CO2跨临界制冷系统在商超、烘干、冰雪运动中的应用

  

CO  ₂     跨临界制冷系统在商超、烘干、冰雪运动中的应用。

（本图仅供参考，不对应文中具体产品）

 

1、 商超制冷中CO ₂ 制冷技术的应用    

与其他商业活动相比，超市是能源消耗大户，占工业化国家年用电量的3%～4%。2010 年由于制冷剂原因造成的温室气体排放约有40%来自于食品零售行业，2015年数据表明，商超制冷行业是最大的HFC类制冷剂的销售市场。 在节能环保的大趋势下，CO ₂ 等自然工质的应用已成为行业发展的主流趋势。

目前，CO ₂ 在商超制冷领域的应用主要为:

1) 载冷剂。

由于CO ₂ 在载冷回路中存在相变过程，换热效率明显高于乙二醇等，载冷量更大，可有效提升能源利用效率;

2) 复叠制冷系统的低温级。

CO ₂ 子循环一般为亚临界循环，该类系统在冷库中应用极为广泛;

3) 跨临界CO2系统。

近年来在欧洲的商场、超市及便利店中已得到了极大的推广和应用。

 

商超制冷一般需要中低温两个蒸发温度，对于CO ₂ 而言，两个蒸发温度所对应的蒸发压力压差较大，采用中温压力节流至低温压力后混合压缩的方式会造成大量的能量损失。针对该情况，欧洲开始在商超制冷设备中采用新型增压制冷系统，如下图所示。

 

跨临界CO ₂ 增压制冷系统是在跨临界CO ₂ 基础循环的基础上，增设低温压缩机( 即增压器) 、储液器及气体旁通阀，低温压缩机将低温蒸发器出口的制冷剂增压至中温蒸发压力; 气体冷却器出口的超临界制冷剂先经高压膨胀阀节流为气液两相进入储液器实现气液分离，液相流向用冷设备，气相节流旁通到中温压缩机的吸气管路，与中温蒸发器出口以及增压器出口的制冷剂一起混合。

相比于不带储液器的增压系统，其能效比最多可提高 35%～40%。选择合适的中间压力对CO2跨临界增压制冷系统的设计极其重要，而中间压力主要取决于两台压缩机排气量之比。 对于带有回热器的跨临界CO ₂ 增压系统而言，其最优排气压力与回热器效率、压缩机效率及环境温度密切相关，而受蒸发器出口过热度等其他热力学参数的影响较小。

 

1. 1 平行压缩CO ₂ 增压技术

当室外环境温度较高导致气体冷却器出口制冷剂节流产生的闪蒸气量较大时，闪蒸气体在旁通路的节流现象造成的能量损失占比较大。 为解决这一问题，P．Gullo 等提出采用平行压缩提高系统的性能。且在较低的蒸发温度下，采用平行压缩对提升系统能效更为有利，平行压缩跨临界CO ₂ 增压系统原理如下图所示。

 

P．Gullo 等认为 相比于传统火用分析方法，先进能量分析方法更适用于平行系统，应重点减少节流装置及各个换热器的不可逆损失，由此便可大幅提高压缩机的能源利用效率。 平行压缩跨临界CO ₂ 增压系统中存在3 台压缩机，最优中间压力不仅取决于压缩机的输气量之比，与气冷器出口温度也密切相关。由于该系统存在两个中间压力值，系统准确稳定的设计与最优控制是影响其推广的关键。B．Bella 等指出，采用蒸气喷射技术理论上也可以起到与平行压缩相同的效果，可作为辅助压缩机的替代品，但相比于平行压缩而言，蒸气喷射的控制更为困难，在变工况运行过程中可靠性较差，在实际应用中不具有优势。

 

 

1. 2 提升增压系统制冷能效的主要方案

 

1) 机械式过冷循环

在跨临界CO ₂ 增压系统中，额外提供节流阀前过冷度仍然是提升系统能效的主要方法。带有机械式过冷循环的CO ₂ 增压系统如 下图 所示，在气体冷却器后加入过冷模块，可有效降低阀前CO ₂ 温度并提升循环能效。 环境温度为 39 ℃时，带过冷装置的CO2平行压缩增压系统的 COP 和热力学完善度比传统CO2增压系统分别升高48. 8%和30. 0%，节能优势显著。

 

天津商业大学刘圣春团队对该类系统进行了深入研究，详细对比了平行压缩增压系统、过冷系统、回热器系统对于商超应用模式的适用情况，结果证明，在环境温度较低条件下( ≤10 ℃) 平行压缩增压系统能够展现出较好的性能; 但在环境温度较高条件下( ＞10 ℃) 仍应采用过冷技术进行性能提升; 此外，回热器对于商超跨临界CO ₂ 循环的性能提升有限。该团队还将太阳能驱动溴化锂吸收式热泵技术与跨临界CO ₂ 循环联合组成部分复叠制冷系统，结果显示该系统对制冷性能系数及热力学完善度的提升均在 10%以上。但该类机组在传统增压系统的基础上增加了平行压缩及小型制冷循环，增加了系统复杂度，对系统的控制提出了较高要求。

 

2) 回收节流损失回收

节流损失永远是提高跨临界CO ₂ 循环运行效率的有效方案之一。

近年来，学者们主要关注喷射器或膨胀机两种方法。喷射器可利用高压或中压流体引射低压流体来增加压缩机吸气压力，从而降低功耗。在设计工况下，带喷射器的增压制冷系统能效存在大幅提升。但当环境温度偏离设计值时，喷射器系统性能可能低于常规系统。 采用膨胀机代替节流装置是另一种回收节流损失的方式，主要优势在于在跨临界运行压差大，膨胀机可有效提高 COP 并降低排气压力，在寒冷地区和温暖地区节能率分别高达 25%和 30%。

 

1. 3 商超冷热联供技术  

相比于 HFCs 和 HCFCs，CO ₂ 在制热能力方面优势显著，因此商超制冷行业中回收部分热量用于供暖与清洁需求同样具有重要意义。

A． Polzot 等建立了CO ₂ 跨临界平行压缩增压系统的水循环热泵机组模型，其原理如图 18所示，适用于寒冷气候时同时满足商超制冷与建筑供热需求， 与 HFC 系统相比，可减少约 9. 4% 的能量消耗。 与搭配燃气锅炉制热的相同制冷系统相比，除了可额外提供大量加热需求外，还可节省投资成本。CO ₂ 跨临界循环中回收热量已成为商超制冷中最具吸引力的技术之一。

 

2、 跨临界CO ₂ 系统在冰雪制冷场馆的应用    

2016 年，国家体育总局印发的《冰雪运动发展规划( 2016—2025 年) 》提出“带动 3 亿人参与冰雪运动”的目标，同时2022 年冬奥会落户北京，推动了我国冰雪运动的发展。

 

2019 年，为了全面践行《奥林匹克2020 议程》和“新规范”，努力实践“节俭、绿色、智慧”的主导方针，北京冬奥会决定首次采用CO ₂ 跨临界循环作为国家速滑馆的主要制冷系统。国家速滑馆冰面面积约为 12 000 m ² ，是全球最大的CO ₂ 跨临界制冷系统之一，冷负荷达 3 000 kW。相比于常规乙二醇载冷系统其冰面温差更小，冰面整体效果有所提升。

 

由于跨临界CO2系统优异的制热性能，该系统设置余热回收装置，回收热用于冰场融冰、淋浴、餐饮及除湿再生热，极大地减少了能源消耗及碳排放，相比于传统冰场能效提升可达 30%以上。 相比于Ｒ507制冷乙二醇载冷的传统冰场制冷系统，采用CO ₂ 作为制冷剂其初投资可达 1. 5 倍，但由于不存在蒸发侧的二次换热，CO ₂ 系统蒸发温度高，且有大量高品质余热可供回收。

 

此外，采用纯天然制冷剂CO ₂ 替代传统 Ｒ507 等制冷剂作为冰雪运动场馆的主制冷设备后，将大幅度降低强温室效应气体的使用和排放，其当量碳排放削减数额已经超过了额外种植120 万棵树木。 从长远角度看，跨临界CO2技术的环保性与节能性带来极大的社会效益、环境效益与经济效益。 “冰丝带”国家速滑馆将成为未来中国乃至全球同类项目的标杆，刺激了我国的冰雪产业发展，让更多年轻人看到了冰雪运动以及节能环保体育运动的无限可能，为整个行业给出了发展方向。

 

由此可知，采用天然制冷剂CO ₂ 及其跨临界循环技术作为冰雪运动行业的主要制冷剂及技术路线替代方案将成为大势所趋。

 

3、跨临界CO ₂ 系统在冰雪制冷场馆的应用    

烘干及除湿行业是热泵技术理想的应用行业，跨临界CO ₂ 热泵烘干系统流程图如下图所示，空气经热泵冷凝器后被加热至高温状态进入干燥箱对物料进行加热并吸收水分，之后湿空气经过热泵蒸发器降温析湿，排出水分后回到冷凝器，周而复始完成循环。

 

烘干行业对热泵的热量与冷量分别进行利用，循环效率较高。 考虑到跨临界CO ₂ 循环超高的供热温度，该技术可引入到更多、更高温度的烘干工艺需求中，提供更加高效的除湿能力及系统能效。由于我国工业、商业及民用烘干市场一般均较为分散，且传统一次能源燃烧式的供热方法应用过于普遍，因此热泵技术，尤其是跨临界CO ₂ 热泵技术在烘干领域的推广或研究均并不十分广泛。

 

3. 1 家用烘干中的跨临界CO ₂ 技术    

由于跨临界CO ₂ 技术在家用领域的推广十分有限，有学者首先针对CO ₂ 与Ｒ134a的热泵干衣机系统进行了性能对比，结果表明， 跨临界CO2干衣机能够轻易提供更高的温度，因此干衣过程总时间大幅缩减，热泵系统 COP 及整个干衣机的单位能耗除水率( SMEＲ) 也会显著提升。

 

Ｒ．A．Ｒian 等开发了家用滚筒式干衣机仿真模型并对比了CO ₂ 与Ｒ134a 的干燥效果，结果发现，CO ₂ 干燥系统的出风温度及桶内温度均更高，使单位能耗除水率提升13%，干衣时间缩短 15%。

程同研究了带回热器的跨临界 CO 2热泵烘干系统的性能，通过干燥曲线、干燥速率曲线等参数方法鉴定了该系统的稳态与瞬态性能，并研发了样机，且样机的性能较好。

王帅等针对封闭式干燥循环中湿空气的加热、吸水、冷却析湿过程进行了细致的研究，对干燥室内空气的温度、湿度分布等提出了新的要求。

曾宪阳等进行了跨临界CO ₂ 热泵烘干系统的火用分析，结果表明，该系统的火用损失主要发生在压缩、除湿、空气加热和节流的过程中，占系统总火用损失的75% 以上，对于提升系统性能意义重大。

N． Brandt 等研究了家用滚筒烘干机中跨临界CO ₂ 循环的系统结构提升方案，结果发现，采用喷射器和回热器部件能够有效提升烘干机效率，在相同烘干时长条件下大幅缩小能耗。

 

 

4. 2 工商业烘干中的跨临界CO2技术  

干燥技术常被应用于污泥、农作物、中药材、烟草、茶叶等产品的烘干及制造工艺中，约占该行业总能源消耗量的 35%以上。 干燥工艺和方法的选择直接影响产品的质量，导致工业大型化、规模化生产对热泵烘干技术需求日益增加，因此，能够提供较高烘干温度( 70～110 ℃) 的跨临界CO ₂ 热泵烘干技术近年来得到了长足发展。热泵干燥技术的快速发展始于 20 世纪 50 年代，欧美地区的科技与行业人员首先将热泵技术应用于粮食及木材干燥，但由于成本原因，热泵干燥技术一直发展缓慢。

 

直至 20 世纪 90 年代，德国学者才开始最早讨论将跨临界CO ₂ 技术引入工商业干燥，并根据理论对比证明跨临界CO ₂ 技术在干燥领域将会比传统Ｒ134a等热泵系统性能更佳。

近年来，国内学者也纷纷开始针对跨临界CO ₂ 烘干技术进行深入研究，也逐渐论证了跨临界CO ₂ 烘干技术在农作物烘干、中药材干燥等传统应用领域中的节能、环保、高效、稳定等优势。

Dai Baomin 等研究了CO ₂ 及不同低温室效应气体组成的混和制冷剂在热泵烘干领域的应用前景，结果表明，混和制冷剂热泵系统除了能量利用效率比传统热泵更高之外，其全年运行环境效应、氮氧化物排放量、可吸入颗粒物排放等指标均比一次能源燃烧式烘干系统具有大幅改善。

虽然跨临界CO ₂ 技术在烘干领域的研究已经相对丰富，但由于烘干产业大多仍停留在农户、个体等小型、分布化应用状态，大规模的热泵烘干设备在行业内的推广仍旧十分有限，该领域的持续发展依然任重道远。