R1234yf在新能源電動車熱泵空調系統的安全應用研究

汪琳琳，焦鵬飛，王 偉，牟連嵩，劉雙喜

（1.天津大學 機械工程學院，天津 300072；2.中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300）

前言

溫室效應使地球表面的溫度上升，氟利昂等制冷劑的使用對此有著重要的影響。汽車空調是泄漏到大氣中制冷劑的主要來源之一。R134a是全世界的汽車空調供應商采用的主要制冷劑，其全球變暖潛值GWP高達1 420。根據《京都議定書》、美國溫室氣體相關法規和歐盟 F-gas法規的要求，在主要發達國家地區已開始了對R134a的逐步消減和限控。隨著《蒙特利爾議定書》基加利修正案的簽訂和生效，和響應國家2030碳達峰與2060碳中和的目標，新型環保制冷劑替代在我國開始受到了關注，從2024年開始對R134a實施凍結并逐步消減。

制冷劑的替代不僅考察熱物性，安全性如毒性、可燃性及其對應措施也是必須考察的因素。本文總結了國內外對R1234yf安全性相關的研究，針對汽車熱泵空調系統，分析了2種不同車型的電動汽車乘員艙空間對應的制冷劑充注量限值。建議如果充注量超過限值應采取警報和自動開啟汽車外循環新風系統。

1 國內外關于R1234yf危險性研究

1.1 R1234yf熱物性

R1234yf作為R134a的替代制冷劑之一，其GWP為4，文獻[1-2]列出了2種制冷劑的物性對比。由于R1234yf物性與R134a相近，在汽車空調上只需對零部件與系統進行適當優化便可直接替代 R134a使用。已有理論與試驗對制冷劑R1234yf與 R134a熱泵空調系統性能進行了對比分析研究[3-6]，R1234yf熱泵空調系統的制熱、制冷量與COP比R134a低10%以內。

1.2 生成HF有毒氣體

HF屬剌激性有毒氣體。霍尼韋爾和杜邦對 R1234yf進行了毒性檢測[7]，認為R1234yf屬于低毒類化學物質，當吸入時可引起嗜睡和注意力不集中，頭暈眼花，眼睛、皮膚和呼吸道系統不適。

R1234yf在燃燒時產生 HF毒氣體也有相關研究。2010年6月德國聯邦材料研究與測試所（BAM）發布了R1234yf點燃情景的最終試驗報告[8]，聲稱 R1234yf暴露于點火源后會生成有毒HF氣體。朱明善等[9]指出，在汽車空調中 R1234yf由于熱分解和燃燒所生成的HF濃度超標導致危害人身健康的大風險事故率與R134a的屬于同一數量級。影響實際燃燒產物HF濃度的因素有三種[10]：（1）與燃燒反應程度有關；（2）與實際燃燒反應過程機理復雜有關；（3）與反應的周圍環境有關。馮彪等[10]自主設計并搭建了封閉環境下反應、泄壓、稀釋和濃度測試連續系統。測試結果表明，試驗環境溫度為27～30℃時，R1234yf的可燃極限范圍為8.2%～11.5%；在溫度為 26～30.5℃時，在可燃極限范圍內，隨著 R1234yf濃度的增加，燃燒產生的HF濃度先增加后減少，HF濃度危險峰值為18.3 ppm。

1.3 可燃性

R1234yf被美國采暖、制冷和空調工程師協會（ASH-RAE）評定為A2L，具有輕微的可燃性。相較于其他制冷劑來說，R1234yf具有更低的燃燒區域、燃燒速度和更高的點燃能量，R1234yf的可燃性最小[11]。

對于汽車空調，人們主要關注發動機和乘客車廂內部發生火災的風險。霍尼韋爾公司的科研人員設計了鋼板實驗及車廂內明火點燃實驗。將鋼板加熱至一定溫度，觀察R1234yf是否出現可燃現象。結果表明，在550 ℃及800 ℃的鋼板實驗情況下，均未出現燃燒現象。在900 ℃情況下，如果泄漏的R1234yf伴隨有壓縮機潤滑油是可燃的。并且其因泄漏而導致的起火情況可以忽略。針對汽車空調的可燃事故風險分析，文獻[12]得出了每單位車輛單位行駛小時內，可燃風險率為10-14量級。這個概率大致相當于每年行駛500 h的全美2.5億輛客車，每百年才發生1次可燃的危害事故。

Rui Zhai等[13]研究了R1234yf在不同濕度下的可燃極限，并探究了濕度對可燃極限的影響方式。隨著濕度的增加，R1234yf的可燃極限區間在增加。為了減小制冷劑的可燃極限范圍，Biao Feng等[14]測試了常溫常壓下R227ea和R134a作為阻燃劑對R1234yf的影響。實驗結果顯示R227ea對于R1234yf的阻燃效果優于R134a，加入阻燃劑能降低R1234yf的燃燒速度。

盡管如此，因為具有可燃性且燃燒后的生成物具有毒性，歐盟一些車企還是對R1234yf存遲疑態度。采用了熱泵空調系統和電池液冷卻的新能源電動汽車，系統所需制冷劑的充注量增加。如果制冷劑在乘客車廂內發生泄漏，車內制冷劑濃度比傳統車高，此時乘客如果使用明火，就有可能導致R1234yf在乘員艙內燃燒。因此，需要對新能源汽車熱泵空調系統的制冷劑可燃性及其如充注量、濕度等影響因素進行進一步研究。

2 汽車空調用微燃制冷劑R1234yf充注量限值

一輛A級相當車或者小SUV，傳統空調充注量在450~550 g，B級車充注量620 g。對于采用熱泵空調系統并利用系統液冷冷卻電池的電動汽車，熱泵空調系統的制冷劑充注量在1 000~1 300 g（標準熱泵—10 ℃），間接熱泵比直接熱泵空調系統充注量多，帶噴氣增焓的熱泵系統多需要加 200 g。表1是幾種車型的制冷劑充注量。較傳統汽車空調系統制冷劑充注量增加了400～800 g。相比傳統汽車空調系統，如果熱泵空調系統制冷劑在乘員艙泄漏，會增加乘員艙制冷劑的濃度，如果遇明火風險就會加大。有必要分析制冷劑充注量、制冷劑泄漏與可燃危險的影響和關系。

表1 2種車型的制冷劑充注量

然而，國內外并沒有任何相關標準對汽車空調制冷劑的充注量進行限制規定。我國國家標準GB/T 9237-2017《制冷系統及熱泵安全與環境要求》[15]中對房間空調器采用不同安全級別可燃制冷劑的制冷系統的安裝場所及充注量進行了規定。本文參考此標準對房間空調系統的使用空間和安裝場所的分類，找到與汽車空調相同的使用空間和安裝場所，根據相應的計算方法，對汽車空調采用可燃制冷劑時的充注量進行了計算與分析。

文獻[15]列出了以毒性等級為 A規定制冷系統制冷劑充注量的限值和以可燃性等級為2 L規定制冷系統制冷劑充注量的限值。使用空間類別按照b進行分類，即提供給有限數量的人聚集。安裝場所類別按照第Ⅱ類機械設備安置在使用空間進行分類，因為壓縮機一般安裝在汽車的前端車廂內，認為汽車空調系統屬于壓縮機在機房或露天空間。由表4可見，以毒性規定時，汽車空調系統無充注量限值。只需要根據表5以可燃性等級為2 L規定計算制冷劑充注量。

可燃性等級為2 L級制冷劑R1234yf，由于燃燒速度較低，著火風險也較低，封頂系數可提高1.5倍。根據文獻附錄B查制冷劑R1234yf的LFL值為0.289 kgm-3。系統制冷劑充注量限值計算式：

式中：m1為系統中制冷劑充注量限值，單位為kg；V為乘員艙空間體積，單位為m3；LFL為制冷劑可燃性下限，單位為kgm-3。

根據標準，當使用2 L類制冷劑而充注量大于m1時，可采取式（2）來確定一個房間的最大充注量：

式中：mmax為房間中最大允許制冷劑充注量，單位為kg；A為房間面積，單位為m2；h0為安裝高度，單位為m。根據建議高度，所有制冷系統的安裝高度采用0.6 m。

如果式（2）值較大，則采用式（3）根據最小房間面積計算系統中制冷劑充注量m2：

式中：m2為按最小房間面積計算系統制冷劑充注量限值，單位為kg；Amin為最小房間面積，單位為m2。

制冷劑充注量單位是 kgm-3，如果考慮用在汽車，應是排除車內部件與乘客的車內容積。參考以上標準及計算公式，分析并計算三款不同車型的純電動汽車乘員艙空間對應的制冷劑R1234yf充注量限值。圖1是乘員艙不含座椅、儀表盤等實際可使用空間體積的截面示意圖。

圖1 汽車乘員艙不含座椅等截面積示意圖

表2是按照無人、含司機一人、含乘客四人的汽車實際使用空間體積，汽車乘員艙面積、汽車乘員艙最小面積，根據公式（1）～（3）計算的制冷劑充注量限制。采用對象乘用車A00級和A級車型進行分析。由于標準GB/T 9237-2017是按照機房規定的制冷量充注量限值，而對于乘用車而言，由于乘員艙體積與面積比較小，因此表 2計算結果mmax與m2比m1的值小。乘用車的制冷劑充注量限值用m1值進行分析。將計算結果與表1現有國內汽車制冷系統制冷劑充注量進行對比可見，對于單冷系統，車型A00與A級的制冷系統制冷劑充注量約為計算充注量限值m1的三分之一。對于采用熱泵空調系統的A級車，尤其是間接制熱系統的制冷劑充注量最高達到1 300 g，與計算有四人乘客的熱泵系統制冷劑充注量限值m1基本接近。由此可見，乘用車采用可燃制冷劑R1234yf熱泵系統時，制冷劑充注量是必須考慮的可燃危險因素之一。

表2 兩種車型乘員艙體積內體積及制冷劑充注量限值

對于使用可燃制冷劑 R1234yf，應嚴格按照制冷劑充注量限制充注制冷劑。如果為滿足舒適性要求制冷劑充注量超過限值，應采用警報裝進預警以保證汽車的安全行駛，或制冷劑泄漏超過制冷劑允許濃度限值，汽車自動開啟新風系統，提示司機開窗行駛，并且應制定相關標準對系統制冷劑的允許充注量進行約束。

3 結論

本文從安全方面分析了制冷劑R1234yf用于新能源純電動汽車熱泵空調系統的可行性。

（1）參考國家標準 GB/T 9237-2017《制冷系統及熱泵安全與環境要求》，分析并計算了兩款純電動汽車乘員艙空間對應的制冷劑充注量限值。提出對使用微燃制冷劑 R1234yf的汽車熱泵空調，如果系統超出了推薦充注量值，要安裝制冷劑泄漏濃度報警并自動開啟外循環的建議。

（2）建議制定相關標準，充分考慮影響制冷劑可燃性的因素，包括濕度，規范汽車空調系統制冷劑充注量的限值。

綜上所述，在保證充注量限值或采取安全預警的情況下，汽車熱泵空調系統用R1234yf作為代替R134a制冷劑是可行的。