驻车空调器应用不同类型制冷剂的性能实验研究

高浩 戚文端 张浩

广东美的制冷设备有限公司 广东佛山 528311

0 引言

日渐增长的重卡数量以及驾驶员对舒适要求的提升，使得使用汽车电池供电的驻车空调器的市场需求也愈发提升。目前市场上主要销售的驻车空调器产品主要分为整体式与分体式两种形式，大部分均使用R134a作为循环制冷剂。由于安装条件的限制，需控制驻车空调器尺寸在较小范围，R134a的热力学性能相对较差，故在有限换热器面积下，制冷量及能效较难满足市场需求，同时电池的续航时间也难以保证。文献[1]提出电动驻车空调有广泛前景，但现状为噪声大，制冷效果差；文献[2-4]对驻车空调器使用时的太阳热辐射进行测量与实验，建议将太阳热辐射考虑进入温降指标中，且对驻车空调采用半导体制冷系统、跨临界CO2汽车空调系统进行相关设计计算；文献[5]对汽车空调的制冷剂替代做了相应综述及展望；文献[6]对列车空调采用R32制冷剂替代R22制冷剂进行性能对比，R32汽化潜热更大，制冷系统在相同换热器配置下，R32系统制冷量提升51.3%，文献[7]在电动汽车热泵空调系统中对比了R410A制冷剂与R134a制冷剂的低温制热能力与能效，R410A有更低的沸点，相对于R134a，更适合应用于低温工况。

本文将从制冷剂热力学性能出发，在某款已上市分体驻车空调器基础上，采用仿真分析及焓差实验测试，对比常用的R134a、R410A、R32三种循环制冷剂的性能差异，为驻车空调器产品性能提升提供参考。

1 理论分析

表1为制冷剂基本性能对比表。通过表1可以看出，三种制冷剂的ODP值均为0，GWP值R410A＞R134a＞R32，R32变暖潜力值最小。相对于其余两种制冷剂，R134a的临界压力较低，对制冷系统部件的耐压性需求相对较低。

表1 制冷剂基本性能对比

表2为三种制冷剂在40℃时的热力学物性对比，可以看出，定压比热容及定容比热容R32＞R410A＞R134a，同时压力R32＞R410A＞R134a，相对于R134a，R32及R410A的热物理特性更优，但工作压力较高，需要系统有更好的耐压性。

表2 制冷剂在40℃时热物性对比

由于制冷系统能力能效受节流部件及制冷剂量匹配影响较大，从而造成理论计算结果同实际偏差较大，为探究不同制冷剂的综合性能表现，故采用换热器计算软件[8]进行室外换热计算，挑取系统的最大换热能力为代表进行仿真分析对比，图1为驻车分体空调器上采用的室外换热器数值模型图，类型为铜管翅片换热器，室外换热风量为1800 m3/h，进风温度35℃，分别计算相同条件下三种制冷剂的换热性能，如表3所示。额定制冷工况下空调器室内输出制冷量为2.0 kW，与室内外电机、压缩机电机发热量及系统存在的漏热之和为室外侧换热的总换热量，室外侧管翅式换热器总换热量R32＞R410A＞R134a。

图1 室外换热器数值分析建模运算图

表3 数值仿真结果对比

2 实验验证

为验证R134a、R410A、R32三种制冷剂在驻车分体空调器上的性能表现，在某量产额定制冷量为2.0 kW的分体式单冷驻车空调器上，分别充注合适重量的三种制冷剂，并将制冷系统调试至最优。搭载三种不同类型制冷剂的压缩机，排量均为10.3 cm3/rev，R134a制冷剂系统运行频率为90 Hz，R32及R410A制冷剂系统运行频率为50 Hz，在焓差实验室进行实验测试，实验室示意图如图2所示。包括压力、温湿度及流量测量装置，温度传感器采用日本千野的Pt-100铂电阻四线，精度A级；湿度传感器采用芬兰维萨拉的HMT120，精度为±1.7%RH以上；微差压变送器采用EJA120A，测量范围-50～450 Pa；并在室内外侧设置冷媒检测报警装置。对比分析实验各典型测试工况如表4所示。

图2 焓差实验室示意图

表4 能力能效对比测试工况

通过图3可以看出，在四个制冷工况下，充注R32制冷剂的空调器制冷能力均最高，R410A次之，R134a最低，这是因为R32制冷剂在中温区的汽化潜热比R410A及R134a高，故在相同的换热器面积下及制冷剂流量下，输出最高的制冷能力。在工况1时，相对R134a，R410A能力上升31.2%，R32能力上升33.3%；在工况2时，相对R134a，R410A能力上升24.1%，R32能力上升33.5%；在工况3时，相对R134a，R410A能力上升24.9%，R32能力上升31.5%；在工况4时，相对R134a，R410A能力上升17.8%，R32能力上升25.5%，随着室外工况温度上升，冷凝温度上升，两相段焓差变小，过冷度下降，蒸发温度上升，能力大幅下降，能力差距变小。R32及R410A相对较好的热物性带来的制冷能力提升，可在保证一定制冷能力的同时更有利于驻车空调器的室内外两器及外形尺寸小型化。

图3 不同制冷剂在室外侧各工况下制冷量对比

能效方面，如图4所示，在工况1时，相对R134a，R410A能效上升36.6%；在工况2时，相对R134a，R410A能效上升23.5%；在工况3时，相对R134a，R410A能效上升15.1%；在工况4时，相对R134a，R410A能效上升6.7%，R32与R410A能效基本相当。由于室外环境温度升高，系统室内外压力差增大，功率上升明显，随着制冷能力下降，能效不断降低，室外环境温度越高，不同制冷剂的能效差距变小。在驻车空调器应用场景中，更高的能效更有利于电池的续航时长。

图4 不同制冷剂在室外侧各工况下能效对比

为探究不同制冷剂应用到驻车空调系统后，系统的两器、连接管、阀体件的耐压需要提升的幅度及具体数值，对制冷系统在各工况的吸、排气压力进行测试统计，如图5及图6所示，可以看出，随着室外工况温度的升高，压缩机排气管温及冷凝温度上升，对应排气压力也随之上升；而在室内工况温度不变时，蒸发温度变化较小，故吸气压力在工况1、2、3微弱上升。R134a系统吸排气压力较其余两种制冷剂系统低，在高温工况4时，R32制冷剂系统排气压力为3.804 MPa，R410A制冷剂系统压力为3.797 MPa，而R134a系统为1.879 MPa，相对于R134a，R32及R410A排气压力上升1.925 MPa、1.918 MPa，故驻车空调器在采用后两者制冷剂作为工质时，需增加系统各部件如橡胶软管、阀件、平行流换热器等的耐压性，同时橡胶软管的材质也需要根据不同制冷剂及润滑油的物理和化学特性进行针对性的匹配。

图5 不同制冷剂在室外侧各工况下排气压力对比

图6 不同制冷剂在室外侧各工况下吸气压力对比

3 结论

通过对比R134a、R410A、R32三种常用制冷剂的热物性及焓差室能力测试结果可知，在各制冷工况，相对于目前驻车空调器常用的R134a制冷剂，R32及R410A制冷剂系统能力及能效上升明显，在各工况下，R410A制冷剂能力上升17.8%～31.2%，能效上升6.7%～36.6%；R32制冷剂能力上升25.5%～33.3%，其有利于提升驻车空调器的热舒适性，同时有利于其换热器及整机尺寸小型化，更适合此安装环境。值得注意的是两种制冷剂相对于R134a系统运行压力上升较多，R410A制冷剂系统最高压力3.797 MPa，R32制冷剂最高压力达3.804 MPa，而R134a系统为1.879 MPa，在进行制冷系统设计时，需提升系统各部件的耐压性，同时R410A为混合制冷剂，泄漏后制冷能力有较大衰减，需要在安装时进行规范保压操作检测并防止泄漏；R32制冷剂为可燃制冷剂，需进行对应的安全防护设计。值得注意的是，R32 制冷剂最新修订后的GWP值为771，R410A制冷剂的GWP值为2100，均有着较高的变暖潜力，随着双碳战略提出，后续需要寻找更加环保的制冷剂进行驻车空调系统替代，如天然工质R290、CO2等。