新型環(huán)保制冷劑在軌道車輛空調(diào)中的應(yīng)用探討

齊 然

(中車株洲電力機(jī)車有限公司 湖南 株洲 412000)

1 背景

目前全球軌道車輛的絕大多數(shù)空調(diào)系統(tǒng)采用了鹵化烴類化合物作為制冷劑。

盡管氟烴氫(HFC)制冷劑對(duì)臭氧層沒有破壞， 但由于其溫室效應(yīng)的能力較強(qiáng)(使用GWP100指標(biāo)進(jìn)行衡量)， 因此， 受到了密切的關(guān)注。 2016年10月， “蒙特利爾公約”在盧旺達(dá)首都基加利得到修訂，形成了《基加利修正案》， 把HFC加入了受控物質(zhì)清單中。 根據(jù)該修正案， 包括中國在內(nèi)的發(fā)展中國家承諾在2024年開始執(zhí)行HFC類物質(zhì)的削減工作， 發(fā)達(dá)國家則更加提前(從2019年開始)。歐美等其他一部分國家和地區(qū)也都有類似的HFC削減法規(guī)。

相關(guān)行業(yè)開展的研究工作顯示，新型制冷劑的應(yīng)用方案是可行的，本文從典型制冷劑的物理特性及其安全性出發(fā)，分析不同制冷劑替代方案的優(yōu)勢和劣勢，探討了新型環(huán)保制冷劑在軌道車輛空調(diào)中的應(yīng)用前景。

2 制冷劑的比較和可行的制冷劑替代方案

表1為目前軌道車輛空調(diào)常用的制冷劑，以及將來可能的替代制冷劑的組分、安全性和環(huán)保方面的數(shù)據(jù)。

表1 軌道車輛空調(diào)常用和可能的替代制冷劑的特點(diǎn)

制冷劑在軌道車輛空調(diào)應(yīng)用時(shí)考慮的兩個(gè)關(guān)鍵因素是安全性和環(huán)保性。GB/T 7778—2017、ASHRAE 34—2016等標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)制冷劑毒性和可燃性的不同對(duì)其進(jìn)行安全性分組。

對(duì)于ODP等于0且GWP100較小的環(huán)保型鹵代烴制冷劑，其可燃性通常較高，比如R-134a的替代方案R-1234yf的GWP100小于1，但安全性分組是A2L，在采用該組內(nèi)制冷劑時(shí)，應(yīng)進(jìn)行充分的風(fēng)險(xiǎn)性分析。R-513A的GWP100較低(573)，且其安全性分組是A1，可以作為一種過渡的制冷劑替代方案選用。

除了安全性和環(huán)保性之外，制冷劑的選取還應(yīng)評(píng)估如下因素：

(1)制冷劑的熱力學(xué)特性，這些參數(shù)影響制冷系統(tǒng)的性能、能效水平和壓縮機(jī)的單位容積制冷量。

軌道車輛空調(diào)實(shí)際運(yùn)行的環(huán)境溫度變化范圍較寬，最高環(huán)境溫度通常高于45 ℃。制冷劑的臨界溫度和臨界壓力在高溫環(huán)境應(yīng)用時(shí)是重要的物理特性參數(shù)。如表2所示，目前常用的常規(guī)制冷劑都可以滿足軌道車輛的應(yīng)用要求。R-134a及R-1234yf等替代制冷劑的臨界溫度接近或超過100 ℃，尤其適用于較高或超高溫環(huán)境的應(yīng)用；而R-410A的臨界溫度僅71.36 ℃，通常不建議用于50 ℃以上的環(huán)境溫度。R-744(二氧化碳)的臨界溫度僅30.98 ℃，因此車輛空調(diào)在運(yùn)行時(shí)制冷循環(huán)將采用跨臨界循環(huán)，系統(tǒng)的性能將比其他制冷劑差，且系統(tǒng)運(yùn)行壓力很高，對(duì)產(chǎn)品加工工藝提出了更高的要求。

表2 制冷劑的物理特性[1]

制冷劑在運(yùn)行時(shí)的壓縮比、單位制冷量的制冷劑流量、排氣量、能效比和排氣溫度等運(yùn)行特性參數(shù)決定了制冷系統(tǒng)運(yùn)行的系統(tǒng)狀態(tài)和能耗水平。表3比較了各種制冷劑的有關(guān)參數(shù)，它們的運(yùn)行工況均為平均蒸發(fā)溫度7.2 ℃，平均冷凝溫度30.0 ℃，系統(tǒng)無再冷、無過熱，且壓縮效率是100%。從表4可以看出：R-134a等常規(guī)制冷劑的運(yùn)行壓力不高，能效比等運(yùn)行參數(shù)處于較良好的水平。R-22與R-407C的運(yùn)行參數(shù)近似；R-134a與R-1234yf的運(yùn)行參數(shù)近似，且它們所需的壓縮機(jī)排氣量比R-22要高出60%以上；R-410A的所需壓縮機(jī)排氣量較低，比R-22低30%；R-744(二氧化碳)的能效比低、系統(tǒng)壓力偏高且排氣溫度偏高，但其所需壓縮機(jī)的排氣量僅為R-22的28%，因此壓縮設(shè)備的尺寸較小。

(2)制冷劑的材料特性，包括穩(wěn)定性，及其與金屬、密封材料、潤滑油的兼容性。

表3中所示的各種制冷劑均可以兼容車輛空調(diào)制冷系統(tǒng)中的常用金屬材料和橡膠等密封材料，但與潤滑油兼容性之間的差異較大，如R-22較適用于礦物油，而R-134a等其他制冷劑更適合使用POE類合成潤滑油。在選取新型制冷劑時(shí)，應(yīng)對(duì)其材料兼容性進(jìn)行充分評(píng)估。

表3 單位制冷量(1 kW)的制冷劑運(yùn)行特性參數(shù)的比較[1]

(3)制冷劑及有關(guān)附加成本。

R-22、R-134a、R-407C和R-410A等常用制冷劑材料價(jià)格較低，而R-1234yf等新型環(huán)保制冷劑的采購價(jià)格仍較高，甚至達(dá)到常用制冷劑的50倍以上。但在一些特定的國家或地區(qū)，比如歐洲，選用GWP100較高的制冷劑需要支付一定的稅額，間接增加了采購成本。而對(duì)于自然工質(zhì)制冷劑R-744(二氧化碳)，雖然其采購價(jià)格較低，但因其超高的運(yùn)行壓力，相關(guān)系統(tǒng)部件的價(jià)格遠(yuǎn)超過常規(guī)空調(diào)產(chǎn)品，車輛空調(diào)系統(tǒng)的整機(jī)價(jià)格通常數(shù)倍于常規(guī)空調(diào)。

綜上所述：

(1)軌道車輛空調(diào)目前廣泛使用的常規(guī)制冷劑R-134a、R-407C和R-410A的環(huán)境適應(yīng)性滿足軌道行業(yè)的要求，且系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)具有良好的性能參數(shù)，但由于它們的GWP100較高，將引起較強(qiáng)的溫室效應(yīng)，環(huán)保性較差。

(2)該行業(yè)使用量較大的R-134a和R-407C均有GWP100較低的替代方案：環(huán)保制冷劑R-1234yf和R-513A用于替代R-134a，R-454C用于替代R-407C。替代時(shí)，制冷系統(tǒng)不需要進(jìn)行過大的設(shè)計(jì)變更，可以實(shí)現(xiàn)快速替代。其中R-1234yf和R-454C的GWP100均低于150，可長期滿足法規(guī)的要求；但由于具有一定的可燃性，在應(yīng)用時(shí)需要就安全性進(jìn)行空調(diào)產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)分析。R-513A的GWP100比R-134a低56%且安全性等級(jí)是A1，可以在短期內(nèi)作為替代R-134a的可選方案。

(3)自然工質(zhì)制冷劑R-744(二氧化碳)環(huán)保性能優(yōu)良，但具有系統(tǒng)能效水平低、系統(tǒng)壓力高、采用跨臨界制冷循環(huán)等缺點(diǎn)[2]，與常規(guī)空調(diào)產(chǎn)品相比需要進(jìn)行較大的設(shè)計(jì)優(yōu)化以及應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)分析。

(4)上述環(huán)保的制冷劑替代方案將引起較大的材料成本或間接成本的增加，從而增加了空調(diào)產(chǎn)品的采購成本。

3 替代制冷劑的應(yīng)用分析

表4比較了HFO類制冷劑和自然工質(zhì)制冷劑R-744在應(yīng)用方面的特點(diǎn)?？傮w來看，HFO類制冷劑作為替代方案在技術(shù)上更容易實(shí)現(xiàn)，但由于部分具有可燃性，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)分析或預(yù)防性設(shè)計(jì)；而R-744不可燃，且更容易獲得，但系統(tǒng)更復(fù)雜且不容易實(shí)現(xiàn)。

表4 HFO類和自然工質(zhì)R-744制冷劑的應(yīng)用特點(diǎn)比較

3.1 HFO類制冷劑的應(yīng)用

R-1234yf已經(jīng)在汽車空調(diào)等行業(yè)得到應(yīng)用，它的物理特性與R-134a非常接近，可實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)有系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行直接灌注替代。R-513A作為R-1234yf和R-134a的混合物，其性質(zhì)同樣和R-134a非常接近[3]。經(jīng)仿真計(jì)算分析，在軌道車輛空調(diào)應(yīng)用的環(huán)境溫度/濕度為35 ℃/65%、車廂內(nèi)溫度/濕度為26 ℃/60%時(shí)，采用這三種制冷劑的制冷量、輸入功率和能效比之間的差異均在3%以內(nèi)。R-454C與R-407C具備類似的性能，其性能差異在5%以內(nèi)，應(yīng)用時(shí)需要對(duì)系統(tǒng)部件進(jìn)行細(xì)微的設(shè)計(jì)變更。

在安全性方面，R-513A的安全性等級(jí)為A1，可以直接在軌道車輛空調(diào)產(chǎn)品中應(yīng)用。

R-1234yf和R-454C具有低可燃性，在使用時(shí)應(yīng)該盡可能減少系統(tǒng)的充注量，或者在無法避免泄漏且車廂內(nèi)濃度可能超過臨界濃度閾值時(shí)，應(yīng)參照歐盟汽車空調(diào)指令2006/410/EC使用二次循環(huán)將制冷劑與車廂進(jìn)行隔離。

3.2 自然工質(zhì)R-744(二氧化碳)的應(yīng)用分析

R-744的臨界溫度低，臨界壓力高，導(dǎo)致它和常規(guī)制冷劑在應(yīng)用中存在較大差異。在外溫較高時(shí)，制冷循環(huán)處于跨臨界循環(huán)，在系統(tǒng)的高壓一側(cè)無法實(shí)現(xiàn)相變換熱；高壓制冷劑的壓力也獨(dú)立于溫度，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)需要同時(shí)監(jiān)控氣體冷卻器出口的壓力和溫度，控制邏輯也更復(fù)雜。超高的運(yùn)行壓力也為系統(tǒng)部件的承壓性能帶來了挑戰(zhàn)，部件設(shè)計(jì)的難度和成本都遠(yuǎn)高于常規(guī)系統(tǒng)(見表5)。

表5 HFO類和自然工質(zhì)R-744制冷劑的評(píng)價(jià)

在系統(tǒng)性能方面，由于R-744的單位容積制冷量遠(yuǎn)大于常規(guī)制冷劑，壓縮機(jī)的尺寸較小，但其制冷運(yùn)行時(shí)的能效比較低。文獻(xiàn)[3]針對(duì)大巴車輛空調(diào)的測試數(shù)據(jù)顯示，在環(huán)境溫度為35 ℃時(shí)其能效比(COP)比R-407C制冷劑大約低25%。但采用R-744的空調(diào)產(chǎn)品的制熱性能較好，在環(huán)境溫度為-5 ℃時(shí)，其能效比(COP)比R-407C約高30%；而且其制熱運(yùn)行可耐受的最低環(huán)境溫度更低，可實(shí)現(xiàn)在-25 ℃時(shí)正常運(yùn)轉(zhuǎn)(R-407C最低運(yùn)行環(huán)境溫度約為-10 ℃)。因此，R-744在氣候條件較溫和或冬季運(yùn)行時(shí)間較長的國家或地區(qū)將有更好的應(yīng)用前景。

4 展望

隨著相關(guān)環(huán)保法規(guī)的頒布，軌道車輛空調(diào)目前廣泛使用的HFC類制冷劑的用量將受到削減，并逐漸被淘汰，新型的自然工質(zhì)或HFO類環(huán)保制冷劑將逐漸進(jìn)入市場。但由于HFO類制冷劑的可燃性、R-744制冷劑的超高壓力等問題的存在，在新型環(huán)保制冷劑得到廣泛應(yīng)用以前，還需進(jìn)行更深入的風(fēng)險(xiǎn)分析以及系統(tǒng)和新部件的研究和開發(fā)。