电动汽车R1234yf 热泵空调系统仿真分析研究

摘要：R1234yf 是车用热泵空调系统理想的替代制冷剂之一。为对比研究R1234yf 热泵空调系统性能，分别对R1234yf 和R134a 热泵空调进行仿真分析。建立了两种冷媒的仿真分析模型， 根据换热器和系统试验数据分别对换热器模型和系统模型进行标定，平均误差在5%以下。在不同的环境温度、压缩机转速和过冷度下对热泵空调系统进行仿真分析。结果表明：R1234yf 热泵空调系统制冷能力略低于R134a系统，增大过冷度更有利于提高R1234yf 系统制热量。制冷和制热模式，质量流量均大于同转速下的R134a 系统。R1234yf 系统适用于更低温度下的采暖工况。R134a作为车用制冷剂得到广泛使用，虽然对臭氧层没有破坏作用，但其GWP却高达1430。1992年6月和1997年12月签订的《气候变化框架公约》和《京都议定书》规定了温室效应气体排放量冻结削减时间，到2017年欧洲等发达国家汽车空调系统不能使用GWP超过150的制冷剂。2021年9月《〈蒙特利尔议定书〉基加利修正案》正式对中国生效，我国将对广泛作为制冷剂应用的HFCs （氢氟碳化物） 进行管控，从2024年冻结HFCs生产和消费，而R134a正是属于HFCs的一种。因此，寻求可替换的高效环保制冷剂并成功应用于汽车空调热泵系统成为汽车空调行业急需解决的问题。R1234yf是由杜邦公司和霍尼韦尔联合研制的新型环保制冷剂，ODP为0，GWP为4，与R134a物性相近，成为其替代制冷剂之一。

综合来看，R1234yf与R134a具有相近的热物理性质，并且更加环保，只需对原适用于R134a的空调系统进行稍加调整，即可应用于R1234yf，使得其成为国内可替代R134a的新型制冷剂之一。本文利用一维仿真软件搭建R1234yf热泵空调系统模型，探究R1234yf制冷剂热泵空调系统与R134a系统的差异，为未来探究热泵系统与R1234yf提供更多的参考依据。

1 热泵空调系统模型

基于实车管路结构数据，利用AMESim对R1234yf和R134a热泵空调系统建立仿真模型，研究不同环境工况、压缩机转速和过冷度对系统性能的影响。

1.1 换热器单体模型标定

仿真模型中的换热器需要通过换热器单体试验数据对模型中的换热系数和压降系数进行标定调整，使单体试验数据与单体仿真数据在所有测试工况下的误差维持在较小范围内，以确保整个系统模型的精准度。由于冷凝器和蒸发器在制冷和制热模式需要切换使用，所以在两种模式下对冷凝器和蒸发器分别标定。标定后换热器单体模型的换热量和压降，以及与试验值对比如表1所示，平均误差均在5%以内，满足工程需求。表1 换热器单体标定结果

1.2 管路模型标定

为保证系统模型精度，必须考虑制冷剂通过管路与外界空气的换热。在制冷和制热模式下，分别选取3组试验工况，对模型中的管路进行换热标定。图1是压缩机出口到冷凝器入口管路模型标定结果，误差均在1℃以内。可看出较长的管路会导致冷媒沿管路出现一定温降，尤其冷媒温度和环境温度差值较大时，反映出管路换热对冷媒温度影响较大，仿真时需要考虑管路换热。

图1 压缩机出口到冷凝器入口管路模型标定

1.3 系统模型搭建及验证

分别建立R134a和R1234yf热泵空调系统仿真模型，包括制冷系统和制热系统模型，如图2所示。冷媒可在模型中工质库里进行直接切换。

图2 热泵空调系统模型系统模型搭建后需要对其进行标定，确保系统关键参数保持在较小误差。对制冷和制热模式分别选取2组相应工况系统试验数据进行标定，对系统模型调试后，两种模式下的试验结果和仿真结果对比如表2和表3所示，模型的平均误差在5%以内。表2 制冷模式仿真参数与试验参数对比

表3 制热模式仿真参数与试验参数对比

2 仿真结果与分析

系统模型标定完成后，基于R1234yf和R134a热泵空调系统模型，分析压缩机转速、环境温度、过冷度等参数对系统性能的影响。

2.1 环境温度

图3是制冷模式下R1234yf和R134a热泵空调系统的制冷剂质量流量和制冷量随环境温度的变化趋势。随环境温度降低，制冷剂密度下降，质量流量下降，但下降的幅度逐渐减小。环境温度平均每下降5℃，R134a的质量流量降低2.18%，R1234yf降低2.41%。同时，制冷量随环境温度的降低逐渐提高。其原因是制冷剂饱和温度越低，工质粘度越小，减少了换热的热阻。另一方面制冷剂的气液两相饱和状态焓差增大，即相变潜热增大，相同的质量流量下能提供更多的换热量。从仿真结果可看出，制冷工况下R1234yf系统质量流量平均比R134a系统高23%，制冷性能平均低3.5%。

图3 环境温度对制冷量和流量的影响图4是制热模式下的制冷剂质量流量和制冷量随环境温度的变化趋势。随着环境温度降低，冷媒密度降低，导致质量流量降低。与制冷模式对比，降低相同的环境温度，制热模式的冷媒质量流量衰减更严重，所以随着冷媒量的衰减，制热量也随之衰减。在0℃时，R1234yf系统制热量低于R134a，而在低于0℃的工况，R1234yf系统制热量均高于R134a。随着环境温度降低，R1234yf系统与R134a系统的制热量差值由-5℃的4.2%，增加到-20℃的9.6%，而质量流量从29.3%增加到33.6%。这表明在制热模式的低温工况下，R1234yf系统比R134a系统更具有优势，能够适应更低环温下的采暖工况。

图4 环境温度对制热量和流量的影响

2.2 压缩机转速

压缩机转速是影响热泵空调系统性能的重要参数。图5是环温为35℃时R1234yf和R134a热泵空调系统的流量与制冷量随压缩机转速的变化趋势。流量与制冷量随压缩机转速呈正比。各转速下R1234yf系统的制冷量平均比R134a系统小3.6%。压缩机转速的增加对制冷量的增益越来越小，并且R1234yf系统的质量流量比R134a系统明显增多，导致压降增大，压缩机功耗增加。

图5 压缩机转速对制冷量和流量的影响图6是环温为-10℃时R1234yf和R134a热泵空调系统的流量与制热量随压缩机转速的变化。质量流量与制热量随压缩机转速呈正比，这与制冷模式下的变化趋势相同。R1234yf系统的质量流量同样高于R134a系统，压缩机功耗的增加导致R1234yf系统的COP会低于R134a系统。

图6 压缩机转速对制热量和流量的影响

2.3 过冷度影响分析

过冷度是冷媒压力对应的饱和温度与实际温度的差值。冷凝器出口保持一定的过冷度，可以避免冷媒在管路流动时因压降而出现闪发，以及导致的蒸发器换热量损失。同时保证进入膨胀阀的冷媒都是液态，使膨胀阀能够稳定工作。图7和图8为制热工况下制热量和质量流量随过冷度的变化趋势。可看出过冷度对制热量增加是有益的，随着过冷度增加，质量流量变化很小，内部冷凝器出口焓值减小，进而进出口焓差增大，使冷凝器制热量增加。

图7 过冷度对内部冷凝器制热量的影响

图8 过冷度对内部冷凝器质量流量的影响图9为内部冷凝器和外部蒸发器的进出口焓差随过冷度的变化趋势。可看出，随着过冷度增加，冷凝器和蒸发器的焓差均增大，对冷凝器焓差影响稍大一些。结合图7~图9可看出，R1234yf系统的制热量高于R134a系统，主要原因是R1234yf气相密度较高导致的高质量流量对系统制热量的影响大于冷凝器焓差较小的缺点。过冷度每增加5℃，R1234yf系统的制热量平均增加 2.45%，R134a系统平均增加2.15%，可见对R1234yf系统增大过冷度对提高系统性能更佳，这也使得 R1234yf系统在使用同轴管进行换热优化后也具有一定的优势。

图9 过冷度对换热器焓差的影响

3 结论

本文利用AMESim仿真平台搭建了电动车实车管路热泵空调系统模型，并考虑了管路换热的影响，最终模型的单体零部件与系统平均误差均在5%以内。利用系统模型对比研究了影响R1234yf和R134a实车管路热泵空调系统性能的各方面因素。结果表明。1） 制冷模式下，R134a系统性能略优于R1234yf系统；在制热模式低温工况下，R1234yf系统比R134a系统更具有优势，更适用于低温下采暖工况。2） 随着压缩机转速增高，系统的制冷量、制热量和质量流量均增大，R1234yf系统的质量流量均大于同转速下的R134a系统。3） 过冷度增大可提高系统的制热量，对R1234yf系统制热量增大的作用更为显著。

作者：牟连嵩 1， 王 伟 1， 许 翔 2， 孙津鸿 1

1.中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司

2.中汽研（常州）汽车工程研究院有限公司