高浩 戚文端 張浩

廣東美的制冷設(shè)備有限公司 廣東佛山 528311

0 引言

日漸增長的重卡數(shù)量以及駕駛員對舒適要求的提升，使得使用汽車電池供電的駐車空調(diào)器的市場需求也愈發(fā)提升。目前市場上主要銷售的駐車空調(diào)器產(chǎn)品主要分為整體式與分體式兩種形式，大部分均使用R134a作為循環(huán)制冷劑。由于安裝條件的限制，需控制駐車空調(diào)器尺寸在較小范圍，R134a的熱力學(xué)性能相對較差，故在有限換熱器面積下，制冷量及能效較難滿足市場需求，同時電池的續(xù)航時間也難以保證。文獻[1]提出電動駐車空調(diào)有廣泛前景，但現(xiàn)狀為噪聲大，制冷效果差；文獻[2-4]對駐車空調(diào)器使用時的太陽熱輻射進行測量與實驗，建議將太陽熱輻射考慮進入溫降指標(biāo)中，且對駐車空調(diào)采用半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)、跨臨界CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)進行相關(guān)設(shè)計計算；文獻[5]對汽車空調(diào)的制冷劑替代做了相應(yīng)綜述及展望；文獻[6]對列車空調(diào)采用R32制冷劑替代R22制冷劑進行性能對比，R32汽化潛熱更大，制冷系統(tǒng)在相同換熱器配置下，R32系統(tǒng)制冷量提升51.3%，文獻[7]在電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)中對比了R410A制冷劑與R134a制冷劑的低溫制熱能力與能效，R410A有更低的沸點，相對于R134a，更適合應(yīng)用于低溫工況。

本文將從制冷劑熱力學(xué)性能出發(fā)，在某款已上市分體駐車空調(diào)器基礎(chǔ)上，采用仿真分析及焓差實驗測試，對比常用的R134a、R410A、R32三種循環(huán)制冷劑的性能差異，為駐車空調(diào)器產(chǎn)品性能提升提供參考。

1 理論分析

表1為制冷劑基本性能對比表。通過表1可以看出，三種制冷劑的ODP值均為0，GWP值R410A＞R134a＞R32，R32變暖潛力值最小。相對于其余兩種制冷劑，R134a的臨界壓力較低，對制冷系統(tǒng)部件的耐壓性需求相對較低。

表1 制冷劑基本性能對比

表2為三種制冷劑在40℃時的熱力學(xué)物性對比，可以看出，定壓比熱容及定容比熱容R32＞R410A＞R134a，同時壓力R32＞R410A＞R134a，相對于R134a，R32及R410A的熱物理特性更優(yōu)，但工作壓力較高，需要系統(tǒng)有更好的耐壓性。

表2 制冷劑在40℃時熱物性對比

由于制冷系統(tǒng)能力能效受節(jié)流部件及制冷劑量匹配影響較大，從而造成理論計算結(jié)果同實際偏差較大，為探究不同制冷劑的綜合性能表現(xiàn)，故采用換熱器計算軟件[8]進行室外換熱計算，挑取系統(tǒng)的最大換熱能力為代表進行仿真分析對比，圖1為駐車分體空調(diào)器上采用的室外換熱器數(shù)值模型圖，類型為銅管翅片換熱器，室外換熱風(fēng)量為1800 m3/h，進風(fēng)溫度35℃，分別計算相同條件下三種制冷劑的換熱性能，如表3所示。額定制冷工況下空調(diào)器室內(nèi)輸出制冷量為2.0 kW，與室內(nèi)外電機、壓縮機電機發(fā)熱量及系統(tǒng)存在的漏熱之和為室外側(cè)換熱的總換熱量，室外側(cè)管翅式換熱器總換熱量R32＞R410A＞R134a。

圖1 室外換熱器數(shù)值分析建模運算圖

表3 數(shù)值仿真結(jié)果對比

2 實驗驗證

為驗證R134a、R410A、R32三種制冷劑在駐車分體空調(diào)器上的性能表現(xiàn)，在某量產(chǎn)額定制冷量為2.0 kW的分體式單冷駐車空調(diào)器上，分別充注合適重量的三種制冷劑，并將制冷系統(tǒng)調(diào)試至最優(yōu)。搭載三種不同類型制冷劑的壓縮機，排量均為10.3 cm3/rev，R134a制冷劑系統(tǒng)運行頻率為90 Hz，R32及R410A制冷劑系統(tǒng)運行頻率為50 Hz，在焓差實驗室進行實驗測試，實驗室示意圖如圖2所示。包括壓力、溫濕度及流量測量裝置，溫度傳感器采用日本千野的Pt-100鉑電阻四線，精度A級；濕度傳感器采用芬蘭維薩拉的HMT120，精度為±1.7%RH以上；微差壓變送器采用EJA120A，測量范圍-50～450 Pa；并在室內(nèi)外側(cè)設(shè)置冷媒檢測報警裝置。對比分析實驗各典型測試工況如表4所示。

圖2 焓差實驗室示意圖

表4 能力能效對比測試工況

通過圖3可以看出，在四個制冷工況下，充注R32制冷劑的空調(diào)器制冷能力均最高，R410A次之，R134a最低，這是因為R32制冷劑在中溫區(qū)的汽化潛熱比R410A及R134a高，故在相同的換熱器面積下及制冷劑流量下，輸出最高的制冷能力。在工況1時，相對R134a，R410A能力上升31.2%，R32能力上升33.3%；在工況2時，相對R134a，R410A能力上升24.1%，R32能力上升33.5%；在工況3時，相對R134a，R410A能力上升24.9%，R32能力上升31.5%；在工況4時，相對R134a，R410A能力上升17.8%，R32能力上升25.5%，隨著室外工況溫度上升，冷凝溫度上升，兩相段焓差變小，過冷度下降，蒸發(fā)溫度上升，能力大幅下降，能力差距變小。R32及R410A相對較好的熱物性帶來的制冷能力提升，可在保證一定制冷能力的同時更有利于駐車空調(diào)器的室內(nèi)外兩器及外形尺寸小型化。

圖3 不同制冷劑在室外側(cè)各工況下制冷量對比

能效方面，如圖4所示，在工況1時，相對R134a，R410A能效上升36.6%；在工況2時，相對R134a，R410A能效上升23.5%；在工況3時，相對R134a，R410A能效上升15.1%；在工況4時，相對R134a，R410A能效上升6.7%，R32與R410A能效基本相當(dāng)。由于室外環(huán)境溫度升高，系統(tǒng)室內(nèi)外壓力差增大，功率上升明顯，隨著制冷能力下降，能效不斷降低，室外環(huán)境溫度越高，不同制冷劑的能效差距變小。在駐車空調(diào)器應(yīng)用場景中，更高的能效更有利于電池的續(xù)航時長。

圖4 不同制冷劑在室外側(cè)各工況下能效對比

為探究不同制冷劑應(yīng)用到駐車空調(diào)系統(tǒng)后，系統(tǒng)的兩器、連接管、閥體件的耐壓需要提升的幅度及具體數(shù)值，對制冷系統(tǒng)在各工況的吸、排氣壓力進行測試統(tǒng)計，如圖5及圖6所示，可以看出，隨著室外工況溫度的升高，壓縮機排氣管溫及冷凝溫度上升，對應(yīng)排氣壓力也隨之上升；而在室內(nèi)工況溫度不變時，蒸發(fā)溫度變化較小，故吸氣壓力在工況1、2、3微弱上升。R134a系統(tǒng)吸排氣壓力較其余兩種制冷劑系統(tǒng)低，在高溫工況4時，R32制冷劑系統(tǒng)排氣壓力為3.804 MPa，R410A制冷劑系統(tǒng)壓力為3.797 MPa，而R134a系統(tǒng)為1.879 MPa，相對于R134a，R32及R410A排氣壓力上升1.925 MPa、1.918 MPa，故駐車空調(diào)器在采用后兩者制冷劑作為工質(zhì)時，需增加系統(tǒng)各部件如橡膠軟管、閥件、平行流換熱器等的耐壓性，同時橡膠軟管的材質(zhì)也需要根據(jù)不同制冷劑及潤滑油的物理和化學(xué)特性進行針對性的匹配。

圖5 不同制冷劑在室外側(cè)各工況下排氣壓力對比

圖6 不同制冷劑在室外側(cè)各工況下吸氣壓力對比

3 結(jié)論

通過對比R134a、R410A、R32三種常用制冷劑的熱物性及焓差室能力測試結(jié)果可知，在各制冷工況，相對于目前駐車空調(diào)器常用的R134a制冷劑，R32及R410A制冷劑系統(tǒng)能力及能效上升明顯，在各工況下，R410A制冷劑能力上升17.8%～31.2%，能效上升6.7%～36.6%；R32制冷劑能力上升25.5%～33.3%，其有利于提升駐車空調(diào)器的熱舒適性，同時有利于其換熱器及整機尺寸小型化，更適合此安裝環(huán)境。值得注意的是兩種制冷劑相對于R134a系統(tǒng)運行壓力上升較多，R410A制冷劑系統(tǒng)最高壓力3.797 MPa，R32制冷劑最高壓力達3.804 MPa，而R134a系統(tǒng)為1.879 MPa，在進行制冷系統(tǒng)設(shè)計時，需提升系統(tǒng)各部件的耐壓性，同時R410A為混合制冷劑，泄漏后制冷能力有較大衰減，需要在安裝時進行規(guī)范保壓操作檢測并防止泄漏；R32制冷劑為可燃制冷劑，需進行對應(yīng)的安全防護設(shè)計。值得注意的是，R32 制冷劑最新修訂后的GWP值為771，R410A制冷劑的GWP值為2100，均有著較高的變暖潛力，隨著雙碳戰(zhàn)略提出，后續(xù)需要尋找更加環(huán)保的制冷劑進行駐車空調(diào)系統(tǒng)替代，如天然工質(zhì)R290、CO2等。