R1234yf在新能源電動(dòng)車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的安全應(yīng)用研究

汪琳琳，焦鵬飛，王 偉，牟連嵩，劉雙喜

（1.天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072；2.中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300）

前言

溫室效應(yīng)使地球表面的溫度上升，氟利昂等制冷劑的使用對(duì)此有著重要的影響。汽車空調(diào)是泄漏到大氣中制冷劑的主要來源之一。R134a是全世界的汽車空調(diào)供應(yīng)商采用的主要制冷劑，其全球變暖潛值GWP高達(dá)1 420。根據(jù)《京都議定書》、美國(guó)溫室氣體相關(guān)法規(guī)和歐盟 F-gas法規(guī)的要求，在主要發(fā)達(dá)國(guó)家地區(qū)已開始了對(duì)R134a的逐步消減和限控。隨著《蒙特利爾議定書》基加利修正案的簽訂和生效，和響應(yīng)國(guó)家2030碳達(dá)峰與2060碳中和的目標(biāo)，新型環(huán)保制冷劑替代在我國(guó)開始受到了關(guān)注，從2024年開始對(duì)R134a實(shí)施凍結(jié)并逐步消減。

制冷劑的替代不僅考察熱物性，安全性如毒性、可燃性及其對(duì)應(yīng)措施也是必須考察的因素。本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外對(duì)R1234yf安全性相關(guān)的研究，針對(duì)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)，分析了2種不同車型的電動(dòng)汽車乘員艙空間對(duì)應(yīng)的制冷劑充注量限值。建議如果充注量超過限值應(yīng)采取警報(bào)和自動(dòng)開啟汽車外循環(huán)新風(fēng)系統(tǒng)。

1 國(guó)內(nèi)外關(guān)于R1234yf危險(xiǎn)性研究

1.1 R1234yf熱物性

R1234yf作為R134a的替代制冷劑之一，其GWP為4，文獻(xiàn)[1-2]列出了2種制冷劑的物性對(duì)比。由于R1234yf物性與R134a相近，在汽車空調(diào)上只需對(duì)零部件與系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化便可直接替代 R134a使用。已有理論與試驗(yàn)對(duì)制冷劑R1234yf與 R134a熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能進(jìn)行了對(duì)比分析研究[3-6]，R1234yf熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制熱、制冷量與COP比R134a低10%以內(nèi)。

1.2 生成HF有毒氣體

HF屬剌激性有毒氣體。霍尼韋爾和杜邦對(duì) R1234yf進(jìn)行了毒性檢測(cè)[7]，認(rèn)為R1234yf屬于低毒類化學(xué)物質(zhì)，當(dāng)吸入時(shí)可引起嗜睡和注意力不集中，頭暈眼花，眼睛、皮膚和呼吸道系統(tǒng)不適。

R1234yf在燃燒時(shí)產(chǎn)生 HF毒氣體也有相關(guān)研究。2010年6月德國(guó)聯(lián)邦材料研究與測(cè)試所（BAM）發(fā)布了R1234yf點(diǎn)燃情景的最終試驗(yàn)報(bào)告[8]，聲稱 R1234yf暴露于點(diǎn)火源后會(huì)生成有毒HF氣體。朱明善等[9]指出，在汽車空調(diào)中 R1234yf由于熱分解和燃燒所生成的HF濃度超標(biāo)導(dǎo)致危害人身健康的大風(fēng)險(xiǎn)事故率與R134a的屬于同一數(shù)量級(jí)。影響實(shí)際燃燒產(chǎn)物HF濃度的因素有三種[10]：（1）與燃燒反應(yīng)程度有關(guān)；（2）與實(shí)際燃燒反應(yīng)過程機(jī)理復(fù)雜有關(guān)；（3）與反應(yīng)的周圍環(huán)境有關(guān)。馮彪等[10]自主設(shè)計(jì)并搭建了封閉環(huán)境下反應(yīng)、泄壓、稀釋和濃度測(cè)試連續(xù)系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明，試驗(yàn)環(huán)境溫度為27～30℃時(shí)，R1234yf的可燃極限范圍為8.2%～11.5%；在溫度為 26～30.5℃時(shí)，在可燃極限范圍內(nèi)，隨著 R1234yf濃度的增加，燃燒產(chǎn)生的HF濃度先增加后減少，HF濃度危險(xiǎn)峰值為18.3 ppm。

1.3 可燃性

R1234yf被美國(guó)采暖、制冷和空調(diào)工程師協(xié)會(huì)（ASH-RAE）評(píng)定為A2L，具有輕微的可燃性。相較于其他制冷劑來說，R1234yf具有更低的燃燒區(qū)域、燃燒速度和更高的點(diǎn)燃能量，R1234yf的可燃性最小[11]。

對(duì)于汽車空調(diào)，人們主要關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)和乘客車廂內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)?；裟犴f爾公司的科研人員設(shè)計(jì)了鋼板實(shí)驗(yàn)及車廂內(nèi)明火點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)。將鋼板加熱至一定溫度，觀察R1234yf是否出現(xiàn)可燃現(xiàn)象。結(jié)果表明，在550 ℃及800 ℃的鋼板實(shí)驗(yàn)情況下，均未出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象。在900 ℃情況下，如果泄漏的R1234yf伴隨有壓縮機(jī)潤(rùn)滑油是可燃的。并且其因泄漏而導(dǎo)致的起火情況可以忽略。針對(duì)汽車空調(diào)的可燃事故風(fēng)險(xiǎn)分析，文獻(xiàn)[12]得出了每單位車輛單位行駛小時(shí)內(nèi)，可燃風(fēng)險(xiǎn)率為10-14量級(jí)。這個(gè)概率大致相當(dāng)于每年行駛500 h的全美2.5億輛客車，每百年才發(fā)生1次可燃的危害事故。

Rui Zhai等[13]研究了R1234yf在不同濕度下的可燃極限，并探究了濕度對(duì)可燃極限的影響方式。隨著濕度的增加，R1234yf的可燃極限區(qū)間在增加。為了減小制冷劑的可燃極限范圍，Biao Feng等[14]測(cè)試了常溫常壓下R227ea和R134a作為阻燃劑對(duì)R1234yf的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示R227ea對(duì)于R1234yf的阻燃效果優(yōu)于R134a，加入阻燃劑能降低R1234yf的燃燒速度。

盡管如此，因?yàn)榫哂锌扇夹郧胰紵蟮纳晌锞哂卸拘?，歐盟一些車企還是對(duì)R1234yf存遲疑態(tài)度。采用了熱泵空調(diào)系統(tǒng)和電池液冷卻的新能源電動(dòng)汽車，系統(tǒng)所需制冷劑的充注量增加。如果制冷劑在乘客車廂內(nèi)發(fā)生泄漏，車內(nèi)制冷劑濃度比傳統(tǒng)車高，此時(shí)乘客如果使用明火，就有可能導(dǎo)致R1234yf在乘員艙內(nèi)燃燒。因此，需要對(duì)新能源汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑可燃性及其如充注量、濕度等影響因素進(jìn)行進(jìn)一步研究。

2 汽車空調(diào)用微燃制冷劑R1234yf充注量限值

一輛A級(jí)相當(dāng)車或者小SUV，傳統(tǒng)空調(diào)充注量在450~550 g，B級(jí)車充注量620 g。對(duì)于采用熱泵空調(diào)系統(tǒng)并利用系統(tǒng)液冷冷卻電池的電動(dòng)汽車，熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑充注量在1 000~1 300 g（標(biāo)準(zhǔn)熱泵—10 ℃），間接熱泵比直接熱泵空調(diào)系統(tǒng)充注量多，帶噴氣增焓的熱泵系統(tǒng)多需要加 200 g。表1是幾種車型的制冷劑充注量。較傳統(tǒng)汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷劑充注量增加了400～800 g。相比傳統(tǒng)汽車空調(diào)系統(tǒng)，如果熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷劑在乘員艙泄漏，會(huì)增加乘員艙制冷劑的濃度，如果遇明火風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)加大。有必要分析制冷劑充注量、制冷劑泄漏與可燃危險(xiǎn)的影響和關(guān)系。

表1 2種車型的制冷劑充注量

然而，國(guó)內(nèi)外并沒有任何相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)汽車空調(diào)制冷劑的充注量進(jìn)行限制規(guī)定。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9237-2017《制冷系統(tǒng)及熱泵安全與環(huán)境要求》[15]中對(duì)房間空調(diào)器采用不同安全級(jí)別可燃制冷劑的制冷系統(tǒng)的安裝場(chǎng)所及充注量進(jìn)行了規(guī)定。本文參考此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)房間空調(diào)系統(tǒng)的使用空間和安裝場(chǎng)所的分類，找到與汽車空調(diào)相同的使用空間和安裝場(chǎng)所，根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算方法，對(duì)汽車空調(diào)采用可燃制冷劑時(shí)的充注量進(jìn)行了計(jì)算與分析。

文獻(xiàn)[15]列出了以毒性等級(jí)為 A規(guī)定制冷系統(tǒng)制冷劑充注量的限值和以可燃性等級(jí)為2 L規(guī)定制冷系統(tǒng)制冷劑充注量的限值。使用空間類別按照b進(jìn)行分類，即提供給有限數(shù)量的人聚集。安裝場(chǎng)所類別按照第Ⅱ類機(jī)械設(shè)備安置在使用空間進(jìn)行分類，因?yàn)閴嚎s機(jī)一般安裝在汽車的前端車廂內(nèi)，認(rèn)為汽車空調(diào)系統(tǒng)屬于壓縮機(jī)在機(jī)房或露天空間。由表4可見，以毒性規(guī)定時(shí)，汽車空調(diào)系統(tǒng)無充注量限值。只需要根據(jù)表5以可燃性等級(jí)為2 L規(guī)定計(jì)算制冷劑充注量。

可燃性等級(jí)為2 L級(jí)制冷劑R1234yf，由于燃燒速度較低，著火風(fēng)險(xiǎn)也較低，封頂系數(shù)可提高1.5倍。根據(jù)文獻(xiàn)附錄B查制冷劑R1234yf的LFL值為0.289 kgm-3。系統(tǒng)制冷劑充注量限值計(jì)算式：

式中：m1為系統(tǒng)中制冷劑充注量限值，單位為kg；V為乘員艙空間體積，單位為m3；LFL為制冷劑可燃性下限，單位為kgm-3。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)使用2 L類制冷劑而充注量大于m1時(shí)，可采取式（2）來確定一個(gè)房間的最大充注量：

式中：mmax為房間中最大允許制冷劑充注量，單位為kg；A為房間面積，單位為m2；h0為安裝高度，單位為m。根據(jù)建議高度，所有制冷系統(tǒng)的安裝高度采用0.6 m。

如果式（2）值較大，則采用式（3）根據(jù)最小房間面積計(jì)算系統(tǒng)中制冷劑充注量m2：

式中：m2為按最小房間面積計(jì)算系統(tǒng)制冷劑充注量限值，單位為kg；Amin為最小房間面積，單位為m2。

制冷劑充注量單位是 kgm-3，如果考慮用在汽車，應(yīng)是排除車內(nèi)部件與乘客的車內(nèi)容積。參考以上標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)算公式，分析并計(jì)算三款不同車型的純電動(dòng)汽車乘員艙空間對(duì)應(yīng)的制冷劑R1234yf充注量限值。圖1是乘員艙不含座椅、儀表盤等實(shí)際可使用空間體積的截面示意圖。

圖1 汽車乘員艙不含座椅等截面積示意圖

表2是按照無人、含司機(jī)一人、含乘客四人的汽車實(shí)際使用空間體積，汽車乘員艙面積、汽車乘員艙最小面積，根據(jù)公式（1）～（3）計(jì)算的制冷劑充注量限制。采用對(duì)象乘用車A00級(jí)和A級(jí)車型進(jìn)行分析。由于標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9237-2017是按照機(jī)房規(guī)定的制冷量充注量限值，而對(duì)于乘用車而言，由于乘員艙體積與面積比較小，因此表 2計(jì)算結(jié)果mmax與m2比m1的值小。乘用車的制冷劑充注量限值用m1值進(jìn)行分析。將計(jì)算結(jié)果與表1現(xiàn)有國(guó)內(nèi)汽車制冷系統(tǒng)制冷劑充注量進(jìn)行對(duì)比可見，對(duì)于單冷系統(tǒng)，車型A00與A級(jí)的制冷系統(tǒng)制冷劑充注量約為計(jì)算充注量限值m1的三分之一。對(duì)于采用熱泵空調(diào)系統(tǒng)的A級(jí)車，尤其是間接制熱系統(tǒng)的制冷劑充注量最高達(dá)到1 300 g，與計(jì)算有四人乘客的熱泵系統(tǒng)制冷劑充注量限值m1基本接近。由此可見，乘用車采用可燃制冷劑R1234yf熱泵系統(tǒng)時(shí)，制冷劑充注量是必須考慮的可燃危險(xiǎn)因素之一。

表2 兩種車型乘員艙體積內(nèi)體積及制冷劑充注量限值

對(duì)于使用可燃制冷劑 R1234yf，應(yīng)嚴(yán)格按照制冷劑充注量限制充注制冷劑。如果為滿足舒適性要求制冷劑充注量超過限值，應(yīng)采用警報(bào)裝進(jìn)預(yù)警以保證汽車的安全行駛，或制冷劑泄漏超過制冷劑允許濃度限值，汽車自動(dòng)開啟新風(fēng)系統(tǒng)，提示司機(jī)開窗行駛，并且應(yīng)制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)系統(tǒng)制冷劑的允許充注量進(jìn)行約束。

3 結(jié)論

本文從安全方面分析了制冷劑R1234yf用于新能源純電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的可行性。

（1）參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 9237-2017《制冷系統(tǒng)及熱泵安全與環(huán)境要求》，分析并計(jì)算了兩款純電動(dòng)汽車乘員艙空間對(duì)應(yīng)的制冷劑充注量限值。提出對(duì)使用微燃制冷劑 R1234yf的汽車熱泵空調(diào)，如果系統(tǒng)超出了推薦充注量值，要安裝制冷劑泄漏濃度報(bào)警并自動(dòng)開啟外循環(huán)的建議。

（2）建議制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，充分考慮影響制冷劑可燃性的因素，包括濕度，規(guī)范汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷劑充注量的限值。

綜上所述，在保證充注量限值或采取安全預(yù)警的情況下，汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)用R1234yf作為代替R134a制冷劑是可行的。