移动空调系统在电动车辆和传统车辆中替代构型的4E分析

《Applied Sciences》：4E Analysis of Alternative Configurations in Mobile Air Conditioning Used in Electromobility and Conventional Vehicles D. Méndez-Méndez, J. F. Ituna-Yudonago, J. J. Ramírez-Minguela, J. M. Belman-Flores and V. Pérez-García

　　

本研究分析了传统蒸汽压缩系统在传统、混合动力和电动车辆中使用的四种替代循环构型，旨在寻找R134a的低全球变暖潜能值（GWP）替代品。这些构型包括：带内部热交换器和热力膨胀阀的循环（IHX + TEV）；带内部热交换器和短管的循环（IHX + ST）；带喷射器的循环（EC）；以及带喷射器和内部热交换器的循环（EC + IHX）。同样，研究人员使用GWP小于150的合成制冷剂，分析了这些构型的能量、火用、火用经济和环境影响。结果表明，采用EC + IHX构型时，制冷剂R1234yf、R1234ze(E)、R1243zf和R516A的性能系数（COP）最高，增幅超过20%。在EC构型中使用R1243zf可以降低总成本比率。另一方面，在IHX循环构型中使用R444A和R445A会降低火用效率，并使总成本比率分别增加高达35%和70%。此外，总当量变暖影响（TEWI）分析显示，使用R1234ze(E)、R1234yf、R1243zf和R516A的喷射器循环构型可减少高达20%的排放。

**论文解读：移动空调系统替代制冷剂与循环构型的综合4E分析**

**一、 研究背景与问题**

移动空调（MAC）系统是汽车舒适性的关键组成部分，但其环境影响和能源消耗问题日益突出。目前，MAC系统广泛使用的制冷剂是氢氟烃（HFC）R134a，其全球变暖潜能值（GWP）高达1430，是系统中主要的温室气体排放源。据估计，R134a的年泄漏率可达初始充注量的6-9%。为应对气候变化，《蒙特利尔议定书》基加利修正案及欧盟、美国等地区的法规（如欧盟法规(EU) 2024/573）已明确要求，逐步淘汰高GWP制冷剂，并规定自2027年起，额定容量不超过12 kW的空调和热泵不得使用GWP > 150的制冷剂。

与此同时，汽车行业正经历从传统内燃机车辆向混合动力和电动车辆的转型。在传统车辆中，MAC系统消耗发动机总能量的12-17%，间接导致大量CO₂排放和燃料成本。在电动车辆中，虽然避免了燃料相关的间接污染，但MAC系统的运行可能消耗电池约77%的可用能量，严重制约了车辆的续航里程。因此，寻找环保、高效且经济的MAC系统解决方案，对于降低车辆整体环境影响和能源消耗至关重要。

当前研究主要聚焦于两类改进：一是寻找GWP低于150的环保替代制冷剂，如氢氟烯烃（HFOs）R1234yf、R1234ze(E)、R1243zf，以及HFC/HFO混合物R516A、R444A、R445A等；二是改进传统的蒸汽压缩循环构型以提高系统效率，例如引入内部热交换器（IHX）或使用喷射器（Ejector）替代传统膨胀装置。然而，现有研究多局限于单一维度（如仅分析能量性能），缺乏对多种替代方案从能量、火用、经济和环境（即4E）多角度进行的系统性综合比较与评估。此外，不同制冷剂在不同循环构型下的性能表现、经济成本和环境影响尚不明确，这阻碍了最优技术方案的筛选与应用。

**二、 研究目的、方法与总体结论**

为填补上述研究空白，本研究由D. Méndez-Méndez、J. F. Ituna-Yudonago、J. J. Ramírez-Minguela、J. M. Belman-Flores和V. Pérez-García共同完成，旨在对MAC系统进行全面的4E分析。研究人员选取了六种低GWP（<150）的替代制冷剂，并设计了五种循环构型（包括一种基本循环作为基准和四种改进构型），通过建立数学模型（在Python?中实现，并连接REFPROP物性数据库），系统评估了这些组合在多种运行工况下的性能。研究最终得出结论：结合喷射器与内部热交换器的循环构型（EC + IHX）能最大程度地提升环保制冷剂的性能系数（COP），同时，制冷剂R1243zf在多种构型中表现出色，是替代R134a的有力候选。该研究为未来环保、高效的MAC系统设计与制冷剂选择提供了重要的理论依据和数据支持，论文发表在《Applied Sciences》期刊。

**三、 关键技术方法**

为开展研究，研究人员主要采用了以下关键技术方法：
1. **多构型建模与仿真**：建立了五种MAC循环构型的稳态热力学模型，包括基本循环（BC）、带IHX和热力膨胀阀的循环（IHXC + TEV）、带IHX和短管的循环（IHXC + ST）、喷射器循环（EC）以及喷射器与IHX组合循环（EC + IHX）。模型基于质量、动量和能量守恒定律，并采用恒定压力混合模型分析喷射器。
2. **4E综合评估框架**：
* **能量分析**：计算了关键性能参数，如体积制冷量（VRC）和性能系数（COP）。
* **火用分析**：评估了各构型组件的火用损，并计算了火用效率，以识别能量利用的薄弱环节。
* **火用经济分析**：结合火用流与成本，计算了火用损成本、总成本比率和火用经济因子，从经济角度比较了不同方案。
* **环境分析**：采用总当量变暖影响（TEWI）指标，量化了不同国家情景下（如巴西、墨西哥、美国、中国、德国、印度）系统生命周期内的CO₂当量排放。
3. **参数化研究与验证**：设定了蒸发温度（0-16°C）和冷凝温度（45°C, 55°C）的变化范围进行参数研究。通过对比已有文献数据，验证了所建喷射器循环模型的准确性，误差不超过2%。并对喷射器部件效率进行了敏感性分析。

**四、 研究结果分析**

**3.1 能量分析结果**
* **体积制冷量（VRC）**：在基本循环（BC）中，所有替代制冷剂的VRC均低于R134a。引入IHX和短管（IHXC + ST）后，R516A的VRC可超过R134a。在喷射器循环（EC）中，所有制冷剂的VRC均显著提高，其中R445A增幅最大。
* **性能系数（COP）**：在BC中，R1243zf的COP与R134a相当，R444A和R445A则低很多。IHX构型（IHXC + TEV/ST）对COP改善有限。喷射器循环（EC）显著提升了COP，特别是对于R1234yf、R444A和R445A，使其性能可与R134a竞争。EC + IHX构型进一步提升了所有制冷剂的COP，其中R1243zf的COP增幅最高达11%。

**3.2 火用分析结果**
* **火用损分布**：在BC中，压缩机是主要的火用损源。R444A和R445A由于高压比和温度滑移（temperature glide），在压缩机和冷凝器中火用损很高。引入IHX可降低膨胀装置的火用损，但IHX本身成为新的火用损源。喷射器循环（EC）能显著降低系统总火用损，尤其是压缩机的火用损。
* **火用效率**：在BC中，R1243zf的火用效率与R134a相近。IHX构型在低蒸发温度下能提高火用效率。EC构型能显著提高R1234yf、R1234ze(E)、R516A和R1243zf的火用效率（增幅超15%），但对R444A和R445A改善有限。EC + IHX构型由于IHX增加了火用损，火用效率有所降低。

**3.3 火用经济分析结果**
* **火用损成本**：与R134a的BC相比，EC构型降低了所有制冷剂的火用损成本。IHX构型（IHXC + TEV/ST）和EC + IHX构型则普遍增加了火用损成本。
* **火用经济因子**：该因子反映了投资成本与火用损成本的相对重要性。低值表明火用损成本占主导，需提高效率；高值表明投资成本占主导。对于R444A和R445A，其火用经济因子较低，说明效率低下导致的高火用损成本是主要问题。EC构型提高了该因子，表明其通过改善效率有效降低了火用损成本的影响。

**3.4 多变量比较结果**
通过对比COP与总成本比率、火用效率与总火用损、火用经济因子与VRC等组合参数，研究人员发现：EC和EC + IHX构型在提升COP和VRC方面优势明显，但通常伴随着总成本比率的增加。对于环保制冷剂，EC构型在提高火用效率的同时降低了火用损。

**3.5 环境分析结果**
TEWI分析表明，使用低GWP制冷剂本身就能降低直接排放。进一步采用改进的循环构型，特别是EC和EC + IHX，通过减少能耗（间接排放），能实现更大幅度的总排放削减。对于R1234yf、R1234ze(E)、R1243zf和R516A，在EC + IHX构型下，TEWI可降低高达25%。在不同国家情景下，由于电网碳排放因子不同，减排效果有所差异，但在所有情景下，采用环保制冷剂和高效构型均能带来环境效益。

**五、 讨论与结论总结**

**讨论部分** 综合了各项分析结果，深入探讨了不同制冷剂与循环构型组合的优劣。研究指出，虽然R1243zf在基本循环中表现最佳，接近R134a的性能，但其VRC较低是需要考虑的因素。IHX构型对R444A和R445A这类共沸混合物帮助有限，甚至可能因增加火用损和成本而得不偿失。喷射器技术被证明是大幅提升系统能量和火用性能的关键，尤其能帮助R1234yf等制冷剂克服性能短板，但需注意其可能增加初期投资成本（总成本比率）。环境分析则从全生命周期角度证实了低GWP制冷剂结合高效循环构型的减排潜力。

**研究结论** 可概括为以下几点：
1. 制冷剂R1243zf作为R134a的直接替代品，在基本循环中表现出最佳的综合性能（COP和火用效率与R134a相当，总成本比率相近）。
2. 采用内部热交换器（IHX）与短管（ST）或热力膨胀阀（TEV）的循环构型有助于提高大多数制冷剂的COP，但对于R1234yf、R1234ze(E)、R1243zf和R516A，其改善效果足以使其COP超越基本循环中的R134a。然而，IHX与R444A和R445A的组合会降低火用效率，并使总成本比率大幅上升（分别达35%和70%）。
3. 带喷射器和内部热交换器的循环（EC + IHX）显示出最高的COP提升幅度。使用该构型时，R1234yf、R1234ze(E)、R1243zf和R516A的COP增幅超过20%，甚至R444A也能达到与R134a基本循环相当的性能。
4. 从火用和火用经济角度看，喷射器循环（EC）相较于使用R134a的基本循环具有显著优势。对于R1234yf、R1234ze(E)、R1243zf和R516A，EC构型能提高火用效率超过15%，降低总火用损达20%，并将体积制冷量提升高达80%。但需注意，R1234yf和R444A在EC构型中的总成本比率可能增加高达40%。
5. 通过TEWI分析发现，采用替代循环构型可减少排放。其中，喷射器循环（EC）及带喷射器和IHX的循环（EC + IHX）减排效果最为显著。使用R1234yf、R1234ze(E)、R1243zf和R516A时，排放量可减少高达25%。