基于氨工质的新型电动汽车空调系统性能研究

胡 杨 李夔宁 刘 彬 谭文林

（重庆大学动力工程学院 重庆 400044）

0 引言

1997年12月，《京都议定书》在日本京都通过，根据《议定书》规定，在2008年至2012年间，发达国家温室气体排放量必须在1990年基础上降低5.2%。在《议定书》中，R134a制冷剂被划分到会造成温室效应的物质范畴中。2006年欧盟通过了《汽车空调系统指令》，《指令》规定，从2011年开始，在欧洲销售的所有新款车辆都必须使用GWP值（全球变暖潜能值）低于150的制冷剂，而到2017年，在欧洲销售的所有汽车都必须使用低GWP值的制冷剂。因此，汽车空调制冷剂的更新换代已迫在眉睫。

针对汽车空调制冷剂新一轮的更新换代，世界范围内进行了广泛的研究和讨论。但到目前为止还没有一种理想的环保节能制冷剂用于替代R134a制冷剂。当前国内外制冷剂科研工作者主要对CO2[1]、R152a 制冷剂[2]、R1234yf制冷剂[3]等进行了研究和探讨。但这几种制冷剂也各有缺点，并不是R134a制冷剂的理想替代工质，寻找理想替代工质的研究工作还任重道远。

针对当前汽车空调制冷剂的研究现状，本文提出将氨这种天然制冷剂应用到电动汽车空调上，作为R134a的替代制冷剂。选择应用到电动汽车空调上，主要是考虑电动汽车本身没有燃油系统，使用氨制冷剂时更加安全可靠。基于此，本文研究设计了氨工质电动汽车空调系统，并对该系统进行了性能研究。

1 氨与其他几种低GWP值制冷剂的性能比较

1.1 物理性质的比较

制冷剂是汽车空调系统的工作介质，其性能的好坏直接关系着整个汽车空调系统节能环保的优劣程度。新一轮汽车空调制冷剂的替代工作已迫在眉睫，但采用何种制冷剂来替代R134a制冷剂却悬而未决。显然，选择下一轮制冷剂的首要条件是环境友好，即不会产生臭氧空洞和温室效应等环境问题，要求ODP=0，GWP<150。但ODP、GWP并不是唯一的衡量指标，一种理想的制冷剂还需要具备优越的热物理性质，可靠的安全性，合适的材料相容性以及良好的经济性。本文将氨、CO2、R1234yf、R152a与R134a制冷剂进行了综合比较，归纳如表1所示。

表1 氨与几种低GWP值制冷剂的物理性质比较Table 1 Comparison of physical properties of ammonia with several low GWP refrigerants

从上表可以看出，上述低GWP值制冷剂各有自身缺点。

在综合比较了几种低GWP值制冷剂物理性质后发现：氨制冷剂虽有一定的刺激性、毒性和弱可燃性，但经二次回路设计后，氨比R1234yf制冷剂更加安全可靠；相对于R152a，氨的GWP值更低，环保性能更好；相对于CO2，其运行压力较低，对制造工艺和材质的要求不高，且其能效特性优于CO2，是一种节能制冷剂。因此氨制冷剂可以成为汽车空调的替代制冷剂。

1.2 理论循环的比较

为了对几种低GWP值制冷剂理论循环进行比较，需要将这几种制冷剂的运行工况设定在同一情况下。这里选取的汽车空调运行工况如下[4]：蒸发温度0℃，过热温度5℃，冷凝温度50℃，过冷温度5℃。但需要注意的是，CO2用于汽车空调一般为跨临界循环，在气体冷却器中处于超临界，换热过程为变温过程，没有固定的冷凝温度。参考Lorentzen[5]的研究，对于CO2的理论循环，这里设定压缩机排气压力为100bar，气体冷却器出口温度为40℃。在上述汽车空调工况下，可以得到几种低GWP值制冷剂在理论循环下的性能。制冷剂理论循环压缩机排气压力、理论COP、单位容积制冷量的对比如图1所示。

图1 低GWP值制冷剂理论循环对比图Fig.1 Comparison of the cycle of low GWP refrigerant theory

在综合比较了几种低GWP值制冷剂理论循环后发现：氨的排气压力适中，相对于CO2，其对制造工艺和材质的要求不是很高；氨的理论COP较高，即使采用了二次回路，综合COP仍与R134a相当，节能性良好；氨的单位容积制冷量高，可以使用小排量的压缩机。因此氨制冷剂可以成为R134a的替代制冷剂应用到汽车空调上。

2 氨工质电动汽车空调系统的研究设计

通过氨与其他几种低GWP值制冷剂的性能比较发现，氨作为一种天然制冷剂，其来源广泛、价格低廉，且其综合性能优于其他几种低GWP值的制冷剂，可以成为R134a制冷剂的替代工质。但氨作为制冷剂也有其自身的缺点，那就是氨有一定刺激性、毒性和弱可燃性。因此要将氨应用于汽车空调系统必须设计二次回路、安全系统等。

本文就氨制冷剂应用于电动汽车空调系统进行了较为详细的理论设计。一方面，经过严格的安全系统设计，氨制冷剂可以应用于汽车空调系统；另一方面，电动汽车相较于传统汽车，没有燃油系统，这降低了氨制冷剂燃烧的可能性。因此氨制冷剂应用于电动汽车空调系统有其理论和实际的可行性。图2为本文研究设计的氨工质电动汽车空调系统。该汽车空调系统包括4个子系统，其中：Ⅰ为氨压缩式制冷循环子系统，Ⅱ为乘员舱换热子系统，Ⅲ为前端散热子系统，Ⅳ为安全子系统。

图2 氨工质电动汽车空调系统Fig.2 Ammonia refrigerant electric vehicle air conditioning system

在氨工质电动汽车空调系统中，氨压缩式制冷循环子系统包括压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器；乘员舱换热子系统包括乘员舱换热循环泵、乘员舱换热器；前端散热子系统包括前端散热循环泵、前端散热器；安全子系统包括压力传感器、温度传感器、氨浓度检测仪、安全阀、安全壳、冲注N2。

由于氨制冷剂有一定的刺激性、毒性和弱可燃性，因此在氨工质电动汽车空调系统中，必须进行可靠的安全设计，整个安全防护工作由安全子系统完成，其工作原理为：安全壳将整个氨压缩式制冷循环子系统密封起来，只通过循环水管与乘员舱换热子系统和前端散热子系统相连接，也即所有流过氨制冷剂的部件被密封在安全壳内。一旦氨制冷剂发生泄漏，会被完全包裹在安全壳内，不会逃逸到外部空间对人体造成危害，保障整个系统的安全性。同时压力传感器、温度传感器、氨浓度检测仪实时采集安全壳内的压力、温度、氨浓度。当压力、温度、氨浓度达到一定限值时会产生报警提示，驾驶员根据报警提示将车辆送达专门的汽修店，由专门汽修人员将安全壳内的泄漏氨排出，并对汽车空调系统进行检修和加氨。安全壳内还充注有N2，目的是当氨产生泄漏且安全壳内温度较高时，不会发生燃烧爆炸。安全阀的作用则是当安全壳内超压时自动泄压。

3 氨工质电动汽车空调系统运行参数的确定

3.1 氨压缩式制冷循环子系统运行参数的确定

参照传统汽车空调系统设计工况，结合上述运行参数对氨工质电动汽车空调系统的影响，确定氨压缩式制冷循环子系统运行参数如表2所示。

表2 氨压缩式制冷子系统运行参数Table 2 Operating parameters of ammonia compression refrigeration subsystem

根据氨压缩式制冷循环子系统理论运行参数得其理论循环压-焓图如图3所示。

图3 氨压缩式制冷循环子系统理论循环压-焓图Fig.3 Theoretical cyclic P-H diagram of ammonia compression refrigeration cycle subsystem

根据确定的运行参数计算出氨压缩式制冷子系统理论循环各状态点参数如表3所示。

表3 氨压缩式制冷子系统理论循环各状态点参数Table 3 Values of states of Theoretical cycle of ammonia compression refrigeration subsystem

由氨压缩式制冷子系统理论循环各状态点参数计算得其主要性能值如表4所示。

表4 氨压缩式制冷子系统理论循环主要性能值Table 4 Theoretical performance value of ammonia compression refrigeration subsystem

3.2 乘员舱换热子系统运行参数的确定

乘员舱换热子系统的作用为吸收乘员舱内空气的热量，并将热量传递给氨蒸发器。结合氨压缩式制冷子系统理论循环设计工况，确定乘员舱换热子系统理论循环的参数如表5所示。

表5 乘员舱换热子系统理论循环参数Table 5 Parameters of passenger cabin heat transfer subsystem theoretical cycle

3.3 前端散热子系统运行参数的确定

前端散热子系统的作用为吸收氨冷凝器放出的热量，并将吸收的热量在前端散热器中传递给空气。结合氨压缩式制冷子系统理论循环设计工况，确定前端散热子系统理论循环的参数如表6所示。

表6 前端散热子系统理论循环参数Table 6 Parameters of front end heat sink subsystemtheoretical cycle

3.4 氨工质电动汽车空调系统理论COP

氨工质电动汽车空调系统能耗包括电动压缩机的压缩功、乘员舱换热循环泵功耗、前端散热循环泵功耗。因此在计算氨工质电动汽车空调系统能效特性（COP）时，应该全面考虑所有功耗和制冷量。氨工质电动汽车空调系统COP计算式为：

式中：COP为氨工质电动汽车空调系统理论COP；Q为额定制冷量；W为额定制冷量下的额定压缩功；Np为乘员舱换热循环泵的轴功率；Nf为前端散热循环泵的轴功率。

在氨工质电动汽车空调系统研究设计中，选用的乘员舱换热循环泵性能参数如表7所示，选用的前端散热循环泵性能参数如表8所示。

表7 乘员舱换热循环泵性能参数Table 7 Performance parameters of heat exchanger circulating pump in passenger cabin

表8 前端散热循环泵性能参数Table 8 Performance parameters of the front end cooling pump

经计算得氨工质电动汽车空调系统理论COP=4.09。氨工质电动汽车空调系统理论COP与其他几种低GWP值制冷剂理论COP的对比如图4所示。

由图可知，氨工质电动汽车空调系统理论COP与R1234yf制冷剂理论COP相当，但氨制冷剂比R1234yf制冷剂便宜得多，且经二次回路设计后氨工质电动汽车空调系统比采用R1234yf制冷剂更加安全可靠；氨工质电动汽车空调系统理论COP低于R152a制冷剂理论COP，但当R152a制冷剂也设计二次回路时，两者理论COP相当，且氨制冷剂GWP值低于R152a制冷剂，氨的环保性更好。氨工质电动汽车空调系统理论COP高于CO2理论COP，相对于CO2，氨的节能性更好。

图4 氨工质电动汽车空调系统理论COP与其他低GWP值制冷剂理论COP的对比图Fig.4 Comparison of the theory of COP system with other low GWP refrigerant theory COP for ammonia vehicle electric vehicle air conditioning system

4 结论

（1）氨是一种天然制冷剂，其来源广泛、价格低廉，其ODP为0，GWP为1，不会产生臭氧空洞和温室效应等环境问题，是一种环保制冷剂，但氨本身有一定刺激性、毒性和可燃性，要将氨制冷剂应用到汽车空调系统上，必须设计二次回路，做到绝对安全可靠。

（2）氨制冷剂虽有一定的刺激性、毒性和弱可燃性，但经二次回路设计后，氨比R1234yf制冷剂更加安全可靠；相对于R152a，氨的GWP值更低，环保性更好；相对于CO2，其运行压力较低，对制造工艺和材质的要求不高，且其COP高于CO2，是一种节能制冷剂。因此氨制冷剂综合性能优于其他几种低GWP值制冷剂，可以成为R134a的替代制冷剂应用到汽车空调上。

（3）氨工质电动汽车空调系统理论COP随蒸发温度、过冷度的升高而增大；随冷凝温度、过热度的升高而降低。因此为了增大空调系统的能效，在可能的情况下宜适当增大蒸发温度、过冷度；适当减小冷凝温度、过热度。

（4）氨工质电动汽车空调系统能耗包括电动压缩机的压缩功、乘员舱换热循环泵功耗、前端散热循环泵功耗。因此在计算氨工质电动汽车空调系统能效特性（COP）时，应该全面考虑所有功耗和制冷量，计算得到的氨工质电动汽车空调系统理论COP=4.09。