置于經(jīng)濟器出口而非入口，可以使全部的制冷劑在經(jīng)濟器中放熱，且制熱電子膨脹閥前制冷劑的過冷度較大，當工作條件改變時，可以保證熱泵系統(tǒng)中兩個膨脹閥的過冷度，進一步提升補氣效果.

整個EVI循環(huán)的壓力-焓值(p-H)關系如圖2所示.熱泵系統(tǒng)的流量計算公式為

圖1 熱泵強化補氣技術(shù)系統(tǒng)原理圖Fig.1 System schematic diagram of heat pump EVI technology

圖2 EVI熱泵系統(tǒng)循環(huán)p-H 圖Fig.2 p-H diagram of EVI system circulation

(1)

1.2 制冷劑的選擇

目前市場量產(chǎn)的絕大部分汽車空調(diào)采用的制冷劑為R134a，但由于其高達1 300的全球變暖潛能值(GWP)[11]無法滿足日益嚴苛的環(huán)保法規(guī)，所以不日必將被其他制冷劑所替代.而R1234yf制冷劑的GWP值小于1[11]，其與R134a制冷劑十分相似的物性與工作性能、卓越的環(huán)保特性[12-13]都使R1234yf制冷劑成為大多數(shù)國家下一代汽車空調(diào)制冷劑的選擇.由于R1234yf制冷劑的物性、運行特點與工作性能均與R134a制冷劑十分相似，所以可以避免汽車空調(diào)部件重新進行大范圍的設計與更改，這也是汽車行業(yè)對替代制冷劑的一致訴求.雖然R1234yf制冷劑的熱泵系統(tǒng)制熱性能略低，但相關研究[14-15]表明該性能能夠通過優(yōu)化措施超越現(xiàn)有的R134a制冷劑.

從管內(nèi)冷凝與蒸發(fā)傳熱數(shù)值計算分析，由Nusselt方程可知光滑管的內(nèi)部冷凝關聯(lián)式為

(2)

式中：hc為冷凝換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；ρf與ρg分別為制冷劑液相密度與液氣相密度；g=9.8 m/s2為重力加速度；ΔHfg為液相與氣相的焓差；λf為液相導熱系數(shù)；μf為液相黏度；Ts與Tw分別為飽和溫度與扁管溫度；do為管外徑.

再由Shah關聯(lián)式[16]進行計算，則有：

式中：x為干度，無量綱；p*為制冷劑的工作壓力與其臨界壓力之比；G為質(zhì)量流速；di為管內(nèi)徑；Prf為液相普朗特數(shù)，無量綱.

代入R1234yf與R134a制冷劑的相關熱物性與傳遞參數(shù)，可得R1234yf制冷劑在相同質(zhì)量流速下的冷凝傳熱系數(shù)比R134a制冷劑的略低，但其冷凝壓降也低于R134a制冷劑，因此整體性能略優(yōu)于R134a制冷劑.Wang與Del Col等[17-18]也對此問題進行了分析，得出了與上述理論相同的結(jié)論再由Lockhart Martinelli關聯(lián)式對蒸發(fā)傳熱效果進行計算，則有：

(6)

(7)

φG=(1+CX+X2)0.5

(8)

式中：z為壓力梯度的方向；C為流動狀態(tài)系數(shù)，當氣液兩相均為湍流時，C=20，當氣相為湍流液相為層流時C=12；X為Lockhart Martinelli參數(shù)，定義為假設液體單獨流動時與假設氣體單獨流動時p*之比的平方根，無量綱.

由式(6)～(8)的計算結(jié)果可得，R1234yf制冷劑的蒸發(fā)過程壓降較低，故沸騰傳熱性能略好于R134a制冷劑.Saitoh等[19]的試驗測量也驗證了該結(jié)論.因此，選擇R1234yf作為汽車超低溫熱泵系統(tǒng)的制冷劑，同時與傳統(tǒng)制冷劑R134a進行對比測試.

1.3 熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工況選擇

熱泵系統(tǒng)安裝在兩個氣候室中.氣候室能夠通過比例積分微分(PID)控制器控制空氣溫度和濕度.室外換熱器的風速由軸流風扇控制，而室內(nèi)蒸發(fā)器和空氣體積流量由供熱通風與空氣調(diào)節(jié)(HVAC)的輸入電壓控制.壓力和溫度傳感器安裝在各換熱器的入口和出口處以測量熱泵系統(tǒng)參數(shù)，制冷劑的質(zhì)量流量通過Coriolis質(zhì)量流量計測量.此外，在測試期間還采集了換熱器的迎風速度和空氣體積流量、壓縮機的輸入電流和電壓以及環(huán)境溫度與相對濕度.試驗臺架部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.試驗臺架具體結(jié)構(gòu)如圖3所示.其中：HZ為變頻器；M為電機；B為風機；DP為差壓；DB為干球溫度；WB為濕球溫度.

表1 試驗臺架部件結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of test bench components

圖3 熱泵系統(tǒng)試驗臺架結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of system test bench

制熱量Q通過測量風洞入口溫度T1和出口溫度T2、制冷劑定壓比熱容γ以及空氣質(zhì)量流量qm計算，壓縮機輸入功率W由穩(wěn)壓電源電流I、電壓U計算得出，則有：

Q=qmγ(T2-T1)

(9)

W=IU

(10)

COP=Q/W

(11)

主要測試低溫環(huán)境(-20～0 ℃)中熱泵系統(tǒng)的工作性能，具體試驗工況如表2所示.其中：Tout為室外干球溫度；Tin為室內(nèi)溫度.室內(nèi)空氣流量為300 m3/h，補氣壓力測試范圍為0～0.5 MPa.

表2 試驗工況Tab.2 Test conditions

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 EVI最佳補氣壓力

因此，針對每一個工況，都將有一個EVI最佳補氣壓力，此時熱泵系統(tǒng)具有最佳的加熱性能，下文中試驗結(jié)果的對比與分析也均取各工況下最佳補氣壓力下的數(shù)據(jù)結(jié)果.

圖5 R1234yf與R134a汽車熱泵系統(tǒng)測試結(jié)果Fig.5 Test results of automotive heat pump air-conditioning systems of R1234yf and R134a

2.2 制熱量與COP

采用R1234yf制冷劑的EVI熱泵系統(tǒng)制熱量與COP試驗結(jié)果如圖5所示.其中NEVI為無EVI的熱泵系統(tǒng).由圖5(a)與(b)可以看出，采用R1234yf制冷劑的EVI熱泵系統(tǒng)在 -20 ℃超低溫環(huán)境中的制熱量與COP可達2 kW與2.0以上，能夠滿足各工況下的車內(nèi)制熱需求，制熱量與COP相比不補氣時分別提升了30%與14%.而圖5(c)與(d)中采用R134a制冷劑的熱泵系統(tǒng)，其EVI僅提升了19%與8%.這是因為R1234yf制冷劑的氣相密度比R134a制冷劑高15%～20%，提升了制冷劑的質(zhì)量流量， 所以R1234yf制冷劑比R134a制冷劑更適合用于EVI熱泵系統(tǒng)，性能提升效果更佳.同時從圖5中的對比可以看出，環(huán)境溫度越低，補氣使制熱量提升的效果就越好.因此，該強化補氣熱泵空調(diào)技術(shù)能夠較好地滿足北方低溫氣候區(qū)的使用需求.

對比兩種制冷劑熱泵系統(tǒng)的EVI模式，其結(jié)果如圖6所示.由圖6可知， 采用R1234yf制冷劑的EVI熱泵系統(tǒng)制熱量與COP分別比采用R134a制冷劑的EVI熱泵系統(tǒng)制熱量與COP低6.7%和4.5%.這主要由于在汽車空調(diào)常用的-25～40 ℃工作范圍內(nèi)，相同工作壓力下R1234yf制冷劑的相變潛熱低于R134a制冷劑， 但與此同時R1234yf制冷劑的氣相密度比R134a制冷劑高，對增加制熱量又有正向作用.總的來說，采用R1234yf制冷劑的EVI熱泵系統(tǒng)制熱性能比R134a制冷劑略有不足但基本持平，且在個別工況下優(yōu)于R134a制冷劑.

圖6 R1234yf與R134a制冷劑熱泵系統(tǒng)EVI模式性能對比Fig.6 Performance comparison between R1234yf and R134a systems of EVI mode

2.3 排氣溫度

排氣溫度是影響汽車空調(diào)工作可靠性和穩(wěn)定性的重要影響因素，相關研究[20-21]表明，電動汽車的壓縮機Tdis平均比傳統(tǒng)汽車高5～10 ℃，在某些極端條件下甚至更高.過高的排氣溫度會導致一系列不良后果，例如潤滑劑的密度與黏度變化、熱泵系統(tǒng)堵塞、壓縮機磨損等，這對熱泵系統(tǒng)的長期運行會產(chǎn)生不利的影響.熱泵系統(tǒng)在EVI與NEVI模式下的排氣溫度試驗結(jié)果如圖7所示.由圖7可知，在EVI模式下，R1234yf制冷劑與R134a制冷劑熱泵系統(tǒng)排氣溫度比NEVI模式低5～20 ℃，平均低12 ℃，且環(huán)境溫度越低排氣溫度下降效果越好，保證了該熱泵系統(tǒng)在 -20 ℃環(huán)境中運行的可靠性與穩(wěn)定性.同時，通過對比可以發(fā)現(xiàn)在相同的試驗條件下，采用R1234yf制冷劑熱泵系統(tǒng)的排氣溫度在EVI模式與NEVI模式下分別比R134a制冷劑熱泵系統(tǒng)平均低4 ℃和5.3 ℃，R1234yf制冷劑熱泵系統(tǒng)更為穩(wěn)定可靠.這是R1234yf制冷劑的一大優(yōu)勢，因此R1234yf制冷劑比R134a制冷劑更適合用于電動汽車熱泵系統(tǒng).

圖7 排氣溫度試驗結(jié)果Fig.7 Test results of discharge temperature

2.4 低壓飽和壓力

當汽車的熱泵系統(tǒng)在低于-20 ℃的環(huán)境溫度中工作時，可能會出現(xiàn)吸氣的蒸發(fā)壓力低于大氣壓即真空負壓的情況，導致空氣和水分泄漏到非密封部件中嚴重損壞熱泵系統(tǒng).因此出于對壓縮機的保護，規(guī)定其不能在最高轉(zhuǎn)速下運行，必須降低壓縮機轉(zhuǎn)速，以確保吸氣壓力大于外部大氣壓，但壓縮機轉(zhuǎn)速的降低也會導致低溫下制熱性能的急劇下降.R1234yf制冷劑與R134a制冷劑的低溫蒸發(fā)壓力對比如圖8所示.其中：ps為低壓飽和壓力；T為溫度.由圖8可知，R1234yf制冷劑的低壓飽和壓力比R134a制冷劑的高15%左右；與大氣壓力對比可以發(fā)現(xiàn)，R134a制冷劑在溫度為-25 ℃左右時，飽和壓力就低至大氣壓，而R1234yf制冷劑在溫度-29 ℃時才達到大氣壓.因此，R1234yf制冷劑可適用于更低的蒸發(fā)壓力，即在相同的低溫環(huán)境中，R1234yf制冷劑可以比R134a制冷劑匹配更高的壓縮機轉(zhuǎn)速，提供更高的制熱量，這也成為采用R1234yf制冷劑的車用熱泵在超低溫環(huán)境中高性能工作的有效保證.

圖8 R1234yf與R134a低壓飽和曲線Fig.8 Low pressure saturation curves of R1234yf and R134a

3 熱泵系統(tǒng)零部件優(yōu)化

3.1 增大內(nèi)部冷凝器面積

圖9 R1234yf 熱泵系統(tǒng)EVI模式優(yōu)化測試結(jié)果Fig.9 EVI mode optimization test results of R1234yf system

換熱器的換熱效果是影響熱泵系統(tǒng)性能的重要因素，內(nèi)部冷凝器換熱面積的增加可以顯著提升熱泵系統(tǒng)的制熱量與COP.為此，將R1234yf制冷劑熱泵系統(tǒng)EVI模式下內(nèi)部冷凝器換熱面積增大10%后進行測試，測試結(jié)果如圖9所示.其中：S為原系統(tǒng)冷凝器換熱面積；Sinc為增大10%后的冷凝器換熱面積.由圖9可知，R1234yf制冷劑熱泵系統(tǒng)制熱量平均提升15%，特別是在工況14中的-20 ℃超低溫環(huán)境中，熱泵系統(tǒng)制熱量達到2.51 kW，比原來NEVI模式的2.11 kW提升了19%，也比R134a制冷劑熱泵系統(tǒng)提升了16%.該優(yōu)化方法攻克了-20 ℃環(huán)境下乘員艙制熱的技術(shù)難點，可以滿足乘員艙熱舒適性的制熱需求.

3.2 插片式換熱器開發(fā)

由于在環(huán)境溫度低于0 ℃且小于濕空氣露點溫度時，室外換熱器表面在短時間內(nèi)會被霜層堵塞，導致?lián)Q熱系數(shù)嚴重降低，換熱量減小且結(jié)霜非常不均勻，且化霜后水分不易流出，再次冷卻時易結(jié)冰，發(fā)生“冰堵”現(xiàn)象，致使汽車熱泵系統(tǒng)無法正常工作.為解決此技術(shù)難點，開發(fā)了新型熱泵插片式微通道換熱器，其結(jié)構(gòu)如圖10所示.特點在于豎直布局的百葉窗翅片與水平微通道扁管焊接，使得濕工況冷凝水能沿突出的縱向翅片順利排出，解決了傳統(tǒng)微通道換熱器水平翅片根部易積水甚至冰堵的難點.在 -20 ℃超低溫環(huán)境中進行的化霜對比測試結(jié)果如圖11所示.由圖11可以知道，傳統(tǒng)微通道換熱器在40 min時霜層已很厚，而新型插片式微通道換熱器在40 min時則無明顯結(jié)霜，最終使得結(jié)霜運行時間增加了78%以及化霜時間從12 min縮短到5 min，實現(xiàn)了除霜頻次降低以及熱泵系統(tǒng)節(jié)能的目標，也解決了傳統(tǒng)車用熱泵系統(tǒng)在超低溫環(huán)境中無法使用的難題.

圖10 插片式換熱器結(jié)構(gòu)Fig.10 Structure of insert heat exchanger

圖11 -20 ℃時2種室外換熱器的40 min化霜測試Fig.11 40 min frost tests of two kinds of outdoor heat exchangers at -20 ℃

3.3 電動渦旋壓縮機補氣流路優(yōu)化

圖12 強化補氣電動渦旋壓縮機設計方案Fig.12 Design of electric scroll compressor for EVI

車用熱泵強化補氣熱泵系統(tǒng)使用了類雙級壓縮技術(shù)，利用中間不完全冷卻的方式解決普通熱泵低溫下性能不足的問題.由于需要使用強化補氣壓縮機，其補氣流路的設計將直接影響補氣的效果與整個熱泵系統(tǒng)的性能.在低溫工況下，壓縮機潤滑油黏度變大且比常溫工況下更容易滯留在熱泵系統(tǒng)中.潤滑油回油困難不僅會導致壓縮機摩擦損失增加、效率降低，且潤滑油極易停留在蒸發(fā)器中，增加制冷劑和管道之間的熱阻，進一步降低熱泵系統(tǒng)的性能.因此，對強化補氣壓縮機補氣流路的優(yōu)化和油分離機構(gòu)控制技術(shù)進行了提升，開發(fā)了一種渦旋壓縮機仿真模型，最終確定的對稱補氣孔設計、位置及孔徑方案如圖12所示.由圖12可以看出，為解決低溫回油問題，開發(fā)了低溫熱泵系統(tǒng)專用高效油分離器，采用壓縮機集成式油分離機構(gòu)，基于制冷劑與油互溶流動機理開發(fā)油分離仿真模型，利用潤滑油重力和離心力作用，在原有壓縮機排氣管上增加一個旋流分離錐形油分離管，實現(xiàn)潤滑油與制冷機的高效分離.該種優(yōu)化設計不僅可以提升車用熱泵強化補氣的效果，還能使熱泵系統(tǒng)的制熱量平均提升23%，同時又降低了壓縮機的吐油量，使得熱泵系統(tǒng)的油循環(huán)率控制在3%以內(nèi).

4 結(jié)論

所提基于強化補氣的汽車超低溫熱泵系統(tǒng)，在低溫環(huán)境(-20～0 ℃)性能測試中表現(xiàn)出了良好的制熱性能，可以滿足北方低溫氣候區(qū)的使用需求.

(1) 經(jīng)過強化補氣，采用R1234yf制冷劑的EVI熱泵總體制熱性能比R134a制冷劑略有不足但基本持平，且在個別點性能超越R134a制冷劑.

(2) R1234yf制冷劑熱泵系統(tǒng)EVI模式在 -20 ℃低溫環(huán)境中制熱量與COP可達2 kW與2.0以上，比普通熱泵制熱量與COP提升了30%與14%，EVI性能提升的效果優(yōu)于R134a制冷劑，可以滿足超低溫環(huán)境的制熱需求.

(3) R1234yf制冷劑熱泵系統(tǒng)的排氣溫度平均比R134a制冷劑熱泵系統(tǒng)低4 ℃，低溫飽和蒸汽壓力比R134a制冷劑高15%左右，在相同低溫環(huán)境中表現(xiàn)出更高的制熱量和工作可靠性.

(4) 增大內(nèi)部冷凝器面積、使用插片式室外換熱器、優(yōu)化電動渦旋壓縮機補氣流路與油分離機構(gòu)可以顯著提升強化補氣效果與能效.

可以預測，電動汽車超低溫EVI熱泵空調(diào)系統(tǒng)將在未來汽車行業(yè)有更為深入的發(fā)展.目前，新能源汽車熱泵空調(diào)行業(yè)在成長初期，整體規(guī)模較小.隨著電動汽車市場的全面增長和熱泵技術(shù)的加速滲透，乘用車熱泵空調(diào)市場將快速增長，超低溫強化補氣技術(shù)也將帶來更大的經(jīng)濟效益與社會效益.