新型环保制冷剂在轨道车辆空调中的应用探讨

齐 然

(中车株洲电力机车有限公司 湖南 株洲 412000)

1 背景

目前全球轨道车辆的绝大多数空调系统采用了卤化烃类化合物作为制冷剂。

尽管氟烃氢(HFC)制冷剂对臭氧层没有破坏， 但由于其温室效应的能力较强(使用GWP100指标进行衡量)， 因此， 受到了密切的关注。 2016年10月， “蒙特利尔公约”在卢旺达首都基加利得到修订，形成了《基加利修正案》， 把HFC加入了受控物质清单中。 根据该修正案， 包括中国在内的发展中国家承诺在2024年开始执行HFC类物质的削减工作， 发达国家则更加提前(从2019年开始)。欧美等其他一部分国家和地区也都有类似的HFC削减法规。

相关行业开展的研究工作显示，新型制冷剂的应用方案是可行的，本文从典型制冷剂的物理特性及其安全性出发，分析不同制冷剂替代方案的优势和劣势，探讨了新型环保制冷剂在轨道车辆空调中的应用前景。

2 制冷剂的比较和可行的制冷剂替代方案

表1为目前轨道车辆空调常用的制冷剂，以及将来可能的替代制冷剂的组分、安全性和环保方面的数据。

表1 轨道车辆空调常用和可能的替代制冷剂的特点

制冷剂在轨道车辆空调应用时考虑的两个关键因素是安全性和环保性。GB/T 7778—2017、ASHRAE 34—2016等标准根据制冷剂毒性和可燃性的不同对其进行安全性分组。

对于ODP等于0且GWP100较小的环保型卤代烃制冷剂，其可燃性通常较高，比如R-134a的替代方案R-1234yf的GWP100小于1，但安全性分组是A2L，在采用该组内制冷剂时，应进行充分的风险性分析。R-513A的GWP100较低(573)，且其安全性分组是A1，可以作为一种过渡的制冷剂替代方案选用。

除了安全性和环保性之外，制冷剂的选取还应评估如下因素：

(1)制冷剂的热力学特性，这些参数影响制冷系统的性能、能效水平和压缩机的单位容积制冷量。

轨道车辆空调实际运行的环境温度变化范围较宽，最高环境温度通常高于45 ℃。制冷剂的临界温度和临界压力在高温环境应用时是重要的物理特性参数。如表2所示，目前常用的常规制冷剂都可以满足轨道车辆的应用要求。R-134a及R-1234yf等替代制冷剂的临界温度接近或超过100 ℃，尤其适用于较高或超高温环境的应用；而R-410A的临界温度仅71.36 ℃，通常不建议用于50 ℃以上的环境温度。R-744(二氧化碳)的临界温度仅30.98 ℃，因此车辆空调在运行时制冷循环将采用跨临界循环，系统的性能将比其他制冷剂差，且系统运行压力很高，对产品加工工艺提出了更高的要求。

表2 制冷剂的物理特性[1]

制冷剂在运行时的压缩比、单位制冷量的制冷剂流量、排气量、能效比和排气温度等运行特性参数决定了制冷系统运行的系统状态和能耗水平。表3比较了各种制冷剂的有关参数，它们的运行工况均为平均蒸发温度7.2 ℃，平均冷凝温度30.0 ℃，系统无再冷、无过热，且压缩效率是100%。从表4可以看出：R-134a等常规制冷剂的运行压力不高，能效比等运行参数处于较良好的水平。R-22与R-407C的运行参数近似；R-134a与R-1234yf的运行参数近似，且它们所需的压缩机排气量比R-22要高出60%以上；R-410A的所需压缩机排气量较低，比R-22低30%；R-744(二氧化碳)的能效比低、系统压力偏高且排气温度偏高，但其所需压缩机的排气量仅为R-22的28%，因此压缩设备的尺寸较小。

(2)制冷剂的材料特性，包括稳定性，及其与金属、密封材料、润滑油的兼容性。

表3中所示的各种制冷剂均可以兼容车辆空调制冷系统中的常用金属材料和橡胶等密封材料，但与润滑油兼容性之间的差异较大，如R-22较适用于矿物油，而R-134a等其他制冷剂更适合使用POE类合成润滑油。在选取新型制冷剂时，应对其材料兼容性进行充分评估。

表3 单位制冷量(1 kW)的制冷剂运行特性参数的比较[1]

(3)制冷剂及有关附加成本。

R-22、R-134a、R-407C和R-410A等常用制冷剂材料价格较低，而R-1234yf等新型环保制冷剂的采购价格仍较高，甚至达到常用制冷剂的50倍以上。但在一些特定的国家或地区，比如欧洲，选用GWP100较高的制冷剂需要支付一定的税额，间接增加了采购成本。而对于自然工质制冷剂R-744(二氧化碳)，虽然其采购价格较低，但因其超高的运行压力，相关系统部件的价格远超过常规空调产品，车辆空调系统的整机价格通常数倍于常规空调。

综上所述：

(1)轨道车辆空调目前广泛使用的常规制冷剂R-134a、R-407C和R-410A的环境适应性满足轨道行业的要求，且系统运行时具有良好的性能参数，但由于它们的GWP100较高，将引起较强的温室效应，环保性较差。

(2)该行业使用量较大的R-134a和R-407C均有GWP100较低的替代方案：环保制冷剂R-1234yf和R-513A用于替代R-134a，R-454C用于替代R-407C。替代时，制冷系统不需要进行过大的设计变更，可以实现快速替代。其中R-1234yf和R-454C的GWP100均低于150，可长期满足法规的要求；但由于具有一定的可燃性，在应用时需要就安全性进行空调产品的风险分析。R-513A的GWP100比R-134a低56%且安全性等级是A1，可以在短期内作为替代R-134a的可选方案。

(3)自然工质制冷剂R-744(二氧化碳)环保性能优良，但具有系统能效水平低、系统压力高、采用跨临界制冷循环等缺点[2]，与常规空调产品相比需要进行较大的设计优化以及应用风险分析。

(4)上述环保的制冷剂替代方案将引起较大的材料成本或间接成本的增加，从而增加了空调产品的采购成本。

3 替代制冷剂的应用分析

表4比较了HFO类制冷剂和自然工质制冷剂R-744在应用方面的特点。总体来看，HFO类制冷剂作为替代方案在技术上更容易实现，但由于部分具有可燃性，应进行相应的风险分析或预防性设计；而R-744不可燃，且更容易获得，但系统更复杂且不容易实现。

表4 HFO类和自然工质R-744制冷剂的应用特点比较

3.1 HFO类制冷剂的应用

R-1234yf已经在汽车空调等行业得到应用，它的物理特性与R-134a非常接近，可实现在现有系统基础上进行直接灌注替代。R-513A作为R-1234yf和R-134a的混合物，其性质同样和R-134a非常接近[3]。经仿真计算分析，在轨道车辆空调应用的环境温度/湿度为35 ℃/65%、车厢内温度/湿度为26 ℃/60%时，采用这三种制冷剂的制冷量、输入功率和能效比之间的差异均在3%以内。R-454C与R-407C具备类似的性能，其性能差异在5%以内，应用时需要对系统部件进行细微的设计变更。

在安全性方面，R-513A的安全性等级为A1，可以直接在轨道车辆空调产品中应用。

R-1234yf和R-454C具有低可燃性，在使用时应该尽可能减少系统的充注量，或者在无法避免泄漏且车厢内浓度可能超过临界浓度阈值时，应参照欧盟汽车空调指令2006/410/EC使用二次循环将制冷剂与车厢进行隔离。

3.2 自然工质R-744(二氧化碳)的应用分析

R-744的临界温度低，临界压力高，导致它和常规制冷剂在应用中存在较大差异。在外温较高时，制冷循环处于跨临界循环，在系统的高压一侧无法实现相变换热；高压制冷剂的压力也独立于温度，在实际运行时需要同时监控气体冷却器出口的压力和温度，控制逻辑也更复杂。超高的运行压力也为系统部件的承压性能带来了挑战，部件设计的难度和成本都远高于常规系统(见表5)。

表5 HFO类和自然工质R-744制冷剂的评价

在系统性能方面，由于R-744的单位容积制冷量远大于常规制冷剂，压缩机的尺寸较小，但其制冷运行时的能效比较低。文献[3]针对大巴车辆空调的测试数据显示，在环境温度为35 ℃时其能效比(COP)比R-407C制冷剂大约低25%。但采用R-744的空调产品的制热性能较好，在环境温度为-5 ℃时，其能效比(COP)比R-407C约高30%；而且其制热运行可耐受的最低环境温度更低，可实现在-25 ℃时正常运转(R-407C最低运行环境温度约为-10 ℃)。因此，R-744在气候条件较温和或冬季运行时间较长的国家或地区将有更好的应用前景。

4 展望

随着相关环保法规的颁布，轨道车辆空调目前广泛使用的HFC类制冷剂的用量将受到削减，并逐渐被淘汰，新型的自然工质或HFO类环保制冷剂将逐渐进入市场。但由于HFO类制冷剂的可燃性、R-744制冷剂的超高压力等问题的存在，在新型环保制冷剂得到广泛应用以前，还需进行更深入的风险分析以及系统和新部件的研究和开发。