基于氨工質的新型電動汽車空調系統(tǒng)性能研究

胡 楊 李夔寧 劉 彬 譚文林

（重慶大學動力工程學院 重慶 400044）

0 引言

1997年12月，《京都議定書》在日本京都通過，根據(jù)《議定書》規(guī)定，在2008年至2012年間，發(fā)達國家溫室氣體排放量必須在1990年基礎上降低5.2%。在《議定書》中，R134a制冷劑被劃分到會造成溫室效應的物質范疇中。2006年歐盟通過了《汽車空調系統(tǒng)指令》，《指令》規(guī)定，從2011年開始，在歐洲銷售的所有新款車輛都必須使用GWP值（全球變暖潛能值）低于150的制冷劑，而到2017年，在歐洲銷售的所有汽車都必須使用低GWP值的制冷劑。因此，汽車空調制冷劑的更新?lián)Q代已迫在眉睫。

針對汽車空調制冷劑新一輪的更新?lián)Q代，世界范圍內進行了廣泛的研究和討論。但到目前為止還沒有一種理想的環(huán)保節(jié)能制冷劑用于替代R134a制冷劑。當前國內外制冷劑科研工作者主要對CO2[1]、R152a 制冷劑[2]、R1234yf制冷劑[3]等進行了研究和探討。但這幾種制冷劑也各有缺點，并不是R134a制冷劑的理想替代工質，尋找理想替代工質的研究工作還任重道遠。

針對當前汽車空調制冷劑的研究現(xiàn)狀，本文提出將氨這種天然制冷劑應用到電動汽車空調上，作為R134a的替代制冷劑。選擇應用到電動汽車空調上，主要是考慮電動汽車本身沒有燃油系統(tǒng)，使用氨制冷劑時更加安全可靠?；诖耍疚难芯吭O計了氨工質電動汽車空調系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進行了性能研究。

1 氨與其他幾種低GWP值制冷劑的性能比較

1.1 物理性質的比較

制冷劑是汽車空調系統(tǒng)的工作介質，其性能的好壞直接關系著整個汽車空調系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保的優(yōu)劣程度。新一輪汽車空調制冷劑的替代工作已迫在眉睫，但采用何種制冷劑來替代R134a制冷劑卻懸而未決。顯然，選擇下一輪制冷劑的首要條件是環(huán)境友好，即不會產生臭氧空洞和溫室效應等環(huán)境問題，要求ODP=0，GWP<150。但ODP、GWP并不是唯一的衡量指標，一種理想的制冷劑還需要具備優(yōu)越的熱物理性質，可靠的安全性，合適的材料相容性以及良好的經濟性。本文將氨、CO2、R1234yf、R152a與R134a制冷劑進行了綜合比較，歸納如表1所示。

表1 氨與幾種低GWP值制冷劑的物理性質比較Table 1 Comparison of physical properties of ammonia with several low GWP refrigerants

從上表可以看出，上述低GWP值制冷劑各有自身缺點。

在綜合比較了幾種低GWP值制冷劑物理性質后發(fā)現(xiàn)：氨制冷劑雖有一定的刺激性、毒性和弱可燃性，但經二次回路設計后，氨比R1234yf制冷劑更加安全可靠；相對于R152a，氨的GWP值更低，環(huán)保性能更好；相對于CO2，其運行壓力較低，對制造工藝和材質的要求不高，且其能效特性優(yōu)于CO2，是一種節(jié)能制冷劑。因此氨制冷劑可以成為汽車空調的替代制冷劑。

1.2 理論循環(huán)的比較

為了對幾種低GWP值制冷劑理論循環(huán)進行比較，需要將這幾種制冷劑的運行工況設定在同一情況下。這里選取的汽車空調運行工況如下[4]：蒸發(fā)溫度0℃，過熱溫度5℃，冷凝溫度50℃，過冷溫度5℃。但需要注意的是，CO2用于汽車空調一般為跨臨界循環(huán)，在氣體冷卻器中處于超臨界，換熱過程為變溫過程，沒有固定的冷凝溫度。參考Lorentzen[5]的研究，對于CO2的理論循環(huán)，這里設定壓縮機排氣壓力為100bar，氣體冷卻器出口溫度為40℃。在上述汽車空調工況下，可以得到幾種低GWP值制冷劑在理論循環(huán)下的性能。制冷劑理論循環(huán)壓縮機排氣壓力、理論COP、單位容積制冷量的對比如圖1所示。

圖1 低GWP值制冷劑理論循環(huán)對比圖Fig.1 Comparison of the cycle of low GWP refrigerant theory

在綜合比較了幾種低GWP值制冷劑理論循環(huán)后發(fā)現(xiàn)：氨的排氣壓力適中，相對于CO2，其對制造工藝和材質的要求不是很高；氨的理論COP較高，即使采用了二次回路，綜合COP仍與R134a相當，節(jié)能性良好；氨的單位容積制冷量高，可以使用小排量的壓縮機。因此氨制冷劑可以成為R134a的替代制冷劑應用到汽車空調上。

2 氨工質電動汽車空調系統(tǒng)的研究設計

通過氨與其他幾種低GWP值制冷劑的性能比較發(fā)現(xiàn)，氨作為一種天然制冷劑，其來源廣泛、價格低廉，且其綜合性能優(yōu)于其他幾種低GWP值的制冷劑，可以成為R134a制冷劑的替代工質。但氨作為制冷劑也有其自身的缺點，那就是氨有一定刺激性、毒性和弱可燃性。因此要將氨應用于汽車空調系統(tǒng)必須設計二次回路、安全系統(tǒng)等。

本文就氨制冷劑應用于電動汽車空調系統(tǒng)進行了較為詳細的理論設計。一方面，經過嚴格的安全系統(tǒng)設計，氨制冷劑可以應用于汽車空調系統(tǒng)；另一方面，電動汽車相較于傳統(tǒng)汽車，沒有燃油系統(tǒng)，這降低了氨制冷劑燃燒的可能性。因此氨制冷劑應用于電動汽車空調系統(tǒng)有其理論和實際的可行性。圖2為本文研究設計的氨工質電動汽車空調系統(tǒng)。該汽車空調系統(tǒng)包括4個子系統(tǒng)，其中：Ⅰ為氨壓縮式制冷循環(huán)子系統(tǒng)，Ⅱ為乘員艙換熱子系統(tǒng)，Ⅲ為前端散熱子系統(tǒng)，Ⅳ為安全子系統(tǒng)。

圖2 氨工質電動汽車空調系統(tǒng)Fig.2 Ammonia refrigerant electric vehicle air conditioning system

在氨工質電動汽車空調系統(tǒng)中，氨壓縮式制冷循環(huán)子系統(tǒng)包括壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器；乘員艙換熱子系統(tǒng)包括乘員艙換熱循環(huán)泵、乘員艙換熱器；前端散熱子系統(tǒng)包括前端散熱循環(huán)泵、前端散熱器；安全子系統(tǒng)包括壓力傳感器、溫度傳感器、氨濃度檢測儀、安全閥、安全殼、沖注N2。

由于氨制冷劑有一定的刺激性、毒性和弱可燃性，因此在氨工質電動汽車空調系統(tǒng)中，必須進行可靠的安全設計，整個安全防護工作由安全子系統(tǒng)完成，其工作原理為：安全殼將整個氨壓縮式制冷循環(huán)子系統(tǒng)密封起來，只通過循環(huán)水管與乘員艙換熱子系統(tǒng)和前端散熱子系統(tǒng)相連接，也即所有流過氨制冷劑的部件被密封在安全殼內。一旦氨制冷劑發(fā)生泄漏，會被完全包裹在安全殼內，不會逃逸到外部空間對人體造成危害，保障整個系統(tǒng)的安全性。同時壓力傳感器、溫度傳感器、氨濃度檢測儀實時采集安全殼內的壓力、溫度、氨濃度。當壓力、溫度、氨濃度達到一定限值時會產生報警提示，駕駛員根據(jù)報警提示將車輛送達專門的汽修店，由專門汽修人員將安全殼內的泄漏氨排出，并對汽車空調系統(tǒng)進行檢修和加氨。安全殼內還充注有N2，目的是當氨產生泄漏且安全殼內溫度較高時，不會發(fā)生燃燒爆炸。安全閥的作用則是當安全殼內超壓時自動泄壓。

3 氨工質電動汽車空調系統(tǒng)運行參數(shù)的確定

3.1 氨壓縮式制冷循環(huán)子系統(tǒng)運行參數(shù)的確定

參照傳統(tǒng)汽車空調系統(tǒng)設計工況，結合上述運行參數(shù)對氨工質電動汽車空調系統(tǒng)的影響，確定氨壓縮式制冷循環(huán)子系統(tǒng)運行參數(shù)如表2所示。

表2 氨壓縮式制冷子系統(tǒng)運行參數(shù)Table 2 Operating parameters of ammonia compression refrigeration subsystem

根據(jù)氨壓縮式制冷循環(huán)子系統(tǒng)理論運行參數(shù)得其理論循環(huán)壓-焓圖如圖3所示。

圖3 氨壓縮式制冷循環(huán)子系統(tǒng)理論循環(huán)壓-焓圖Fig.3 Theoretical cyclic P-H diagram of ammonia compression refrigeration cycle subsystem

根據(jù)確定的運行參數(shù)計算出氨壓縮式制冷子系統(tǒng)理論循環(huán)各狀態(tài)點參數(shù)如表3所示。

表3 氨壓縮式制冷子系統(tǒng)理論循環(huán)各狀態(tài)點參數(shù)Table 3 Values of states of Theoretical cycle of ammonia compression refrigeration subsystem

由氨壓縮式制冷子系統(tǒng)理論循環(huán)各狀態(tài)點參數(shù)計算得其主要性能值如表4所示。

表4 氨壓縮式制冷子系統(tǒng)理論循環(huán)主要性能值Table 4 Theoretical performance value of ammonia compression refrigeration subsystem

3.2 乘員艙換熱子系統(tǒng)運行參數(shù)的確定

乘員艙換熱子系統(tǒng)的作用為吸收乘員艙內空氣的熱量，并將熱量傳遞給氨蒸發(fā)器。結合氨壓縮式制冷子系統(tǒng)理論循環(huán)設計工況，確定乘員艙換熱子系統(tǒng)理論循環(huán)的參數(shù)如表5所示。

表5 乘員艙換熱子系統(tǒng)理論循環(huán)參數(shù)Table 5 Parameters of passenger cabin heat transfer subsystem theoretical cycle

3.3 前端散熱子系統(tǒng)運行參數(shù)的確定

前端散熱子系統(tǒng)的作用為吸收氨冷凝器放出的熱量，并將吸收的熱量在前端散熱器中傳遞給空氣。結合氨壓縮式制冷子系統(tǒng)理論循環(huán)設計工況，確定前端散熱子系統(tǒng)理論循環(huán)的參數(shù)如表6所示。

表6 前端散熱子系統(tǒng)理論循環(huán)參數(shù)Table 6 Parameters of front end heat sink subsystemtheoretical cycle

3.4 氨工質電動汽車空調系統(tǒng)理論COP

氨工質電動汽車空調系統(tǒng)能耗包括電動壓縮機的壓縮功、乘員艙換熱循環(huán)泵功耗、前端散熱循環(huán)泵功耗。因此在計算氨工質電動汽車空調系統(tǒng)能效特性（COP）時，應該全面考慮所有功耗和制冷量。氨工質電動汽車空調系統(tǒng)COP計算式為：

式中：COP為氨工質電動汽車空調系統(tǒng)理論COP；Q為額定制冷量；W為額定制冷量下的額定壓縮功；Np為乘員艙換熱循環(huán)泵的軸功率；Nf為前端散熱循環(huán)泵的軸功率。

在氨工質電動汽車空調系統(tǒng)研究設計中，選用的乘員艙換熱循環(huán)泵性能參數(shù)如表7所示，選用的前端散熱循環(huán)泵性能參數(shù)如表8所示。

表7 乘員艙換熱循環(huán)泵性能參數(shù)Table 7 Performance parameters of heat exchanger circulating pump in passenger cabin

表8 前端散熱循環(huán)泵性能參數(shù)Table 8 Performance parameters of the front end cooling pump

經計算得氨工質電動汽車空調系統(tǒng)理論COP=4.09。氨工質電動汽車空調系統(tǒng)理論COP與其他幾種低GWP值制冷劑理論COP的對比如圖4所示。

由圖可知，氨工質電動汽車空調系統(tǒng)理論COP與R1234yf制冷劑理論COP相當，但氨制冷劑比R1234yf制冷劑便宜得多，且經二次回路設計后氨工質電動汽車空調系統(tǒng)比采用R1234yf制冷劑更加安全可靠；氨工質電動汽車空調系統(tǒng)理論COP低于R152a制冷劑理論COP，但當R152a制冷劑也設計二次回路時，兩者理論COP相當，且氨制冷劑GWP值低于R152a制冷劑，氨的環(huán)保性更好。氨工質電動汽車空調系統(tǒng)理論COP高于CO2理論COP，相對于CO2，氨的節(jié)能性更好。

圖4 氨工質電動汽車空調系統(tǒng)理論COP與其他低GWP值制冷劑理論COP的對比圖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 結論

（1）氨是一種天然制冷劑，其來源廣泛、價格低廉，其ODP為0，GWP為1，不會產生臭氧空洞和溫室效應等環(huán)境問題，是一種環(huán)保制冷劑，但氨本身有一定刺激性、毒性和可燃性，要將氨制冷劑應用到汽車空調系統(tǒng)上，必須設計二次回路，做到絕對安全可靠。

（2）氨制冷劑雖有一定的刺激性、毒性和弱可燃性，但經二次回路設計后，氨比R1234yf制冷劑更加安全可靠；相對于R152a，氨的GWP值更低，環(huán)保性更好；相對于CO2，其運行壓力較低，對制造工藝和材質的要求不高，且其COP高于CO2，是一種節(jié)能制冷劑。因此氨制冷劑綜合性能優(yōu)于其他幾種低GWP值制冷劑，可以成為R134a的替代制冷劑應用到汽車空調上。

（3）氨工質電動汽車空調系統(tǒng)理論COP隨蒸發(fā)溫度、過冷度的升高而增大；隨冷凝溫度、過熱度的升高而降低。因此為了增大空調系統(tǒng)的能效，在可能的情況下宜適當增大蒸發(fā)溫度、過冷度；適當減小冷凝溫度、過熱度。

（4）氨工質電動汽車空調系統(tǒng)能耗包括電動壓縮機的壓縮功、乘員艙換熱循環(huán)泵功耗、前端散熱循環(huán)泵功耗。因此在計算氨工質電動汽車空調系統(tǒng)能效特性（COP）時，應該全面考慮所有功耗和制冷量，計算得到的氨工質電動汽車空調系統(tǒng)理論COP=4.09。