陳小磚，孟雪峰，王 攀，張蓓樂，劉秀芳

（1.河南理工大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，河南焦作 454000；2.西安交通大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，西安 710049）

0 引言

在當(dāng)今能源和環(huán)境雙重問題的推動下，電動汽車成為汽車工業(yè)發(fā)展的主要方向［1］?？照{(diào)系統(tǒng)作為電動汽車主要部件之一，其性能不僅決定著駕駛過程的舒適性，還對續(xù)航里程有顯著影響［2］，因此開發(fā)高效節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)對電動汽車的發(fā)展意義重大。然而隨著全球變暖問題的日益嚴(yán)峻和環(huán)保要求的日益嚴(yán)苛，減少高GWP 制冷劑的使用已成必然趨勢［3-5］。目前電動汽車空調(diào)大多采用R134a 制冷劑，由于其GWP 值過高而面臨淘汰［6］。在主流的替代制冷劑中，R1234yf 不僅熱物理性質(zhì)與R134a 十分相似，而且GWP 僅為4，被看作是汽車空調(diào)系統(tǒng)較有前景的替代制冷劑之一［7］。

電子膨脹閥（EXV）具有靈敏度高、控制穩(wěn)定和適應(yīng)工況范圍廣等優(yōu)點(diǎn)［8-9］，被廣泛應(yīng)用于蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)中［10-11］。樊超超等［12］研究了不同壓縮機(jī)頻率下電子膨脹閥開度對家用空調(diào)制冷性能的影響，發(fā)現(xiàn)各個壓縮機(jī)頻率下都存在一個最佳閥開度，使制冷量和性能系數(shù)COP 同時(shí)達(dá)到最大值。KNABBEN 等［13］試驗(yàn)研究了電子膨脹閥在家用冰箱中的適用性，發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度或壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速改變時(shí)，可通過調(diào)節(jié)電子膨脹閥開度來降低能耗。華若秋等［14］試驗(yàn)分析了EXV 開度對電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的影響，結(jié)果表明COP隨EXV 開度的增大而先增后減，存在一個峰值。WANG 等［15］針對CO2熱泵系統(tǒng)，提出調(diào)節(jié)EXV 開度需要綜合考慮排氣溫度和吸氣過熱度。

對于R1234yf在電動汽車空調(diào)系統(tǒng)上的應(yīng)用，ZOU 等［16］搭建了一套電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)，研究了EXV 開度和環(huán)境溫度對R1234yf 和R134a 系統(tǒng)冬季制熱性能的影響，結(jié)果表明增大EXV 開度有利于提高制熱性能，R1234yf 和R134a 系統(tǒng)的制熱量和COP 相差約10%。ZILIO 等［17］對R1234yf汽車空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果顯示R1234yf系統(tǒng)的COP 和制冷量分別比R134a 系統(tǒng)低1%和2%，指出通過調(diào)節(jié)熱力膨脹閥和優(yōu)化壓縮機(jī)控制閥，R1234yf 系統(tǒng)制冷量和COP 可將接近R134a系統(tǒng)。李萬勇等［18］對比分析R1234yf 和R134a 電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)在-20～7 ℃環(huán)境下的制熱性能，結(jié)果表明R1234yf 系統(tǒng)排氣溫度更低，但制熱量和COP 分別比R134a 系統(tǒng)降低7.1%和6.6%。LI 等對R1234yf 熱泵系統(tǒng)在寒冷環(huán)境下進(jìn)行了試驗(yàn)測試［19］。

目前已有對汽車空調(diào)系統(tǒng)中電子膨脹閥調(diào)節(jié)特性的研究，但對于R1234yf 電動汽車空調(diào)中電子膨脹閥調(diào)節(jié)特性的研究較少。本文基于電動汽車空調(diào)系統(tǒng)，通過試驗(yàn)研究了環(huán)境溫度對R1234yf系統(tǒng)性能的影響，并對比了不同電子膨脹閥開度和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下R1234yf 和R134a 系統(tǒng)的制冷性能。

1 試驗(yàn)裝置和測試方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本文設(shè)計(jì)的電動汽車空調(diào)系統(tǒng)由壓縮機(jī)、室外換熱器總成、板式換熱器、電子膨脹閥、HVAC 總成、干燥儲液器、電磁截止閥等部件構(gòu)成，各個部件之間采用對應(yīng)尺寸的兩端壓接鋁接頭的汽車空調(diào)膠管連接，其中電子膨脹閥選用MEV-X01004 型車用電子膨脹閥，該電子膨脹閥由4 相8 拍永磁型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，工作電壓為DC12V±10%，開閥脈沖為32±20 P，全開脈沖為500 P，閥口公稱直徑為3.2 mm。其他部件的具體參數(shù)見表1。

表1 主要系統(tǒng)部件參數(shù)Tab.1 Parameters of main system components

試驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖1 所示，通過控制電磁截止閥的工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)電動汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷模式與制熱模式的切換。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)原理Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

制冷模式下，壓縮機(jī)壓縮后的制冷劑氣體，經(jīng)過電磁截止閥C1流入室外換熱器，通過與環(huán)境換熱冷凝為液態(tài)制冷劑，經(jīng)EXV1節(jié)流后變成低溫制冷劑，接著流入蒸發(fā)器，吸熱蒸發(fā)為低溫低壓氣態(tài)制冷劑，最后經(jīng)氣液分離器回到壓縮機(jī)，完成制冷循環(huán)。制熱模式下，制冷劑經(jīng)過截止閥H1流入板式換熱器，與乙二醇水溶液換熱后的制冷劑經(jīng)EXV2節(jié)流后流入室外換熱器，從低溫環(huán)境吸熱后回到壓縮機(jī)。二次回路循環(huán)中乙二醇水溶液與制冷劑換熱后，經(jīng)電子水泵輸送到HVAC 總成內(nèi)暖風(fēng)芯體，向車艙內(nèi)供熱。

本試驗(yàn)臺通過T 型熱電偶和壓力傳感器對主要節(jié)點(diǎn)的制冷劑溫度、壓力進(jìn)行測量，采用質(zhì)量流量計(jì)測量冷凝器出口制冷劑的質(zhì)量流量，主要測量參數(shù)精度見表2。

表2 主要參數(shù)測量精度Tab.2 Measuring accuracy of main parameters

1.2 測試方法

本試驗(yàn)在焓差室內(nèi)進(jìn)行測試，焓差室主要由室內(nèi)側(cè)測試室、室外側(cè)測試室和控制室組成，焓差室原理如圖2 所示。

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

焓差室的室內(nèi)側(cè)環(huán)境干球溫度控制范圍為10～50 ℃，室外側(cè)環(huán)境干球溫度控制范圍為-10～55 ℃，相對濕度控制范圍為35%～85%，控制精度為±0.1 ℃。

系統(tǒng)的制冷量根據(jù)空氣焓差法計(jì)算：

式中，qm1為室內(nèi)側(cè)空氣質(zhì)量流量，kg/s；ha1為室內(nèi)側(cè)入口焓值，kJ/kg；ha2為室內(nèi)側(cè)出口焓值，kJ/kg；Vn'為測點(diǎn)處濕空氣比容，m3/kg；Wn為測點(diǎn)處空氣含濕量，kg/kg；Q0為風(fēng)量裝置泄漏熱量，kJ。

本試驗(yàn)測試工況見表3，通過充注量試驗(yàn)確定R1234yf 和R134a 制冷時(shí)的最優(yōu)充注量分別為1 040，1 100 g，R1234yf 制熱時(shí)的最優(yōu)充注量為600 g，所有試驗(yàn)均基于最優(yōu)充注量。

表3 測試工況Tab.3 Test conditions

1.3 誤差分析

試驗(yàn)誤差又稱為試驗(yàn)臺的不確定度，是指由于測量儀器自身誤差的存在，導(dǎo)致對被測量值不能肯定的程度，即表明測試結(jié)果的可信賴程度。測量數(shù)據(jù)即為儀器直接讀取的數(shù)據(jù)，其相對誤差ε可用儀器的絕對誤差Δx 與真值x0的比值表示。對于間接測量數(shù)據(jù)誤差，當(dāng)測量值之間相互獨(dú)立時(shí)，有：

計(jì)算結(jié)果表明，制冷量最大誤差為2%，COP最大誤差為2.06%。最大誤差均小于5%，因此試驗(yàn)誤差符合相關(guān)要求，保證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性與可靠性。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同環(huán)境溫度下R1234yf 系統(tǒng)的性能

為分析環(huán)境溫度對R1234yf系統(tǒng)性能的影響，對制冷模式3 000 r/min 下的壓縮機(jī)排氣溫度、功耗、制冷量和COP，以及制熱模式2 500 r/min 下的壓縮機(jī)排氣溫度、功耗、制熱量和COP 進(jìn)行對比。圖3 示出R1234yf 系統(tǒng)制冷模式和制熱模式下的功耗和排氣溫度隨環(huán)境溫度的變化趨勢。可以看出，隨著環(huán)境溫度的升高，R1234yf 系統(tǒng)在制冷模式和制熱模式下的功耗均逐漸升高，制冷模式下的排氣溫度逐漸升高，而制熱模式下的排氣溫度逐漸降低。制冷模式下環(huán)境溫度從27 ℃升至43 ℃，R1234yf系統(tǒng)的功耗由1 042 W增至1 423 W，增大36.6%，排氣溫度從63.4 ℃升至81.4 ℃，升高18.0 ℃；制熱模式下環(huán)境溫度從0 ℃升至12 ℃，R1234yf 系統(tǒng)的功耗從973 W 增至1 354 W，增大39.2%，排氣溫度由76 ℃降至53.5 ℃，降低22.5 ℃。

圖3 不同環(huán)境溫度下功耗、排氣溫度對比Fig.3 Comparison of power consumption and discharge temperatures under different ambient temperatures

圖4 示出R1234yf 系統(tǒng)制冷模式和制熱模式下的制冷（熱）量以及COP 隨環(huán)境溫度的變化趨勢。從圖可以看出，隨著環(huán)境溫度的升高，R1234yf 系統(tǒng)制冷模式下的制冷量和COP 逐漸降低，環(huán)境溫度從27 ℃升至43 ℃，R1234yf 系統(tǒng)的制冷量由3 005.2 W 降至2 639.4 W，降低13.9%，COP 從2.88 降至1.85，降低55.7%；而R1234yf 系統(tǒng)制熱模式下的制熱量和COP 隨著環(huán)境溫度的升高而逐漸增大，環(huán)境溫度從0 ℃升至12 ℃，R1234yf 系統(tǒng)的制熱量從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%。

圖4 不同環(huán)境溫度下制冷（熱）量、COP 對比Fig.4 Comparison of cooling（heating） capacity and COP under different ambient temperatures

2.2 不同電子膨脹閥開度下R1234yf 和R134a 系統(tǒng)制冷性能對比

為了保證壓縮機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行，要求壓縮機(jī)吸氣口制冷劑帶有一定過熱度，防止發(fā)生液擊現(xiàn)象。圖5 示出了不同轉(zhuǎn)速下R1234yf 系統(tǒng)和R134a 系統(tǒng)的壓縮機(jī)吸氣過熱度隨電子膨脹閥開度的變化趨勢。

從圖中可見，隨著電子膨脹閥開度的增加，壓縮機(jī)吸氣過熱度先降低后趨于穩(wěn)定。這是由于：膨脹閥開度較小時(shí)，系統(tǒng)制冷劑質(zhì)量流量隨著開度的增加而增大，蒸發(fā)壓力和溫度升高，造成蒸發(fā)器出口制冷劑過熱度降低，導(dǎo)致壓縮機(jī)吸氣口過熱度降低；開度較大時(shí)，由于壓縮機(jī)吸氣能力有限，質(zhì)量流量和蒸發(fā)壓力開始趨于穩(wěn)定，故吸氣過熱度逐漸穩(wěn)定。由圖可知，相同開度下隨著轉(zhuǎn)速的提高，吸氣過熱度逐漸升高。此外，相同工況下與R134a 系統(tǒng)相比，由于R1234yf 系統(tǒng)的吸氣壓力更高，但吸氣溫度更低，所以R1234yf 系統(tǒng)的吸氣過熱度低于R134a 系統(tǒng)。

圖6，7 分別示出了不同轉(zhuǎn)速下制冷量、COP隨電子膨脹閥開度的變化趨勢。從圖中可知，R1234yf 系統(tǒng)和R134a 系統(tǒng)的制冷量和COP 均呈先增后減的變化趨勢。當(dāng)開度較小時(shí)，隨著開度的增加，質(zhì)量流量增大使得蒸發(fā)器內(nèi)有效換熱面積逐漸得到充分利用，制冷量增大；開度較大時(shí)，開度增加，但制冷劑質(zhì)量流量增長幅度較小，此時(shí)制冷量主要受蒸發(fā)器換熱溫差降低的影響，故制冷量在峰值出現(xiàn)后開始減小。COP 是評價(jià)系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)之一，其值的大小可以反應(yīng)系統(tǒng)的能效。由于壓縮機(jī)功耗受質(zhì)量流量和壓比變化的影響呈先增后減的變化趨勢，而且制冷量變化速率始終大于功耗的變化速率，所以COP 的變化趨勢與制冷量的變化趨勢基本一致。從圖中分析可知，制冷量和COP 在相同開度下達(dá)到最大值。因此，通過調(diào)節(jié)電子膨脹閥開度可以使系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)。

圖6 制冷量隨電子膨脹閥開度的變化Fig.6 Variation of cooling capacity with EXV opening

圖7 COP 隨電子膨脹閥開度的變化Fig.7 Variation of COP with EXV opening

空調(diào)出風(fēng)溫度可以反映系統(tǒng)的制冷能力，圖8 示出不同轉(zhuǎn)速下R1234yf 系統(tǒng)、R134a 系統(tǒng)出風(fēng)溫度隨電子膨脹閥開度的變化趨勢。如圖所示，隨著電子膨脹閥開度的增加，出風(fēng)溫度先降低后升高，與制冷量的變化趨勢相對應(yīng)。R1234yf 系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速為2 000，3 000，4 000，5 000 r/min 時(shí)，出風(fēng)溫度最低分別為14.28，12.36，11.57，10.71 ℃，而R134a 系統(tǒng)的最低出風(fēng)溫度分別為13.79，11.87，10.88，10.49 ℃。另外，從圖可知，隨著轉(zhuǎn)速的提高，系統(tǒng)的出風(fēng)溫度逐漸降低。當(dāng)轉(zhuǎn)速由2 000 r/min增至5 000 r/min 時(shí)，R1234yf 系統(tǒng)和R134a 系統(tǒng)對應(yīng)的最低出風(fēng)溫度分別降低25%和23.9%，而且相較于R1234yf 系統(tǒng)，R134a 系統(tǒng)出風(fēng)溫度更低。綜合考慮系統(tǒng)制冷量、COP 和出風(fēng)溫度，發(fā)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速下均可通過調(diào)節(jié)電子膨脹閥開度使系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)，而且最佳開度隨轉(zhuǎn)速的升高而增大。

圖8 出風(fēng)溫度隨電子膨脹閥開度的變化Fig.8 Variation of outlet air temperature with EXV opening

2.3 不同轉(zhuǎn)速下R1234yf 和R134a 循環(huán)特性對比

為了更直觀地分析R1234yf 和R134a 之間循環(huán)特性差異，選取各轉(zhuǎn)速下最佳開度對應(yīng)的排氣溫度、質(zhì)量流量、制冷量和COP 進(jìn)行對比。圖9 示出不同轉(zhuǎn)速下R1234yf 系統(tǒng)、R134a 系統(tǒng)在最佳開度下排氣溫度的變化趨勢。從圖可看出，隨著轉(zhuǎn)速的提高，排氣溫度逐漸升高。轉(zhuǎn)速由2 000 r/min增至5 000 r/min，R1234yf 系統(tǒng)和R134a 系統(tǒng)的排氣溫度分別升高48.1 ℃和41.0 ℃。此外，在轉(zhuǎn)速為2 000 r/min 和5 000 r/min 時(shí)，相較于R134a 系統(tǒng)，R1234yf 系統(tǒng)的排氣溫度分別降低19.1%和3.1%，且隨著轉(zhuǎn)速的提高，降幅逐漸減小。

圖9 不同轉(zhuǎn)速下排氣溫度對比Fig.9 Comparison of discharge temperatures under different compressor speeds

圖10（a）示出R1234yf 和R134a 的飽和氣體密度隨溫度的變化情況，不同溫度下R134a 的飽和氣體密度始終小于R1234yf，由于壓縮機(jī)吸氣口制冷劑為氣態(tài)，故相同轉(zhuǎn)速下R1234yf 系統(tǒng)對應(yīng)的理論循環(huán)質(zhì)量流量大于R134a 系統(tǒng)。圖10（b）示出不同轉(zhuǎn)速下R1234yf 系統(tǒng)和R134a 系統(tǒng)質(zhì)量流量的變化趨勢，隨著轉(zhuǎn)速的升高，壓縮機(jī)輸氣量增加，質(zhì)量流量也隨之增大。轉(zhuǎn)速由2 000 r/min升至5 000 r/min，R1234yf 系統(tǒng)和R134a 系統(tǒng)的質(zhì)量流量分別增大23.3%和32.3%；相較于R134a 系統(tǒng)，R1234yf 系統(tǒng)的質(zhì)量流量平均增加16.65 kg/h。

圖10 不同轉(zhuǎn)速下質(zhì)量流量對比Fig.10 Comparison of mass flow under different compressor speeds

圖11 示出R1234yf 系統(tǒng)和R134a 系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下最佳開度所對應(yīng)的制冷量和COP，可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的提高，制冷量逐漸增大，但COP 逐漸降低。由于轉(zhuǎn)速升高，質(zhì)量流量增加導(dǎo)致制冷量增大，但壓縮機(jī)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 逐漸降低。轉(zhuǎn)速由2 000 r/min 升至5 000 r/min，R1234yf 系統(tǒng)和R134a 系統(tǒng)的制冷量分別增大45.8%和43.9%，COP 分別降低54.0%和45.6%，而且隨著轉(zhuǎn)速的提高，制冷量增加和COP 降幅逐漸減小。此外，與R134a 系統(tǒng)相比，R1234yf 系統(tǒng)的制冷量平均降低4.5%，COP 平均降低14.9%。

圖11 不同轉(zhuǎn)速下制冷量、COP 對比Fig.11 Comparison of cooling capacity and COP under different compressor speeds

3 結(jié)論

（1）制冷模式下，當(dāng)環(huán)境溫度從27 ℃升至43 ℃時(shí)，R1234yf 系統(tǒng)的排氣溫度升高18.0 ℃，功耗增大36.6%，制冷量降低13.9%，COP 降低55.7%；而制熱模式下，當(dāng)環(huán)境溫度從0 ℃升至12 ℃時(shí)，R1234yf 系統(tǒng)的排氣溫度降低22.5 ℃，功耗增大39.2%，制熱量增大48.1%，COP 增大6.5%。

（2）隨著電子膨脹閥開度的增加，壓縮機(jī)吸氣過熱度逐漸降低，制冷量和COP 均先增后減，而出風(fēng)溫度先降低后升高。不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下制冷系統(tǒng)均存在一個最佳開度，此時(shí)系統(tǒng)的制冷量、COP 達(dá)到最大值，而出風(fēng)溫度達(dá)到最小值，因此通過調(diào)節(jié)電子膨脹閥開度可使系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)。

（3）隨著轉(zhuǎn)速的提高，系統(tǒng)質(zhì)量流量和制冷量增大，可以獲得更低的出風(fēng)溫度，但壓縮機(jī)排氣溫度升高，COP 降低。當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速從2 000 r/min升至5 000 r/min 時(shí)，R1234yf 系統(tǒng)和R134a 系統(tǒng)的排氣溫度分別升高48.1 ℃和41.0 ℃，制冷量分別增加45.8%和43.9%，COP 分別降低54.0%和45.6%。

（4）R1234yf 在電動汽車空調(diào)系統(tǒng)中直接充注替代R134a，排氣溫度降低，制冷劑質(zhì)量流量增加，系統(tǒng)工作運(yùn)行更加穩(wěn)定。與R134a 系統(tǒng)相比，R1234yf 系統(tǒng)的制冷量平均減小4.5%，COP 平均降低14.9%。但是通過對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，R1234yf能夠達(dá)到與R134a 相當(dāng)?shù)男阅堋?/p>