R1234yf 電動汽車空調系統(tǒng)制冷性能的試驗研究

陳小磚，孟雪峰，王 攀，張蓓樂，劉秀芳

（1.河南理工大學 機械與動力工程學院，河南焦作 454000；2.西安交通大學 能源與動力工程學院，西安 710049）

0 引言

在當今能源和環(huán)境雙重問題的推動下，電動汽車成為汽車工業(yè)發(fā)展的主要方向［1］。空調系統(tǒng)作為電動汽車主要部件之一，其性能不僅決定著駕駛過程的舒適性，還對續(xù)航里程有顯著影響［2］，因此開發(fā)高效節(jié)能的空調系統(tǒng)對電動汽車的發(fā)展意義重大。然而隨著全球變暖問題的日益嚴峻和環(huán)保要求的日益嚴苛，減少高GWP 制冷劑的使用已成必然趨勢［3-5］。目前電動汽車空調大多采用R134a 制冷劑，由于其GWP 值過高而面臨淘汰［6］。在主流的替代制冷劑中，R1234yf 不僅熱物理性質與R134a 十分相似，而且GWP 僅為4，被看作是汽車空調系統(tǒng)較有前景的替代制冷劑之一［7］。

電子膨脹閥（EXV）具有靈敏度高、控制穩(wěn)定和適應工況范圍廣等優(yōu)點［8-9］，被廣泛應用于蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)中［10-11］。樊超超等［12］研究了不同壓縮機頻率下電子膨脹閥開度對家用空調制冷性能的影響，發(fā)現(xiàn)各個壓縮機頻率下都存在一個最佳閥開度，使制冷量和性能系數(shù)COP 同時達到最大值。KNABBEN 等［13］試驗研究了電子膨脹閥在家用冰箱中的適用性，發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度或壓縮機的轉速改變時，可通過調節(jié)電子膨脹閥開度來降低能耗。華若秋等［14］試驗分析了EXV 開度對電動汽車熱泵空調系統(tǒng)的影響，結果表明COP隨EXV 開度的增大而先增后減，存在一個峰值。WANG 等［15］針對CO2熱泵系統(tǒng)，提出調節(jié)EXV 開度需要綜合考慮排氣溫度和吸氣過熱度。

對于R1234yf在電動汽車空調系統(tǒng)上的應用，ZOU 等［16］搭建了一套電動汽車熱泵空調系統(tǒng)，研究了EXV 開度和環(huán)境溫度對R1234yf 和R134a 系統(tǒng)冬季制熱性能的影響，結果表明增大EXV 開度有利于提高制熱性能，R1234yf 和R134a 系統(tǒng)的制熱量和COP 相差約10%。ZILIO 等［17］對R1234yf汽車空調系統(tǒng)進行了試驗研究，結果顯示R1234yf系統(tǒng)的COP 和制冷量分別比R134a 系統(tǒng)低1%和2%，指出通過調節(jié)熱力膨脹閥和優(yōu)化壓縮機控制閥，R1234yf 系統(tǒng)制冷量和COP 可將接近R134a系統(tǒng)。李萬勇等［18］對比分析R1234yf 和R134a 電動汽車熱泵空調系統(tǒng)在-20～7 ℃環(huán)境下的制熱性能，結果表明R1234yf 系統(tǒng)排氣溫度更低，但制熱量和COP 分別比R134a 系統(tǒng)降低7.1%和6.6%。LI 等對R1234yf 熱泵系統(tǒng)在寒冷環(huán)境下進行了試驗測試［19］。

目前已有對汽車空調系統(tǒng)中電子膨脹閥調節(jié)特性的研究，但對于R1234yf 電動汽車空調中電子膨脹閥調節(jié)特性的研究較少。本文基于電動汽車空調系統(tǒng)，通過試驗研究了環(huán)境溫度對R1234yf系統(tǒng)性能的影響，并對比了不同電子膨脹閥開度和壓縮機轉速下R1234yf 和R134a 系統(tǒng)的制冷性能。

1 試驗裝置和測試方法

1.1 試驗裝置

本文設計的電動汽車空調系統(tǒng)由壓縮機、室外換熱器總成、板式換熱器、電子膨脹閥、HVAC 總成、干燥儲液器、電磁截止閥等部件構成，各個部件之間采用對應尺寸的兩端壓接鋁接頭的汽車空調膠管連接，其中電子膨脹閥選用MEV-X01004 型車用電子膨脹閥，該電子膨脹閥由4 相8 拍永磁型步進電機驅動，工作電壓為DC12V±10%，開閥脈沖為32±20 P，全開脈沖為500 P，閥口公稱直徑為3.2 mm。其他部件的具體參數(shù)見表1。

表1 主要系統(tǒng)部件參數(shù)Tab.1 Parameters of main system components

試驗系統(tǒng)原理如圖1 所示，通過控制電磁截止閥的工作狀態(tài)實現(xiàn)電動汽車空調系統(tǒng)制冷模式與制熱模式的切換。

圖1 試驗系統(tǒng)原理Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

制冷模式下，壓縮機壓縮后的制冷劑氣體，經過電磁截止閥C1流入室外換熱器，通過與環(huán)境換熱冷凝為液態(tài)制冷劑，經EXV1節(jié)流后變成低溫制冷劑，接著流入蒸發(fā)器，吸熱蒸發(fā)為低溫低壓氣態(tài)制冷劑，最后經氣液分離器回到壓縮機，完成制冷循環(huán)。制熱模式下，制冷劑經過截止閥H1流入板式換熱器，與乙二醇水溶液換熱后的制冷劑經EXV2節(jié)流后流入室外換熱器，從低溫環(huán)境吸熱后回到壓縮機。二次回路循環(huán)中乙二醇水溶液與制冷劑換熱后，經電子水泵輸送到HVAC 總成內暖風芯體，向車艙內供熱。

本試驗臺通過T 型熱電偶和壓力傳感器對主要節(jié)點的制冷劑溫度、壓力進行測量，采用質量流量計測量冷凝器出口制冷劑的質量流量，主要測量參數(shù)精度見表2。

表2 主要參數(shù)測量精度Tab.2 Measuring accuracy of main parameters

1.2 測試方法

本試驗在焓差室內進行測試，焓差室主要由室內側測試室、室外側測試室和控制室組成，焓差室原理如圖2 所示。

圖2 焓差室原理示意Fig.2 Schematic diagram of the enthalpy difference chamber

焓差室的室內側環(huán)境干球溫度控制范圍為10～50 ℃，室外側環(huán)境干球溫度控制范圍為-10～55 ℃，相對濕度控制范圍為35%～85%，控制精度為±0.1 ℃。

系統(tǒng)的制冷量根據(jù)空氣焓差法計算：

式中，qm1為室內側空氣質量流量，kg/s；ha1為室內側入口焓值，kJ/kg；ha2為室內側出口焓值，kJ/kg；Vn'為測點處濕空氣比容，m3/kg；Wn為測點處空氣含濕量，kg/kg；Q0為風量裝置泄漏熱量，kJ。

本試驗測試工況見表3，通過充注量試驗確定R1234yf 和R134a 制冷時的最優(yōu)充注量分別為1 040，1 100 g，R1234yf 制熱時的最優(yōu)充注量為600 g，所有試驗均基于最優(yōu)充注量。

表3 測試工況Tab.3 Test conditions

1.3 誤差分析

試驗誤差又稱為試驗臺的不確定度，是指由于測量儀器自身誤差的存在，導致對被測量值不能肯定的程度，即表明測試結果的可信賴程度。測量數(shù)據(jù)即為儀器直接讀取的數(shù)據(jù)，其相對誤差ε可用儀器的絕對誤差Δx 與真值x0的比值表示。對于間接測量數(shù)據(jù)誤差，當測量值之間相互獨立時，有：

計算結果表明，制冷量最大誤差為2%，COP最大誤差為2.06%。最大誤差均小于5%，因此試驗誤差符合相關要求，保證了試驗數(shù)據(jù)的真實性與可靠性。

2 試驗結果及分析

2.1 不同環(huán)境溫度下R1234yf 系統(tǒng)的性能

為分析環(huán)境溫度對R1234yf系統(tǒng)性能的影響，對制冷模式3 000 r/min 下的壓縮機排氣溫度、功耗、制冷量和COP，以及制熱模式2 500 r/min 下的壓縮機排氣溫度、功耗、制熱量和COP 進行對比。圖3 示出R1234yf 系統(tǒng)制冷模式和制熱模式下的功耗和排氣溫度隨環(huán)境溫度的變化趨勢?？梢钥闯?，隨著環(huán)境溫度的升高，R1234yf 系統(tǒng)在制冷模式和制熱模式下的功耗均逐漸升高，制冷模式下的排氣溫度逐漸升高，而制熱模式下的排氣溫度逐漸降低。制冷模式下環(huán)境溫度從27 ℃升至43 ℃，R1234yf系統(tǒng)的功耗由1 042 W增至1 423 W，增大36.6%，排氣溫度從63.4 ℃升至81.4 ℃，升高18.0 ℃；制熱模式下環(huán)境溫度從0 ℃升至12 ℃，R1234yf 系統(tǒng)的功耗從973 W 增至1 354 W，增大39.2%，排氣溫度由76 ℃降至53.5 ℃，降低22.5 ℃。

圖3 不同環(huán)境溫度下功耗、排氣溫度對比Fig.3 Comparison of power consumption and discharge temperatures under different ambient temperatures

圖4 示出R1234yf 系統(tǒng)制冷模式和制熱模式下的制冷（熱）量以及COP 隨環(huán)境溫度的變化趨勢。從圖可以看出，隨著環(huán)境溫度的升高，R1234yf 系統(tǒng)制冷模式下的制冷量和COP 逐漸降低，環(huán)境溫度從27 ℃升至43 ℃，R1234yf 系統(tǒng)的制冷量由3 005.2 W 降至2 639.4 W，降低13.9%，COP 從2.88 降至1.85，降低55.7%；而R1234yf 系統(tǒng)制熱模式下的制熱量和COP 隨著環(huán)境溫度的升高而逐漸增大，環(huán)境溫度從0 ℃升至12 ℃，R1234yf 系統(tǒng)的制熱量從1 789.5 W 增至2 649.8 W，增大48.1%，COP 由1.84 增至1.96，增大6.5%。

圖4 不同環(huán)境溫度下制冷（熱）量、COP 對比Fig.4 Comparison of cooling（heating） capacity and COP under different ambient temperatures

2.2 不同電子膨脹閥開度下R1234yf 和R134a 系統(tǒng)制冷性能對比

為了保證壓縮機安全穩(wěn)定運行，要求壓縮機吸氣口制冷劑帶有一定過熱度，防止發(fā)生液擊現(xiàn)象。圖5 示出了不同轉速下R1234yf 系統(tǒng)和R134a 系統(tǒng)的壓縮機吸氣過熱度隨電子膨脹閥開度的變化趨勢。

從圖中可見，隨著電子膨脹閥開度的增加，壓縮機吸氣過熱度先降低后趨于穩(wěn)定。這是由于：膨脹閥開度較小時，系統(tǒng)制冷劑質量流量隨著開度的增加而增大，蒸發(fā)壓力和溫度升高，造成蒸發(fā)器出口制冷劑過熱度降低，導致壓縮機吸氣口過熱度降低；開度較大時，由于壓縮機吸氣能力有限，質量流量和蒸發(fā)壓力開始趨于穩(wěn)定，故吸氣過熱度逐漸穩(wěn)定。由圖可知，相同開度下隨著轉速的提高，吸氣過熱度逐漸升高。此外，相同工況下與R134a 系統(tǒng)相比，由于R1234yf 系統(tǒng)的吸氣壓力更高，但吸氣溫度更低，所以R1234yf 系統(tǒng)的吸氣過熱度低于R134a 系統(tǒng)。

圖6，7 分別示出了不同轉速下制冷量、COP隨電子膨脹閥開度的變化趨勢。從圖中可知，R1234yf 系統(tǒng)和R134a 系統(tǒng)的制冷量和COP 均呈先增后減的變化趨勢。當開度較小時，隨著開度的增加，質量流量增大使得蒸發(fā)器內有效換熱面積逐漸得到充分利用，制冷量增大；開度較大時，開度增加，但制冷劑質量流量增長幅度較小，此時制冷量主要受蒸發(fā)器換熱溫差降低的影響，故制冷量在峰值出現(xiàn)后開始減小。COP 是評價系統(tǒng)性能的重要指標之一，其值的大小可以反應系統(tǒng)的能效。由于壓縮機功耗受質量流量和壓比變化的影響呈先增后減的變化趨勢，而且制冷量變化速率始終大于功耗的變化速率，所以COP 的變化趨勢與制冷量的變化趨勢基本一致。從圖中分析可知，制冷量和COP 在相同開度下達到最大值。因此，通過調節(jié)電子膨脹閥開度可以使系統(tǒng)性能達到最優(yōu)。

圖6 制冷量隨電子膨脹閥開度的變化Fig.6 Variation of cooling capacity with EXV opening

圖7 COP 隨電子膨脹閥開度的變化Fig.7 Variation of COP with EXV opening

空調出風溫度可以反映系統(tǒng)的制冷能力，圖8 示出不同轉速下R1234yf 系統(tǒng)、R134a 系統(tǒng)出風溫度隨電子膨脹閥開度的變化趨勢。如圖所示，隨著電子膨脹閥開度的增加，出風溫度先降低后升高，與制冷量的變化趨勢相對應。R1234yf 系統(tǒng)在轉速為2 000，3 000，4 000，5 000 r/min 時，出風溫度最低分別為14.28，12.36，11.57，10.71 ℃，而R134a 系統(tǒng)的最低出風溫度分別為13.79，11.87，10.88，10.49 ℃。另外，從圖可知，隨著轉速的提高，系統(tǒng)的出風溫度逐漸降低。當轉速由2 000 r/min增至5 000 r/min 時，R1234yf 系統(tǒng)和R134a 系統(tǒng)對應的最低出風溫度分別降低25%和23.9%，而且相較于R1234yf 系統(tǒng)，R134a 系統(tǒng)出風溫度更低。綜合考慮系統(tǒng)制冷量、COP 和出風溫度，發(fā)現(xiàn)不同轉速下均可通過調節(jié)電子膨脹閥開度使系統(tǒng)性能達到最優(yōu)，而且最佳開度隨轉速的升高而增大。

圖8 出風溫度隨電子膨脹閥開度的變化Fig.8 Variation of outlet air temperature with EXV opening

2.3 不同轉速下R1234yf 和R134a 循環(huán)特性對比

為了更直觀地分析R1234yf 和R134a 之間循環(huán)特性差異，選取各轉速下最佳開度對應的排氣溫度、質量流量、制冷量和COP 進行對比。圖9 示出不同轉速下R1234yf 系統(tǒng)、R134a 系統(tǒng)在最佳開度下排氣溫度的變化趨勢。從圖可看出，隨著轉速的提高，排氣溫度逐漸升高。轉速由2 000 r/min增至5 000 r/min，R1234yf 系統(tǒng)和R134a 系統(tǒng)的排氣溫度分別升高48.1 ℃和41.0 ℃。此外，在轉速為2 000 r/min 和5 000 r/min 時，相較于R134a 系統(tǒng)，R1234yf 系統(tǒng)的排氣溫度分別降低19.1%和3.1%，且隨著轉速的提高，降幅逐漸減小。

圖9 不同轉速下排氣溫度對比Fig.9 Comparison of discharge temperatures under different compressor speeds

圖10（a）示出R1234yf 和R134a 的飽和氣體密度隨溫度的變化情況，不同溫度下R134a 的飽和氣體密度始終小于R1234yf，由于壓縮機吸氣口制冷劑為氣態(tài)，故相同轉速下R1234yf 系統(tǒng)對應的理論循環(huán)質量流量大于R134a 系統(tǒng)。圖10（b）示出不同轉速下R1234yf 系統(tǒng)和R134a 系統(tǒng)質量流量的變化趨勢，隨著轉速的升高，壓縮機輸氣量增加，質量流量也隨之增大。轉速由2 000 r/min升至5 000 r/min，R1234yf 系統(tǒng)和R134a 系統(tǒng)的質量流量分別增大23.3%和32.3%；相較于R134a 系統(tǒng)，R1234yf 系統(tǒng)的質量流量平均增加16.65 kg/h。

圖10 不同轉速下質量流量對比Fig.10 Comparison of mass flow under different compressor speeds

圖11 示出R1234yf 系統(tǒng)和R134a 系統(tǒng)在不同轉速下最佳開度所對應的制冷量和COP，可以看出，隨著轉速的提高，制冷量逐漸增大，但COP 逐漸降低。由于轉速升高，質量流量增加導致制冷量增大，但壓縮機功耗也增大，而且功耗增加的速率大于制冷量增加的速率，故COP 逐漸降低。轉速由2 000 r/min 升至5 000 r/min，R1234yf 系統(tǒng)和R134a 系統(tǒng)的制冷量分別增大45.8%和43.9%，COP 分別降低54.0%和45.6%，而且隨著轉速的提高，制冷量增加和COP 降幅逐漸減小。此外，與R134a 系統(tǒng)相比，R1234yf 系統(tǒng)的制冷量平均降低4.5%，COP 平均降低14.9%。

圖11 不同轉速下制冷量、COP 對比Fig.11 Comparison of cooling capacity and COP under different compressor speeds

3 結論

（1）制冷模式下，當環(huán)境溫度從27 ℃升至43 ℃時，R1234yf 系統(tǒng)的排氣溫度升高18.0 ℃，功耗增大36.6%，制冷量降低13.9%，COP 降低55.7%；而制熱模式下，當環(huán)境溫度從0 ℃升至12 ℃時，R1234yf 系統(tǒng)的排氣溫度降低22.5 ℃，功耗增大39.2%，制熱量增大48.1%，COP 增大6.5%。

（2）隨著電子膨脹閥開度的增加，壓縮機吸氣過熱度逐漸降低，制冷量和COP 均先增后減，而出風溫度先降低后升高。不同壓縮機轉速下制冷系統(tǒng)均存在一個最佳開度，此時系統(tǒng)的制冷量、COP 達到最大值，而出風溫度達到最小值，因此通過調節(jié)電子膨脹閥開度可使系統(tǒng)性能達到最優(yōu)。

（3）隨著轉速的提高，系統(tǒng)質量流量和制冷量增大，可以獲得更低的出風溫度，但壓縮機排氣溫度升高，COP 降低。當壓縮機轉速從2 000 r/min升至5 000 r/min 時，R1234yf 系統(tǒng)和R134a 系統(tǒng)的排氣溫度分別升高48.1 ℃和41.0 ℃，制冷量分別增加45.8%和43.9%，COP 分別降低54.0%和45.6%。

（4）R1234yf 在電動汽車空調系統(tǒng)中直接充注替代R134a，排氣溫度降低，制冷劑質量流量增加，系統(tǒng)工作運行更加穩(wěn)定。與R134a 系統(tǒng)相比，R1234yf 系統(tǒng)的制冷量平均減小4.5%，COP 平均降低14.9%。但是通過對系統(tǒng)進行改進，R1234yf能夠達到與R134a 相當?shù)男阅堋?/p>