汽車空調系統換裝碳氫冷媒性能評估
113年11月10日
【本篇報導由車輛與能源工程學士學位學程 鄧敦平教授研究團隊提供】 在本研究選擇碳氫化合物（R600a和HR12）去評估作為R134a汽車空調（MAC）直接換裝之後的性能和可行性。MAC性能測試是在固定的室內條件（27°C/50% RH）和室外環境溫度（Toa=35°C）下進行以確定碳氫化合物的最佳充填量和可用性。研究結果顯示，HR12的最佳充填量為R134a的45%（247.5g），其冷氣能力（Qc）、除濕能力（DH）和能源效率比（EER）均顯著優於R134a和R600a。因此，HR12比R600a更適合取代R134a。就Toa變化對MAC性能的影響方面，在Toa為30℃時，MAC所使用的HR12的Qc、DH和EER分別比R134a高5.96%、6.62%和81.02%。MAC中使用的HR12和R134a在Toa為40°C時的Qc、DH和EER差異分別為1.02%、7.59%和-9.79%。結果顯示，40℃的Toa會導致HR12的EER大幅下降，這主要是由於MAC壓縮機驅動馬達的消耗電功率增加。然而，在本研究的Toa範圍（30-40℃）內，HR12的Qc和DH仍高於R134a，顯示HR12確實適合作為MAC中R134a的直接替代冷媒。 過去，大多數小型汽車空調（MAC）氯氟烴（CFC）R12已被氫氟烴（HFC）R134a取代。然而R134a仍然具有非常高的全球暖化潛勢（GWP）並加劇全球暖化問題。《蒙特婁議定書》於2016年通過了《基加利協議》，將HFCs納入管制物質並設定了家用冰箱，以及歐盟（含氟氣體法規）、美國（SNAP）和日本都為其使用制定了明確的監管時間表。歐盟於2017年禁止在MAC中使用R134a。美國計劃禁止2021年在MAC使用R134a。日本定於2023年禁止在MAC中使用R134a。上述規範均限制未來替代冷媒的GWP上限設定為150。根據臺灣交通部（MOTC）統計，2021年12月臺灣汽車總數為8,330,774輛，其中大部分汽車的空調系統仍使用R134a冷媒。因此除了開發未來新車要使用的新冷媒之外，開發現有汽車空調可直接換裝的替代冷媒也是重要的課題。目前全球在新車的汽車冷氣主要是使用R1234yf（HFO）、CO2以及碳氫（HC）冷媒。在現有MAC直接換裝研究方面則主要採用R1234yf、R152a（HCFs）以及碳氫（HCs）冷媒。碳氫冷媒具有極低的GWP（<20）以及極高的蒸發潛熱為本研究所關注。 本研究將使用圖一位於本校工教系的汽車空調設備進行新冷媒換裝測試，針對R134a、R600a以及HR12（R600a: R290=1:1, w/w）等三種冷媒進行測試。在最佳充填量測試時發現R600a的冷氣出風溫度太高不適合做為空調使用而剔除。最後選定HR12做為替代R134a冷媒的換裝冷媒，並在固定室內條件（27°C/50% RH）與不同外氣環境溫度（Toa=30°C、35°C以及40°C）之下進行空調機性能測試。 圖一：MAC實驗系統示意圖。 研究結果如圖二顯示，在不同外氣環境溫度（Toa）下使用R134a和HR12的MAC的COP以及HR12與R134a的COP差異百分率（DPCOP）。MAC使用R134a和HR12的COP皆隨著Toa的增加而降低，且當Toa為40℃時，HR12的COP略低於R134a。顯示HR12在高環境溫度的情況下，冷凍系統的系統性能會較差。MAC中HR12和R134a在Toa為30、35和40°C時的COP差異分別為25.67%、22.18%和-3.38%。 圖三顯示了在不同Toa下使用R134a和HR12的MAC的消耗電功率（Pe）和能源效率比（EER）。R134a和HR12的Pe隨著Toa的增加而增加，但EER隨著Toa的增加而減少。HR12在Toa為40°C時的PH和Tcond,sat高於R134a，導致Pe高於R134a。MAC中HR12和R134a在Toa為30、35和40°C時的Pe差異分別為-41.47%、-38.67%和12.02%。在Toa為40°C的MAC中，HR12與R134a相比Pe的增加率高於HR12與R134a相比Qc的增加率，導致HR12的EER較低。MAC與R134a在Toa為40°C時的比較。MAC中HR12和R134a在Toa為30、35和40°C時的EER差異分別為81.02%、72.17%和-9.79%。 圖二：MAC使用R134a和HR12在不同Toa下的COP和DPCOP。 圖三：MAC使用R134a和HR12在不同Toa下的Pe和EER。 相關研究結果顯示HR12在高環境溫度的情況之下，其性能表現會下降。因此針對HR12使用時應強化冷凝器的散熱性能以維持高性能運轉的優勢。然而，使用HR12碳氫冷媒在絕大多數的環境條件之下，除了能夠有效地提升汽車空調機的性能與運轉效率之外，其極低的GWP符合國際環保的要求，對於節能減碳應有極佳的助益。 原文出處：Hsieh, H. K., & Teng, T. P. (2022). Retrofit assessment of automobile air conditioners using hydrocarbon refrigerants. Applied Thermal Engineering, 214, 118781. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.118781