R134a/R32混合制冷剂电动汽车空调系统制热性能的实验研究

2017-12-21张耘李万勇陈亮施骏业陈涛陈江平

制冷技术 2017年5期

张耘，李万勇，陈亮，施骏业，陈涛，陈江平*

（1-上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海200240；2-上海市高效冷却系统工程技术中心，上海200240；3-江苏中关村科技产业园节能环保研究有限公司，江苏常州213399）

张耘1,2，李万勇1，陈亮1，施骏业1，陈涛3，陈江平*1

目前电动汽车热泵空调系统制冷剂绝大多数为R134a，受限于制冷剂本身物性，当外界温度较低时，系统制热量衰减明显。本文采用混合制冷剂以改良热泵系统的制热性能，分析了压缩机在不同转速、不同混合比例下R134a/R32混合制冷剂在汽车空调中的制热性能。相对于R134a系统，混合制冷剂空调系统制热量增加约14.0%～17.1%，性能系数（Coefficient of Performance，COP）提升4.3%～14%。当混合制冷剂中R32的质量分数为4%时，系统COP最佳，同时制热量提升明显。

R134a/R32；混合制冷剂；汽车空调；制热

0 引言

汽车作为现代社会的产物，为人们带来极大便利的同时也消耗了大量的能源。据统计显示，全世界46%的石油年产量用于燃油汽车消耗。到2020年中国仅汽车年耗油量将达到8亿吨原油，而2020年中国的原油产量预计仅为2亿吨[1]。燃油汽车的大量使用增加了我国对进口石油的依赖度，不利于我国的能源安全。因此从长远看，开发高效率、低污染的新能源汽车是我国经济社会可持续发展的必由之路。

电动汽车由于无发动机，因此不能采用发动机的废热进行制热。目前常用的热敏电阻（Positive Temperature Coefficient，PTC）电加热制热[2]的方式具有结构简单、控制方便、对空调箱内的改动较小等优点，但其制热效率较低（小于1），制热量较小，耗电量较大，使得电动汽车的续航里程大幅度减小。吴玮等[3]在某采用PTC加热的电动汽车上进行了热泵性能测试，结果表明：采用单冷式空调，续航里程下降32.5%；采用PTC电加热器，续航里程下降37.5%。采用热泵系统的电动汽车相比于传统电动汽车系统效率更高，耗电量更低，而且经济性能更佳[4]。目前电动汽车研究热点主要集中于系统循环形式：四通阀系统和三换热器系统的性能对比[5]，对于制冷剂的研究较少。

早期汽车空调多使用R12作为制冷剂[6]。由于其不易分解且稳定性很高，当其上升到地球的平流层大气环境中时，会与那里的高浓度臭氧发生反应从而对臭氧的衰减产生链式催化作用，因此对于臭氧层有着巨大的破坏作用。为避免臭氧层减少所导致的温室效应，联合国环境计划署于1987年9月签署了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，旨在限制生产氟利昂和哈龙物质[7]。根据《蒙特利尔条约》的实施要求，发达国家已经停止生产R12，至今被公认为最有替代功能的R134a制冷剂，正在被世界各国所采用[8]。

现有电动汽车热泵系统多以R134a为制冷剂[9]。受限于制冷剂的特性，随着环境温度降低，R134a比容迅速增加，导致系统流量偏小，而且单位容积制热量较低，制热量下降明显。由于高全球变暖潜能值（Global Warming Potential，GWP）的制冷剂带来的温室效应严重，使用低GWP值的制冷剂已经成为趋势和必然[10]。R32其本身的容积制冷量远大于现有的R134a制冷剂，在现有的汽车空调系统制冷剂R134a中加入R32可以显著地降低制冷剂充注量，从而降低系统的温室效应影响。由于混合工质的优点是充分发挥“优势互补，取长补短”，既能达到减少环境危害，又可以同时提高能效比以提高制冷系统的综合性能[11]。因此在这样的情况下R32制冷剂在汽车空调中的使用十分值得考虑。

R32在空气源热泵、热泵热水器方面的应用研究已经较多。孟照峰等[12]在房间空调器上用R32替代R410A进行测试，结果表明制热量提高约7.4%，性能系数（Coefficient of Performance，COP）提高约3%。CHEN等[13]采用R32/R134a（30/70）二元混合制冷剂在家用空调上的测试结果显示，其制热效果与R22效果相当。同时R32制冷剂也与其他工质混合都取得了很好的制热效果，例如HAN等[14]采用三元混合工质R32/R125/R161的组合直接替代R407C，在-10 ℃～10 ℃的环境温度下，制热量提升10%左右，COP提升1%～5%左右。同时文献[15]表明，R32和R134a都可与酯类合成冷冻机油（Polyol Ester，POE）有很好的互溶性，因此若采用R134a/R32混合制冷剂直接替代R134a，润滑油不需要更换。

综上所述，采用R134a/R32混合制冷剂的电动汽车热泵空调系统能够在提升热泵性能的同时，降低对环境的危害。同时该混合制冷剂对于系统中各零部件的选型要求同R134a类似，因而能有效降低改造成本。

1 R134a和R32物性研究

R32分子式为CH2-F2，属于HFC类制冷剂，分子量为52。其基本性质如表1所示。基于制冷剂物性的理论计算表明，R32单位容积制热量为R134a的2.5倍左右。当R32的质量分数为4%时，单位容积制热量可以提升12.3%。由于R32是微可燃性制冷剂，因此在汽车空调中的应用要充分考虑其安全性。根据文献报道，R134a可作为抑爆剂与R32混合，当R134a的质量分数不低于40%即可实现与空气任意比例混合都不会燃爆[16]。

表1 制冷剂物性对比

图1显示了R32不同质量分数下的温度曲线的变化趋势。目前汽车空调换热器和压缩机设计压力目前多以R134a为基准，2 MPa已经接近压缩机的高压报警值，会造成换热器等部件泄漏量增加；若对压缩机和换热器进行重新设计，必将使系统成本大幅增加，因此选定R32的质量分数为0%、2%、4%、6%、8%这5个不同的比例进行测试。

图1 R32不同质量分数下温度曲线（P=1.2 MPa）

2 实验原理及实验结果分析

2.1 实验原理

本文采用的热泵型系统结构如图2所示。测试的空调系统安装在由温湿度单独控制的室内和室外环境室。压缩机采用排量为27 cc的电动压缩机。室外侧采用防结霜性能更好的小管径换热器[17]，室内冷凝器采用微通道换热器，节流机构布置在室外侧换热器入口，采用外平衡热力膨胀阀。

室内/外侧两个环境室均可通过制冷机组、可调电加热器以及加湿器的比例-积分-导数控制器（Proportion Integration Differentiation，PID）调节，分别控制其环境温/湿度，以保持测试条件的稳定。电动压缩机转速由其自身的控制器进行调节，室外侧换热器的迎面风速通过轴流风机的变频器调节。高温高压制冷剂经压缩机出口进入四通换向阀，四通阀通电后流向切换，制冷剂进入室内换热器，在室内侧换热器内被冷凝成高压液体，高压液体再经过双向热力膨胀阀节流进入室外侧换热器，在室外侧换热器内蒸发吸热，变成低温低压气体回到压缩机。实验系统管路中安装有6个温度和压力测点以及1个质量流量计，用以采集实验中测点处的制冷剂状态信息。除此之外，实验中还需采集电动压缩机的输入电压及电流、环境室干/湿球温度以及外部换热器的迎面风速。传感器类型及测量精度如表2所示。

图2 电动汽车空调系统原理图

表2 测量设备参数

2.2 数据处理

实验中，室内侧环境温度为12 ℃、室外侧环境温度为3 ℃（相对湿度0.3），室外换热器迎面风速为3.0 m/s，室内侧离心风机电压为12 V；压缩机转速设有2,000 r/min、3,500 r/min和5,000 r/min三档，R32/R134a设定为0%、2%、4%、6%和8%这5种不同质量混合比例。实验在3种转速下对2种制冷剂不同的质量混合比分别进行实验。由于不同模式下系统中作为蒸发器的换热器不同，所以制冷模式下仅对室内侧环境的相对湿度进行控制，热泵模式则正好相反。

在每个工况的实验中，待室内外侧环境温湿度以及各测点的制冷剂状态稳定后，就进行数据的读取和保存。

电动压缩机的供电是稳定的直流电，无论制冷还是热泵模式，在测量其供电电压U及电流I之后，就可计算得电动压缩机的功耗：

式中：

Wcomp——压缩机的耗能，kW；

I——压缩机的供电电流，A；

U——压缩机的供电电压，V。

由于5个温度及压力测点处的R134a制冷剂均不处于两相状态，可通过测出的温度和压力查询得到其相应的焓值。再由质量流量计测出R134a的质量流量，就可计算各换热器的换热量。

系统的制热量为：

系统运行效率为：

式中：

Qheat——系统制热量，kW；

hcond,in——冷凝器入口焓值，kJ/kg；

hcond,out——冷凝器出口焓值，kJ/kg；

Wcomp——压缩机的耗能，kW；

˙——R134a的质量流量；

COPheat——系统运行效率。

2.3 实验结果及分析

图3～图6分别显示了R32/R134a不同混合比例下制热量、压缩机耗功、COP和压缩机排气温度的变化情况。

由图3可以看出，在不同转速情况下，制冷剂中加入少量R32都会对系统的制热性能有明显的改善。在低转速工况下，随着 R32在混合制冷剂中的质量分数的增加，系统制热量逐渐增加。当R32质量分数为2%时，性能提升较小；当R32质量分数为4%时，制热量分别提升了195 W、280 W和298 W，相对应提升了13.3%、15.3%和14.4%；当R32质量分数为6%时，制热量分别提升了189 W、223W和204 W，相对应提升了13.0%、12.2%和9.9%；当R32质量分数为8%时，制热量分别提升了243 W、316W和250 W，相对应提升了16.6%、17.3%和12.1%。因此当R32质量分数为8%时，制热性能最佳。

由图4可以看出，随着R32质量分数的增加，压缩机不同转速下的耗功都相应增加，主要是由于R32的加入，压缩机排气压力增加，压缩机的压比增加耗功增加明显。当R32的质量分数为4%时，耗功增加为0.8%、7.7%和9.7%；当R32的质量分数为6%时，耗功增加最多，分别为5.2%、17.5%和12.3%；当R32的质量分数为8%时，耗功增加最多，分别为11.9%、39.8%和12.9%。

图3 R134a/R32不同混合比例的系统制热量对比

由图5可以看出，随着R32质量分数的增加，COP呈现先增加后减小的趋势。在各个转速下，当R32的质量分数为4%时，COP均为最高（分别为14.2%、7.0%和4.3%）。

图5 R134a/R32不同混合比例的系统COP对比

由图6可以看出，在R134a制冷剂中加入R32后，压缩机的排气温度在6%以内，随着R32的质量分数增加而升高。为避免压缩机排气温度过高，综合考虑系统的制热量和 COP，当 R32质量分数为4%时，系统的性能表现最优。

图6 R134a/R32不同混合比例的压缩机排气温度对比

随着R32质量分数的增加，制热量增加，但是当超过4%后压缩机耗功增加明显，COP下降明显。由于R32制冷剂比容更小且冷凝压力更高，同等排量下相对R134a系统流量更大，冷凝压力更高，造成压缩机耗功增加明显，COP降低。当R32质量分数相对较少时，制热量增加更显著；随着R32质量分数增加，压缩机排气温度上升，压缩机耗功增加更显著；因此R32质量分数存在一个最佳比例，当R134a/R32的混合制冷剂中R32的质量分数为4%时，系统COP最佳，同时制热量提升明显。

3 结论

1）随着R32在混合制冷剂中的质量分数的增加，系统制热量逐渐增加。由于R32制冷剂比容更小且冷凝压力更高，因此随着R32的加入，压缩机排气压力增加，压缩机的压比增加，耗功增加明显。

2）R134a/R32混合制冷剂相对于纯质的R134a在同等系统充注量下，系统制热量和性能系数（COP）都有很大提升。在R134a/R32的混合制冷剂中R32的质量分数存在一个综合考虑的最佳比例，当混合制冷剂中R32的质量分数为4%时，系统COP最佳，同时制热量提升明显。在低速、中速和高速 3个转速下，制热量分别提升13.3%、15.3%和14.4%，COP分别提升14.2%、7.0%和4.3%。

3）系统中零部件的选型均基于R134a制冷剂，直接替代效果较好，如果对原系统零部件（如膨胀阀等）稍加改进，性能可以进一步提升。

[1]殷建平,孙德艳.汽车消费增长与中国石油安全问题[J].改革与战略, 2010, 26(11): 44-46.

[2]何晖.PTC电加热在空调器上的应用[J].河南机电高等专科学校学报, 2010, 18(1): 9-11.

[3]吴玮,林用满,高日新,等.冷热联合储能式电动汽车空调系统的设计与经济性分析[J].制冷与空调,2011,11(5): 25-29.

[4]江挺候,张胜昌,康志军.电动汽车热泵系统研究进展[J].制冷技术, 2012, 32(2): 75-78.

[5]王颖,施骏业,陈江平,等.采用三换热器和四通阀的两种车用热泵系统的对比研究[J].制冷学报,2014,35(1): 71-76.

[6]谢华阳,丁攀,王文堂,等.浅谈汽车空调制冷剂的发展[J].农业装备与车辆工程, 2005(10): 34-34.

[7]李骕,宋志宏.汽车空调制冷剂与臭氧层的破坏[J].科技信息, 2008(26): 386-387.

[8]黄根法. R134a制冷剂的应用初探[J].制冷技术,1998,18(4): 30-32.

[9]陈雪峰,叶梅娇,黄一波.电动汽车热泵系统简述[J].制冷与空调, 2016, 16(7): 78-81.

[10]于万海.汽车空调制冷剂的应用及其发展趋势[J].汽车与配件, 2008(37): 28-30.

[11]余有水.汽车空调器中替代(混合)工质的开发[J].制冷技术, 2001, 21(1): 56.

[12]孟照峰,王芳,李堂,等.冬季工况下R32热泵性能的试验研究[J].流体机械, 2015(2): 66-69.

[13]CHEN J, YU J. Performance of a new refrigeration cycle using refrigerant mixtureR32/R134a for residential air-conditioner applications[J].Energy and Buildings,2008, 40(11): 2022-2027.

[14]HAN X H,WANG Q,ZHU ZW,et al.Cycle performance study on R32/R125/R161 as an alternative refrigerant toR407C[J].Applied Thermal Engineering,2007, 27(14/15):2559-2565.

[15]MARSH K N, KANDIL M E. Review of thermodynamic properties of refrigerants + lubricant oils[J]. Fluid Phase Equilibria, 2002,199(1): 319-334.

[16]田贯三.可燃制冷剂爆炸理论与燃烧爆炸抑制机理的研究[D].天津:天津大学, 2000.

[17]韦伟.车用热泵小管径换热器开发与性能研究[D].上海:上海交通大学, 2013.

Experimental Investigation on Heating Performance of Electric Vehicle Air Conditioning System Using Mixed Refrigerant of R134a/R32

ZHANG Yun1,2, LI Wanyong1, CHEN Liang1, SHI Junye1, CHEN Tao3, CHEN Jiangping*1
(1-Institude of Refrigerant and Cryogenics, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240,China; 2-Shanghai High Efficient Cooling System Reseaech Center, Shanghai 200240, China;3-Jiangsu Z-Park Energy Saving and Environmental Protection Research Co., Ltd., Changzhou, Jiangsu 213399, China)

Presently, the majority of refrigerant for the heat pump system of electric automotive air conditioning systems is R134a, and the heating capacity of the air conditioning system with refrigerant of R134a decreases evidently due to the refrigerant physical properties as the external temperature is very low. The mixed refrigerant isused toimprovetheheating performanceof the heat pumpsystem,and theheating performance of the automotive air conditioning system is analyzed at different speeds of the compressor with different mixing ratios of R134a and R32. Compared with the system with pure R134a, the heating capacity of the air conditioning system with the R134a/R32 mixture is increased by 14.0%～17.1%, and the coefficient of performance (COP) is increased by 4.3%～14%. When the mass fraction of R32 in the mixed refrigerant is 4%, the system COP is the best and the heating capacity is increased significantly.

R134a/R32;Mixed refrigerant;Automobile air conditioner;Heating

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.05.106

*陈江平（1970-），男，教授，博士。研究方向：汽车空调技术。联系地址：上海市闵行区东川路800号，邮编：200240。联系电话：021-62933242。E-mail：jpchen70@aliyun.com。