基于R1234yf和R12...电动汽车空调系统的4E分析_吴成会.pdf

流 体 机 械2023 年 2 月90 第 51 卷第 2 期 收稿日期：2021-08-10 修稿日期：2022-12-21基金项目：国家自然科学基金项目（51566002）；广西自然科学基金项目（2018GXNSFAA281347）；广西制造系统与先进技术重点实验 室基金项目（19050-44-001Z）；柳州市科技重大专项项目（2019AA20210）doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2023.02.013基于 R1234yf 和 R1234ze（E）的电动汽车空调系统的 4E 分析吴成会1，张 坤1，徐美君2，谢祖顺2，梁才航1（1.桂林电子科技大学 机电工程学院，广西桂林 541004；2.柳州松芝汽车空调有限公司，广西柳州 545000）摘 要：为了研究环保型制冷剂 R1234yf 和 R1234ze（E）替代 R134a 在电动汽车空调系统中应用的可行性，利用 EES 软件对 R1234yf 和 R1234ze（E）电动汽车空调系统进行建模仿真，对系统进行能量（1E）、（2E）、经济性（3E）和环境性（4E）分析与多因素评估，并与R134a电动汽车空调系统对比。结果表明：R134a表现出最佳的热经济性能，但R134a的生命周期CO2当量排放量约为R1234ze（E）或R1234yf的6.5倍和3.67倍，对环境的影响较差；R1234yf和R1234ze（E）的可行性水平值（FL）在不同权重情况下分别大于3.7，3.4，而R134a在不同权重下的可行性水平值FL最小为0.1；R1234yf、R1234ze（E）可作为 R134a 的替代制冷剂，其中 R1234yf 更适合作为 R134a 的替代制冷剂。关键词：汽车空调；GWP；经济；环境性中图分类号：TH12 文献标志码：A 4E analysis of electric vehicle air conditioning system based on R1234yf and R1234ze（E）WUChenghui1，ZHANGKun1，XUMeijun2，XIEZushun2，LIANGCaihang1（1.SchoolofMechanicalandElectricalEngineering，GuilinUniversityofElectronicTechnology，Guilin 541004，China；2.LiuzhouSongzAutomobileAirConditioningCo.，Ltd.，Liuzhou 545000，China）Abstract：InordertoinvestigatethefeasibilityoftheapplicationofenvironmentallyfriendlyrefrigerantsR1234yfandR1234ze（E）toreplaceR134ainelectricvehicleairconditioningsystems，theR1234yfandR1234ze（E）electricvehicleairconditioningsystemsweremodeledandsimulatedusingEESsoftware，andanalysisandmulti-factorevaluationwereconductedforthesystemfromaspectsofenergy（1E），exergy（2E），economy（3E），andenvironment（4E），andwerecomparedwithR134aelectricvehicleairconditioningsystem.TheresultsshowthatR134aexhibitsthebestthermoeconomicperformance，butthelife-cycleCO2equivalentemissionsofR134awereabout6.5and3.67timesthatofR1234ze（E）orR1234yf，whichhadapoorerenvironmentalimpact；thefeasibilitylevelvalues（FL）ofR1234yfandR1234ze（E）aregreaterthan3.7and3.4fordifferentweightingcases，respectively，whereastheminimumFLvalueofR134aunderdifferentweightsis0.1.Therefore，R1234yfandR1234ze（E）canbeusedasalternativerefrigerantsforR134a，amongwhichR1234yfismoresuitableasanalternativerefrigerantforR134a.Key words：vehicleairconditioning；GWP；exergy；economic；environmental0 引言R134a 作为汽车空调制冷剂被广大汽车厂商使用，但其全球变暖潜能值GWP高达13001，被一些国家所禁用。对环境影响和热力学性能较好的氢氟烯烃（HFOs）、碳氢化合物（HCs）和二氧化碳被认为是替代 R134a 的理想制冷剂2-4。氢氟烯烃中的R1234yf和R1234ze（E）在物性上与 R134a 比较接近5-6，在 R134a 直接替代应用方面存在较强的可行性，因此得到了很多学者和工业界的关注。刘雨声等7研究了 R1234yf制冷剂应用于汽车超低温强化补气热泵空调的性能。研究结果表明，在-20环境中，应用R1234yf 的热泵空调可以满足乘员舱的制热需91求，其制热性能基本与 R134a 持平且强化补气的效果优于 R134a 制冷剂。LI 等8研究了在寒冷气候下电动汽车 R1234yf 热泵系统的制热性能。结果表明将内部冷凝器的宽度增加 10%或者使用蒸汽喷射技术，可以使 R1234yf 的制热量和性能系数 COP 高于 R134a。COLOMBO 等9研究了在热泵系统中使用 R1234ze（E）制冷剂作为R134a 的替代性试验。结果表明与 R134a 相比，使用R1234ze（E）的热容量最高降低了33.82%，而 COP 变化范围为-12.27%4.32%。能和的分析方法是制冷空调系统设计、性能评估和能量系统优化的主要工具之一10。CHO 等11在汽车空调系统中使用 R1234yf 进行了试验，并进行了系统性能和分析。在相同压缩机转速下，与R134a系统相比，R1234yf系统的COP降低3.6%4.5%，效率降低3.4%4.6%。王洪利等12研究带回热器的 R1234yf 热泵系统的能量和，结果表明：与 R134a 系统相比，过热度对 R1234yf 系统影响更大。能和分析只能对热力学系统进行能量和不可逆分析，而无法对热力学系统的经济成本和环境因素进行分析。因此，基于热力学系统的能量（1E）、（2E）、经济性（3E）和环境性（4E）分析是一种比较全面的热经济分析方法。SHAYESTEH 等13基于能量（1E）、（2E）、经济（3E）和环境（4E），研究了有机朗肯循环中不同制冷剂流体的热经济性能。MOFRAD 等14对级联制冷和热回收级联制冷循环进行 4E 分析和优化。层次分析法是分析多标准和多因素复杂决策的有效方法。ZHANG 等15基于改进的层次分析法，首先对跨临界有机朗肯循环中的不同制冷剂进行 4E 分析和多因素评估。结果表明：当只考虑热经济性和环境影响时，R1270 和 R290 是更好的选择。从已有文献中可以看出，学者运用能和对 R1234yf 电动汽车热泵空调系统进行了分析，但很少有研究者对基于R1234yf、R1234ze（E）和R134a 的电动汽车热泵空调系统进行 4E 分析。本研究采用 4E 分析方法，分别从能量、经济和环境的角度分析了 R1234yf、R1234ze（E）和R134a 的热经济和环境性能，并且采用层次分析法进行多因素评估，选取 6 个不同指标，在不同权重情况下分析 3 种制冷剂的可行性水平，为新型环保制冷剂用于电动汽车热泵空调系统提供参考。1 数学模型1.1 系统各部件数学模型图 1 示出了电动汽车热泵空调系统。其中压缩机为电动涡旋压缩机，蒸发器和冷凝器为微通道平行流换热器。本文所研究的 3 种制冷剂的热力学物性见表 1。图 1 电动汽车热泵空调系统示意Fig.1 Schematicdiagramofelectricvehicleheatpumpairconditioningsystem表 1 R134a，R1234yf 和 R1234ze（E）的热力学物性Tab.1 ThermodynamicpropertiesofR134a，R1234yfandR1234ze（E）制冷剂沸点/临界压力/MPa临界温度/臭氧消耗潜值 ODPGWP安全性等级R134a-26.14.07101.101430A1R1234yf-29.43.3829504A2LR1234ze（E）-19.03.64109.401A2L1.1.1 压缩机数学模型制冷剂的质量流量可以由下面的公式求得：mVVrt hs uc=()/（1）Vn a abct h=-()-()160221（2）式中，mr为制冷剂的质量流量，kg/s；为输气系数；Vth为压缩机的理论容积输气量，m3/s；Vsuc为压缩机吸气口制冷剂的比体积，m3/kg；n 为转速，r/min；a为涡旋体节距，m；为涡旋体壁厚，m；b为压缩机腔室对数；c 为涡旋体高度，m。吴成会，等：基于 R1234yf 和 R1234ze（E）的电动汽车空调系统的 4E 分析92FLUID MACHINERYVol.51，No.2，20231.1.2 平行流换热器模型假设平行流换热器模型是由若干个微元组成，沿制冷剂流动方向划分微元，取其中一个微元为控制体，使用-NTU方法，共划分50个微元进行计算微元换热，其能量方程计算式如下：QQr=max（3）QCTTramaxmi n,=-()i ni n（4）Cm cm ca par prmi n,mi n,=()（5）Cm cm ca par prmax,max,=()（6）NTUU AC=00/mi n（7）CCCr at i o=mi nmax/（8）=-|-|10220781eNTUCer at i oCr at i oNTU.|（9）式中，Q 为换热量，W；为传热效率；C 为比热容，J/（kg）；U0为制冷剂侧换热面积，m2；A0为空气侧总表面积，m2；下标 r 为制冷剂；下标 a 为空气进口；下标 in 为进口。空气侧传热系数与压降采用 j 和 f 因子公式计算，采用 CHANG 等16的公式：fLFaPP=|-320803840196.Re（10）jFLFLTappLp=|-Re04902701402990.d dPL|-023068028.jFLFLTappLp=|-Re04902701402990.d dPlpPPfPLLTLL|-068028.|-005.（11）式中，为百叶窗倾角，（）；FP为翅片宽度，m；LP为百叶窗开窗间距，m；FL为翅片长度，m；Td为扁管宽度，m；Ll为百叶窗开窗长度，m；TP为扁管间距，m；f为翅片厚度，m。1.1.3 膨胀阀模型制冷剂通过膨胀阀时，将其视为等焓绝热节流过程公式如下：hhi nout=（12）1.2 模型验证在 EES 软件中建立了整体模型后，需要对模型进行验证。在焓差实验室对样机进行试验，表 2 为样机各部件的参数，图 2 示出了试验研究和模型的误差。从图中可知，系统换热量的最大相对误差仅为 9%。所以该系统模型具有较高的精度和可靠性，可以用来模拟电动汽车热泵空调系统。表 2 系统仿真模型各部件参数Tab.2 Parametersofeachcomponentofthesystemsimula