Преимущества и проблемы использования хладагента CO₂ (R744) в автомобильных системах кондиционирования воздуха

Преимущества хладагента CO₂

1. Безопасность и экологичность.

Как показано в Таблице 1, CO₂, являясь природным хладагентом, негорюч, нетоксичен, не имеет потенциала разрушения озона (ODP) и чрезвычайно низкого потенциала глобального потепления (GWP). Эти характеристики делают его идеальным выбором для экологически чистых и безопасных хладагентов.

Хладагент	Р134а	R1234yf	Р744
Молекулярная формула	CF3CH2F	CF3CF=CH2	СО2
Стандартная точка кипения /℃	-26.1	-30	-78.5
Критическая температура /℃	101.1	95	31.1
Критическое давление /МПа	4.07	3.38	7.38
Значение ПГП	1430	4	1
Значение ОРС ①	0	0	0
Группа безопасности ②	А1 (Нетоксичный, Невоспламеняющийся)	А2Л	А1 (Нетоксичный, Невоспламеняющийся)
Стоимость / (юаней/кг)	48	400	6
Примеры моделей компрессоров Guchen	GC20A12	GC66B600	В разработке

① ODP: Потенциал разрушения озона
② Система классификации безопасности ASHRAE
А: Низкая токсичность;
1, 2L, 2, 3: Уровни воспламеняемости.
1: Негорючий.
2L: Легко воспламеняется с низкой скоростью распространения пламени.
2: Легковоспламеняющийся.
3: Легковоспламеняющийся.

В отличие от синтетических хладагентов, использование CO₂ в автомобильных системах кондиционирования воздуха исключает необходимость восстановления хладагента при утилизации автомобилей. CO₂ также широко доступен и недорог, что дает значительные преимущества по стоимости по сравнению с такими хладагентами, как R1234yf.

2. Исключительная эффективность нагрева.

Системы тепловых насосовчасто испытывают снижение эффективности нагрева в условиях низкой температуры. Это происходит из-за пониженной плотности газообразного хладагента при низких температурах, что приводит к снижению массового расхода, а также из-за того, что давление всасывания системы необходимо поддерживать положительным за счет ограничения скорости компрессора.
На рисунках 1 и 2 показано, что CO₂ имеет гораздо более высокую плотность газа и давление испарения по сравнению с R134a или R1234yf, что позволяет ему поддерживать превосходные характеристики нагрева даже в условиях низких температур.

На рисунке 3 показана теплопроизводительность (в пересчете на рабочий объем компрессора в см³) для трех типов хладагентов при различных температурах окружающей среды. Теплопроизводительность системы CO2 при различных температурах окружающей среды в 7–11 раз выше, чем у систем R134a или R1234yf. Система CO2 по-прежнему сохраняет высокую теплопроизводительность, особенно при низких температурах, что позволяет применять системы тепловых насосов, использующие CO2 в качестве хладагента, в регионах или сезонах с более низкими температурами. Кроме того, такой высокий тепловой потенциал теоретически позволяет электромобилям, использующим CO2 в качестве хладагента теплового насоса, отказаться от обычно используемых электрических нагревателей, тем самым повышая энергоэффективность и снижая затраты на систему.
Связанное чтение:
Двухступенчатые системы теплового насоса со спиральным компрессором с впрыском пара для электромобилей при низких температурах

Проблемы хладагента CO₂

1. Низкая эффективность охлаждения и обогрева.

Системы CO₂ обычно работают в транскритических состояниях, когда хладагент находится в сверхкритическом состоянии на стороне высокого давления. Значительные потери энергии на этапе регулирования расширения приводят к снижению эффективности цикла.
Исследования показывают, что системы CO₂ имеют эффективность цикла на 20–40% ниже, чем системы R134a или R1234yf, причем этот недостаток становится более выраженным при более высоких температурах окружающей среды. Более низкий КПД приводит к снижению энергоэффективности, увеличению расхода топлива в транспортных средствах внутреннего сгорания или потребления электроэнергии в электромобилях.
Однако при экстремально низких температурах (ниже -10°C) эффективность тепловых насосов CO₂ превосходит эффективность систем R134a или R1234yf. Это связано с тем, что последние системы требуют вспомогательного электрического отопления из-за ограниченных возможностей теплового насоса, что значительно снижает эффективность отопления. Передовые технологии, такие как эжекторы и расширительные устройства, изучаются для повышения эффективности цикла CO₂, но они все еще находятся на экспериментальной стадии и сталкиваются с техническими препятствиями, которые препятствуют немедленному коммерческому применению.

2. Высокие выбросы углерода в течение жизненного цикла

Выбросы углерода в течение жизненного цикла автомобильных хладагентов для систем кондиционирования воздуха включают прямые и косвенные выбросы. Прямые выбросы возникают в результате утечки хладагента во время заправки, эксплуатации, технического обслуживания и утилизации по окончании срока службы, тогда как косвенные выбросы возникают в результате потребления энергии во время работы системы и производства/транспортировки хладагента.
Хотя CO₂ имеет незначительное значение ПГП, его низкая энергоэффективность во время работы приводит к значительно более высоким выбросам углерода в течение жизненного цикла по сравнению с R134a или R1234yf. Это особенно актуально в таких регионах, как Китай, где преимущества тепловых насосов CO₂ при низких температурах менее значительны из-за умеренного и субтропического климата.

3. Затраты и проблемы утечек, связанные с высоким рабочим давлением.

Системы CO₂ работают при давлении, превышающем 15 МПа, при этом перепад высокого давления часто превышает 12 МПа, а температура нагнетания достигает более 160°C. Эти экстремальные условия требуют перепроектирования всех компонентов контура хладагента, чтобы они могли выдерживать такие высокие давления и температуры, что значительно увеличивает стоимость компонентов.
Хотя CO₂ сам по себе стоит недорого, такие компоненты, каккомпрессоры, теплообменники, трубопроводы хладагента, сепараторы, клапаны и датчики давления стоят дороже, чем их аналоги в системах R134a или R1234yf, что увеличивает общую стоимость системы как минимум на 2500 иен.
Кроме того, меньший размер молекул CO₂ увеличивает риск утечек через шланги или соединители в условиях высокой температуры и высокого давления. Несмотря на то, что были разработаны специализированные уплотнительные материалы для систем CO₂, их эффективность остается неоптимальной, что требует более частой дозаправки хладагента для поддержания производительности системы.

4. Проблемы безопасности

Хотя CO₂ не токсичен и не имеет запаха, утечки в салон автомобиля могут представлять опасность для здоровья. Концентрация CO₂ всего в 1% может вызвать дискомфорт и сонливость, а концентрация в 2% может привести к головным болям и потере концентрации. При 5% может наступить потеря сознания или даже летальный исход.
Чтобы снизить риски, автомобили, использующие хладагенты CO₂, должны быть оснащены датчиками CO₂. Альтернативная конструкция предполагает непрямой теплообмен, при котором контуры хладагента ограничены моторным отсеком, а охлажденный воздух циркулирует в салоне. Однако такой подход снижает эффективность теплообмена, что еще больше снижает эффективность охлаждения системы.
Высокое давление в системах CO₂ также увеличивает риски безопасности во время разработки, тестирования и обслуживания.

Перспективы применения хладагентов CO₂

На основании анализа характеристик CO₂ и текущих технологических ограничений компания Guchen Industry приходит к выводу, что широкомасштабное внедрение автомобильных систем кондиционирования воздуха на CO₂ маловероятно в краткосрочной перспективе по следующим причинам:
◆ Эффективность и выбросы углерода. Более низкая энергоэффективность систем CO₂ увеличивает выбросы углерода в течение жизненного цикла, что противоречит глобальным целям по энергосбережению и углеродной нейтральности.
◆ Климатическая пригодность: тепловые насосы CO₂ превосходно работают в холодном климате, но преимущества менее значительны в регионах с умеренным климатом, таких как большая часть Китая.
◆ Проблемы стоимости и безопасности. Эксплуатация под высоким давлением приводит к увеличению затрат, рискам утечек и угрозам безопасности, для решения которых требуются дальнейшие технологические усовершенствования.

Тем не менее, природные свойства CO₂, в том числе негорючесть, низкая токсичность, нулевое разрушение озонового слоя и экономическая выгода, в сочетании с его исключительным потенциалом нагрева, открывают перспективы для будущего внедрения. По мере развития технологий автомобильные системы кондиционирования воздуха на основе CO₂ могут стать пригодными для более широкого спектра применений.