R1234yf 新能源汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究*

王 偉， 張建凱， 王 丹， 張藝倫

（中汽研（天津） 汽車工程研究院有限公司， 天津 300300）

R134a由于其良好的熱力學(xué)性質(zhì)和安全性，自作為車載制冷劑替代R12以來已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車空調(diào)系統(tǒng)。雖然其臭氧消耗潛能值（ODP） 為0，但其全球變暖潛能值（GWP）為1430，在當(dāng)前常用制冷劑中，其GWP處于較高水平。目前全球碳排放在不斷增加，溫室效應(yīng)加速積累，全球變暖日益嚴(yán)重。隨著人們環(huán)保意識提高，高GWP制冷劑的使用開始逐漸受到限制。歐盟F-Gas法案規(guī)定從2011年1月起生產(chǎn)的新車型不能使用GWP高于150的制冷劑，到2017年所有生產(chǎn)的車型都要服從該法案［1］。中國在接受《〈蒙特利爾議定書〉基加利修正案》后，將于2024年凍結(jié)HFCs生產(chǎn)和消費(fèi)。隨著R134a的限制生產(chǎn)和使用，尋求R134a的替代制冷劑至關(guān)緊要。新型制冷劑R1234yf，由于其GWP僅為4，并且ODP也為0，與R134a相似的熱物理性能，有望成為R134a理想的替代制冷劑之一。

目前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對R1234yf熱物理性能和應(yīng)用進(jìn)行了相應(yīng)研究，并開展了對R134a的替代性研究。有研究表明，通過控制不同的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度，R1234yf的制冷量比R134a低9%，同時(shí)COP降低了7%，使用內(nèi)部熱交換器可降低COP的差異［2］。Sethi等在兩個(gè)典型室外環(huán)境溫度下對R1234yf系統(tǒng)和R134a系統(tǒng)制冷工況進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)研究，在對制冷系統(tǒng)稍加修改后，R1234yf制冷劑的性能和R134a相當(dāng)［3］。Wang等總結(jié)了R1234yf與R134a的系統(tǒng)性能，R1234yf的冷凝器性能明顯低于R134a，通過添加回?zé)崞?、噴射器、膨脹器或調(diào)整熱力膨脹閥等措施，可以改善R1234yf的系統(tǒng)性能［4］。Yohan Lee等在配備了開式壓縮機(jī)的汽車空調(diào)實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行了制冷和熱泵實(shí)驗(yàn)，測試結(jié)果表明，R1234yf的性能系數(shù)和能力分別比R134a低2.7%和4.0%，R1234yf壓縮機(jī)排氣溫度比R134a低10%［5］。趙宇等在R134a汽車空調(diào)系統(tǒng)中替代為R1234yf進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，在不同制冷工況下R1234yf系統(tǒng)的COP和能力均低于R134a系統(tǒng)，R1234yf在現(xiàn)有的R134a空調(diào)系統(tǒng)中直接替代應(yīng)用是可行的［6］。孟照峰等對R1234yf與R134a混合物的制冷性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，混合物的制冷量與R134a接近，COP略低于R134a系統(tǒng)，平均排氣溫度降低10℃［7］。劉雨聲等補(bǔ)氣增焓技術(shù)應(yīng)用在R1234yf熱泵系統(tǒng)中，使其制熱量和能效比可以提高到與R134a基本持平［8］。

在以上研究的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步探究R1234yf與R134a在新能源汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)中制冷和制熱性能差異，驗(yàn)證R1234yf替代R134a的可行性，本文搭建了汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺架，從制冷和制熱兩方面開展實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與原理

1.1 測試設(shè)備

實(shí)驗(yàn)測試在汽車空調(diào)焓差實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。如圖1所示，整套汽車空調(diào)系統(tǒng)臺架參照在車內(nèi)實(shí)際布置方式在A室和B室中搭建。A室提供車外環(huán)境工況，將冷凝器、壓縮機(jī)、氣液分離器等關(guān)鍵部件布置在A室。B室提供乘員艙內(nèi)環(huán)境工況，將空調(diào)箱等關(guān)鍵部件布置在B室。在該空調(diào)系統(tǒng)的壓縮機(jī)、內(nèi)部冷凝器、蒸發(fā)器熱力膨脹閥、外部換熱器、電子膨脹閥的進(jìn)口、出口位置均布置溫度和壓力傳感器，用于測量其溫度和壓力，在回路中安裝流量傳感器，得出各測點(diǎn)的焓值并計(jì)算各部件和系統(tǒng)的能力?？照{(diào)系統(tǒng)中換熱器進(jìn)風(fēng)側(cè)的溫度和濕度分別由A室和B室來控制，出風(fēng)側(cè)的溫度和濕度分別由A室風(fēng)洞和B室風(fēng)洞進(jìn)行測量，換熱器的風(fēng)量由風(fēng)洞內(nèi)外的壓差來控制。通過測量換熱器進(jìn)、出風(fēng)側(cè)的溫度、濕度和風(fēng)量來計(jì)算各換熱器風(fēng)側(cè)換熱能力。

圖1 空調(diào)系統(tǒng)臺架測試原理圖

該空調(diào)系統(tǒng)采用電動(dòng)壓縮機(jī)，換熱器均為微通道平行流換熱器，主要參數(shù)如表1所示。為方便對比研究R134a與R1234yf的制冷和制熱性能，制冷劑充注量統(tǒng)一為980g，保證分別充注兩種制冷劑的情況下，空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)膨脹閥前都有一定的過冷度。

表1 空調(diào)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 系統(tǒng)原理

該汽車空調(diào)系統(tǒng)臺架可分別進(jìn)行制冷和制熱兩種運(yùn)行模式，模式切換由電磁閥1、電子膨脹閥、電磁閥2和電磁閥3來控制。在制冷模式下，電子膨脹閥和電磁閥2關(guān)閉、電磁閥1和電磁閥3打開，內(nèi)部冷凝器的風(fēng)門關(guān)閉，蒸發(fā)器風(fēng)門打開，外部換熱器作為冷凝器。壓縮機(jī)出口的高溫高壓制冷劑經(jīng)過內(nèi)部冷凝器時(shí)不與空氣換熱而直接經(jīng)過電磁閥1進(jìn)入外部換熱器，在外部換熱器流過第3個(gè)流程后經(jīng)過電磁閥3再返回流經(jīng)第4個(gè)流程，最后經(jīng)過熱力膨脹閥、內(nèi)部蒸發(fā)器，再流入壓縮機(jī)進(jìn)口。

在制熱模式下，電子膨脹閥和電磁閥2打開、電磁閥1和電磁閥3關(guān)閉，內(nèi)部冷凝器的風(fēng)門打開，內(nèi)部蒸發(fā)器風(fēng)門關(guān)閉，外部換熱器作為蒸發(fā)器。制冷劑從壓縮機(jī)出口經(jīng)過內(nèi)部冷凝器冷凝，經(jīng)過電子膨脹閥節(jié)流進(jìn)入外部換熱器，再經(jīng)電磁閥2進(jìn)入壓縮機(jī)入口。

1.3 實(shí)驗(yàn)工況

參考QC/T 657—2000《汽車空調(diào)制冷裝置實(shí)驗(yàn)方法》，并結(jié)合汽車空調(diào)實(shí)際使用場景，制定制冷工況如表2所示，制定制熱工況如表3所示。制冷工況1～4用于測試?yán)淠黠L(fēng)速和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)的影響，工況5～8用于測試蒸發(fā)器風(fēng)量和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)的影響。制熱工況1～4和5～8分別用于測試環(huán)溫較高和較低的冬季低溫條件下，熱泵系統(tǒng)初始啟動(dòng)和運(yùn)行一段時(shí)間后的內(nèi)部冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)能力的影響。

運(yùn)行上述工況，待各測試參數(shù)穩(wěn)定15min后開始記錄數(shù)據(jù)，記錄5min的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值作為最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果，從制冷工況和制熱工況兩方面對R134a系統(tǒng)和R1234yf系統(tǒng)進(jìn)行對比分析。

2 制冷工況結(jié)果與分析

2.1 制冷量分析

各工況下R134a和R1234yf空調(diào)系統(tǒng)的制冷量如圖2所示。對比1～4工況，隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和外部換熱器風(fēng)速增加，系統(tǒng)的制冷量均隨之增加，但增幅逐漸減小。這表明隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和外部換熱器風(fēng)速增加，其與蒸發(fā)器側(cè)的風(fēng)量逐漸接近最佳匹配值，制冷量增幅較大。后續(xù)再單一增加轉(zhuǎn)速和風(fēng)速，對制冷量提高的增益很小。對比5～8工況，也可看出相同的變化趨勢。同時(shí)可看出，除了工況6，其他工況下采用R134a系統(tǒng)的制冷量均高于R1234yf系統(tǒng)，制冷量平均差值為1.58%，最大差值為4.07%。

圖3為各工況下R134a系統(tǒng)和R1234yf系統(tǒng)的質(zhì)量流量對比。對比1～4或5～8工況，隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速增加，制冷劑質(zhì)量流量隨之增大。到達(dá)高轉(zhuǎn)速后，質(zhì)量流量的增加量隨轉(zhuǎn)速增大而減小。對比所有工況下的制冷劑質(zhì)量流量，采用R1234yf系統(tǒng)的質(zhì)量流量均大于R134a系統(tǒng)，R1234yf系統(tǒng)平均比R134a系統(tǒng)高19.46%，最大差值為24.72%。這是因?yàn)镽1234yf的氣相密度高，在相同的壓縮機(jī)排量和轉(zhuǎn)速下，R1234yf的的質(zhì)量流量會(huì)更高。綜合圖2和圖3可看出在同一工況下，R1234yf系統(tǒng)的制冷量略低于R134a系統(tǒng)，而質(zhì)量流量高于R134a系統(tǒng)，即R1234yf系統(tǒng)的單位質(zhì)量制冷量低于R134a系統(tǒng)。這是由于兩種制冷劑的物性差別導(dǎo)致的。R1234yf比R134a的氣化潛熱較小，產(chǎn)生相同的制冷量，R1234yf系統(tǒng)需要更高的制冷劑質(zhì)量流量。同時(shí)R1234yf的蒸發(fā)換熱效率要低于R134a，也會(huì)導(dǎo)致R1234yf系統(tǒng)蒸發(fā)器側(cè)的制冷量減小。

圖2 各制冷工況下制冷量對比

2.2 COP分析

圖4為各制冷工況下R134a系統(tǒng)和R1234yf系統(tǒng)COP。隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速增大，COP逐漸減小。這是因?yàn)閴嚎s機(jī)轉(zhuǎn)速增大會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)吸、排氣溫差的增大，使得系統(tǒng)的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度差值增大，從而使得系統(tǒng)的COP減小。同時(shí)，各工況下R1234yf系統(tǒng)的COP均低于R134a系統(tǒng)。通過對比R134a系統(tǒng)和R1234yf系統(tǒng)的COP差值，可看出在低轉(zhuǎn)速下，兩種制冷劑的COP差值很小，隨著轉(zhuǎn)速增加，COP差值逐漸增大，最大可達(dá)到7.99%。這是由于轉(zhuǎn)速越高，R1234yf系統(tǒng)的流量比R134a系統(tǒng)越大導(dǎo)致的。在高轉(zhuǎn)速下，R1234yf系統(tǒng)和R134a系統(tǒng)的制冷量相差較小，但R1234yf系統(tǒng)的流量比R134a系統(tǒng)增加較大，對應(yīng)的壓縮機(jī)功率也增加較大，所以導(dǎo)致轉(zhuǎn)速越高，R1234yf系統(tǒng)的COP就越低于R134a系統(tǒng)。

圖3 各制冷工況下質(zhì)量流量對比

圖4 各制冷工況下COP對比

2.3 排氣溫度對比

壓縮機(jī)的排氣溫度會(huì)影響到整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。較高的排氣溫度會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)潤滑油溫度升高，降低黏度，使得壓縮機(jī)內(nèi)運(yùn)動(dòng)金屬部件如軸承、渦旋盤等磨損嚴(yán)重。如果排氣溫度過高，則會(huì)直接導(dǎo)致潤滑油碳化，壓縮機(jī)內(nèi)運(yùn)動(dòng)部件不能得到有效潤滑和冷卻，會(huì)嚴(yán)重影響壓縮機(jī)的使用壽命。同時(shí)，過高的排氣溫度會(huì)降低壓縮機(jī)的容積效率，減少制冷劑的體積流量，使得系統(tǒng)制冷量降低，并且增加壓縮機(jī)的功耗，導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)COP降低。圖5為各制冷工況下R134a系統(tǒng)和R1234yf系統(tǒng)壓縮機(jī)排氣溫度對比?？芍庇^看出在大部分工況下，R1234yf系統(tǒng)的壓縮機(jī)排氣溫度低于R134a系統(tǒng)，差值在4.6～9.4℃之間，平均差值在6.7℃。這表明采用R1234yf的系統(tǒng)比R134a系統(tǒng)更有利于降低排氣溫度，提高了壓縮機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性。

圖5 各制冷工況下壓縮機(jī)排氣溫度對比

2.4 冷凝器換熱分析

冷凝器的換熱效率是關(guān)系到空調(diào)系統(tǒng)的制冷量和COP的關(guān)鍵因素之一，同時(shí)較高的換熱效率可顯著降低壓縮機(jī)的排氣溫度和壓力，提高空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。圖6為各工況下R134a系統(tǒng)和R1234yf系統(tǒng)冷凝器換熱量對比。隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速以及冷凝器或蒸發(fā)器風(fēng)量增大，系統(tǒng)的換熱量逐漸增加。同時(shí)在大部分工況下，R1234yf系統(tǒng)的冷凝器換熱量略高于R134a系統(tǒng)。結(jié)合圖3中R134a和R1234yf系統(tǒng)質(zhì)量流量對比可看出，R1234yf系統(tǒng)的制冷劑質(zhì)量流量明顯高于R134a系統(tǒng)。這說明對比R134a系統(tǒng)，R1234yf系統(tǒng)中較高的質(zhì)量流量彌補(bǔ)了在冷凝過程中R1234yf相對較小的汽化潛熱。同樣也能看出在冷凝器中，R134a系統(tǒng)單位質(zhì)量制冷劑的換熱效果是優(yōu)于R1234yf系統(tǒng)的。

圖6 各制冷工況下冷凝器換熱量對比

3 制熱工況結(jié)果與分析

3.1 制熱量分析

各制熱工況下R134a系統(tǒng)和R1234yf系統(tǒng)制熱量如圖7所示?？煽闯鯮134a系統(tǒng)和R1234yf系統(tǒng)制熱量相差很小，表明R1234yf在低溫條件下的制熱能力與R134a相當(dāng)。隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速增加，制熱量均顯著提高。分別對比1、3工況和2、4工況，可看出在其他條件不變的情況下，提高內(nèi)部冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度，R134a系統(tǒng)和R1234yf系統(tǒng)制熱量均會(huì)降低。這是因?yàn)閱我惶岣邇?nèi)部冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部冷凝器制冷劑側(cè)與進(jìn)風(fēng)側(cè)的換熱溫差減小，降低換熱量，使內(nèi)部冷凝器制熱量減小。對比工況2和5，外部換熱器和內(nèi)部冷凝器的進(jìn)風(fēng)溫度差值均為0，工況5在-10℃的環(huán)境溫度下，即使外部換熱器的風(fēng)量從工況2的1.5m/s提高到4.5m/s，與工況2相比，R1234yf系統(tǒng)和R134a系統(tǒng)制熱量分別降低了22.78%和25.19%，R134a系統(tǒng)的制熱量衰減要更嚴(yán)重些。這是由于外部換熱器進(jìn)風(fēng)溫度降低，導(dǎo)致壓縮機(jī)進(jìn)口的制冷劑溫度也隨之降低，進(jìn)氣比容增大，對于定排量壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的制冷劑質(zhì)量流量也隨之減小。雖然在低溫低壓條件下，制冷劑的蒸發(fā)潛熱增大，但不足以抵消質(zhì)量流量降低對系統(tǒng)制熱量的影響，所以其制熱量衰減嚴(yán)重。

圖7 各制熱工況下制熱量對比

3.2 制熱COP分析

各制熱工況下R134a系統(tǒng)和R1234yf系統(tǒng)COP對比如圖8所示。相同工況下，R134a系統(tǒng)的制熱COP均高于R1234yf系統(tǒng)。從圖7可知，兩種制冷劑系統(tǒng)的制熱量相差很小，R1234yf系統(tǒng)制熱COP低的原因主要是其壓縮機(jī)功率高。圖9為各制熱工況下兩種制冷劑系統(tǒng)的壓縮機(jī)功率和質(zhì)量流量?？煽闯鯮1234yf系統(tǒng)的質(zhì)量流量均高于R134a，平均差值在21.5%。較高質(zhì)量流量導(dǎo)致壓縮機(jī)功率增大，所以R1234yf系統(tǒng)的COP要低于R134a系統(tǒng)。對比工況2和5，工況5在更低的環(huán)境溫度下，雖然制熱量低于工況2，但由于在低溫下壓縮機(jī)進(jìn)氣口處制冷劑較高的比容，使得系統(tǒng)體積流量降低，導(dǎo)致壓縮機(jī)功耗顯著降低，所以工況5的COP要高于工況2。

圖8 各制熱工況下COP對比

圖9 各制熱工況下壓縮機(jī)功率和流量對比

3.3 制熱排氣溫度分析

制熱工況下R134a系統(tǒng)和R1234yf系統(tǒng)壓縮機(jī)排氣溫度對比如圖10所示。在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，排氣溫度相差不大，隨著轉(zhuǎn)速升高，R134a系統(tǒng)的排氣溫度要顯著高于R1234yf系統(tǒng)。這是因?yàn)樵谳^高的冷凝溫度下，R134a 的飽和壓力高于R1234yf，而在較低的蒸發(fā)溫度下，R134a的飽和壓力低于R1234yf，所以R134a系統(tǒng)的吸排氣壓比高于R1234yf系統(tǒng)。同時(shí)R1234yf的絕熱系數(shù)低于R134a，綜合以上原因?qū)е翿134a系統(tǒng)的排氣溫度要高于R1234yf系統(tǒng)。

圖10 各制熱工況下壓縮機(jī)排氣溫度對比

4 結(jié)論

本文將R1234yf直接替換應(yīng)用到R134a新能源熱泵空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺架中，對比研究了R1234yf系統(tǒng)和R134a系統(tǒng)在不同制冷和熱泵工況下的性能差異。得出如下結(jié)論。

1） 制冷工況下，R1234yf系統(tǒng)的制冷量和COP均低于R134a系統(tǒng)，隨著轉(zhuǎn)速提高，COP的差距逐漸增大。對比冷凝器中換熱量和蒸發(fā)器中制冷量，R1234yf系統(tǒng)較高的質(zhì)量流量彌補(bǔ)了其較低的汽化潛熱。

2） 制熱工況下，R1234yf系統(tǒng)的制熱量與R134a系統(tǒng)相當(dāng)，COP低于R134a系統(tǒng)，質(zhì)量流量和壓縮機(jī)功耗大是COP較低的直接原因。在低溫工況下，由于吸氣比容增大，質(zhì)量流量降低，兩系統(tǒng)的制熱量衰減均比較嚴(yán)重。

3） 在制冷和制熱工況下，R1234yf排氣溫度均低于R134a系統(tǒng)，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。