项目编号： ??1716? ?

天然碳氢制冷剂R290空调系统安全关键技术研究

Key Technologies Research of Security on Nature Hydrocarbon Refrigerant R290 Mobile Air Conditioning System

 

项目研制单位：上海交通大学、上海汽车集团股份有限公司技术中心

主要研制人员：陈江平、王天英、施骏业、潘乐燕、牛凤仙、柳慈翀、李万勇、张耘、高天元

主题词：R290；二次回路；性能优化；安全性研究

1、研究内容介绍

1.1 项目目的及意义

根据国家倡导的汽车空调系统的节能环保主题方向，从降低压缩机排量、提高电动车热泵系统在低温下的制热效率、替代现有R134a制冷剂并满足未来环保法规的要求开发R290空调热泵系统同时进行应用安全技术研究。最终通过在实车中的系统测试，使得R290空调热泵系统与现有R134a系统性能相当或更优，同时针对R290制冷剂形成整车安装布置策略、完成整车系统安全模型评价，提出安全解决措施方案。

1.2? 建立的R290汽车热泵空调系统及部件仿真模型，其计算结果与实验结果误差在10%以内

针对R290制冷剂的特性以及R290二次回路车用热泵空调系统的结构，分别建立了R290板式换热器、冷暖风芯体、稳态换热器的仿真模型，以及R290二次回路车用热泵空调的系统模型，并基于台架实验数据对系统仿真模型进行校核，结果表明所开发的系统仿真模型具有良好的精度，可以为R290二次回路系统的优化设计提供指导方向。

图1-1 二次回路KULI系统仿真图

1.3? 设计了R290二次回路车用热泵空调系统，能实现多工况换热需求

设计了一套R290二次车用热泵空调系统，如图1-2所示。这套二次回路是由一套制冷剂系统和一套二次循环系统组成的。其中制冷剂系统由传统四大件构成，包括压缩机、电子膨胀阀、冷凝器以及蒸发器。其中冷凝器和蒸发器均可以采用板式换热器的形式，既可以减小制冷系统的体积，同时可以减小系统的充注量。二次循环系统包括三个换热器（一个室内冷风芯体、一个室内暖风芯体以及一个室外侧的水箱），一个膨胀水壶，两个水泵分别负责两侧水的驱动，两个球阀和一个三通水阀来完成各个模式之间的切换。

图1-2 R290二次回路系统图

1.4? 基于管道泄漏模型完成R290汽车热泵空调系统安全性评估，结果显示二次回路能有效降低甚至完全避免R290作为汽车空调制冷剂使用的安全隐患

搭建了如图1-3所示自然泄漏与强制泄漏的实验台架，分别对R290一次回路二次回路汽车空调系统进行了R290泄漏后的浓度模拟分析，并结合实验结果，基于故障树模型对一次回路与二次回路系统分别进行了安全风险评估（图1-4，图1-5）。分析结果表明采用R290二次回路集成封装的形式，可以避免由于R290通过HVAC进入乘客舱的风险，同时可以减缓发动机舱内R290聚集的情况，相较于R290一次回路系统，二次回路的系统形式能有效地将R290的应用风险降低一个数量级，与R1234yf汽车空调系统的安全性能基本相当。如果能限制R290系统的充注量，可以有效降低甚至完全避免R290作为汽车空调制冷剂使用的安全隐患。

图1-3 R290气体泄漏实验台架

图1-4 R290一次回路故障树模型分析结果

图1-5 R290二次回路故障树模型分析结果

1.5? 针对R290制冷剂特性，优化后的R290的二次回路系统性能能完全满足电动汽车夏季制冷与冬季采暖需求

针对二次回路出现的性能衰减，基于R290二次回路系统仿真模型，对板式换热器容量对系统性能的影响进行了研究。同时，设计改良了原有的二次回路系统结构，通过冷、暖风芯体串联的形式有效提升空气侧的换热面积。与原有的二次回路结构相比，冷暖芯串联的结构大大的增大了空气侧的换热面积，同时不需要对原有的HVAC结构做出很大的调整就可以达到提高系统性能与系统效率的目的。

图1-6 优化后的R290二次回路系统结构

1.6? 优化后的R290二次回路汽车空调系统的实车测试温度曲线满足汽车工业标准要求

R290二次回路系统制冷性能测试结果及温度曲线如图1-7所示，与原车R134a性能对比如图1-8所示。结果显示在30min、60min时，车内呼吸点温度R290略高于R134a，90min时R290车内呼吸点温度低于R134a，分析认为这主要是由于二次回路传热的滞后性所造成的；10min以后R290平均出风温度为13.62℃，低于R134a平均出风温度13.9℃；可以认为R290二次回路制冷性能与原车R134a性能相当；

图1-7 空调测试温度曲线

图1-8 空调性能对比

R290二次回路系统制热性能测试结果及温度曲线如图1-9所示，与原车R134a性能对比如图1-10所示。结果显示在各转速下R290相较于原车R134a系统制热性能提升明显，出风温度提升6℃以上，系统制热量提升1000W，COP最高提升11%。

图1-9 热泵测试温度曲线

图1-10 热泵性能对比

2、技术创新点

搭建了R290二次回路系统仿真模型，设计比试制了R290二次回路系统，基于仿真计算及台架实验结果，优化改进了R290二次回路热泵空调系统并对R290应用于车用空调系统进行了系统性安全风险评估计算。

3、专利/获奖情况

3.1 形成发明专利

3.1.1汽车热回收空调系统 专利号：CN201711320217

一种电动汽车热回收二次回路热泵空调系统，包括:由压缩式机、冷凝器的制冷剂侧部分、膨胀阀、蒸发器的制冷剂侧部分、气液分离器依次串联构成的制冷回路、由冷凝器的水侧部分、第一水泵、第二水泵和蒸发器的水侧部分依次串联构成的车载空调回路，其中:室内暖风芯体、室内排风热回收热交换器和内冷风芯分别并联设置于车载空调回路中。本发明通过二次回路能够充分利用车内排出的废热，在空调模式降低系统冷凝温度，在热泵模式提高系统蒸发温度从而有效地提升了系统的运行效率。

3.3.2.采用二次回路的汽车空调系统 专利号：CN201811513256

一种采用二次回路的汽车空调系统，包括:依次相连组成环路的冷凝板换热器、压缩机、蒸发板换热器、车前换热器，其中:冷凝板换热器与车前换热器之间设有并联的第一球阀和第一膨胀阀，蒸发板换热器与车前换热器之间设有第二膨胀阀，车前换热器与压缩机之间进一步通过第二球阀相连，冷凝板换热器和蒸发板换热器分别与暖芯和冷芯相连。本发明通过载冷剂回路的切换增大了制冷模式下的换热面积，有效地增强了系统的制冷性能;在空调制冷模式时通过将空调箱中的制冷用的冷芯和制热用的暖芯串联起来，增大冷芯的换热面积以提高制冷效率，并通过载冷剂回路中阀的控制完成制冷、制热以及除霜模式的转换。

?3.2项目期间发表论文

[1]. Liu Cichong, Zhang Yun, Gao Tianyuan, et al. Performance evaluation of propane heat pump system for electric vehicle in cold climate[J]. International Journal of Refrigeration, 2018, 95:51-60. (SCI, EI)

[2].?? Liu Cichong, Wang Dandong, Sun Ziyang, et al. Effects of charge on the performance of R290 air conditioner with different expansion devices[J]. Applied Thermal Engieering, 2018, 140:498-504.(SCI, EI)

[3]. Zhang Yun, Liu Cichong, Wang Tianying, et al. Leakage analysis and concentration distribution of R290 in the automobile air conditioner system. International Journal of Refrigeration. 110:286-294.(SCI, EI)

[4]. 柳慈翀，张耘，高天元，王天英，施骏业，陈江平. 天然碳氢制冷剂R290在汽车空调中的应用研究[J]. 汽车工程,2018.（EI）

4、成果应用及经济效益预测

新型制冷剂R290以系统安全性和性能改进为目标，作为替代R134a的制冷剂选择之一，可使我国汽车工业在新一轮的技术革新中做好相应的技术储备，从而在竞争和发展中处于主动；同时，可以适用于各类汽车空调系统的开发，尤其是在电动车上的应用，具有重大的经济效益。

新型制冷剂R290适应当今世界制冷剂替代形式，对环境更加友好，为今后我国汽车工业的绿色发展奠定基础，具有广泛的社会效益。