R1234yf 电动汽车空调系统制冷性能的试验研究

陈小砖，孟雪峰，王 攀，张蓓乐，刘秀芳

（1.河南理工大学 机械与动力工程学院，河南焦作 454000；2.西安交通大学 能源与动力工程学院，西安 710049）

0 引言

在当今能源和环境双重问题的推动下，电动汽车成为汽车工业发展的主要方向［1］。空调系统作为电动汽车主要部件之一，其性能不仅决定着驾驶过程的舒适性，还对续航里程有显著影响［2］，因此开发高效节能的空调系统对电动汽车的发展意义重大。然而随着全球变暖问题的日益严峻和环保要求的日益严苛，减少高GWP 制冷剂的使用已成必然趋势［3-5］。目前电动汽车空调大多采用R134a 制冷剂，由于其GWP 值过高而面临淘汰［6］。在主流的替代制冷剂中，R1234yf 不仅热物理性质与R134a 十分相似，而且GWP 仅为4，被看作是汽车空调系统较有前景的替代制冷剂之一［7］。

电子膨胀阀（EXV）具有灵敏度高、控制稳定和适应工况范围广等优点［8-9］，被广泛应用于蒸汽压缩式制冷系统中［10-11］。樊超超等［12］研究了不同压缩机频率下电子膨胀阀开度对家用空调制冷性能的影响，发现各个压缩机频率下都存在一个最佳阀开度，使制冷量和性能系数COP 同时达到最大值。KNABBEN 等［13］试验研究了电子膨胀阀在家用冰箱中的适用性，发现环境温度或压缩机的转速改变时，可通过调节电子膨胀阀开度来降低能耗。华若秋等［14］试验分析了EXV 开度对电动汽车热泵空调系统的影响，结果表明COP随EXV 开度的增大而先增后减，存在一个峰值。WANG 等［15］针对CO2热泵系统，提出调节EXV 开度需要综合考虑排气温度和吸气过热度。

对于R1234yf在电动汽车空调系统上的应用，ZOU 等［16］搭建了一套电动汽车热泵空调系统，研究了EXV 开度和环境温度对R1234yf 和R134a 系统冬季制热性能的影响，结果表明增大EXV 开度有利于提高制热性能，R1234yf 和R134a 系统的制热量和COP 相差约10%。ZILIO 等［17］对R1234yf汽车空调系统进行了试验研究，结果显示R1234yf系统的COP 和制冷量分别比R134a 系统低1%和2%，指出通过调节热力膨胀阀和优化压缩机控制阀，R1234yf 系统制冷量和COP 可将接近R134a系统。李万勇等［18］对比分析R1234yf 和R134a 电动汽车热泵空调系统在-20～7 ℃环境下的制热性能，结果表明R1234yf 系统排气温度更低，但制热量和COP 分别比R134a 系统降低7.1%和6.6%。LI 等对R1234yf 热泵系统在寒冷环境下进行了试验测试［19］。

目前已有对汽车空调系统中电子膨胀阀调节特性的研究，但对于R1234yf 电动汽车空调中电子膨胀阀调节特性的研究较少。本文基于电动汽车空调系统，通过试验研究了环境温度对R1234yf系统性能的影响，并对比了不同电子膨胀阀开度和压缩机转速下R1234yf 和R134a 系统的制冷性能。

1 试验装置和测试方法

1.1 试验装置

本文设计的电动汽车空调系统由压缩机、室外换热器总成、板式换热器、电子膨胀阀、HVAC 总成、干燥储液器、电磁截止阀等部件构成，各个部件之间采用对应尺寸的两端压接铝接头的汽车空调胶管连接，其中电子膨胀阀选用MEV-X01004 型车用电子膨胀阀，该电子膨胀阀由4 相8 拍永磁型步进电机驱动，工作电压为DC12V±10%，开阀脉冲为32±20 P，全开脉冲为500 P，阀口公称直径为3.2 mm。其他部件的具体参数见表1。

表1 主要系统部件参数Tab.1 Parameters of main system components

试验系统原理如图1 所示，通过控制电磁截止阀的工作状态实现电动汽车空调系统制冷模式与制热模式的切换。

图1 试验系统原理Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

制冷模式下，压缩机压缩后的制冷剂气体，经过电磁截止阀C1流入室外换热器，通过与环境换热冷凝为液态制冷剂，经EXV1节流后变成低温制冷剂，接着流入蒸发器，吸热蒸发为低温低压气态制冷剂，最后经气液分离器回到压缩机，完成制冷循环。制热模式下，制冷剂经过截止阀H1流入板式换热器，与乙二醇水溶液换热后的制冷剂经EXV2节流后流入室外换热器，从低温环境吸热后回到压缩机。二次回路循环中乙二醇水溶液与制冷剂换热后，经电子水泵输送到HVAC 总成内暖风芯体，向车舱内供热。

本试验台通过T 型热电偶和压力传感器对主要节点的制冷剂温度、压力进行测量，采用质量流量计测量冷凝器出口制冷剂的质量流量，主要测量参数精度见表2。

表2 主要参数测量精度Tab.2 Measuring accuracy of main parameters

1.2 测试方法

本试验在焓差室内进行测试，焓差室主要由室内侧测试室、室外侧测试室和控制室组成，焓差室原理如图2 所示。

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

焓差室的室内侧环境干球温度控制范围为10～50 ℃，室外侧环境干球温度控制范围为-10～55 ℃，相对湿度控制范围为35%～85%，控制精度为±0.1 ℃。

系统的制冷量根据空气焓差法计算：

式中，qm1为室内侧空气质量流量，kg/s；ha1为室内侧入口焓值，kJ/kg；ha2为室内侧出口焓值，kJ/kg；Vn'为测点处湿空气比容，m3/kg；Wn为测点处空气含湿量，kg/kg；Q0为风量装置泄漏热量，kJ。

本试验测试工况见表3，通过充注量试验确定R1234yf 和R134a 制冷时的最优充注量分别为1 040，1 100 g，R1234yf 制热时的最优充注量为600 g，所有试验均基于最优充注量。

表3 测试工况Tab.3 Test conditions

1.3 误差分析

试验误差又称为试验台的不确定度，是指由于测量仪器自身误差的存在，导致对被测量值不能肯定的程度，即表明测试结果的可信赖程度。测量数据即为仪器直接读取的数据，其相对误差ε可用仪器的绝对误差Δx 与真值x0的比值表示。对于间接测量数据误差，当测量值之间相互独立时，有：

计算结果表明，制冷量最大误差为2%，COP最大误差为2.06%。最大误差均小于5%，因此试验误差符合相关要求，保证了试验数据的真实性与可靠性。

2 试验结果及分析

2.1 不同环境温度下R1234yf 系统的性能

为分析环境温度对R1234yf系统性能的影响，对制冷模式3 000 r/min 下的压缩机排气温度、功耗、制冷量和COP，以及制热模式2 500 r/min 下的压缩机排气温度、功耗、制热量和COP 进行对比。图3 示出R1234yf 系统制冷模式和制热模式下的功耗和排气温度随环境温度的变化趋势。可以看出，随着环境温度的升高，R1234yf 系统在制冷模式和制热模式下的功耗均逐渐升高，制冷模式下的排气温度逐渐升高，而制热模式下的排气温度逐渐降低。制冷模式下环境温度从27 ℃升至43 ℃，R1234yf系统的功耗由1 042 W增至1 423 W，增大36.6%，排气温度从63.4 ℃升至81.4 ℃，升高18.0 ℃；制热模式下环境温度从0 ℃升至12 ℃，R1234yf 系统的功耗从973 W 增至1 354 W，增大39.2%，排气温度由76 ℃降至53.5 ℃，降低22.5 ℃。

图3 不同环境温度下功耗、排气温度对比Fig.3 Comparison of power consumption and discharge temperatures under different ambient temperatures

图4 示出R1234yf 系统制冷模式和制热模式下的制冷（热）量以及COP 随环境温度的变化趋势。从图可以看出，随着环境温度的升高，R1234yf 系统制冷模式下的制冷量和COP 逐渐降低，环境温度从27 ℃升至43 ℃，R1234yf 系统的制冷量由3 005.2 W 降至2 639.4 W，降低13.9%，COP 从2.88 降至1.85，降低55.7%；而R1234yf 系统制热模式下的制热量和COP 随着环境温度的升高而逐渐增大，环境温度从0 ℃升至12 ℃，R1234yf 系统的制热量从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%。

图4 不同环境温度下制冷（热）量、COP 对比Fig.4 Comparison of cooling（heating） capacity and COP under different ambient temperatures

2.2 不同电子膨胀阀开度下R1234yf 和R134a 系统制冷性能对比

为了保证压缩机安全稳定运行，要求压缩机吸气口制冷剂带有一定过热度，防止发生液击现象。图5 示出了不同转速下R1234yf 系统和R134a 系统的压缩机吸气过热度随电子膨胀阀开度的变化趋势。

从图中可见，随着电子膨胀阀开度的增加，压缩机吸气过热度先降低后趋于稳定。这是由于：膨胀阀开度较小时，系统制冷剂质量流量随着开度的增加而增大，蒸发压力和温度升高，造成蒸发器出口制冷剂过热度降低，导致压缩机吸气口过热度降低；开度较大时，由于压缩机吸气能力有限，质量流量和蒸发压力开始趋于稳定，故吸气过热度逐渐稳定。由图可知，相同开度下随着转速的提高，吸气过热度逐渐升高。此外，相同工况下与R134a 系统相比，由于R1234yf 系统的吸气压力更高，但吸气温度更低，所以R1234yf 系统的吸气过热度低于R134a 系统。

图6，7 分别示出了不同转速下制冷量、COP随电子膨胀阀开度的变化趋势。从图中可知，R1234yf 系统和R134a 系统的制冷量和COP 均呈先增后减的变化趋势。当开度较小时，随着开度的增加，质量流量增大使得蒸发器内有效换热面积逐渐得到充分利用，制冷量增大；开度较大时，开度增加，但制冷剂质量流量增长幅度较小，此时制冷量主要受蒸发器换热温差降低的影响，故制冷量在峰值出现后开始减小。COP 是评价系统性能的重要指标之一，其值的大小可以反应系统的能效。由于压缩机功耗受质量流量和压比变化的影响呈先增后减的变化趋势，而且制冷量变化速率始终大于功耗的变化速率，所以COP 的变化趋势与制冷量的变化趋势基本一致。从图中分析可知，制冷量和COP 在相同开度下达到最大值。因此，通过调节电子膨胀阀开度可以使系统性能达到最优。

图6 制冷量随电子膨胀阀开度的变化Fig.6 Variation of cooling capacity with EXV opening

图7 COP 随电子膨胀阀开度的变化Fig.7 Variation of COP with EXV opening

空调出风温度可以反映系统的制冷能力，图8 示出不同转速下R1234yf 系统、R134a 系统出风温度随电子膨胀阀开度的变化趋势。如图所示，随着电子膨胀阀开度的增加，出风温度先降低后升高，与制冷量的变化趋势相对应。R1234yf 系统在转速为2 000，3 000，4 000，5 000 r/min 时，出风温度最低分别为14.28，12.36，11.57，10.71 ℃，而R134a 系统的最低出风温度分别为13.79，11.87，10.88，10.49 ℃。另外，从图可知，随着转速的提高，系统的出风温度逐渐降低。当转速由2 000 r/min增至5 000 r/min 时，R1234yf 系统和R134a 系统对应的最低出风温度分别降低25%和23.9%，而且相较于R1234yf 系统，R134a 系统出风温度更低。综合考虑系统制冷量、COP 和出风温度，发现不同转速下均可通过调节电子膨胀阀开度使系统性能达到最优，而且最佳开度随转速的升高而增大。

图8 出风温度随电子膨胀阀开度的变化Fig.8 Variation of outlet air temperature with EXV opening

2.3 不同转速下R1234yf 和R134a 循环特性对比

为了更直观地分析R1234yf 和R134a 之间循环特性差异，选取各转速下最佳开度对应的排气温度、质量流量、制冷量和COP 进行对比。图9 示出不同转速下R1234yf 系统、R134a 系统在最佳开度下排气温度的变化趋势。从图可看出，随着转速的提高，排气温度逐渐升高。转速由2 000 r/min增至5 000 r/min，R1234yf 系统和R134a 系统的排气温度分别升高48.1 ℃和41.0 ℃。此外，在转速为2 000 r/min 和5 000 r/min 时，相较于R134a 系统，R1234yf 系统的排气温度分别降低19.1%和3.1%，且随着转速的提高，降幅逐渐减小。

图9 不同转速下排气温度对比Fig.9 Comparison of discharge temperatures under different compressor speeds

图10（a）示出R1234yf 和R134a 的饱和气体密度随温度的变化情况，不同温度下R134a 的饱和气体密度始终小于R1234yf，由于压缩机吸气口制冷剂为气态，故相同转速下R1234yf 系统对应的理论循环质量流量大于R134a 系统。图10（b）示出不同转速下R1234yf 系统和R134a 系统质量流量的变化趋势，随着转速的升高，压缩机输气量增加，质量流量也随之增大。转速由2 000 r/min升至5 000 r/min，R1234yf 系统和R134a 系统的质量流量分别增大23.3%和32.3%；相较于R134a 系统，R1234yf 系统的质量流量平均增加16.65 kg/h。

图10 不同转速下质量流量对比Fig.10 Comparison of mass flow under different compressor speeds

图11 示出R1234yf 系统和R134a 系统在不同转速下最佳开度所对应的制冷量和COP，可以看出，随着转速的提高，制冷量逐渐增大，但COP 逐渐降低。由于转速升高，质量流量增加导致制冷量增大，但压缩机功耗也增大，而且功耗增加的速率大于制冷量增加的速率，故COP 逐渐降低。转速由2 000 r/min 升至5 000 r/min，R1234yf 系统和R134a 系统的制冷量分别增大45.8%和43.9%，COP 分别降低54.0%和45.6%，而且随着转速的提高，制冷量增加和COP 降幅逐渐减小。此外，与R134a 系统相比，R1234yf 系统的制冷量平均降低4.5%，COP 平均降低14.9%。

图11 不同转速下制冷量、COP 对比Fig.11 Comparison of cooling capacity and COP under different compressor speeds

3 结论

（1）制冷模式下，当环境温度从27 ℃升至43 ℃时，R1234yf 系统的排气温度升高18.0 ℃，功耗增大36.6%，制冷量降低13.9%，COP 降低55.7%；而制热模式下，当环境温度从0 ℃升至12 ℃时，R1234yf 系统的排气温度降低22.5 ℃，功耗增大39.2%，制热量增大48.1%，COP 增大6.5%。

（2）随着电子膨胀阀开度的增加，压缩机吸气过热度逐渐降低，制冷量和COP 均先增后减，而出风温度先降低后升高。不同压缩机转速下制冷系统均存在一个最佳开度，此时系统的制冷量、COP 达到最大值，而出风温度达到最小值，因此通过调节电子膨胀阀开度可使系统性能达到最优。

（3）随着转速的提高，系统质量流量和制冷量增大，可以获得更低的出风温度，但压缩机排气温度升高，COP 降低。当压缩机转速从2 000 r/min升至5 000 r/min 时，R1234yf 系统和R134a 系统的排气温度分别升高48.1 ℃和41.0 ℃，制冷量分别增加45.8%和43.9%，COP 分别降低54.0%和45.6%。

（4）R1234yf 在电动汽车空调系统中直接充注替代R134a，排气温度降低，制冷剂质量流量增加，系统工作运行更加稳定。与R134a 系统相比，R1234yf 系统的制冷量平均减小4.5%，COP 平均降低14.9%。但是通过对系统进行改进，R1234yf能够达到与R134a 相当的性能。