俞彬彬,龍俊安,王丹東,等.電動(dòng)汽車(chē)熱泵全生命周期氣候性能評(píng)估模型與環(huán)保制冷劑減排分析[J].科學(xué)通報(bào), 2023, 68(7):12.

摘要 

為滿足我國(guó)“雙碳”(碳達(dá)峰、碳中和)目標(biāo)和《<蒙特利爾議定書(shū)>基加利修正案》的要求, 采用低全球變暖潛能值(global warming potential, GWP)的熱泵系統(tǒng)有助于從直接和間接兩個(gè)方面全面減少新能源汽車(chē)碳排放. 然而, 目前對(duì)于采用何種低GWP工質(zhì)尚無(wú)定論, 幾乎所有研究?jī)H僅采用GWP值來(lái)衡量制冷劑的環(huán)保性能, 對(duì)低GWP工質(zhì)熱泵系統(tǒng)全生命周期氣候性能(life cycle climate performance, LCCP)的認(rèn)識(shí)明顯不足, 同時(shí)也缺少適用于新能源汽車(chē)熱泵的LCCP評(píng)估模型. 為此, 本文基于7個(gè)城市的氣候數(shù)據(jù)、當(dāng)?shù)毓╇娞匦?、真?shí)世界駕駛循環(huán)、乘員艙冷熱負(fù)荷與舒適性、熱泵系統(tǒng)臺(tái)架測(cè)試等, 新開(kāi)發(fā)了適用于電動(dòng)汽車(chē)熱泵的完整LCCP模型. 基于該模型, 對(duì)傳統(tǒng)高GWP工質(zhì)R134a和R410A、低GWP工質(zhì)CO2, 以及先前開(kāi)發(fā)的新型高效環(huán)保工質(zhì)CO2/R41(GWP為49)、M2(非共沸混合物, GWP為137)在電動(dòng)汽車(chē)熱泵中的全生命周期環(huán)境影響作了評(píng)估. 結(jié)果表明, 建立的LCCP模型對(duì)熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)(coefficient of performance, COP)的預(yù)測(cè)精度在±6.5%. LCCP中的直接排放主要與制冷劑的GWP相關(guān),幾乎不受氣候影響, 而間接排放主要受氣候、制冷劑類(lèi)型以及發(fā)電碳排放強(qiáng)度的影響. 在本文所研究的制冷劑中,CO2/R41電動(dòng)汽車(chē)熱泵系統(tǒng)LCCP最低, 其LCCP值相比R134a系統(tǒng)減少了5%~42%, 相比CO2系統(tǒng)減少了1%~21%.本文所建立的模型與計(jì)算結(jié)果可為電動(dòng)汽車(chē)熱泵制冷劑替代政策的制定提供決策依據(jù)。

據(jù)工信部統(tǒng)計(jì), 截至2021年12月底, 中國(guó)汽車(chē)保有量達(dá)到3.02億輛, 其中新能源汽車(chē)保有量達(dá)784萬(wàn)輛, 這些汽車(chē)中的空調(diào)系統(tǒng)絕大多數(shù)仍在使用R134a制冷劑.R134a的全球變暖潛能值(global warming potential,GWP)為1340, 即R134a的溫室效應(yīng)是CO2的1340倍. 考慮到中國(guó)龐大的汽車(chē)保有量, 在運(yùn)行、維護(hù)和報(bào)廢生命周期中的制冷劑泄漏所引起的直接碳排放不容忽視.此外, 新能源汽車(chē)在低溫環(huán)境下不再有傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)余熱供熱, 需要熱泵系統(tǒng)滿足乘員艙供暖需求, 而R134a在低溫環(huán)境下的制熱能力通常會(huì)急劇下降, 當(dāng)溫度低于?5°C時(shí), 熱泵通常需要與電加熱一起配合使用, 其能源效率非常低, 進(jìn)而產(chǎn)生大量的間接碳排放. 隨著我國(guó)“雙碳”(碳達(dá)峰、碳中和)目標(biāo)的提出和《<蒙特利爾議定書(shū)>基加利修正案》的正式生效[1], 新能源汽車(chē)熱泵綠色高效發(fā)展勢(shì)在必行[2]. 一方面, 迫切需要將目前廣泛應(yīng)用的HFC(hydrofluorocarbon)制冷劑R134a向低溫室效應(yīng)工質(zhì)轉(zhuǎn)換, 減少直接排放; 另一方面, 需要不斷提高熱泵能效以減少間接排放. 目前人們對(duì)電動(dòng)汽車(chē)熱泵制冷劑環(huán)保特性的評(píng)價(jià)還主要停留在GWP值,對(duì)使用該制冷劑后系統(tǒng)性能的變化關(guān)注較少. 因此, 有必要采用全生命周期氣候性能(life cycle climate performance, LCCP)指標(biāo)綜合評(píng)估直接和間接兩種影響, 計(jì)算電動(dòng)汽車(chē)熱泵系統(tǒng)“從搖籃到墳?zāi)埂闭麄€(gè)生命周期內(nèi)產(chǎn)生的當(dāng)量CO2排放總量。

此前, 已有研究針對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)中的空調(diào)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了LCCP模型, 例如GREEN-MAC-LCCP[3,4]及其改進(jìn)版本LCCP2013[5]. 這兩個(gè)模型分析了汽車(chē)空調(diào)生產(chǎn)、運(yùn)輸、運(yùn)行、回收過(guò)程中每一個(gè)環(huán)節(jié)的環(huán)境影響.據(jù)此, 研究人員評(píng)估了R134a替代物在傳統(tǒng)汽車(chē)空調(diào)中使用的環(huán)境影響, 如CO2[6]、HFO-1234yf[7], 從而為汽車(chē)空調(diào)替代制冷劑選取, 節(jié)能優(yōu)化技術(shù)提供指導(dǎo)[8]. 然而, 目前已有的LCCP研究?jī)H限于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)空調(diào),關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)熱泵類(lèi)似的LCCP分析未見(jiàn)報(bào)道. 事實(shí)上,新能源汽車(chē)熱泵與傳統(tǒng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)存在明顯區(qū)別,如圖1所示. 直觀上看, 典型的熱泵系統(tǒng)比空調(diào)系統(tǒng)更為復(fù)雜, 由于電動(dòng)汽車(chē)制冷制熱均由同一套熱泵系統(tǒng)提供, 熱泵正常工作的環(huán)境溫度需要降到?20°C, 因而需要更多的換熱器、閥以及管路來(lái)實(shí)現(xiàn)模式切換. 另外, 從模型開(kāi)發(fā)的角度, 傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的LCCP模型僅包含制冷模式相關(guān)的子模型, 而新能源汽車(chē)熱泵的LCCP模型還需另外新增制熱模式相關(guān)的子模型, 制熱負(fù)荷、制熱能耗、制熱排放的模型都需要重新開(kāi)發(fā), PMV-PPD(predicted mean vote-predictedpercent dissatisfied)熱舒適模型需要增加制熱模式開(kāi)啟、關(guān)閉的判定, 并耦合到熱泵系統(tǒng)的總運(yùn)行時(shí)間和能耗計(jì)算中. 此外, 不同制冷劑在制熱模式下的運(yùn)行特點(diǎn)不同, R134a等常規(guī)制冷劑一般只能在?5°C以上的環(huán)境使用, 低溫環(huán)境下制熱量不足, 需要額外的正溫度系數(shù)(positive temperature coefficient, PTC)電加熱輔助,這也需要熱泵模式和PTC之間的切換判定. 另外, 傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)中的空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展成熟, 研究廣泛, 數(shù)據(jù)獲取容易, 而新能源汽車(chē)熱泵系統(tǒng)發(fā)展時(shí)間短, 不同制冷劑的公開(kāi)數(shù)據(jù)較少, 給模型開(kāi)發(fā)帶來(lái)了挑戰(zhàn). 這些差異使得為傳統(tǒng)汽車(chē)空調(diào)開(kāi)發(fā)的LCCP模型不再適用于電動(dòng)汽車(chē)熱泵系統(tǒng)。

理想的R134a替代制冷劑在熱泵系統(tǒng)的制冷和制熱模式下均需表現(xiàn)出良好的性能. 然而, 到目前為止,由于環(huán)境影響和系統(tǒng)性能之間的權(quán)衡, 電動(dòng)汽車(chē)制冷劑替代還沒(méi)有一個(gè)全球公認(rèn)的解決方案. R1234yf在寒冷氣候下的制熱性能不足[9]. 雖然CO2熱泵顯示出優(yōu)越的制熱性能[10,11], 但在高環(huán)境溫度下(35°C以上), 其制冷性能系數(shù)(coefficient of performance, COP)衰減嚴(yán)重[12], 且CO2熱泵高壓對(duì)其應(yīng)用提出了挑戰(zhàn). R290比R134a具有更高的體積制熱能力和更好的COP, 但其強(qiáng)可燃性可能引發(fā)嚴(yán)重的安全問(wèn)題[13]. 盡管基于R410A的熱泵系統(tǒng)能夠滿足乘客舒適度要求[14], 但R410A的GWP高達(dá)2088, 從環(huán)境影響的角度來(lái)看是不能接受的.為了解決上述問(wèn)題, 我們之前提出了一些其他可能的解決方案, 例如, 與純CO2相比, 應(yīng)用CO2/R41混合物能在提高制冷制熱能效的同時(shí)降低系統(tǒng)運(yùn)行壓力[15]. 我們還評(píng)估了混合物M2(R32/R1123/R161/R13I1 22%/30%/13%/35%)作為R410A的直接替代物, 其GWP值僅為137, 同時(shí)具有與R410A相似的系統(tǒng)性能[16]. 對(duì)這些新型制冷劑, 需要從LCCP的角度進(jìn)一步分析其環(huán)境影響。

綜上, 中國(guó)擁有世界上最多的新能源汽車(chē)保有量,因此有必要從全生命周期的角度研究熱泵對(duì)環(huán)境的影響, 并評(píng)估低GWP替代制冷劑的減排潛力. 然而, 目前還沒(méi)有針對(duì)新能源汽車(chē)熱泵的LCCP評(píng)估模型, 尤其是分析現(xiàn)有低GWP制冷劑的全生命周期碳排放, 這使得政策制定者和行業(yè)難以確定未來(lái)的選擇. 本研究旨在為新能源汽車(chē)熱泵系統(tǒng)開(kāi)發(fā)一個(gè)全面的LCCP模型, 通過(guò)對(duì)構(gòu)成LCCP指標(biāo)的每個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)分析, 依據(jù)熱泵系統(tǒng)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、不同地域的氣候條件、車(chē)輛行駛及熱泵使用情況等信息, 建立起一個(gè)適用于不同城市氣候條件和行駛條件的LCCP模型, 并利用LCCP模型對(duì)采用新型制冷劑的電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行研究, 比較系統(tǒng)的環(huán)境性能優(yōu)劣, 為選擇新制冷劑技術(shù)的政策制定者提供決策依據(jù)。

1.數(shù)據(jù)和方法 

1.1 LCCP評(píng)估模型

在整個(gè)熱泵系統(tǒng)的使用壽命過(guò)程中, 制冷劑及其在系統(tǒng)中應(yīng)用所造成的等效二氧化碳排放總量EMtotal包括直接排放和間接排放:

其中, Adp.GWP用于評(píng)估制冷劑在大氣中降解產(chǎn)物所造成的環(huán)境影響. RLreg、RLirreg、RLser、RLEOL分別代表系統(tǒng)管路和連接處造成的常規(guī)制冷劑泄漏量、事故型非常規(guī)泄漏量、維修服務(wù)過(guò)程中造成的制冷劑泄漏量以及報(bào)廢過(guò)程造成的二次泄漏量, 詳見(jiàn)表S1. 通常認(rèn)為, 電動(dòng)汽車(chē)熱泵的制冷劑泄漏率和傳統(tǒng)汽車(chē)空調(diào)相同, 因此, 上述4部分排放的計(jì)算是基于已有傳統(tǒng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的LCCP模型[4]. R410A、M2和CO2/R41的Adp.GWP無(wú)相關(guān)參考數(shù)據(jù), 暫定為0. 生產(chǎn)新型制冷劑和CO2/R41混合物的過(guò)程中造成的排放目前無(wú)參考數(shù)據(jù), 暫時(shí)認(rèn)為與R134a保持一致.

間接排放的計(jì)算公式如下

其中, Mfg是指生產(chǎn)制冷劑和系統(tǒng)部件制造過(guò)程中造成的排放, 包含系統(tǒng)(部件)從工廠運(yùn)輸?shù)浇M裝工廠環(huán)節(jié)造成的排放, OT代表制冷系統(tǒng)運(yùn)輸過(guò)程中的當(dāng)量CO2排放, EOL是指制冷劑和系統(tǒng)部件報(bào)廢處理及回收過(guò)程造成的當(dāng)量CO2排放, SO是指系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中造成的排放. 考慮到Mfg和EOL排放與工業(yè)制造相關(guān), 汽車(chē)類(lèi)型對(duì)其影響極少, 因此采用已有方法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算[4],計(jì)算所需的輸入?yún)?shù)詳見(jiàn)表S2和S3. 但是OT和SO的計(jì)算是區(qū)別于傳統(tǒng)方法的, 原因有以下幾點(diǎn): (1) 電動(dòng)汽車(chē)熱泵系統(tǒng)是由電驅(qū)動(dòng)的, 因此, 造成排放的主要原因是電消耗而非燃油消耗; (2) 不同于皮帶輪壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速由內(nèi)燃機(jī)決定, 電動(dòng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速由車(chē)內(nèi)空調(diào)負(fù)荷決定; (3) 由于不存在燃油燃燒造成的余熱損失, 在寒冷環(huán)境下, 電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)向駕駛室供熱需要消耗電力, 這部分同樣需要加入排放計(jì)算. 下面主要針對(duì)OT和SO的計(jì)算進(jìn)行闡述. 

首先, 熱泵系統(tǒng)運(yùn)輸過(guò)程中的當(dāng)量CO2排放OT的計(jì)算公式如下:

其中, Eds代表電動(dòng)汽車(chē)每千克質(zhì)量的單位距離能耗;Msys是指空調(diào)系統(tǒng)的質(zhì)量, 零部件輸入?yún)?shù)詳見(jiàn)表S4;AVKT是車(chē)輛年平均行駛里程的縮寫(xiě); tlife是汽車(chē)壽命,CEF為發(fā)電的碳排放因子, 也即碳排放強(qiáng)度. 根據(jù)文獻(xiàn)[17~19]描述, 在空調(diào)關(guān)閉的模式下, 環(huán)境溫度分別為25和?7°C時(shí), 所測(cè)試的電動(dòng)汽車(chē)在全球統(tǒng)一輕量測(cè)試周期(world light vehicle test procedure, WLTP)行駛工況下的單位距離能耗分別為178.4和202.0 W h km?1. 為了簡(jiǎn)化計(jì)算, 本研究采用均值190.2 W h km?1. 此外, 研究表明: 當(dāng)質(zhì)量在小范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí), 電量消耗和汽車(chē)質(zhì)量呈線性關(guān)系[20]. 考慮系統(tǒng)質(zhì)量遠(yuǎn)小于汽車(chē)質(zhì)量, 系統(tǒng)質(zhì)量傳輸造成的能量消耗也可認(rèn)為與其質(zhì)量成正比. 因此, 以一臺(tái)質(zhì)量為1596 kg的電動(dòng)汽車(chē)為例, Eds定為0.1192 W h km?1 kg?1. 汽車(chē)的平均壽命為10 a, 汽車(chē)行駛數(shù)據(jù)和CEF根據(jù)區(qū)域的不同有所變化, 具體見(jiàn)1.2節(jié).

與系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)的排放SO, 通過(guò)基于圖2所示的能量消耗模型來(lái)計(jì)算. 能量消耗模型的輸入?yún)?shù)包括系統(tǒng)性能、氣候以及行駛數(shù)據(jù), 輸出參數(shù)包括單個(gè)電動(dòng)汽車(chē)的年電力消耗量. 能量消耗算法主要參照我們先前的研究工作[21]. 本研究對(duì)系統(tǒng)輸入功和運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行了改進(jìn), 模型的輸出為年電力消耗量W, 其計(jì)算公式如下:

其中Ptot,i和ti,sys-on分別代表全天某個(gè)特定時(shí)長(zhǎng)中, 系統(tǒng)的輸入功率和運(yùn)行時(shí)間; NDj代表每月的運(yùn)行天數(shù). 下角標(biāo)i和j分別代表一天24 h和一年12個(gè)月. 因此, 與全生命周期運(yùn)行相關(guān)的排放計(jì)算如下:

計(jì)算所需數(shù)據(jù)、系統(tǒng)性能以及改進(jìn)后的Ptot,i和ti,sys-on計(jì)算方法在1.3節(jié)進(jìn)行詳細(xì)闡述.

1.2 數(shù)據(jù)采集

首先, 氣候條件數(shù)據(jù)用于預(yù)測(cè)系統(tǒng)的輸入功率、空調(diào)負(fù)荷以及車(chē)內(nèi)熱舒適性. 本文從中國(guó)和美國(guó)選取了7個(gè)具有典型氣候的城市作為研究案例, 分別是溫和氣候(北京、上海和芝加哥)、暖和氣候(廣州和鳳凰城)以及寒冷氣候(哈爾濱和法戈). 上述城市的氣候數(shù)據(jù)來(lái)源分別是中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)天氣數(shù)據(jù)(CSWD)[22]、美國(guó)TMY3數(shù)據(jù)集[23]. 這些數(shù)據(jù)集包含了長(zhǎng)期平均氣候數(shù)據(jù), 包括時(shí)均干球溫度和每月相對(duì)濕度.

其次, 汽車(chē)行駛數(shù)據(jù)用于預(yù)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間. 中國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)AVKT的數(shù)據(jù)來(lái)自燃油消耗報(bào)告[24], 該報(bào)告發(fā)布了來(lái)自4555957個(gè)使用該軟件的中國(guó)私家車(chē)主提供的AVKT樣本數(shù)據(jù), 中國(guó)城市的私家車(chē)交通信息參考2019年由高德地圖發(fā)布的道路交通分析報(bào)告[25]. 美國(guó)城市的行駛數(shù)據(jù)參照2017年由美國(guó)交通局發(fā)布的全國(guó)家庭旅行調(diào)查報(bào)告中的數(shù)據(jù)[26]. 本研究采用如圖3所示的在途時(shí)均汽車(chē)運(yùn)行圖來(lái)計(jì)算每小時(shí)加權(quán)平均行駛時(shí)間[27]:

其中ti是指每小時(shí)加權(quán)平均行駛時(shí)間, td,wd和td,wk分別是工作日和周末的白天行駛時(shí)間, fi,wd和fi,wk分別是工作日和周末的行駛時(shí)間百分比. 下角標(biāo)i代表一天的24 h. 實(shí)際上, 周末的平均日間行駛距離是工作日的1.3倍. 因此, 在工作日和周末的路上平均行駛時(shí)速相同的前提下, 本文認(rèn)為周末的平均日間行駛時(shí)間同樣也是工作日的1.3倍:

模擬得到的每小時(shí)行駛時(shí)間ti用于計(jì)算系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間.

最后, 中國(guó)的CEF發(fā)電數(shù)據(jù)參考國(guó)家生態(tài)環(huán)境部2020年發(fā)布的報(bào)告[28], 美國(guó)的則參考環(huán)保署排放和發(fā)電資源綜合數(shù)據(jù)庫(kù)[29]. 相關(guān)數(shù)據(jù)匯總于表S5.

1.3 熱泵系統(tǒng)和功耗

典型的電動(dòng)汽車(chē)熱泵系統(tǒng)如圖4(a)所示, 通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取不同制冷劑的臺(tái)架性能測(cè)試數(shù)據(jù)[9~11,15,16]. 需要說(shuō)明的是, 制熱模式下R134a、R410A和混合制冷劑M2的最低運(yùn)行環(huán)境溫度為?10°C, 更低的環(huán)境溫度工況需要開(kāi)啟PTC加熱器, CO2和CO2/R41(50/50)的最低環(huán)境溫度則為?20°C. 由于環(huán)境氣候條件和車(chē)輛行駛速度都會(huì)影響熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的性能, 為了方便模型計(jì)算,本文將LCCP模型中的能耗預(yù)測(cè)子模型用到的熱泵系統(tǒng)COP擬合為環(huán)境溫度的函數(shù). 對(duì)于每一個(gè)環(huán)境測(cè)試工況, 實(shí)驗(yàn)測(cè)試均在多個(gè)不同的迎面風(fēng)速下進(jìn)行, 以模擬不同的車(chē)輛行駛速度, 進(jìn)而在不同的氣候條件下得到熱泵系統(tǒng)性能隨環(huán)境溫度變化的關(guān)系, 最后將系統(tǒng)性能擬合為環(huán)境溫度的函數(shù). 圖4(b)給出了本文建立的能耗模型預(yù)測(cè)所有制冷劑系統(tǒng)的COP與臺(tái)架實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到COP的對(duì)比, 可以看到, 能耗模型預(yù)測(cè)熱泵系統(tǒng)COP的精度在±6.5%.

氣候環(huán)境和汽車(chē)行駛速度均影響系統(tǒng)性能, 進(jìn)而影響能耗. 為評(píng)估上述因素的影響, 本文首先在每個(gè)單獨(dú)的氣候工況下(環(huán)境溫度及相對(duì)濕度)對(duì)性能數(shù)據(jù)與汽車(chē)行駛速度進(jìn)行擬合, 然后通過(guò)計(jì)算WLTC駕駛循環(huán)內(nèi)的時(shí)均性能數(shù)據(jù)得到循環(huán)周期內(nèi)的平均性能:

其中, t是指時(shí)間變量, T是行駛周期的總時(shí)長(zhǎng), pi是壓縮機(jī)耗功, 下角標(biāo)i表示一天中的小時(shí)數(shù), 為1~24 h. 將循環(huán)平均性能數(shù)據(jù)擬合為環(huán)境溫度的函數(shù), 并通過(guò)改變空氣焓值來(lái)考慮相對(duì)濕度的影響.

本文將PMV-PPD熱舒適模型[30]融合到系統(tǒng)輸入功率及運(yùn)行時(shí)間的計(jì)算中. 若要計(jì)算壓縮機(jī)耗功, 首先要明確系統(tǒng)運(yùn)行模式. 考慮到PMV指數(shù)與乘客熱感覺(jué)相關(guān), 將其用于評(píng)估系統(tǒng)的運(yùn)行模式(制冷或制熱)。

風(fēng)扇耗功Pfan,i通常根據(jù)壓縮機(jī)排氣壓力和汽車(chē)行駛速度進(jìn)行修正. 為簡(jiǎn)化計(jì)算, 本文對(duì)風(fēng)扇和鼓風(fēng)機(jī)采用與壓縮機(jī)耗功計(jì)算同樣的方法, 即采用全周期行駛的平均值, 相關(guān)數(shù)據(jù)匯總于表S6。

本文根據(jù)PPD指數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)電動(dòng)汽車(chē)熱泵系統(tǒng)的開(kāi)啟時(shí)間, 該指數(shù)是當(dāng)人們對(duì)熱環(huán)境感到不滿意時(shí)會(huì)打開(kāi)空調(diào)的統(tǒng)計(jì)百分比. 因此, 熱泵系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)平均通過(guò)駕駛時(shí)間和PPD指數(shù)相乘計(jì)算。

結(jié)合采集的數(shù)據(jù), 利用式(15)和(16)可以計(jì)算得到系統(tǒng)輸入功和運(yùn)行時(shí)間. 最終, 通過(guò)式(5)和(6)分別求得每年由熱泵系統(tǒng)運(yùn)行所導(dǎo)致的電力消耗和碳排放.

2 結(jié)果與討論

圖5(a)所示為采用不同工質(zhì)熱泵系統(tǒng)的CO2直接排放, 可以看出, 制冷劑種類(lèi)對(duì)CO2直接排放起決定作用,同一城市氣候條件下的直接碳排放與制冷劑的GWP大小保持高度一致. 采用新型制冷劑M2和CO2/R41的系統(tǒng)在全生命周期下的直接排放相比R134a系統(tǒng)平均分別減少了90%和97%, 而R410A系統(tǒng)的直接排放則比R134a高出46%, CO2系統(tǒng)的直接排放幾乎可以忽略.此外, 氣候條件也會(huì)對(duì)直接排放產(chǎn)生細(xì)微影響, 如式(2)所示, 直接排放和制冷劑泄漏速率相關(guān). 在溫暖和炎熱地區(qū), 如中國(guó)廣州與美國(guó)太陽(yáng)城, 電動(dòng)汽車(chē)熱泵系統(tǒng)的常規(guī)制冷劑泄漏速率隨著溫度升高而升高, 導(dǎo)致這些城市的直接排放略高于其他地區(qū). 即便如此, 不同地區(qū)的直接排放仍然相近, 表明降低制冷劑GWP是減少直接排放的關(guān)鍵.

如圖5(b)所示, 相比于直接排放, 間接排放的值要高得多, 總體來(lái)看, 不同城市之間的間接排放差異較大,這是因?yàn)椴煌鞘械臍夂驐l件、車(chē)輛駕駛及熱泵開(kāi)啟時(shí)間、當(dāng)?shù)匕l(fā)電碳排放強(qiáng)度都會(huì)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)熱泵系統(tǒng)間接排放產(chǎn)生重要影響. 對(duì)于溫暖地區(qū)廣州和太陽(yáng)城,全年平均溫度分別為22.2和24.3°C, 因此, 熱泵系統(tǒng)只需運(yùn)行在高效制冷模式, 且運(yùn)行時(shí)間也比其他城市低,導(dǎo)致間接排放較低. 溫和氣候區(qū)北京、上海、芝加哥的全年平均溫度分別為12.6、16.6、10.7°C, 表明熱泵系統(tǒng)制冷和制熱模式均要運(yùn)行, 但芝加哥的間接排放明顯比北京和上海低得多. 這是因?yàn)橹ゼ痈绲腃EF分別僅為北京、上海的42.0%和52.7%, 即清潔能源的發(fā)電比率越高, 熱泵系統(tǒng)的用電間接碳排放可以得到顯著下降; 對(duì)寒冷地區(qū)哈爾濱和法戈而言, 其全年平均氣溫僅為4和5.2°C, 熱泵系統(tǒng)大部分時(shí)間需要運(yùn)行在與PTC加熱器配合的制熱模式, 且發(fā)電碳排放強(qiáng)度相對(duì)較高, 導(dǎo)致其間接排放較高.

從圖5(b)也可以看到, 不同制冷劑對(duì)間接排放的影響在不同氣候條件城市之間存在顯著差異, CO2在溫暖與溫和氣候區(qū)域的間接排放均比其他制冷劑高, 而在寒冷地區(qū), 哈爾濱和法戈具有比R134a、R410A和M2更低的間接排放, 這與CO2低溫制熱效率高、制冷效率低的事實(shí)相印證, 表明CO2在寒冷地區(qū)具有間接排放優(yōu)勢(shì). 相比R134a, CO2在寒冷地區(qū)的間接排放減少了約7%; 采用M2的熱泵系統(tǒng)間接排放比R410A系統(tǒng)低, 但比R134a系統(tǒng)多了2%~27%; 在溫和及溫暖氣候下, CO2/R41的間接排放比CO2低9%~23%, 且與R134a系統(tǒng)相近, 但在法戈這樣的寒冷氣候下, CO2/R41的間接排放相比R134a系統(tǒng)減少了8%. 上述結(jié)果與電動(dòng)汽車(chē)熱泵系統(tǒng)能耗有相近的表現(xiàn)趨勢(shì), 具體闡述如下

圖6為電動(dòng)汽車(chē)熱泵在制冷和制熱模式下的年運(yùn)行能耗與COP性能. 從圖6(a)可以看出, 對(duì)所有制冷劑而言, 制冷能耗與不同城市的氣候條件有著極高的相關(guān)性, 相比于溫和及寒冷氣候, 在炎熱天氣下, 系統(tǒng)制冷運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng), 因而消耗更多的電量. R410A的制冷能耗較R134a高, 新制冷劑M2的能耗比R134a多7%~52%, 但低于R410A. 由圖6(b)可知, 這是因?yàn)镽134a系統(tǒng)比R410A和M2運(yùn)行效率COP更高, M2的COP略高于R410A. 在所有制冷劑中, CO2系統(tǒng)能耗最高, 這是因?yàn)樵谥评淠Ｊ较? CO2系統(tǒng)效率最低. 與CO2相比, CO2/R41系統(tǒng)能耗低得多. 在溫暖氣候下, CO2/R41的COP略高于R410A和M2, 使得CO2/R41的能耗水平低于R410A和M2.

對(duì)于制熱模式, 制熱能耗受不同城市氣候特征影響較大. 如圖6(c)所示, 電動(dòng)汽車(chē)熱泵系統(tǒng)在寒冷氣候下的能耗明顯高于溫和及溫暖氣候. 新制冷劑M2在制熱模式下相比R410A的能耗略少, 這是因?yàn)槠渲茻崮Ｊ较碌腃OP略高于R410A. 但是, 相比R134a, M2的能耗要高出1%~57%. 雖然在?5°C的環(huán)境溫度下, M2的制熱性能要優(yōu)于R134a, 但在0~10°C的運(yùn)行工況下, 其COP相對(duì)R134a較低, 導(dǎo)致M2的全年制熱能耗仍然高于R134a. 如圖6(c)所示, 制熱模式下, CO2熱泵系統(tǒng)相比R134a、R410A和M2所消耗的能量較少, 其制熱性能較好. 寒冷氣候下, CO2熱泵系統(tǒng)相比R134a的能耗降低了約21%. CO2/R41相比CO2具有較高的制熱COP,在溫暖與溫和氣候下, 能節(jié)省約25%的能耗. 但在如哈爾濱和法戈這樣的寒冷地區(qū), CO2/R41相比CO2的能耗較高, 這是因?yàn)镃O2/R41的制熱量低于CO2, 因此需要額外的電加熱以滿足寒冷環(huán)境下的熱負(fù)荷需求. 此外,圖6(c)展現(xiàn)了相比電加熱而言熱泵系統(tǒng)的節(jié)能潛力, 在大部分地區(qū), 相比純電加熱系統(tǒng), 采用熱泵可節(jié)約36%~ 69%電力. 值得注意的是, 在如廣州這樣的溫暖地區(qū),熱泵系統(tǒng)的能耗略高于電加熱. 這是因?yàn)殡妱?dòng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速有最低限制, 在溫暖氣候下, 制熱量超過(guò)了所需的熱負(fù)荷, 造成了浪費(fèi).

通過(guò)比較圖6(a), (c), 電動(dòng)汽車(chē)熱泵能耗主要與氣候條件相關(guān). 在溫暖氣候區(qū)域, 由制冷造成的能耗占比約為80%. 在寒冷氣候下, 超過(guò)85%的能耗是由制熱造成的. 但在溫和氣候下, 能耗百分比受制冷劑影響較大.對(duì)于R134a、R410A和M2系統(tǒng), 制冷能耗占20%~40%,對(duì)于CO2和CO2/R41系統(tǒng), 制冷能耗占比為40%~60%.

圖7以R134a為例, 進(jìn)一步展示了在不同地區(qū), 由于熱泵系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)的能耗和間接排放的比較. 圖7(a)解釋了碳排放強(qiáng)度對(duì)間接排放的影響. 一般而言, 間接排放和能耗分布是保持一致的. 但是, 值得注意的是, 即使上海的電動(dòng)汽車(chē)熱泵運(yùn)行能耗低于芝加哥, 但其間接排放卻相對(duì)較高. 這是因?yàn)椴煌趥鹘y(tǒng)汽車(chē)空調(diào)的排放來(lái)自燃油消耗, 電動(dòng)汽車(chē)熱泵運(yùn)行消耗的是電力,因此, 發(fā)電的碳排放強(qiáng)度會(huì)直接影響間接排放. 上海的高排放是由相對(duì)較高的碳排放強(qiáng)度導(dǎo)致的. 采用其他工質(zhì)的熱泵系統(tǒng)也表現(xiàn)出與R134a相同的趨勢(shì). 圖7(b)以R134a電動(dòng)汽車(chē)熱泵系統(tǒng)為例, 展示了不同因素對(duì)間接排放所造成的影響. 由于系統(tǒng)制造和報(bào)廢回收帶來(lái)的間接排放幾乎不受系統(tǒng)所在地區(qū)影響, 這兩部分加起來(lái)不超過(guò)90 kg CO2, 或總間接排放的5%; 由于在途運(yùn)輸造成的間接排放隨著地區(qū)不同而稍有變化, 大約占10%. 可以認(rèn)為, 不同制冷劑種類(lèi)和不同地區(qū)對(duì)以上3部分的間接排放影響是微乎其微的. 但是, 由系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)的間接排放占比超過(guò)85%, 即使認(rèn)為熱泵系統(tǒng)的部件質(zhì)量一樣, 汽車(chē)行駛距離和發(fā)電碳排放強(qiáng)度的不同均會(huì)引起間接排放的顯著變化. 為了進(jìn)一步說(shuō)明碳排放強(qiáng)度及其他參數(shù)的影響, 本文對(duì)碳排放強(qiáng)度CEF、COP、冷熱負(fù)荷及系統(tǒng)重量作了敏感性分析,當(dāng)這些參數(shù)在當(dāng)前水平的±30%范圍變化時(shí), 得到的LCCP總排放如圖7(c)~(f)所示. 可以看到, 降低CEF和負(fù)荷、提升COP能夠顯著降低熱泵系統(tǒng)的碳排放, 當(dāng)CEF降低30%時(shí), 各制冷劑的平均排放能夠降低27%,這就要求各個(gè)地區(qū)不斷增加清潔能源發(fā)電占比, 加快CEF的削減進(jìn)程. 另外, 低GWP的制冷劑不一定具有最低排放, 在大多數(shù)情況下, 占LCCP大部分的間接排放比GWP起著更重要的作用, 例如, GWP為150的制冷劑碳排放與GWP為750、CEF為?13.5%(圖7(c))或COP為+15%(圖7(d))或負(fù)荷為?14.6%(圖7(e))的制冷劑碳排放一樣, 而系統(tǒng)重量變化對(duì)碳排放的影響較小. 以上結(jié)果表明, CEF對(duì)LCCP減排的影響最顯著, 其次是冷熱負(fù)荷, 然后是COP, 而系統(tǒng)質(zhì)量的影響可以忽略不計(jì). 我們的結(jié)果證明, 現(xiàn)行GWP<150的法規(guī)并不是最佳解決方案, 未來(lái)的政策制定者必須全面量化全生命周期碳排放的影響.

綜上, 不同制冷劑電動(dòng)汽車(chē)熱泵系統(tǒng)的全生命周期總排放如圖8所示. 以R134a系統(tǒng)作為基準(zhǔn), 衡量了采用其他制冷劑對(duì)系統(tǒng)總排放帶來(lái)的變化. 采用R410A作為工質(zhì)的電動(dòng)汽車(chē)熱泵系統(tǒng), 總排放相比R134a增加了11%~36%. 雖然采用新制冷劑M2的熱泵系統(tǒng)相比R134a的間接排放高, 但總排放卻減少了3%~35%, 這是因?yàn)镸2系統(tǒng)直接排放相比R134a有所減少. 由于CO2的GWP值極低, 除上海以外, CO2熱泵系統(tǒng)的總排放相比R134a減少了6%~27%. 在哈爾濱、法戈等寒冷氣候下, CO2系統(tǒng)的排放低于M2系統(tǒng). 在所有研究的制冷劑中, CO2/R41熱泵系統(tǒng)的排放最少, 相比R134a減少了5%~42%, 相比CO2減少了1%~21%. 所有地區(qū)的平均總排放由高到低排列為: R410A > R134a > CO2 > M2 >CO2/R41。

3 結(jié)論 

本文通過(guò)建立適用于電動(dòng)汽車(chē)熱泵的LCCP模型,評(píng)價(jià)了制冷劑全生命周期氣候性能, 探究了R134a、R410A、CO2和新型環(huán)保制冷劑CO2/R41、M2的環(huán)境影響, 主要結(jié)論如下. 

（1) LCCP模型中的能耗模型預(yù)測(cè)熱泵系統(tǒng)COP的精度在±6.5%. 能耗結(jié)果表明, 在大部分地區(qū), 相比傳統(tǒng)電加熱系統(tǒng), 電動(dòng)汽車(chē)熱泵系統(tǒng)可節(jié)約36%~69%的電力. 

(2) 直接排放主要與制冷劑的GWP相關(guān), 幾乎不受氣候影響. 間接排放主要受氣候、制冷劑類(lèi)型以及發(fā)電碳強(qiáng)度的影響. 提高清潔能源發(fā)電占比能夠顯著降低系統(tǒng)的間接排放. 在間接排放中, 工業(yè)制造和報(bào)廢回收造成的影響僅占5%, 主要影響來(lái)自系統(tǒng)運(yùn)行,占85%. 

(3) R410A熱泵系統(tǒng)的直接和間接排放均高于R134a, 總排放約高出11%~36%. 新制冷劑M2熱泵系統(tǒng)的間接排放相比R134a高2%~27%, 直接排放則減少了97%, 總排放相比R134a減少了約3%~35%, 且比R410A低14%~71%. 

(4) CO2熱泵系統(tǒng)的直接排放可忽略, 在如哈爾濱、法戈這樣的寒冷地區(qū), 其間接排放相比R134a減少了7%, 總能耗相比R134a系統(tǒng)減少了6%~27%; 但是在上海這樣的溫暖地區(qū), 碳排放強(qiáng)度較高, CO2的能耗則高出20%. 在本文所研究的制冷劑中, CO2/R41電動(dòng)汽車(chē)熱泵系統(tǒng)LCCP最低, 其LCCP值相比R134a系統(tǒng)減少了5%~42%, 相比CO2系統(tǒng)減少了1%~21%.

(5) 本文所建立的模型與計(jì)算結(jié)果可為基于LCCP性能的制冷劑替代選擇提供參考. 未來(lái), 根據(jù)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)、區(qū)域氣候條件, 因地制宜發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)熱泵技術(shù), 采用低GWP新型制冷劑, 不斷提高能源利用效率和清潔能源發(fā)電比例, 對(duì)降低電動(dòng)汽車(chē)熱泵全生命周期碳排放具有重大潛力.