电动汽车热泵全生命周期气候性能评估模型与环保制冷剂减排分析

电动汽车热泵全生命周期气候性能评估模型与环保制冷剂减排分析

随着新能源汽车的快速发展，其热泵系统的环保性能和能效成为实现“双碳”目标的关键因素。本文基于7个城市的气候数据，开发了适用于电动汽车热泵的全生命周期气候性能（LCCP）评估模型，并对不同环保制冷剂的减排效果进行了详细分析。

为满足我国“双碳”目标和《蒙特利尔议定书》基加利修正案的要求，采用低全球变暖潜能值（GWP）的热泵系统有助于全面减少新能源汽车碳排放。然而，目前对于采用何种低GWP工质尚无定论，几乎所有研究仅仅采用GWP值来衡量制冷剂的环保性能，对低GWP工质热泵系统全生命周期气候性能的认识明显不足，同时也缺少适用于新能源汽车热泵的LCCP评估模型。

为此，本文基于7个城市的气候数据、当地供电特性、真实世界驾驶循环、乘员舱冷热负荷与舒适性、热泵系统台架测试等，新开发了适用于电动汽车热泵的完整LCCP模型。基于该模型，对传统高GWP工质R134a和R410A、低GWP工质CO2，以及先前开发的新型高效环保工质CO2/R41（GWP为49）、M2（非共沸混合物，GWP为137）在电动汽车热泵中的全生命周期环境影响作了评估。

LCCP评估模型

在整个热泵系统的使用寿命过程中，制冷剂及其在系统中应用所造成的等效二氧化碳排放总量EMtotal包括直接排放和间接排放：

其中，Adp.GWP用于评估制冷剂在大气中降解产物所造成的环境影响。RLreg、RLirreg、RLser、RLEOL分别代表系统管路和连接处造成的常规制冷剂泄漏量、事故型非常规泄漏量、维修服务过程中造成的制冷剂泄漏量以及报废过程造成的二次泄漏量。

间接排放的计算公式如下：

其中，Mfg是指生产制冷剂和系统部件制造过程中造成的排放，包含系统（部件）从工厂运输到组装工厂环节造成的排放，OT代表制冷系统运输过程中的当量CO2排放，EOL是指制冷剂和系统部件报废处理及回收过程造成的当量CO2排放，SO是指系统运行过程中造成的排放。

数据采集与分析

本文从中国和美国选取了7个具有典型气候的城市作为研究案例，分别是温和气候（北京、上海和芝加哥）、暖和气候（广州和凤凰城）以及寒冷气候（哈尔滨和法戈）。气候条件数据用于预测系统的输入功率、空调负荷以及车内热舒适性。

结果与讨论

图5(a)所示为采用不同工质热泵系统的CO2直接排放，可以看出，制冷剂种类对CO2直接排放起决定作用，同一城市气候条件下的直接碳排放与制冷剂的GWP大小保持高度一致。采用新型制冷剂M2和CO2/R41的系统在全生命周期下的直接排放相比R134a系统平均分别减少了90%和97%，而R410A系统的直接排放则比R134a高出46%，CO2系统的直接排放几乎可以忽略。

图6为电动汽车热泵在制冷和制热模式下的年运行能耗与COP性能。从图6(a)可以看出，对所有制冷剂而言，制冷能耗与不同城市的气候条件有着极高的相关性，相比于温和及寒冷气候，在炎热天气下，系统制冷运行时间更长，因而消耗更多的电量。R410A的制冷能耗较R134a高，新制冷剂M2的能耗比R134a多7%~52%，但低于R410A。由图6(b)可知，这是因为R134a系统比R410A和M2运行效率COP更高，M2的COP略高于R410A。在所有制冷剂中，CO2系统能耗最高，这是因为在制冷模式下，CO2系统效率最低。与CO2相比，CO2/R41系统能耗低得多。在温暖气候下，CO2/R41的COP略高于R410A和M2，使得CO2/R41的能耗水平低于R410A和M2。

结论

本文通过建立适用于电动汽车热泵的LCCP模型，评价了制冷剂全生命周期气候性能，探究了R134a、R410A、CO2和新型环保制冷剂CO2/R41、M2的环境影响，主要结论如下：

1. LCCP模型中的能耗模型预测热泵系统COP的精度在±6.5%。能耗结果表明，在大部分地区，相比传统电加热系统，电动汽车热泵系统可节约36%~69%的电力。

2. 直接排放主要与制冷剂的GWP相关，几乎不受气候影响。间接排放主要受气候、制冷剂类型以及发电碳强度的影响。提高清洁能源发电占比能够显著降低系统的间接排放。在间接排放中，工业制造和报废回收造成的影响仅占5%，主要影响来自系统运行，占85%。

3. R410A热泵系统的直接和间接排放均高于R134a，总排放约高出11%36%。新制冷剂M2热泵系统的间接排放相比R134a高2%27%，直接排放则减少了97%，总排放相比R134a减少了约3%35%，且比R410A低14%71%。

4. CO2热泵系统的直接排放可忽略，在如哈尔滨、法戈这样的寒冷地区，其间接排放相比R134a减少了7%，总能耗相比R134a系统减少了6%27%；但是在上海这样的温暖地区，碳排放强度较高，CO2的能耗则高出20%。在本文所研究的制冷剂中，CO2/R41电动汽车热泵系统LCCP最低，其LCCP值相比R134a系统减少了5%42%，相比CO2系统减少了1%~21%。

5. 本文所建立的模型与计算结果可为基于LCCP性能的制冷剂替代选择提供参考。未来，根据我国能源结构、区域气候条件，因地制宜发展电动汽车热泵技术，采用低GWP新型制冷剂，不断提高能源利用效率和清洁能源发电比例，对降低电动汽车热泵全生命周期碳排放具有重大潜力。

本文原文来自《科学通报》