中國科學院理化技術研究所：2023年電動汽車供熱技術發展研究報告節選（22頁）.pdf

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1、 中國科學院理化技術研究所 2023 年 2 月 電動汽車供熱技術發展研究報告 （節選）2 2.4.4 環保工質熱泵環保工質熱泵 R1234yf 熱泵系統熱泵系統 R1234yf作為一種汽車空調環保制冷劑，由于其與R134a性能接近，因此，R1234yf被看作較有前景的汽車熱泵系統新一代替代制冷劑之一。相比于 R134a，R1234yf 存在著潛在的優勢。當熱泵在較低的環境溫度中（溫度低于-20)工作時，吸氣蒸發壓力可能低于大氣壓出現真空負壓，導致空氣和水分泄漏至非密封部件中，造成系統損壞，因此壓縮機不能在最高轉速運行，必須降低壓縮機轉速，確保吸氣壓力大于外部大氣壓，但壓縮機轉速的降低也導致低

2、溫下制熱性能急劇下降。圖 0-1所示為 R1234yf與 R134a的低壓飽和曲線對比。由圖 0-1可知，R1234yf的低壓飽和壓力比 R134a高約 15%，與大氣壓力對比可知，R134a 在飽和溫度約為-25時飽和壓力就低至大氣壓，而R1234yf 在飽和溫度為-29時才到達大氣壓，因此 R1234yf 可以適用更低的蒸發壓力，即在相同低溫環境中，R1234yf可以比R134a匹配更高的壓縮機轉速，提供更高的制熱量。圖圖 0-1 R1234yf 與與 R134a 低壓飽和曲線對比低壓飽和曲線對比52 壓縮機排氣溫度是影響系統工作穩定性的重要參數之一，壓縮機排氣溫度過高，將導致壓縮機容積效

3、率下降，功耗增加，且排氣過熱也會使潤滑油、制冷劑及各部件間產生不良反應、磨損，嚴重影響系統穩定性及安全性，且降低壓縮機的使用壽命。YLee 等49對 R1234yf 與 R134a 系統進行實驗，結果表明R1234yf 的排氣溫度比 R134a 低 6.46.7。因此，R1234yf 可為系統提供更低的排氣溫度使壓縮機運轉更穩定。目前有許多國內外學者對 R1234yf 用于汽車空調系統進行了研究。在研究 3 時，有許多學者將 R1234yf 進行了直接替代性實驗，并在寒冷氣候條件下分析了性能。Li 等233研究了在寒冷氣候下電動汽車 R1234yf 熱泵系統的制熱性能。主要研究了充注量、壓縮機

4、轉速、室外風速、室外溫度、室內流速、室內溫度、冷凝器寬度和有無蒸汽噴射等對系統的加熱性能影響。結果表明將內部冷凝器的寬度增加 10%或者使用蒸汽噴射技術，可以使 R1234yf 的制熱量和 COP 高于R134a。Wang 等53將現有的 R134a 汽車空調系統不做改動直接將制冷劑替換為R1234yf，依據操作條件的不同，系統的性能會下降 027%，通過引入內部熱交換器、噴射器、擴張器或調整熱膨脹閥，可以將 R1234yf 系統的性能提升至原 R134a 系統的相同水平。研究還發現 R1234yf 在蒸發器中換熱性能與 R134a相當，但在冷凝器中的換熱性能不如R134a，所以針對R1234

5、yf系統冷凝器需進一步優化設計，同時由于 R1234yf 的摩擦降較大，R1234yf 的體積效率略低于R134a。R134a 系統中使用的潤滑油可用于 R1234yf 系統中，兩種制冷劑的油循環比沒有顯著差異。Lee等49在熱泵實驗臺上測試了 R1234fy和R134a的性能，結果表明在相同條件下 R1234yf系統的 COP和制熱量比 R134a系統分別低 2.7%和 4%，而在冬季工況下 R1234yf 系統的壓縮機排氣溫度更低，同時由于R1234yf密度較低使得其充注量較 R134a低 11%左右。由于在汽車空調的常用工作溫度范圍（-2540）內，相同工作壓力下R1234yf 的相變潛

6、熱低于 R134a，導致 R1234yf 在直接替代 R134a 時，介質冷凝放熱過程焓差降低，雖然 R1234yf 的氣相密度高，增加了制冷劑流量，但仍不能完全彌補焓差的差距，所以系統制熱性能略低，因此 R1234yf 的工作能力與R134a略有差距。為了縮小，R1234yf熱泵系統與R134a熱泵系統之間的工作能效差距，近年來，國內外諸多學者都對針對 R1234yf的熱泵系統進行了研究。Sad234在 R1234yf 和 R134a 的理論循環的相同工況下進行理論性能對比，分析結果表明，R1234yf系統比R134a系統相比，循環壓比和排氣溫度較低，但理論 COP 也低于 R134a 系統

7、。在此基礎上進行實驗對比研究，結果表明R1234yf的制冷量最多下降了 13%，COP最多下降 11.8%，壓縮機排氣溫度最多下降 15。Zhao235等人也做了 R1234yf 和 R134a 的性能對比研究，研究發現R1234yf 系統的制冷劑最佳充注量為原有系統的 95%。R134a 系統的制冷量比 4 R1234yf最多達 12.4%，COP 最多高 9%。Zilio236等人除了做 R1234yf直接替代系統的性能測試外，還進行了模擬研究，通過改變蒸發器和冷凝器結構來提高R1234yf系統性能，模擬結果顯示當蒸發器和冷凝器的迎風面積分別增大20%和10%時，R1234yf 系統可得到

8、更高的 COP。Qi237等人采用不同的蒸發器形式（層疊式和微通道式）對 R1234yf 系統和 R134a 系統進行了性能對比，實驗結果發現采用層疊式換熱器時，R134a 系統可以獲得更好的傳熱和流動性能，而R1234yf系統更適用于微通道換熱器。李宴輝等238搭建了一套電動汽車熱泵空調系統，系統原理如圖 0-2 所示。常規系統下 R1234yf 制冷性能較 R134a 低 5.6%7.5%，COP 低 5.4%7.1%。通過增加回熱器、回冷器及提高壓縮機轉速等策略，R1234yf 的制冷量和 COP與 R134a的差距將小于 1%。圖圖 0-2 電動汽車空調系統循環原理電動汽車空調系統循環

9、原理238 Zou Huiming 等239搭建了一套電動汽車熱泵空調系統，對比了不同工況下 R1234yf和 R134a熱泵系統的工作性能。圖 0-3 所示為不同室內外溫度及壓縮機轉速分別為 3000、5000、7000 r/min 時，兩種制冷劑的系統制熱量和 COP 的對比。其中，當室內外溫差大于 20時，為了保護壓縮機，轉速為 7 000 r/min 工況下不進行測試。由圖 0-3 可知，二者的系統制熱量和 COP 相差在 10%以內，且差值與膨脹閥的開度、壓縮機轉速、風量等有很大關系。5 圖圖 0-3 R1234yf 和和 R1234a 制熱性能對比制熱性能對比239 利用中間補氣(

10、EVI)技術可以通過提升蒸發器中的焓差改善 R1234yf 系統循環穩定性和工作性能。Zhang Ziqi 等240對低溫環境下 R134a 熱泵系統的中間補氣進行了測試，系統制熱量隨著補氣壓力的升高而增加，且環境溫度越低，中間補氣的效果越好。當環境溫度為20時，EVI模式下制熱量平均提升57.7%;當環境溫度為-10 時，EVI 模式制熱量平均提升 44.1%，對經濟器進行更合適的優化可以使 COP 和制熱量再各提升約 14%，因此中間補氣可以很好的解決熱泵系統低溫下制熱性能下降的問題。R1234yf的物性與R134a極其相似，且因氣相密度較大，可以提供更高的質量流量，因此 R1234yf

11、將比 R134a 更適合中間補氣系統，制熱性能的提升也比 R134a 更好。劉雨聲等241研究了適用于-20超低溫下的 R1234yf 系統，如圖 0-4 所示，通過采用中間補氣技術，R1234yf 系統在-20低溫環境中制熱量與 COP可達 2kW與 2.0以上，改進后的新型熱泵制熱量與 COP 分別提升了 30%與 14%，其制熱能力基本與 R134a持平且中間補氣的效果優于 R134a制冷劑。6 圖圖 0-4 基于基于 R1234yf 的中間補氣汽車超低溫熱泵空調系統的中間補氣汽車超低溫熱泵空調系統241 此外，在系統中加入回熱器也能提高 R1234yf 系統的性能?；責崞魇亲尷淠鞒隹?/p>

12、的高溫高壓制冷劑液體與蒸發器出口的低溫低壓制冷劑蒸汽進行熱量交換，以提高冷凝器出口制冷劑過冷度，改善系統制冷性能。Navarro242等在R1234yf 系統中加入螺旋槽結構的回熱器，改善了系統制冷量和 COP，基本可以達到 R134a 系統的性能。使 R1234yf 系統的制冷量和 COP 性能損失減少了將近 2%-6%。Cho243也在系統中引入了回熱器，使得 COP 損失有所減小。R744 熱泵系統熱泵系統 CO2（R744）冷媒環境性能優異、不燃無毒、運動粘度低、成本低。由于 CO2 在低溫環境溫度下制熱性能優異，近年來 CO2熱泵成為該領域的研究熱點。CO2制冷劑作為一種自然制冷劑，

13、具有與制冷循環和設備相適應的熱力學性質。蒸發潛熱較大，單位容積制冷量相當高。具有良好的輸運和傳熱性質。導熱系數較高，黏度較低，比熱容較大。液體密度和蒸氣密度值比較小，在低壓下兩相流動較為均勻，有利于節流后，各回路間制冷劑的均勻分配，較小的表面張力能夠，提高沸騰區的蒸發換熱系數。優良的流動和傳熱特性，可顯著減小壓縮機與系統地尺寸，使整個系統非常緊湊54。由于 CO2的臨界溫度很低，循環的放熱過程不是在兩相區冷凝，而是在接近或超過臨界點的區域的氣體冷卻器中放熱。近年來，國內外諸多學者及研究機構對電動汽車的 CO2熱泵系統進行了諸多研究。國內上海交通大學率先開啟 CO2熱泵系統的相關研究。陳江平24

14、4率先研制 7 出了國內首臺車用的 CO2跨臨界汽車空調系統實驗臺架，在 27/35制冷工況下實測制冷量達到 4.5 kW。而金紀峰245采用傳熱性能更佳的微通道換熱器，設計了國內第一套平行流換熱器式 CO2汽車空調系統，實驗結果顯示，當環境溫度為 25時，系統的制冷 COP達 2.83；繼而開展了實車道路測試，結果顯示，受到實車安裝時前端模塊結構的影響，實測 CO2汽車空調系統的性能較臺架試驗差距較大，其降溫速度較 R134a系統的降溫速度慢。對于 CO2汽車空調系統在電動汽車上的應用，Wang246,247等人測試了電動汽車 CO2熱泵空調系統典型工況下的性能，并與 R134a 系統進行比

15、較。通過實驗可得，兩者制冷量相當但是當環境溫度從 27增大到 45時，制冷 COP 會從 2.0 下降到 1.3，與 R134a 系統相比低 10%-16%。在制熱模式下，-20/20工況時，當壓縮機頻率為 54 Hz時，系統的最大 COP 達到 1.7。Jiang248 等人測試了不同環境溫度下系統的制冷性能，實驗結果表明，當環境溫度從 35升高到 45時，CO2空調系統的制冷 COP 急劇衰減，衰減比率高達 37.7%。劉業鳳等249設計了一套車用CO2熱泵系統，通過仿真分析得到與R134a系統相比COP低 18.9%，但排氣溫度高了 45，在冬季制熱工況下 CO2 熱泵系統具有較好性能。

16、武悅等250在實車上研究了 CO2 熱泵系統對車輛續航里程的影響，通過與PTC車對比測試，得到在-5環境下以正常模式行駛可增加23.6%的續航里程，證明了冬季采用 CO2 熱泵系統的經濟性。Li 等251提出了一種汽車空調用 CO2集成翅片微通道氣體冷卻器，仿真結果表明，集成翅片和微通道氣體冷卻器在較高的正面風速下具有良好的性能，翅片的幾何形狀和空氣側分布不均勻也對系統性能有一定影響。韓國汽車技術研究所通過對汽車用 CO2空調系統開展的系列研究，驗證了CO2空調系統運用于汽車空調的可行性和有效性。2009 年，Kim 等252研究了CO2汽車空調系統在不同運行工況下的性能，通過改變發動機轉速和

17、汽車行駛速度調節系統運行工況。結果顯示，車輛怠速工況下，在最優排氣壓力工況下運行時，系統的制冷量超過 4.5 kW，制冷 COP 超過 2.4；車輛行駛工況下，對應 35/45工況，在最優排氣壓力工況下運行時，系統制冷量和制冷 COP 分別達到 7.5 kW 和 1.7。2012 年，Lee 等253設計了電驅動 CO2汽車空調系統，并實驗測試了變工況下系統的制冷性能。結果顯示，35工況下，當排氣壓力從 8 9.2 MPa 提高到 10.2 MPa 時，系統的制冷量提高到 6.4 kW，提升 36.8%，對應COP 提高到 2.5，提升 30.3%。當壓縮機轉速提升至 4500 r/min 時

18、，系統制冷量普遍超過 5.0 kW，超過夏季工況下汽車冷負荷，足以滿足制冷需求。為提高 CO2熱泵性能，王丹東等254提出在制熱模式下將室內換熱器串聯來提高高壓側的換熱能力，如圖 0-5 所示，結果表明相較于單一氣冷器，采用串聯氣冷器的車用熱泵空調系統的制熱量和 COPh分別提高了 31%和 33%。圖圖 0-5 采用串聯氣冷器的采用串聯氣冷器的 CO2車用熱泵空調系統車用熱泵空調系統 由于存在夏季制冷量不足、極寒條件下制熱效率低等問題，現有諸多研究聚焦于高溫環境下 CO2熱泵系統制冷性能的提升。通過增設回熱器可以實現蒸發器出口的低溫制冷劑對氣液分離器出口的制冷劑進行冷卻降溫，從而降低節流前的

19、溫度，提高系統的性能。Wang 等255在相同的測試條件下比較了 CO2熱泵系統與 R134a 熱泵系統的熱力性能，實驗結果表明 CO2熱泵系統與 R134a 熱泵系統具有相似的甚至更好的制冷能力與 COP，在制熱模式下，CO2熱泵系統的性能明顯優于R134a熱泵系統。CO2熱泵系統在膨脹閥與室內換熱器之間增加了一個換熱器，可以有效適合低溫環境，實驗結果表明該系統在低溫環境下啟動時制熱量可達 3.6kW，COP 為 3.15，為 CO2熱泵系統低溫環境下的應用創造了條件256，系統如圖 0-6(a)所示。Cho 等257證實回熱器的使用不僅可以提高系統的 COP，還可以增加系統的制冷量，同時有

20、回熱器的跨臨界 CO2循環系統相較于無回熱器的系統 COP 可提升 11.9%。但增設回熱器后會導致排氣溫度過高。9 研究結果表明開發的帶有中間冷卻器的 CO2熱泵系統能夠顯著提高熱泵系統的性能258，利用中間冷卻器冷卻從氣液分離器中流出的制冷劑，降低節流前的溫度，可以提高系統性能。在制冷模式下，壓縮機通過中間冷卻器將中間冷卻熱量排入室外；在制熱模式下，通過室內蒸發器將中間冷卻的熱量回收利用，實驗結果表明增加中間冷卻器可提高系統的熱力性能，系統如圖 0-6(b)所示。CO2熱泵系統用噴射器代替節流閥，通過噴射器將制冷劑噴出，能夠提高壓縮機的進口壓力，降低壓縮機的工作壓比，使得 CO2熱泵系統的

21、熱力性能得以提高259，系統圖如圖 0-6(c)所示。李浩等260研制了一套帶噴射器的跨臨界CO2車用空調系統并實驗比較了典型汽車空調工況下系統性能的提升效果，結果表明在不同工況下噴射式系統的制冷COP較常規循環提升2.69%12.60%，但是對提升系統制冷量效果不明顯。張振宇等261比較了帶噴射器的跨臨界 CO2車用空調系統和常規循環的制冷性能，結果顯示在 11.3 MPa 排氣壓力下，引入噴射器后系統的制冷量和制冷 COP 分別較常規循環提升了 6.6%和 6.1%。并分析了噴射器結構參數喉部直徑對系統性能的影響，發現 1.08 mm 的喉部直徑對應系統獲得最優制冷性能。(a)帶回熱器的帶

22、回熱器的 CO2 熱泵熱泵 (b)中間冷卻式中間冷卻式 CO2 熱泵熱泵 室外換熱器室內換熱器回熱器氣液分離器壓縮機膨脹閥 室外換熱器中間冷卻器室內氣冷器室內蒸發器回熱器膨脹閥氣液分離器膨脹閥三通閥三通閥三通閥三通閥壓縮機 10 (c)帶噴射器的帶噴射器的 CO2 熱泵熱泵 圖圖 0-6 CO2 熱泵系統原理圖熱泵系統原理圖31 R290 熱泵系統熱泵系統 R290作為一種環保制冷劑，目前廣泛應用于空調行業，GWP低，對環境友好。唯一的缺點在于具有一定的可燃和易爆性?，F有研究指出，與 R134a 相比，R290 只需要利用更小的壓縮機功率和更少的制冷劑充注就能獲得與 R134a 相同的性能57

23、。因此 R290有望替代 R134a成為新興的環保制冷劑。電動汽車近年來是新興的研究領域之一，受到了學者們的廣泛關注。眾多學者將 R290 應用在了電動汽車上。Wu 等人63將 R134a、R152a、R1234yf、R290、R410A、R32 和 R744，用于電動汽車的客艙加熱和冷卻，并做了綜合性評價，在所有制冷劑中，R290 的 CO2排放量最低。Liu 等人64指出，在室溫為-10，壓縮機轉速為 3000RPM 的情況下，R290 能提供比 R134a 和 R1234yf 更高的加熱能力和性能。Poongavanam 等人65指出 R134a，R1234yf 和 R290 之間具有良

24、好的一致性，并提出了采用 R290 和 R134yf來替代 R134a。針對 R290 的熱泵系統也進行了諸多研究。在-10的環境下，R290 系統的制熱量與 COP 與 R134a 系統相比分別提升了 55%和 12.3%262。R290 是一種易燃制冷劑，為了提高熱泵系統的安全性，黃廣燕等263搭建了 R290 熱泵系統及其二次換熱回路圖 0-7 所示，在-25的環境下，系統的 COP 可達 2.16，具有非常優良的制熱性能。奧特佳公司同樣也提出了一種二次回路電動汽車熱泵如圖 0-8 所示，此系統將可燃的 R290 回路置于前艙，通過不可燃的二次回路進行換熱對車艙內的環境進行控制，在實現熱

25、管理系統模塊化的同時，也最大限度減少了可燃制冷劑的充入量31。Jignesh K264搭建了一套帶回熱器的電動汽車空調 室外換熱器室內氣冷器室內蒸發器噴射器三通閥膨脹閥 11 系統試驗臺，并對 R134a 和 R290 進行了測試。在制冷量 4kW、蒸發溫度 7.2、冷凝溫度 55及吸氣溫度 35的條件下，與 R134a 系統相比，R290 制冷系統的排氣溫度下降約2.1%，壓縮比降低約17.9%，系統COP減少約2.4%。因此，需要對 R290 系統研發專用的壓縮機、換熱器、膨脹閥等部件，才能達到與R134a 系統性能相當的水平。Liu 等人265實驗研究了冷媒充注量對不同節流裝置的 R29

26、0空調系統性能的影響。結果表明：在過充條件下，熱力膨脹閥（TXV）或電子膨脹閥（EEV）的系統性能對冷媒充注量的依賴性較小。但在充注量不足的情況下，除了節流裝置前沒有過冷的情況外，與 TXV系統相比，EEV系統對充注量的敏感性較低。因此，考慮到 TXV 和 EEV 在空調中的應用，少量的過充可以在不犧牲系統短期性能的前提下，提高系統的長期性能。圖圖 0-7 負荷側采用二次換熱回路的負荷側采用二次換熱回路的 R290 熱泵系統熱泵系統 （a）系統流程）系統流程 M3壓縮機水泵電子膨脹閥2M2回回熱熱器器板板式式換換熱熱器器車車內內換換熱熱器器車車外外換換熱熱器器電子膨脹閥1制熱制冷水路M1閥1

27、閥2閥3閥4閥5閥6 12 (b)系統實物模型系統實物模型 圖圖 0-8 R290 二次回路熱泵系統二次回路熱泵系統 R134a、R1234yf、R290、R744 熱泵系統性能對比熱泵系統性能對比 這里對 R134a、R1234yf、R290、R744 四種工質的單級壓縮帶回熱器的熱泵系統在環境溫度為 45、35、25、0、-10、-20的六種工況進行性能對比。其中 R290 系統采用二次循環方式以滿足其安全性問題，如下表所示。表表 2-18 環境溫度環境溫度 45工況下四種工質系統的性能對比（全回風，制冷量要求工況下四種工質系統的性能對比（全回風，制冷量要求 5.75kW）R134a R1

28、234yf R744 R290 蒸發溫度()0 0 0-3 冷凝溫度()63 63/65 蒸發壓力(MPa)0.29 0.32 3.49 0.43 冷凝/氣冷壓力(MPa)1.80 1.76 11.00 2.34 冷凝/氣冷出口溫度()50 50 50 50 蒸發器出口溫度()5 5 5 5 壓縮機吸氣溫度()25 25 25 22 回熱器高壓出口溫度()38.23 37.35 45.12 38.11 壓縮機排量(cm3/r)34 34 6.8 34 壓縮機頻率（Hz）98 103 107 95 循環理論 COP 3.47 3.38 1.93 3.09 理論制冷量(kW)6.39 6.42 6

29、.40 6.81 理論壓縮機功耗(kW)1.84 1.90 3.32 2.20 壓縮效率 0.75 0.75 0.75 0.75 換熱衰減 10%10%10%15%預測制冷量(kW)5.75 5.78 5.76 5.79 13 預測壓縮功(kW)2.46 2.53 4.42 2.97 風量 m3/h 450 450 450 450 內外風扇或泵耗功 kW 0.5 0.5 0.5 0.58 預測系統耗功(kW)2.96 3.03 4.92 3.55 預測系統制冷 COP 1.95 1.91 1.17 1.65 表表 2-19 環境溫度環境溫度 35工況下四種工質系統的性能對比（全回風，制冷量要求

30、工況下四種工質系統的性能對比（全回風，制冷量要求 4.23kW）R134a R1234yf R744 R290 蒸發溫度()0 0 0-3 冷凝溫度()55 55/57 蒸發壓力(MPa)0.29 0.32 3.49 0.43 冷凝/氣冷壓力(MPa)1.49 1.46 10.00 1.99 冷凝/氣冷出口溫度()40 40 40 40 蒸發器出口溫度()5 5 5 5 壓縮機吸氣溫度()25 25 25 22 回熱器高壓出口溫度()27.79 26.85 33.77 27.54 壓縮機排量(cm3/r)34 34 6.8 34 壓縮機頻率（Hz）66 67 58 63 循環理論 COP 4.

31、27 4.24 2.90 3.79 理論制冷量(kW)4.74 4.69 4.73 4.99 理論壓縮機功耗(kW)1.11 1.11 1.63 1.32 壓縮效率 0.75 0.75 0.75 0.75 換熱衰減 10%10%10%15%預測制冷量(kW)4.27 4.23 4.26 4.24 預測壓縮功(kW)1.48 1.48 2.17 1.76 風量 m3/h 450 450 450 450 內外風扇或泵耗功 kW 0.5 0.5 0.5 0.56 預測系統耗功(kW)1.98 1.88 2.67 2.32 預測系統制冷 COP 2.16 2.14 1.59 1.83 表表 2-20

32、環境溫度環境溫度 25工況下四種工質系統的性能對比（全工況下四種工質系統的性能對比（全新新風，制冷量要求風，制冷量要求 3.45kW）R134a R1234yf R744 R290 蒸發溫度()0 0 0-3 冷凝溫度()45 45/47 14 蒸發壓力(MPa)0.29 0.32 3.49 0.43 冷凝/氣冷壓力(MPa)1.49 1.46 8.00 1.99 冷凝/氣冷出口溫度()30 30 30 30 蒸發器出口溫度()5 5 5 5 壓縮機吸氣溫度()25 25 25 22 回熱器高壓出口溫度()17.43 16.41 22.85 17.04 壓縮機排量(cm3/r)34 34 6.

33、8 34 壓縮機頻率（Hz）50 50 40 48 循環理論 COP 5.52 5.55 4.49 4.82 理論制冷量(kW)3.91 3.89 3.88 4.15 理論壓縮機功耗(kW)0.71 0.70 0.86 0.86 壓縮效率 0.75 0.75 0.75 0.75 換熱衰減 10%10%10%15%預測制冷量(kW)3.52 3.50 3.49 3.53 預測壓縮功(kW)0.95 0.93 1.15 1.15 風量 m3/h 450 450 450 450 內外風扇或泵耗功 kW 0.5 0.5 0.5 0.56 預測系統耗功(kW)1.45 1.43 1.65 1.70 預測

34、系統制冷 COP 2.44 2.44 2.11 2.08 由表 2-18、表 2-19和表 2-20可以看出，隨著夏季溫度的升高，需求的制冷量隨之增加，4 種工質系統的制冷 COP 隨著環境溫度升高而下降，系統耗功隨環境溫度上升而增加。R744 系統在 4 種系統中的制冷性能最差，這是由于在膨脹閥處節流損失較為嚴重。此外，CO2系統的運行壓力比其他系統的高，因此需要對系統部件進行優化。R1234yf 熱泵系統和 R134a 熱泵系統制冷 COP 幾乎相近，兩者得到的制冷量相差不大。R290 系統的制冷性能與 R1234yf 及 R134a系統相比仍然存在一定差距，因此需要研發 R290 系統的

35、專用部件來提高其性能。表表 2-21 環境溫度環境溫度 0工況下四種工質系統的性能對比（全新風，制熱量要求工況下四種工質系統的性能對比（全新風，制熱量要求 3.79kW）R134a R1234yf R744 R290 蒸發溫度()-5-5-5-8 冷凝溫度()50 50/52 15 蒸發壓力(MPa)0.24 0.27 3.05 0.37 冷凝/氣冷壓力(MPa)1.32 1.30 8.0 1.79 冷凝/氣冷出口溫度()5 5 5 8 蒸發器出口溫度()-2-2-2-5 壓縮機吸氣溫度()3 3 3 1 壓縮機排量(cm3/r)34 34 6.8 34 壓縮機頻率（Hz）46 46 29 3

36、9 循環理論 COP 6.32 6.45 6.59 5.63 理論制熱量(kW)4.22 4.26 4.25 4.51 理論壓縮機功耗(kW)0.67 0.66 0.64 0.80 壓縮效率 0.75 0.75 0.75 0.75 換熱衰減 10%10%10%15%預測制熱量(kW)3.80 3.84 3.82 3.84 預測壓縮功(kW)0.89 0.88 0.86 1.07 風量 m3/h 300 300 300 300 內外風扇或泵耗功 kW 0.5 0.5 0.5 0.55 預測系統耗功(kW)1.39 1.38 1.36 1.62 預測系統制熱 COP 2.73 2.78 2.81

37、2.37 表表 2-22 環境溫度環境溫度-10工況下四種工質系統的性能對比（工況下四種工質系統的性能對比（30%回風，制熱量要求回風，制熱量要求3.76kW）R134a R1234yf R744 R290 蒸發溫度()-15-15-15-18 冷凝溫度()50 50/52 蒸發壓力(MPa)0.16 0.18 2.29 0.26 冷凝/氣冷壓力(MPa)1.32 1.30 8.0 1.79 冷凝/氣冷出口溫度()35 35 9 37 蒸發器出口溫度()-12-12-12-15 壓縮機吸氣溫度()8 8-2 5 壓縮機排量(cm3/r)34 34 6.8 34 壓縮機頻率（Hz）79 79 3

38、9 63 循環理論 COP 4.28 4.22 4.88 3.90 理論制熱量(kW)4.19 4.19 4.25 4.48 理論壓縮機功耗(kW)0.98 0.99 0.87 1.15 16 壓縮效率 0.75 0.75 0.75 0.75 換熱衰減 10%10%10%15%預測制熱量(kW)3.77 3.77 3.82 3.81 預測壓縮功(kW)1.30 1.32 1.16 1.53 風量 m3/h 300 300 300 300 內外風扇或泵耗功 kW 0.5 0.5 0.5 0.53 預測系統耗功(kW)1.80 1.82 1.66 2.07 預測系統制熱 COP 2.09 2.07

39、 2.30 1.84 表表 2-23 環境溫度環境溫度-20工況下四種工質系統的性能對比（工況下四種工質系統的性能對比（50%回風，制熱量要求回風，制熱量要求 3.79kW）R134a R1234yf R744 R290 蒸發溫度()-25-25-25-28 冷凝溫度()50 50/52 蒸發壓力(MPa)0.11 0.12 1.68 0.18 冷凝/氣冷壓力(MPa)1.16 1.15 8 1.60 冷凝/氣冷出口溫度()35 35 10 37 蒸發器出口溫度()-22-22-22-25 壓縮機吸氣溫度()-2-2-2-5 壓縮機排量(cm3/r)34 34 6.8 34 壓縮機頻率（Hz）

40、118 116 51 88 循環理論 COP 3.60 3.53 3.93 3.32 理論制熱量(kW)4.22 4.22 4.25 4.50 理論壓縮機功耗(kW)1.17 1.19 1.08 1.36 壓縮效率 0.75 0.75 0.75 0.75 換熱衰減 10%10%10%15%預測制熱量(kW)3.80 3.79 3.82 3.82 預測壓縮功(kW)1.56 1.59 1.44 1.81 風量 m3/h 300 300 300 300 內外風扇或泵耗功 kW 0.5 0.5 0.5 0.53 預測系統耗功(kW)2.06 2.09 1.94 2.34 預測系統制熱 COP 1.8

41、4 1.81 1.97 1.63 由表 2-21、表 2-22、表 2-23 可以看出，隨著冬季環境溫度的降低，4 種工 17 質系統的 COP 隨環境溫度不斷下降，系統耗功隨之增加。在典型工況下，R744系統的制熱性能優于 R1234yf和 R134a系統，但 R290 系統在典型工況下制熱性能與 R1234yf 和 R134a 系統略有差距，因此，提高典型工況下的制熱性能是R290系統的關鍵。綜上所述，R744 和 R290 系統在夏天制冷和冬天制熱上都各自存在著自身的問題。R744 系統在高溫下制冷性能較差。而 R290 系統本身存在一定的安全性問題。而 R1234yf 在對比的四個工況

42、下與 R134a 性能基本相當，且在典型工況下都優于 R744 和 R290 系統。R1234yf 替代 R134a 是對產業的影響最小的選擇。在安全性方面，R1234yf 的 ASHRAE 安全級別為 A2L，無毒弱可燃，美國機動車工程師學會(SAE)多年的研究中表明，R1234yf 在汽車空調的工作環境條件下不會被點燃，具有與 R134a相同的安全性。而 R290具有一定的可燃和易爆性，因此，R290 系統還需考慮其安全性。在系統成本方面，R1234yf 熱力性能和R134a相近，在熱泵系統性能測試中，兩者的24的測試結果顯示僅相差 2%4%，因此，在使用 R134a 作為制冷劑的空調系統

43、中，可以實現 R1234yf 對R134a 的直接替代，有效節約了系統的研發成本。而 R744 的運行壓力較大，系統成本較高，同時需要設計專門的熱泵系統及熱管理架構，并對相關部件進行單獨研發，研發投入相對較高。在商業化程度上，目前在歐盟和美國銷售的新設計車型大部分都采用了 R1234yf 為制冷工質。在中國，蔚來汽車和沃爾沃汽車成為首批使用 R1234yf 制冷劑的汽車企業，由此可見 R1234yf 的商業普及性上具有很好的優勢。18 參考文獻：參考文獻：24 張劍波,盧蘭光,李哲.車用動力電池系統的關鍵技術與學科前沿J.汽車安全與節能學報,2012,3(02):87104.31 鄒慧明,唐坐

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