摘 要：

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1300［1］，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 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%。

能和㶲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㶲分析。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%，㶲效率降低 3.4%~4.6%。王洪利等［12］研究带回热器的 R1234yf 热泵系统 的能量和㶲，结果表明：与 R134a 系统相比，过热 度对 R1234yf 系统影响更大。能和㶲分析只能对 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）、㶲（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）、㶲（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，学者运用能和㶲 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、㶲、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.

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。

制冷剂的质量流量可以由下面的公式求得：

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 ε-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：

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：

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：

日均驾驶时间的数据见参考文献［17］。选 取 2 个比较有代表性的城市：广州和北京。其中北 京日均驾驶时间为 1.86 h，日均驾驶里程为 35 km；广州日均驾驶时间为 1.73 h，日均驾驶里程为 26.2 km。空调系统在制冷和制热模式下的能耗 可以根据该地的太阳辐射度和平均温度估算出。

电动汽车热泵空调对全球变暖的影响是通过 碳足迹法来评估的。碳足迹法是指产品或服务 在其整个寿命周期内的等效二氧化碳排放量的总 和［18］。车辆全寿命周期的温室气体排放量可分 为 2 个主要阶段：直接寿命制冷剂泄漏排放（DE） 和间接寿命制冷剂泄漏排放（IE）。直接排放源 于制冷剂的泄漏和损失，其计算式如下：

间接排放包括能源消耗、材料、制冷剂的制 造、材料和流体的处置。间接排放中具体 CO2 排放量来自多项研究［19-20］，计算式如下：

本文使用的多因素评估方法是由 SAATY 等［21］ 提出的层次分析法。多因素可行性评价的目标由 4 个标准组成：能量、㶲、经济和环境性，包括 6 个 指标：制冷量、COP、㶲损、㶲效率、经济性成本和 基于生命周期的 CO2 当量排放量。各个指标因 素的影响可以通过乘以它们的权重来叠加，以生 成可行性水平值（FL）：

使用重要性等级数将层次分析法应用于每个 指标的权重分配。其标准化分级如下：1 表示极 低，2 表示低，3 表示中，4 表示高，5 表示极高。其 次，应该对每个指标的权重分别进行讨论见表 3， 8 种情况下的各个指标的侧重度不同。

不同压缩机转速下各制冷剂的制冷量和 COP 如图 3 所示。当压缩机转速从 900 r/min 增 加到 3 600 r/min 时，3 种制冷剂的制冷量和COP 都会增加，其中 R1234yf 的制冷量比 R134a 的低 4% 左右，但 R1234ze（E）的制冷量相比于 R134a 会低 20%~24%。这是因为 3 种制冷剂中 R134a 的蒸发潜热最高，而 R1234ze（E）的蒸发潜热 最 低。在 相 同 转 速 下，R134a 的 COP 最 大，而 R1234ze（E）的COP最小；当转速为 4 500 r/min 时，R1234yf 和 R134a 的 COP 会略微下降。

图 4 示出了在相同条件下 3 种制冷剂系统的 各部件的㶲损占比。当压缩机转速为 3 600 r/min， 蒸发器进口空气温度为 26 ℃，冷凝器进口空气温 度为 35 ℃时，3 种制冷剂系统的压缩机都拥有最 高的㶲损占比，约为 42%~43%，其次是蒸发器占 比约 28%~30%，最低的膨胀阀仅为 8% 左右。制 冷剂对各部件的㶲损占比影响差别不大。

图 5 示出了不同压缩机转速下 3 种制冷剂的 系统总㶲损和㶲效率。

随 着 压 缩 机 转 速 的 增 加，3 种 制 冷 剂 的 系 统 㶲 损 均 增 大，R1234yf 和 R1234ze（E）的 系 统㶲效率也增大，而 R134a 的㶲效率则先增加 后减小。在相同转速下，R134a 的㶲效率高于 R1234yf 和 R1234ze（E），且 R1234ze（E）的㶲 效率最低。R1234yf 和 R134a 的㶲损大小相差不 大，而 R1234ze（E）的系统㶲损相比前两者要低 30%~44%。

图 6 示出了不同冷凝器入口空气温度下 3 种 制冷剂的系统总㶲损和㶲效率。随着冷凝器入口 空气温度的增加，3 种制冷剂系统的㶲损和㶲效 率都是先增加后降低。

图 7 示出了不同蒸发器入口空气温度下 3 种 制冷剂的系统总㶲损和㶲效率。

随着蒸发器入口空气温度的增加，3 种制冷 剂的系统㶲损均增加，系统㶲效率均呈现出先增 加后降低的趋势。

将使用 R134a 制冷剂的热敏电阻（PTC）电 加热的单冷空调作为能耗基线进行计算，并进一 步分析使用不同制冷剂时热泵空调的能耗。

图 8 示出了广州和北京使用不同制冷剂时 的年均能耗。当使用不同制冷剂时，R134a 的年 均能耗最小，R1234yf 的能耗略高于 R134a。由于 R1234ze（E）的热容量相对较低，因此满足车舱制 热需求需要更高的能耗，与 R134a 相比能耗约高 25%~37%。当使用热泵代替 PTC 制热时，因广州 的制热量需求较小，相比之下没有明显变化；但 在北京使用热泵代替 PTC 制热时，R1234ze（E）、 R1234yf 和 R134a 可节约能耗分别为 30.12%， 56.4% 和 70.45% 左右。

图 9 示出了在车辆生命周期使用不同制冷剂 的 CO2 当量排放。发现使用 R134a 作为电动汽 车热泵空调系统中的制冷剂时，生命周期 CO2 当 量排放量约为 R1234ze（E）或 R1234yf 的 6.5 倍和 3.67 倍。使用 R1234ze（E）或 R1234yf 作为制 冷剂时，它们会使电动汽车热泵空调系统运行的 电力消耗和相关的间接排放较高一些。这是由于 R1234ze（E）和 R1234yf 的 GWP 值较低，制冷剂 泄漏导致的直接排放量较低。

在相同的操作条件下，计算出 3 种制冷剂的 制冷量、COP、㶲损、㶲效率、经济性成本和基于生 命周期的 CO2 当量排放量等 6 个指标，然后将单 个指标进行规范化处理，每个指标都将转换为无 量纲参数，然后根据表 3 中不同的权重分配来计 算 8 种情况下的可行性值。

R134a、R1234yf 和 R1234ze（E）在不同权重 情况下的可行性值见表 5。情况 1~4 被用作验证 多因素评估方法的可行性。能量、㶲、经济和环境 标准的权重分别分配为 100％。结果表明，对于使 用 R134a 的情况 1 和 3，** FL 为满分 5 分，对 于使用 R134a 的情况 4，最小 FL 为 0.09。R134a 表现出**的热经济性能，但对环境的影响最差。R1234ze（E）表现出**的环境影响，但热经济 性能最低。R1234yf 有较好的环境影响，并且其 他指标都处于中等水平。同时，情况 5-8 中对于 不同的指标权重分配时，R1234yf 的 FL 值都处于 较高水平。因此，R1234yf 有较大潜力作为 R134a 的替代品。

（1）因 3 种制冷剂的蒸发潜热不同，其热容 量也不同。R1234yf 和 R134a 的热容量相差不 大，但 R1234ze（E）的 热 容 量 相 比 于 R134a 低 20%~24%。

（2）压缩机和蒸发器是系统㶲损的**部件。使用 3 种不同制冷剂时，压缩机和蒸发器的总㶲 损超过了 70%。R1234yf 和 R134a 系统的总㶲损 相差不大，并且远远高于 R1234ze（E）系统。提 高压缩机转速、增加蒸发器和冷凝器入口温度都 会提高系统的㶲效率，但是增加过高反而会降低 㶲效率。

（3）在典型城市广州和北京，当使用不同制 冷剂时，R134a 的年均能耗最小，R1234yf 的能耗 略高于 R134a，R1234ze（E）的年均能耗比 R134a 约高了 25%~37%。

（4）在多因素评估中，当考虑环境因素时， R1234ze（E）和 R1234yf 的可行性水平值要远高 于 R134a。R134a 的环境性最差，其生命周期 CO2 当量排放量约为 R1234ze（E）或 R1234yf 的 6.5 倍和 3.67 倍。

（5）在不同权重情况下，R1234yf 的可行性水 平值都处于较高水平，因此 R1234yf 比 R1234ze （E）更 适 合 作 为 R134a 的 替 代 制 冷 剂。使 用 R1234yf 的电动汽车热泵空调系统基本可以达到 R134a 系统的综合性能，且兼具较好的环保性。

免责声明：内容来源吴成会,张坤,徐美君,等.基于R1234yf和R1234ze(E)的电动汽车空调系统的4E分析[J].流体机械, 2023, 51(2):90-97.，版权归原创作者所有，如因作品内容、版权等存在问题，烦请联系小编进行删除或洽谈版权使用事宜。