電動汽車R1234yf 熱泵空調(diào)系統(tǒng)仿真分析研究

牟連嵩 ， 王 偉 ， 許 翔 ， 孫津鴻

（1.中汽研 （天津） 汽車工程研究院有限公司， 天津 300300；2.中汽研 （常州） 汽車工程研究院有限公司， 江蘇 常州 213164）

R134a作為車用制冷劑得到廣泛使用，雖然對臭氧層沒有破壞作用，但其GWP卻高達(dá)1430［1］。1992年6月和1997年12月簽訂的《氣候變化框架公約》和《京都議定書》規(guī)定了溫室效應(yīng)氣體排放量凍結(jié)削減時(shí)間，到2017年歐洲等發(fā)達(dá)國家汽車空調(diào)系統(tǒng)不能使用GWP超過150的制冷劑［2］。2021年9月《〈蒙特利爾議定書〉基加利修正案》正式對中國生效，我國將對廣泛作為制冷劑應(yīng)用的HFCs （氫氟碳化物） 進(jìn)行管控，從2024年凍結(jié)HFCs生產(chǎn)和消費(fèi)，而R134a正是屬于HFCs的一種［3］。因此，尋求可替換的高效環(huán)保制冷劑并成功應(yīng)用于汽車空調(diào)熱泵系統(tǒng)成為汽車空調(diào)行業(yè)急需解決的問題。R1234yf是由杜邦公司和霍尼韋爾聯(lián)合研制的新型環(huán)保制冷劑，ODP為0，GWP為4，與R134a物性相近，成為其替代制冷劑之一［4-5］。

綜合來看，R1234yf與R134a具有相近的熱物理性質(zhì)，并且更加環(huán)保，只需對原適用于R134a的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行稍加調(diào)整，即可應(yīng)用于R1234yf，使得其成為國內(nèi)可替代R134a的新型制冷劑之一［6-7］。本文利用一維仿真軟件搭建R1234yf熱泵空調(diào)系統(tǒng)模型，探究R1234yf制冷劑熱泵空調(diào)系統(tǒng)與R134a系統(tǒng)的差異，為未來探究熱泵系統(tǒng)與R1234yf提供更多的參考依據(jù)。

1 熱泵空調(diào)系統(tǒng)模型

基于實(shí)車管路結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，利用AMESim對R1234yf和R134a熱泵空調(diào)系統(tǒng)建立仿真模型，研究不同環(huán)境工況、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和過冷度對系統(tǒng)性能的影響。

1.1 換熱器單體模型標(biāo)定

仿真模型中的換熱器需要通過換熱器單體試驗(yàn)數(shù)據(jù)對模型中的換熱系數(shù)和壓降系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定調(diào)整，使單體試驗(yàn)數(shù)據(jù)與單體仿真數(shù)據(jù)在所有測試工況下的誤差維持在較小范圍內(nèi)，以確保整個系統(tǒng)模型的精準(zhǔn)度。由于冷凝器和蒸發(fā)器在制冷和制熱模式需要切換使用，所以在兩種模式下對冷凝器和蒸發(fā)器分別標(biāo)定。標(biāo)定后換熱器單體模型的換熱量和壓降，以及與試驗(yàn)值對比如表1所示，平均誤差均在5%以內(nèi)，滿足工程需求。

表1 換熱器單體標(biāo)定結(jié)果

1.2 管路模型標(biāo)定

為保證系統(tǒng)模型精度，必須考慮制冷劑通過管路與外界空氣的換熱。在制冷和制熱模式下，分別選取3組試驗(yàn)工況，對模型中的管路進(jìn)行換熱標(biāo)定。圖1是壓縮機(jī)出口到冷凝器入口管路模型標(biāo)定結(jié)果，誤差均在1℃以內(nèi)?？煽闯鲚^長的管路會導(dǎo)致冷媒沿管路出現(xiàn)一定溫降，尤其冷媒溫度和環(huán)境溫度差值較大時(shí)，反映出管路換熱對冷媒溫度影響較大，仿真時(shí)需要考慮管路換熱。

圖1 壓縮機(jī)出口到冷凝器入口管路模型標(biāo)定

1.3 系統(tǒng)模型搭建及驗(yàn)證

分別建立R134a和R1234yf熱泵空調(diào)系統(tǒng)仿真模型，包括制冷系統(tǒng)和制熱系統(tǒng)模型，如圖2所示。冷媒可在模型中工質(zhì)庫里進(jìn)行直接切換。

系統(tǒng)模型搭建后需要對其進(jìn)行標(biāo)定，確保系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)保持在較小誤差。對制冷和制熱模式分別選取2組相應(yīng)工況系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，對系統(tǒng)模型調(diào)試后，兩種模式下的試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果對比如表2和表3所示，模型的平均誤差在5%以內(nèi)。

表2 制冷模式仿真參數(shù)與試驗(yàn)參數(shù)對比

表3 制熱模式仿真參數(shù)與試驗(yàn)參數(shù)對比

2 仿真結(jié)果與分析

系統(tǒng)模型標(biāo)定完成后，基于R1234yf和R134a熱泵空調(diào)系統(tǒng)模型，分析壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度、過冷度等參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。

2.1 環(huán)境溫度

圖3是制冷模式下R1234yf和R134a熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑質(zhì)量流量和制冷量隨環(huán)境溫度的變化趨勢。隨環(huán)境溫度降低，制冷劑密度下降，質(zhì)量流量下降，但下降的幅度逐漸減小。環(huán)境溫度平均每下降5℃，R134a的質(zhì)量流量降低2.18%，R1234yf降低2.41%。同時(shí)，制冷量隨環(huán)境溫度的降低逐漸提高。其原因是制冷劑飽和溫度越低，工質(zhì)粘度越小，減少了換熱的熱阻。另一方面制冷劑的氣液兩相飽和狀態(tài)焓差增大，即相變潛熱增大，相同的質(zhì)量流量下能提供更多的換熱量。從仿真結(jié)果可看出，制冷工況下R1234yf系統(tǒng)質(zhì)量流量平均比R134a系統(tǒng)高23%，制冷性能平均低3.5%。

圖3 環(huán)境溫度對制冷量和流量的影響

圖4是制熱模式下的制冷劑質(zhì)量流量和制冷量隨環(huán)境溫度的變化趨勢。隨著環(huán)境溫度降低，冷媒密度降低，導(dǎo)致質(zhì)量流量降低。與制冷模式對比，降低相同的環(huán)境溫度，制熱模式的冷媒質(zhì)量流量衰減更嚴(yán)重，所以隨著冷媒量的衰減，制熱量也隨之衰減。在0℃時(shí)，R1234yf系統(tǒng)制熱量低于R134a，而在低于0℃的工況，R1234yf系統(tǒng)制熱量均高于R134a。隨著環(huán)境溫度降低，R1234yf系統(tǒng)與R134a系統(tǒng)的制熱量差值由-5℃的4.2%，增加到-20℃的9.6%，而質(zhì)量流量從29.3%增加到33.6%。這表明在制熱模式的低溫工況下，R1234yf系統(tǒng)比R134a系統(tǒng)更具有優(yōu)勢，能夠適應(yīng)更低環(huán)溫下的采暖工況。

圖4 環(huán)境溫度對制熱量和流量的影響

2.2 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速是影響熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能的重要參數(shù)。圖5是環(huán)溫為35℃時(shí)R1234yf和R134a熱泵空調(diào)系統(tǒng)的流量與制冷量隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化趨勢。流量與制冷量隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速呈正比。各轉(zhuǎn)速下R1234yf系統(tǒng)的制冷量平均比R134a系統(tǒng)小3.6%。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的增加對制冷量的增益越來越小，并且R1234yf系統(tǒng)的質(zhì)量流量比R134a系統(tǒng)明顯增多，導(dǎo)致壓降增大，壓縮機(jī)功耗增加。

圖5 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對制冷量和流量的影響

圖6是環(huán)溫為-10℃時(shí)R1234yf和R134a熱泵空調(diào)系統(tǒng)的流量與制熱量隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。質(zhì)量流量與制熱量隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速呈正比，這與制冷模式下的變化趨勢相同。R1234yf系統(tǒng)的質(zhì)量流量同樣高于R134a系統(tǒng)，壓縮機(jī)功耗的增加導(dǎo)致R1234yf系統(tǒng)的COP會低于R134a系統(tǒng)。

圖6 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對制熱量和流量的影響

2.3 過冷度影響分析

過冷度是冷媒壓力對應(yīng)的飽和溫度與實(shí)際溫度的差值。冷凝器出口保持一定的過冷度，可以避免冷媒在管路流動時(shí)因壓降而出現(xiàn)閃發(fā)，以及導(dǎo)致的蒸發(fā)器換熱量損失。同時(shí)保證進(jìn)入膨脹閥的冷媒都是液態(tài)，使膨脹閥能夠穩(wěn)定工作。圖7和圖8為制熱工況下制熱量和質(zhì)量流量隨過冷度的變化趨勢。可看出過冷度對制熱量增加是有益的，隨著過冷度增加，質(zhì)量流量變化很小，內(nèi)部冷凝器出口焓值減小，進(jìn)而進(jìn)出口焓差增大，使冷凝器制熱量增加。

圖7 過冷度對內(nèi)部冷凝器制熱量的影響

圖8 過冷度對內(nèi)部冷凝器質(zhì)量流量的影響

圖9為內(nèi)部冷凝器和外部蒸發(fā)器的進(jìn)出口焓差隨過冷度的變化趨勢?？煽闯觯S著過冷度增加，冷凝器和蒸發(fā)器的焓差均增大，對冷凝器焓差影響稍大一些。結(jié)合圖7~圖9可看出，R1234yf系統(tǒng)的制熱量高于R134a系統(tǒng)，主要原因是R1234yf氣相密度較高導(dǎo)致的高質(zhì)量流量對系統(tǒng)制熱量的影響大于冷凝器焓差較小的缺點(diǎn)。過冷度每增加5℃，R1234yf系統(tǒng)的制熱量平均增加 2.45%，R134a系統(tǒng)平均增加2.15%，可見對R1234yf系統(tǒng)增大過冷度對提高系統(tǒng)性能更佳，這也使得 R1234yf系統(tǒng)在使用同軸管進(jìn)行換熱優(yōu)化后也具有一定的優(yōu)勢。

圖9 過冷度對換熱器焓差的影響

3 結(jié)論

本文利用AMESim仿真平臺搭建了電動車實(shí)車管路熱泵空調(diào)系統(tǒng)模型，并考慮了管路換熱的影響，最終模型的單體零部件與系統(tǒng)平均誤差均在5%以內(nèi)。利用系統(tǒng)模型對比研究了影響R1234yf和R134a實(shí)車管路熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能的各方面因素。結(jié)果表明。

1） 制冷模式下，R134a系統(tǒng)性能略優(yōu)于R1234yf系統(tǒng)；在制熱模式低溫工況下，R1234yf系統(tǒng)比R134a系統(tǒng)更具有優(yōu)勢，更適用于低溫下采暖工況。

2） 隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速增高，系統(tǒng)的制冷量、制熱量和質(zhì)量流量均增大，R1234yf系統(tǒng)的質(zhì)量流量均大于同轉(zhuǎn)速下的R134a系統(tǒng)。

3） 過冷度增大可提高系統(tǒng)的制熱量，對R1234yf系統(tǒng)制熱量增大的作用更為顯著。