R290自然工質車用低溫熱泵應用研究.pdf

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1、R290自然工質低溫車用熱泵應用研究南京奧特佳新能源科技有限公司陳祥吉2023年4月7日2023 2023 中國制冷展（上海）中國制冷展（上海）p主要內容主要內容l低溫熱泵技術路線的可行性lR290碳氫可燃制冷劑的安全研究及應用lR290模塊化車用低溫熱泵的方案p 汽車汽車熱管理熱管理技術發展技術發展法法 規、雙碳：規、雙碳：GWP150GWP150市場技術痛點：低溫市場技術痛點：低溫采暖采暖系統架構復雜系統架構復雜GWP150-30 高效低溫熱泵高效低溫熱泵解決方案：需要一種制冷劑解決方案：需要一種制冷劑模塊化設計模塊化設計技術創新技術創新p新能源車電動壓縮機新能源車電動壓縮機技術技術路線圖

2、路線圖排量排量電壓電壓熱源熱源診斷診斷軟件升級軟件升級功能安全功能安全 2019乘員舒乘員舒適適乘員舒適乘員舒適電池熱控電池熱控乘員舒適乘員舒適電池電池+快充熱控快充熱控乘員舒適乘員舒適電池電池+快充熱快充熱控控+智能駕駛熱管理智能駕駛熱管理 450V 800V+單冷單冷常規熱常規熱泵泵低溫熱泵低溫熱泵單體診單體診斷斷UDS診診斷斷無升級無升級bootloader無要求無要求需求需求 ISO 2626227cc/8500rpm33-34cc/8500rpm40+cc/12000rpm 2022 2018以前以前制冷劑制冷劑R134aHFO/R290/CO2 2024 2025以后以后新排量新排

3、量p 車用車用低溫低溫熱泵熱泵運行范圍運行范圍 普通熱泵普通熱泵補氣增焓熱泵補氣增焓熱泵超低溫熱泵超低溫熱泵p 新能源汽車車新能源汽車車用用替代替代制冷劑可能性制冷劑可能性 自然工質：自然工質：20302030年后全面替代年后全面替代非自然工質：非自然工質：過渡應用過渡應用p 為什么要研究為什么要研究R290？其它新制冷劑仍沒有充分的參數信息及測試驗證其它新制冷劑仍沒有充分的參數信息及測試驗證 R32+HFO 混合；R744+HFO 混合同時滿足 低溫+低GWP+A1 不容易 R744R744（CO2)CO2)高壓力對系統整體制造工藝要求高高溫工況制冷效率低成本控制仍有挑戰 R290R290問

4、題：安全性較為優秀的熱力特性商業制冷及家用空調已規?；瘧?，提供產業鏈安全控制經驗類似可燃等級制冷劑已在汽車應用，很好的提供安全統計數據可參照家用空調安全性法規，過程可控0.010.101.0010.000 100 200 300 400 500 600 700 800 900 logP(MPa)R134aR2900.010.101.0010.000 100 200 300 400 500 600 700 800 900 logP(MPa)R134aCO2p 其它新制冷劑的進展其它新制冷劑的進展 大金大金 Daikin：D1V 科慕科慕 Chemours：H1G3霍尼韋爾霍尼韋爾 Honeyw

5、ell:提升提升 R1234yf制熱性能制熱性能 Koura:YF 基基&744基基注：注：SAE 2021年研究信息年研究信息仍在研究中，未有明確解決方案仍在研究中，未有明確解決方案R744 with IHX/Two Stage Cycle vs R290 SystemR290 has more than 50%higher COPR290 with SL would be still higher than R744 COP using optimized suction pressure control and efficient chillerThermodynamic propert

6、ies of R290 is superior to R744p 國外對比研究國外對比研究R290與其它制冷劑性能與其它制冷劑性能 來源來源：自然冷媒技術：自然冷媒技術注：注：電器電器雜志雜志-鄧雅靜鄧雅靜全球全球 輕型冷柜采用輕型冷柜采用R290R290p R290 工商制冷及家用空調銷售情況工商制冷及家用空調銷售情況 2022年我國年我國R290家用空調超過家用空調超過200萬套萬套輕商設備輕商設備R290占比約占比約70%PFAS(PolyFluoroAlkyl Substances)：氟烷基物質氟烷基物質More than 40 scientists from across Europ

7、e have signed a position statement backing what they say is the proven superior efficiencies of hydrocarbon refrigerants in heat pumps來自歐洲各地的來自歐洲各地的4040多名科學家簽署了一份立場聲明，支持多名科學家簽署了一份立場聲明，支持他們他們碳氫化合物碳氫化合物制冷劑在熱泵中的優越效率制冷劑在熱泵中的優越效率p 2023年歐盟對制冷劑最新消息年歐盟對制冷劑最新消息 p 我們所了解近三年國內汽車行業對我們所了解近三年國內汽車行業對R290研究情況研究情況 20

8、19年年2023年年科研、院?？蒲?、院校熱管理供應熱管理供應商商主機廠主機廠2 2（基本性能、安全）（基本性能、安全）1 11 1（基本性能、安全）（基本性能、安全）-多數否定態度多數否定態度4 42 23 3：有規劃研究：有規劃研究1 1：已進行預研：已進行預研5 5：立項預研中：立項預研中1 1：有量產計劃：有量產計劃-越來越多關注越來越多關注歐洲：多家主機廠在研發歐洲：多家主機廠在研發北美：北美：一家主機廠在研發一家主機廠在研發l基礎性安全研究l汽車空調應用安全l相關安全規范l生產過程、安裝、維修與運輸過程p R290制冷劑在汽車空調安全性問題制冷劑在汽車空調安全性問題 整整車系統可燃性

9、及爆炸研究車系統可燃性及爆炸研究（天津市消防總隊（天津市消防總隊喬旭喬旭 研究論文研究論文,2014,2014年）年）年月，新南威爾士大學將/()混合制冷劑，研究了這種制冷劑的火災危險性。分別進行4個實驗：碳氫制冷劑泄漏后被汽車發動機引燃、汽車車廂內的引燃實驗、制冷劑噴射實驗、空調壓縮機破裂實驗。結果表明，最能使碳氫制冷劑著火的引火源是火花塞產生的電弧。但汽車發動機的火花塞被密閉在發動機氣缸內，正常情況下，火花塞與外部隔絕得非常好。在汽車空調中，蒸發器在車廂內部儀表盤下面，制冷劑從管路的泄漏處噴射 出來的氣流不足以構成持續燃燒的條件。此外，研究人員將汽車密封后，加入碳氫制冷劑，點燃的煙頭也不足

10、以使其燃燒爆炸。年，對于汽車空調器中使用碳 氫制冷劑做了非常詳細的風險評估研究。研究結果表 明，由于碳氫制冷劑爆炸形成的超壓對車內的人員造成 嚴重的人身傷害的概率為次年，等人測定了在澳大利亞銷量 較大的種車型的車廂內的體積及新空氣的流速。結 果表明，在正常情況下車廂和發動機艙內均不會出現能 引燃碳氫制冷劑的引火源。研究結果表明，在澳大利亞 較流行的車型中基本不會出現超壓對人造成傷害的事 故，發生這種事故的概率低于次。在這些評 估中，假定每輛車制冷劑管路破裂概率為次，且假定一多半的制冷劑在內大量泄漏。假定的引火源為車廂內的乘客使用火柴或打火機點煙.p 碳碳氫制冷劑（氫制冷劑（A3）在汽車空調安全

11、性基礎研究）在汽車空調安全性基礎研究 研究表明：采取研究表明：采取相關措施可減小制冷劑在相關措施可減小制冷劑在車廂泄漏車廂泄漏的可能性，從而大大提高安的可能性，從而大大提高安全性。這些措施包括：全性。這些措施包括：減少減少軟管連接，在車廂內盡可能不用接頭；將熱力膨脹軟管連接，在車廂內盡可能不用接頭；將熱力膨脹閥閥裝在裝在發動機室；汽車帶新風裝置；保證碳氫充注量不發動機室；汽車帶新風裝置；保證碳氫充注量不超過超過400g400g等等。燃燒及爆炸實驗20162016年，公安部天津消防研究所，年，公安部天津消防研究所，20L20L球爆炸實驗。球爆炸實驗。結論結論：R290R290在空氣中體積分數為在

12、空氣中體積分數為4%4%6%6%時時的爆炸壓力較大，最大爆炸壓力約為的爆炸壓力較大，最大爆炸壓力約為0.88MPa0.88MPa20202020年，上海理工大學，年，上海理工大學，射流射流燃燒系統燃燒系統，R290R290的燃燒特性。的燃燒特性。結論結論：在圖中不同初始溫度和制冷劑氣體流量：在圖中不同初始溫度和制冷劑氣體流量下，下，R290R290混合氣體的點火溫度都在混合氣體的點火溫度都在600600以上。以上。p 碳碳氫制冷劑（氫制冷劑（A3）在汽車空調安全性基礎研究）在汽車空調安全性基礎研究 汽車空調在使用周期中（車輛報廢前）可能出現制冷劑的泄露汽車空調在使用周期中（車輛報廢前）可能出現

13、制冷劑的泄露20192019年，上海交通大學年，上海交通大學R290R290在汽車空調中的泄露分析和濃度分布研究在汽車空調中的泄露分析和濃度分布研究直接式系統實驗裝置示意圖直接式系統實驗裝置示意圖二次回路系統實驗裝置示意圖二次回路系統實驗裝置示意圖結論：結論：采用二次回路系統，制冷劑泄露后，采用二次回路系統，制冷劑泄露后，乘員艙內不會有制冷劑出現；乘員艙內不會有制冷劑出現；制冷劑回路所在的車頭部中泄露后的制冷劑氣體制冷劑回路所在的車頭部中泄露后的制冷劑氣體最高濃度最高濃度較直接式系統較直接式系統降低降低，且，且濃度保持在可燃濃度濃度保持在可燃濃度范圍內的時間范圍內的時間（約約40s以內以內）較

14、直接式系統）較直接式系統降低降低。p 碳碳氫制冷劑（氫制冷劑（A3）在汽車空調安全性應用研究）在汽車空調安全性應用研究 19931993年，美國開始使用年，美國開始使用R290/R600aR290/R600a（60:4060:40）作為汽車空調制冷劑，截止到）作為汽車空調制冷劑，截止到20022002年底，年底，約有約有470470萬輛萬輛汽車空調采用。汽車空調采用。19951995年，澳大利亞部分也開始采用，截止到年，澳大利亞部分也開始采用，截止到20132013年底，應用車輛總數約年底，應用車輛總數約120120萬輛萬輛。近近1010年統計數據表明，并未發生由于碳氫制冷劑泄露引起的相關傷害

15、事故，發生概率年統計數據表明，并未發生由于碳氫制冷劑泄露引起的相關傷害事故，發生概率低于低于3.23.21010-7-7次次/(/(車車年年)（本表來自空調（本表來自空調國際國際調研調研）4.1610-10次次/(車車年年)網頁鏈接如下：網頁鏈接如下：https:/ p 采用采用冷碳氫制冷劑車型冷碳氫制冷劑車型系統充注量系統充注量數據來源：天津市消防總隊喬旭研究論文數據來源：天津市消防總隊喬旭研究論文p 相關碳氫制冷劑相關碳氫制冷劑安全標準安全標準 IEC IEC 60335-2-89 60335-2-89 國際國際電工標準電工標準 EN 60335-2-29/A2 歐盟標準歐盟標準 ASHR

16、AE34-2019 美國暖通、制冷與空調工程師學會標準美國暖通、制冷與空調工程師學會標準 UL60335-2-8-2007 美國保險商實驗所美國保險商實驗所 QBT4975-2016 使使用用可燃性制冷劑生產家用和類似用途房間空調器安全技可燃性制冷劑生產家用和類似用途房間空調器安全技術術規范規范 GB50058-92爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范GB50016-2006GB50016-2006建筑設計防火規范建筑設計防火規范 GB-T9237-2017制制冷系統冷系統及熱泵安全與環境及熱泵安全與環境要求要求 GB4706.13-2014 家家用用和類似用途

17、電器的安全制冷器具、冰淇淋機和制冰和類似用途電器的安全制冷器具、冰淇淋機和制冰機的特殊機的特殊要求要求 GB4706.102-2010 家家用用和類似用途電器的安全帶嵌裝或遠置式制冷劑冷和類似用途電器的安全帶嵌裝或遠置式制冷劑冷凝裝置或壓縮機的商用制冷器具的特殊要求凝裝置或壓縮機的商用制冷器具的特殊要求標準標準 IECIEC通過商用制冷設備可燃制冷劑充注限值提升至通過商用制冷設備可燃制冷劑充注限值提升至500500克克2019年5月9日，在經過重新計票后，國際電動技術委員會(IEC)宣布通過將IEC標準IEC60335-2-89下自含式商用制冷陳列柜的A3類(可燃)制冷劑充注量限值從150克提

18、高至500克，將A2A2類和類和A2LA2L類類(弱可燃)制冷劑充注量限值從150克提高到12001200克克。p 工商制冷碳氫制冷劑安全標準工商制冷碳氫制冷劑安全標準-系統充注量限制系統充注量限制 IEC 60335-2-89IEC 60335-2-89:Edition Edition 3.0 2019-06 3.0 2019-06 The refrigerant charge of flammable refrigerant in appliances with a remote refrigerant unit or motor-compressor(split system),shal

19、l not exceed 150 g in any refrigerating circuit.使用可燃氣體制冷劑生產家用和類似用途使用可燃氣體制冷劑生產家用和類似用途房間空調器安全技術規范房間空調器安全技術規范p 家用空調碳氫制冷劑家用空調碳氫制冷劑生產安全標準生產安全標準 安全區域管理安全區域管理實驗區域、制冷劑充注區域、冷媒存儲實驗區域、制冷劑充注區域、冷媒存儲區域區域 安全設施安全設施自動自動排風系統：排風系統：上進上進下出下出 -需需安裝可燃氣體探頭安裝可燃氣體探頭2424小時小時檢測空氣中易燃氣體檢測空氣中易燃氣體濃度濃度 -風機風機2424小時通風（風壓開關小時通風（風壓開關 檢

20、測風壓）檢測風壓）防爆防爆風機規格：風機規格：2000m3/h2000m3/h以以 上上防爆設計防爆設計 -電器電器:電源開關、閥門、風機等電源開關、閥門、風機等 -增壓增壓站采用防爆設計站采用防爆設計其它安全其它安全防護防護措施措施 -冷冷媒存放區和增壓設備媒存放區和增壓設備的安裝的安裝區應分開區應分開隔離；隔離；安全管理安全管理規范規范 安全安全操作作業操作作業p 碳氫制冷劑碳氫制冷劑實驗安全裝置實驗安全裝置濃度濃度顯示及報警顯示及報警制冷劑濃度探頭制冷劑濃度探頭自動排風系統自動排風系統防爆設備防爆設備獨立實驗室獨立實驗室p R290制冷劑制冷劑系統系統生產生產安全控制安全控制生產線生產線

21、安裝、維修與運輸過程1.1.作業人員培訓與上崗作業人員培訓與上崗3.3.冷媒罐存放冷媒罐存放4.4.個人防護要求個人防護要求2.2.作業環境的安全作業環境的安全5.5.安裝維修過程中冷媒可能發生泄漏的地方安裝維修過程中冷媒可能發生泄漏的地方X X1 16.6.冷媒的排放冷媒的排放-慢速，通風慢速，通風p R290熱泵系統安全控制熱泵系統安全控制 風扇+水泵耗功蒸汽壓縮循環和制冷劑壓縮機效率 (63%)熱交換效應 Ts 制冷劑-水-空氣3.134.966.137.52.8逆卡諾參考 COPcS2S4實際實際 W lTQ evapS3SS1W 5CS1,2S3,4SQ 理想狀態理想狀態50CTQ

22、evap蒸發溫度蒸發溫度 5C30C20C10C 0C50C40C室外室外 35C冷凝溫度冷凝溫度 50C室內室內 27C T 蒸發溫差蒸發溫差 T 冷凝溫差冷凝溫差 理論理論 實際實際Th35 50Tc27 5COP37.5 6.1p R290二次回路實際二次回路實際系統效率損失系統效率損失逆逆卡諾循環卡諾循環制冷制冷理論理論COP=T2COP=T2/(T1-T2)/(T1-T2)制熱制熱理論理論COP=T1COP=T1/(T1-T2/(T1-T2)T1:T1:高溫熱源，高溫熱源，T2T2低溫熱源低溫熱源p R290 二次回來系統換熱損失的對策二次回來系統換熱損失的對策-補氣增焓補氣增焓 -

23、30 環境溫度環境溫度工況：工況：蒸發溫度蒸發溫度-40冷凝溫度冷凝溫度 55制熱量制熱量Qh 5.1kw功率功率 2.2kwCOP 2.3 u 按優化設計仿真按優化設計仿真 p R290 排氣溫度比排氣溫度比R410a 低大約低大約30，質量流量約為，質量流量約為R410a 的的65%.制冷制冷+制熱制熱：補氣增焓彌補二次換熱損失：補氣增焓彌補二次換熱損失 27熱泵模塊：熱泵模塊：RHU（制冷劑模塊）（制冷劑模塊）+CHU（冷卻液模塊）集成（冷卻液模塊）集成 p R290低溫泵解決方案：模塊化設計低溫泵解決方案：模塊化設計 u二次回路二次回路+模塊化設計模塊化設計:減少系統冷媒充注量減少系統

24、冷媒充注量u滿足滿足-30-30 低溫熱泵運行低溫熱泵運行u采用補氣增焓的高效熱泵技術采用補氣增焓的高效熱泵技術u 20242024年年6 6月具備產業化量產月具備產業化量產空調國際設計空調國際設計28RHU：250*250*200RHUp R290 模塊化低溫熱泵關鍵件：冷媒模塊模塊化低溫熱泵關鍵件：冷媒模塊空調國際設計空調國際設計 安全性解決方案安全性解決方案系統緊湊，降低R290充注量制冷劑模塊安裝于前倉（非密閉空間），降低向乘員倉泄漏機會制冷劑系統廠內充注，無需整車裝配環境充注制冷劑29Refrigerant System Complexity Handled in Glycol Lo

25、opsLower cost,simple devicesLower pressuresMinimize refrigerant leak/direct emissionsWhole HP system includes 3 units,Cooling:Chiller coolant loop,Heating:WCC coolant loopRefrigerant loop(R290 used)CoolingHeatingRefrigerationLow Viscosity FluidGlycolR290p R290 模塊化低溫熱泵臺架測試模塊化低溫熱泵臺架測試空調國際設計空調國際設計30測試結

26、果測試結果8500RPM，45cc，R134a HP,Chiller cooling capacity 9.2kW Amb Temp 40CR290 secondary loop with VPI,system heating capacity 6217W Amb Temp-20C,HV heater can be deletedModeVehicle situationR134a W/O VPIR290 W/O VPIR134a W/VPIR290 W/VPI45cc 8500RPM34cc 8500RPM34cc 8500RPM34cc 8500RPM制冷快充 9200W/1.6/15.8

27、C8200W/1.6/16.8C/制熱車內22 -7C 環境2638W/2.6/31C2600W/2.6/35C/最大制熱 -10C4389W/1.5/42.7C6241W/1.6/41.7C4212W/1.8/32.4C7856W/1.5/50.7C最大制熱 -20C 4980W/1.5/40.1C3025W/1.8/32.3C6217W/1.6/42.9C最大制熱 -30C 4622W/1.4/34.6Cp R290 模塊化低溫熱泵臺架測試模塊化低溫熱泵臺架測試空調國際空調國際測試測試31-7C，車內，車內 20 C 2 小時小時,PTC s 2600W提供相同熱量保持相同車廂溫度提供相同

28、熱量保持相同車廂溫度,R290 熱泵消耗電功率熱泵消耗電功率1150W,節省節省 1450Wp R290 模塊化低溫熱泵整車測試模塊化低溫熱泵整車測試空調國際空調國際測試測試32環溫環溫-20C，HVAC出風維持出風維持65C，車廂溫度，車廂溫度25C；達成和達成和PTC采暖同樣制熱效果采暖同樣制熱效果(6700W)，R290模塊熱泵電功率減少模塊熱泵電功率減少1900W,節能節能28%p R290 模塊化低溫熱泵整車測試模塊化低溫熱泵整車測試空調國際空調國際測試測試p 二次回路二次回路R290熱泵系統成本預估熱泵系統成本預估 CO2熱泵系統熱泵系統6000-7000 （元）（元）R134a R134a 當前當前已量產間接熱泵系統已量產間接熱泵系統 5000 5000-5500-5500（元）（元）R290R290間接熱泵系統間接熱泵系統4000-4500 4000-4500（元）（元）批量生產后各熱泵系統成本對比預估批量生產后各熱泵系統成本對比預估注：系統包含制冷系統及水（冷卻液）系統注：系統包含制冷系統及水（冷卻液）系統感謝您的耐心聆聽！感謝您的耐心聆聽！