R1234yf 新能源汽车热泵空调系统实验研究*

王 伟， 张建凯， 王 丹， 张艺伦

（中汽研（天津） 汽车工程研究院有限公司， 天津 300300）

R134a由于其良好的热力学性质和安全性，自作为车载制冷剂替代R12以来已经广泛应用于汽车空调系统。虽然其臭氧消耗潜能值（ODP） 为0，但其全球变暖潜能值（GWP）为1430，在当前常用制冷剂中，其GWP处于较高水平。目前全球碳排放在不断增加，温室效应加速积累，全球变暖日益严重。随着人们环保意识提高，高GWP制冷剂的使用开始逐渐受到限制。欧盟F-Gas法案规定从2011年1月起生产的新车型不能使用GWP高于150的制冷剂，到2017年所有生产的车型都要服从该法案［1］。中国在接受《〈蒙特利尔议定书〉基加利修正案》后，将于2024年冻结HFCs生产和消费。随着R134a的限制生产和使用，寻求R134a的替代制冷剂至关紧要。新型制冷剂R1234yf，由于其GWP仅为4，并且ODP也为0，与R134a相似的热物理性能，有望成为R134a理想的替代制冷剂之一。

目前国内外学者已经对R1234yf热物理性能和应用进行了相应研究，并开展了对R134a的替代性研究。有研究表明，通过控制不同的冷凝温度和蒸发温度，R1234yf的制冷量比R134a低9%，同时COP降低了7%，使用内部热交换器可降低COP的差异［2］。Sethi等在两个典型室外环境温度下对R1234yf系统和R134a系统制冷工况进行对比实验研究，在对制冷系统稍加修改后，R1234yf制冷剂的性能和R134a相当［3］。Wang等总结了R1234yf与R134a的系统性能，R1234yf的冷凝器性能明显低于R134a，通过添加回热器、喷射器、膨胀器或调整热力膨胀阀等措施，可以改善R1234yf的系统性能［4］。Yohan Lee等在配备了开式压缩机的汽车空调实验台上进行了制冷和热泵实验，测试结果表明，R1234yf的性能系数和能力分别比R134a低2.7%和4.0%，R1234yf压缩机排气温度比R134a低10%［5］。赵宇等在R134a汽车空调系统中替代为R1234yf进行实验研究，在不同制冷工况下R1234yf系统的COP和能力均低于R134a系统，R1234yf在现有的R134a空调系统中直接替代应用是可行的［6］。孟照峰等对R1234yf与R134a混合物的制冷性能进行实验研究，混合物的制冷量与R134a接近，COP略低于R134a系统，平均排气温度降低10℃［7］。刘雨声等补气增焓技术应用在R1234yf热泵系统中，使其制热量和能效比可以提高到与R134a基本持平［8］。

在以上研究的基础上，为进一步探究R1234yf与R134a在新能源汽车热泵空调系统中制冷和制热性能差异，验证R1234yf替代R134a的可行性，本文搭建了汽车热泵空调系统实验台架，从制冷和制热两方面开展实验研究。

1 实验设备与原理

1.1 测试设备

实验测试在汽车空调焓差实验室中进行。如图1所示，整套汽车空调系统台架参照在车内实际布置方式在A室和B室中搭建。A室提供车外环境工况，将冷凝器、压缩机、气液分离器等关键部件布置在A室。B室提供乘员舱内环境工况，将空调箱等关键部件布置在B室。在该空调系统的压缩机、内部冷凝器、蒸发器热力膨胀阀、外部换热器、电子膨胀阀的进口、出口位置均布置温度和压力传感器，用于测量其温度和压力，在回路中安装流量传感器，得出各测点的焓值并计算各部件和系统的能力。空调系统中换热器进风侧的温度和湿度分别由A室和B室来控制，出风侧的温度和湿度分别由A室风洞和B室风洞进行测量，换热器的风量由风洞内外的压差来控制。通过测量换热器进、出风侧的温度、湿度和风量来计算各换热器风侧换热能力。

图1 空调系统台架测试原理图

该空调系统采用电动压缩机，换热器均为微通道平行流换热器，主要参数如表1所示。为方便对比研究R134a与R1234yf的制冷和制热性能，制冷剂充注量统一为980g，保证分别充注两种制冷剂的情况下，空调系统运行时膨胀阀前都有一定的过冷度。

表1 空调系统主要结构参数

1.2 系统原理

该汽车空调系统台架可分别进行制冷和制热两种运行模式，模式切换由电磁阀1、电子膨胀阀、电磁阀2和电磁阀3来控制。在制冷模式下，电子膨胀阀和电磁阀2关闭、电磁阀1和电磁阀3打开，内部冷凝器的风门关闭，蒸发器风门打开，外部换热器作为冷凝器。压缩机出口的高温高压制冷剂经过内部冷凝器时不与空气换热而直接经过电磁阀1进入外部换热器，在外部换热器流过第3个流程后经过电磁阀3再返回流经第4个流程，最后经过热力膨胀阀、内部蒸发器，再流入压缩机进口。

在制热模式下，电子膨胀阀和电磁阀2打开、电磁阀1和电磁阀3关闭，内部冷凝器的风门打开，内部蒸发器风门关闭，外部换热器作为蒸发器。制冷剂从压缩机出口经过内部冷凝器冷凝，经过电子膨胀阀节流进入外部换热器，再经电磁阀2进入压缩机入口。

1.3 实验工况

参考QC/T 657—2000《汽车空调制冷装置实验方法》，并结合汽车空调实际使用场景，制定制冷工况如表2所示，制定制热工况如表3所示。制冷工况1～4用于测试冷凝器风速和压缩机转速对系统的影响，工况5～8用于测试蒸发器风量和压缩机转速对系统的影响。制热工况1～4和5～8分别用于测试环温较高和较低的冬季低温条件下，热泵系统初始启动和运行一段时间后的内部冷凝器进风温度和压缩机转速对系统能力的影响。

运行上述工况，待各测试参数稳定15min后开始记录数据，记录5min的实验数据取平均值作为最终实验结果。基于实验结果，从制冷工况和制热工况两方面对R134a系统和R1234yf系统进行对比分析。

2 制冷工况结果与分析

2.1 制冷量分析

各工况下R134a和R1234yf空调系统的制冷量如图2所示。对比1～4工况，随着压缩机转速和外部换热器风速增加，系统的制冷量均随之增加，但增幅逐渐减小。这表明随着压缩机转速和外部换热器风速增加，其与蒸发器侧的风量逐渐接近最佳匹配值，制冷量增幅较大。后续再单一增加转速和风速，对制冷量提高的增益很小。对比5～8工况，也可看出相同的变化趋势。同时可看出，除了工况6，其他工况下采用R134a系统的制冷量均高于R1234yf系统，制冷量平均差值为1.58%，最大差值为4.07%。

图3为各工况下R134a系统和R1234yf系统的质量流量对比。对比1～4或5～8工况，随着压缩机转速增加，制冷剂质量流量随之增大。到达高转速后，质量流量的增加量随转速增大而减小。对比所有工况下的制冷剂质量流量，采用R1234yf系统的质量流量均大于R134a系统，R1234yf系统平均比R134a系统高19.46%，最大差值为24.72%。这是因为R1234yf的气相密度高，在相同的压缩机排量和转速下，R1234yf的的质量流量会更高。综合图2和图3可看出在同一工况下，R1234yf系统的制冷量略低于R134a系统，而质量流量高于R134a系统，即R1234yf系统的单位质量制冷量低于R134a系统。这是由于两种制冷剂的物性差别导致的。R1234yf比R134a的气化潜热较小，产生相同的制冷量，R1234yf系统需要更高的制冷剂质量流量。同时R1234yf的蒸发换热效率要低于R134a，也会导致R1234yf系统蒸发器侧的制冷量减小。

图2 各制冷工况下制冷量对比

2.2 COP分析

图4为各制冷工况下R134a系统和R1234yf系统COP。随着压缩机转速增大，COP逐渐减小。这是因为压缩机转速增大会导致压缩机吸、排气温差的增大，使得系统的冷凝温度和蒸发温度差值增大，从而使得系统的COP减小。同时，各工况下R1234yf系统的COP均低于R134a系统。通过对比R134a系统和R1234yf系统的COP差值，可看出在低转速下，两种制冷剂的COP差值很小，随着转速增加，COP差值逐渐增大，最大可达到7.99%。这是由于转速越高，R1234yf系统的流量比R134a系统越大导致的。在高转速下，R1234yf系统和R134a系统的制冷量相差较小，但R1234yf系统的流量比R134a系统增加较大，对应的压缩机功率也增加较大，所以导致转速越高，R1234yf系统的COP就越低于R134a系统。

图3 各制冷工况下质量流量对比

图4 各制冷工况下COP对比

2.3 排气温度对比

压缩机的排气温度会影响到整个空调系统运行的稳定性和经济性。较高的排气温度会导致压缩机润滑油温度升高，降低黏度，使得压缩机内运动金属部件如轴承、涡旋盘等磨损严重。如果排气温度过高，则会直接导致润滑油碳化，压缩机内运动部件不能得到有效润滑和冷却，会严重影响压缩机的使用寿命。同时，过高的排气温度会降低压缩机的容积效率，减少制冷剂的体积流量，使得系统制冷量降低，并且增加压缩机的功耗，导致空调系统COP降低。图5为各制冷工况下R134a系统和R1234yf系统压缩机排气温度对比。可直观看出在大部分工况下，R1234yf系统的压缩机排气温度低于R134a系统，差值在4.6～9.4℃之间，平均差值在6.7℃。这表明采用R1234yf的系统比R134a系统更有利于降低排气温度，提高了压缩机运行稳定性。

图5 各制冷工况下压缩机排气温度对比

2.4 冷凝器换热分析

冷凝器的换热效率是关系到空调系统的制冷量和COP的关键因素之一，同时较高的换热效率可显著降低压缩机的排气温度和压力，提高空调系统运行的可靠性。图6为各工况下R134a系统和R1234yf系统冷凝器换热量对比。随着压缩机转速以及冷凝器或蒸发器风量增大，系统的换热量逐渐增加。同时在大部分工况下，R1234yf系统的冷凝器换热量略高于R134a系统。结合图3中R134a和R1234yf系统质量流量对比可看出，R1234yf系统的制冷剂质量流量明显高于R134a系统。这说明对比R134a系统，R1234yf系统中较高的质量流量弥补了在冷凝过程中R1234yf相对较小的汽化潜热。同样也能看出在冷凝器中，R134a系统单位质量制冷剂的换热效果是优于R1234yf系统的。

图6 各制冷工况下冷凝器换热量对比

3 制热工况结果与分析

3.1 制热量分析

各制热工况下R134a系统和R1234yf系统制热量如图7所示。可看出R134a系统和R1234yf系统制热量相差很小，表明R1234yf在低温条件下的制热能力与R134a相当。随着压缩机转速增加，制热量均显著提高。分别对比1、3工况和2、4工况，可看出在其他条件不变的情况下，提高内部冷凝器进风温度，R134a系统和R1234yf系统制热量均会降低。这是因为单一提高内部冷凝器进风温度，会导致内部冷凝器制冷剂侧与进风侧的换热温差减小，降低换热量，使内部冷凝器制热量减小。对比工况2和5，外部换热器和内部冷凝器的进风温度差值均为0，工况5在-10℃的环境温度下，即使外部换热器的风量从工况2的1.5m/s提高到4.5m/s，与工况2相比，R1234yf系统和R134a系统制热量分别降低了22.78%和25.19%，R134a系统的制热量衰减要更严重些。这是由于外部换热器进风温度降低，导致压缩机进口的制冷剂温度也随之降低，进气比容增大，对于定排量压缩机转速不变时，整个系统的制冷剂质量流量也随之减小。虽然在低温低压条件下，制冷剂的蒸发潜热增大，但不足以抵消质量流量降低对系统制热量的影响，所以其制热量衰减严重。

图7 各制热工况下制热量对比

3.2 制热COP分析

各制热工况下R134a系统和R1234yf系统COP对比如图8所示。相同工况下，R134a系统的制热COP均高于R1234yf系统。从图7可知，两种制冷剂系统的制热量相差很小，R1234yf系统制热COP低的原因主要是其压缩机功率高。图9为各制热工况下两种制冷剂系统的压缩机功率和质量流量。可看出R1234yf系统的质量流量均高于R134a，平均差值在21.5%。较高质量流量导致压缩机功率增大，所以R1234yf系统的COP要低于R134a系统。对比工况2和5，工况5在更低的环境温度下，虽然制热量低于工况2，但由于在低温下压缩机进气口处制冷剂较高的比容，使得系统体积流量降低，导致压缩机功耗显著降低，所以工况5的COP要高于工况2。

图8 各制热工况下COP对比

图9 各制热工况下压缩机功率和流量对比

3.3 制热排气温度分析

制热工况下R134a系统和R1234yf系统压缩机排气温度对比如图10所示。在转速较低时，排气温度相差不大，随着转速升高，R134a系统的排气温度要显著高于R1234yf系统。这是因为在较高的冷凝温度下，R134a 的饱和压力高于R1234yf，而在较低的蒸发温度下，R134a的饱和压力低于R1234yf，所以R134a系统的吸排气压比高于R1234yf系统。同时R1234yf的绝热系数低于R134a，综合以上原因导致R134a系统的排气温度要高于R1234yf系统。

图10 各制热工况下压缩机排气温度对比

4 结论

本文将R1234yf直接替换应用到R134a新能源热泵空调系统实验台架中，对比研究了R1234yf系统和R134a系统在不同制冷和热泵工况下的性能差异。得出如下结论。

1） 制冷工况下，R1234yf系统的制冷量和COP均低于R134a系统，随着转速提高，COP的差距逐渐增大。对比冷凝器中换热量和蒸发器中制冷量，R1234yf系统较高的质量流量弥补了其较低的汽化潜热。

2） 制热工况下，R1234yf系统的制热量与R134a系统相当，COP低于R134a系统，质量流量和压缩机功耗大是COP较低的直接原因。在低温工况下，由于吸气比容增大，质量流量降低，两系统的制热量衰减均比较严重。

3） 在制冷和制热工况下，R1234yf排气温度均低于R134a系统，有利于系统的稳定运行。