CO2應用于我國工商制冷行業(yè)的適用性研究

史敏 賈磊 張秀平 吳俊峰 李炅 鐘瑜

（合肥通用機械研究院壓縮機技術(shù)國家重點實驗室 合肥 230031）

CO2應用于我國工商制冷行業(yè)的適用性研究

史敏 賈磊 張秀平 吳俊峰 李炅 鐘瑜

（合肥通用機械研究院壓縮機技術(shù)國家重點實驗室 合肥 230031）

CO2是我國工商制冷行業(yè)HCFCs淘汰管理計劃中明確的替代品之一，本文從技術(shù)標準、性能測試、替代成本、市場前景等方面對天然制冷劑CO2應用于工商制冷行業(yè)的適用性進行分析，結(jié)果表明：國內(nèi)外相關(guān)標準認為CO2理論上可以適用于所有類型的制冷系統(tǒng)應用，但在充注量方面需規(guī)避泄漏窒息的風險；CO2熱泵熱水器在超低溫工況和GB／T 21362—2008名義工況下的COP比R410A熱泵熱水器分別高7.9%和10.7%，CO2冷風機蒸發(fā)器比傳統(tǒng)產(chǎn)品在性能上具有一定的優(yōu)勢；CO2熱泵系統(tǒng)替代R22系統(tǒng)的成本會增加1～2倍，CO2冷凍冷藏系統(tǒng)替代R22系統(tǒng)的成本會增加20%～30%；CO2在工商制冷行業(yè)的熱泵熱水機和冷凍冷藏設備領域具有較好的應用潛力，但還需在制冷循環(huán)效率提升、高效部件開發(fā)、高壓運行安全性保障等方面開展深入的工作。

天然制冷劑；熱泵熱水機；冷凍冷藏設備；性能系數(shù)；CO2；適用性

天然制冷劑CO2在環(huán)保性、熱物性和流動傳熱特性等方面具有一些獨特的優(yōu)勢［1］。國外商業(yè)建筑中，主要應用于大、中型超市制冷系統(tǒng)以及空氣源熱泵熱水器，一般有三種基本應用方式［2-3］：1）作為相變載冷劑用于主制冷循環(huán)的二次回路輸配制冷量；2）作為制冷工質(zhì)，應用于亞臨界制冷循環(huán)系統(tǒng)；3）作為制冷工質(zhì)，應用于跨臨界循環(huán)系統(tǒng)，如：CO2熱泵熱水器等。

針對不同的應用需求和超市有中、低溫兩段溫區(qū)制冷的需要，可在以上三種基本方式的基礎上，組合各種不同的混合系統(tǒng)。近年來，國外超市CO2制冷系統(tǒng)的應用數(shù)量不斷增長，全球各大連鎖超市集團，特別是本部在歐洲的超市集團，紛紛設立CO2制冷示范店，如英國最大的超市連鎖商Tesco，瑞士第二大的零售集團Coop，加拿大領先的零售集團Loblaw和全球最大的連鎖超市Walmart等［4］。

目前在食品加工和冷凍冷藏工業(yè)中，隨著對食品冷凍溫度、快速凍結(jié)需求的不斷提升，要求制冷工質(zhì)的溫度進一步降低。當蒸發(fā)溫度很低時，傳統(tǒng)低溫制冷工質(zhì)NH3不適合再作為制冷工質(zhì)，而CO2仍能維持較為合理的飽和壓力。因此，CO2在蒸發(fā)溫度低于-40℃的制冷系統(tǒng)中得到廣泛重視［5］。

另一方面，跨臨界CO2熱泵及其部件的開發(fā)研究也是目前國際制冷領域的熱點之一。日本對CO2熱泵熱水器的研究開發(fā)起步較早，目前的相關(guān)技術(shù)較為成熟，自2002年家用CO2熱泵熱水器產(chǎn)品投放市場后，銷售量穩(wěn)步上升。目前，日本的CO2熱泵熱水器累計銷售量已達到幾百萬臺［6］。

雖然CO2具有良好的熱力學性質(zhì)和較小的環(huán)境影響，被認為是有潛力的長期替代方案，但CO2系統(tǒng)存在運行壓力較高、制冷循環(huán)能效較低等局限，制約其在行業(yè)的應用范圍，且與國外相比，我國CO2制冷系統(tǒng)方面的研究仍處于初級階段。為此，在環(huán)保部的組織下，合肥通用機械研究院聯(lián)合國內(nèi)知名高校、企業(yè)和協(xié)會，共同開展了工商制冷行業(yè)應用CO2的適用性研究工作，通過對技術(shù)標準、實際運行特性、替代成本、市場前景等方面的深入分析，研究CO2工質(zhì)在工商制冷行業(yè)的適用性問題，以促進自然工質(zhì)在我國得到進一步推廣，并為下一階段HCFCs淘汰技術(shù)的選擇提供技術(shù)支撐。

1 相關(guān)標準對工商制冷行業(yè)應用CO2的規(guī)定

目前，國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)標準對CO2的安全性分類如表1所示。

表1 相關(guān)標準中CO2的安全分類Tab.1 CO2safety classification in relevant standards

從表中可以看出，ISO 817：2014［7］、EN378—1：2008［8］、GB 9237—2001［9］、GB ／T 7778—2008［10］和ASHRAE 34—2013［11］標準均將CO2劃分為無毒不可燃工質(zhì)。我國正在對制冷工質(zhì)的分類方法標準進行修訂，擬結(jié)合中國國情和標準體系，采用與ISO 817：2014相同的分類方法，以實現(xiàn)國際接軌，減少行業(yè)多次替代帶來資源和能源的浪費。

表2匯總了相關(guān)標準對于CO2限制使用以及允許充注量的要求。

由表2可知，從安全角度分析，CO2理論上可以適用于所有類型的制冷系統(tǒng)應用。但在應用時，需要考慮工質(zhì)泄漏帶來的窒息風險，在特定的機房和應用場所內(nèi)，應該根據(jù)實際情況設置必要的濃度探測儀、排風以及報警等安全措施。

2 性能實驗

前期對CO2壓縮機、CO2冷凍冷藏設備和CO2熱泵熱水機開展了實驗研究，結(jié)果表明：CO2工質(zhì)在上述設備中具有良好的表現(xiàn)［12-15］。為了探索 CO2在更多種類產(chǎn)品中的性能，本文針對小型CO2熱泵熱水器、CO2冷風機蒸發(fā)器進行了系列性能實驗。

2.1 小型CO2熱泵熱水器性能實驗

系統(tǒng)原理圖見如圖1所示，其中壓縮機采用自主研發(fā)的CO2壓縮機，氣體冷卻器采用纏繞型渦流管式氣冷器，節(jié)流電子膨脹閥調(diào)節(jié)。

圖1 小型CO2熱泵熱水器原理圖Fig.1 Princip le of sm all CO2heat pum p water heater

按照自定義的超低溫測試工況和GB／T 21362—2008［16］的名義工況，CO2熱泵熱水器與傳統(tǒng)R410A熱泵熱水器的實驗數(shù)據(jù)對比如表3所示。

通過上述數(shù)據(jù)對比可知，在名義工況下，CO2熱泵熱水器比R410A熱泵熱水器的性能系數(shù)（COP）提高7.9%；在超低溫工況下，CO2熱泵熱水器比R410A熱泵熱水器的COP高出10.7%。

表2 相關(guān)標準對于CO2的限制使用及充注量規(guī)定Tab.2 CO2application lim it and charge requirement in relevant standards

表3 CO2熱泵熱水器與R410A熱泵熱水器的性能對比Tab.3 Performance comparison between CO2and R410A heat pum p water heater

此外，項目組分別測試樣機在過載工況（空氣側(cè)干球溫度43℃，濕球溫度26℃，進水溫度29℃，出水溫度65℃）、低溫工況1（空氣側(cè)干球溫度-7℃，濕球溫度-8℃，進水溫度9℃，、出水溫度55℃）和低溫工況2（空氣側(cè)干球溫度 -7℃，濕球溫度-8℃，進水溫度9℃，出水溫度65℃）等工況下樣機的制熱量和COP。

表4 過載和低溫工況下CO2熱泵熱水器的性能Tab.4 Performance of CO2heat pump water heater under overload and low temperature conditions

同時，為了驗證CO2熱泵熱水器用于風盤供暖，地板采暖等供暖設備的可行性，測試了該產(chǎn)品在進水溫度為30℃時，不同工況下產(chǎn)品的性能。

當進水溫度為30℃，出水溫度分別為50℃、55℃、65℃的工況時，CO2熱泵熱水器的實驗數(shù)據(jù)見表5。

表5 不同出水溫度時CO2熱泵熱水器的性能Tab.5 Performance of CO2heat pum p water heater under different outlet temperature conditions

當進水溫度為30℃，出水溫度為50℃，空氣側(cè)干／濕球溫度為7／6℃、-7／-8℃和干球溫度為-15℃的工況時，CO2熱泵熱水器的實驗數(shù)據(jù)見表6。

表6 不同干濕球溫度時CO2熱泵熱水器的性能Tab.6 Perform ance of CO2heat pum p water heater under different dry-bulb and wet-bulb tem perature conditions

通過以上實驗數(shù)據(jù)可以看出，CO2工質(zhì)應用于熱泵熱水器上具有很好的能效優(yōu)勢。

2.2 CO2蒸發(fā)器性能實驗

在工商業(yè)冷凍冷藏領域，蒸發(fā)器是CO2冷風機直接產(chǎn)生制冷效果的部件，其性能優(yōu)劣直接影響整個系統(tǒng)能耗的高低。針對CO2冷風機蒸發(fā)器開展性能測試，主要考察風速和過熱度對CO2蒸發(fā)器性能的影響，實驗工況見表7。

理想情況下，零過熱度能最大限度發(fā)揮蒸發(fā)器的作用，但考慮過熱度為零時蒸發(fā)器出口工質(zhì)可能會帶液，導致壓縮機發(fā)生液擊事故，所以一般情況下蒸發(fā)器有一定的過熱度，技術(shù)標準中一般規(guī)定翅片蒸發(fā)器過熱度為5℃左右。在過熱度分別為5.5℃和4.2℃的兩工況下，對CO2低溫蒸發(fā)器進行了實驗研究，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，隨著風速增大，換熱量均顯著增加，而過熱度小的換熱量增大速率更快，過熱度由5.5℃降到4.2℃時，換熱量增大約10%。

根據(jù)換熱量測試結(jié)果，由空氣側(cè)進出口溫度及蒸發(fā)溫度計算對數(shù)平均溫差，結(jié)合已知的換熱面積，可計算得出蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)平均值為20 W／（m2·K），該數(shù)值與使用傳統(tǒng)R22和R404A工質(zhì)的冷風機相當［17］，高于冷風機制造商一般要求的15 W／（m2·K）。由于CO2工質(zhì)具有良好的環(huán)保和安全特性，因此，CO2在冷風機蒸發(fā)器領域也具有較好的應用前景。

表7 CO2冷風機蒸發(fā)器性能實驗工況Tab.7 Performance test condition for CO2air-cooler evaporator

圖2 過熱度和風速對CO2蒸發(fā)器換熱量的影響Fig.2 CO2evaporator heat exchange capacity versus superheat degree and air speed

3 替代成本分析

選用CO2作為替代工質(zhì)時，替代成本是制造企業(yè)必須考慮的重要因素。本文從生產(chǎn)線、產(chǎn)品制造、物流倉儲、運行維護等角度分析目前R22熱泵系統(tǒng)和冷凍冷藏系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為CO2系統(tǒng)的成本變化，為制造企業(yè)的升級改造提供必要的參考。

1）適應性設計與制造

由于CO2工質(zhì)的固有特性，針對傳統(tǒng)R22系統(tǒng)的部件承壓特性、最佳充注量、換熱器的適應性、零部件的優(yōu)化選型、工質(zhì)與潤滑油的相容性以及機組安全運行等進行適應性分析，針對原生產(chǎn)線進行重新設計和樣機制造。

2）生產(chǎn)線改造

（1）換熱器加工

由于CO2系統(tǒng)運行壓力高，且根據(jù)CO2的換熱特性進行換熱器的全新設計，因此，需要對換熱器管徑、換熱器模具、脹管、試壓等工藝設備等進行改造，進一步增大了加工的難度。另外，換熱器尺寸的變化，需要更換換熱器鈑金加工模具，包括新增換熱端板沖孔模具、翻邊模具和折彎模具等。

（2）產(chǎn)品裝配

CO2系統(tǒng)氣密性要求提高，現(xiàn)有真空泵不能滿足要求，需要更換真空泵設備；現(xiàn)有鹵素檢漏儀無法滿足使用要求，需新購專用檢漏儀；同時，需要更換工質(zhì)充注設備和回收設備。

3）生產(chǎn)線試運行

生產(chǎn)線設備改造完畢后，需進行調(diào)試和試運行，驗證整條生產(chǎn)線是否具有連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的能力，故需要在改造后的產(chǎn)品線上試生產(chǎn)一定數(shù)量的新產(chǎn)品。

4）其他

對性能實驗中心進行改造，包括新增高壓傳感器、工質(zhì)流量計等。根據(jù)CO2產(chǎn)品的特點，對生產(chǎn)、安全、管理、銷售、安裝和維修人員開展培訓。

3.1 生產(chǎn)線改造成本

3.2 產(chǎn)品制造與倉儲物流成本

將R22工質(zhì)替換為CO2后，產(chǎn)品的主要成本變化如下：

1）壓縮機：需要專用CO2壓縮機，其結(jié)構(gòu)強度增加，導致成本增加較多。

2）電氣元件：基本無變化。

3）蒸發(fā)器和冷凝器：管材強度和管壁厚度均有增加，導致成本增加較多。

4）管路、閥門等附件：節(jié)流閥、控制閥等閥件的成本增加較多，管路成本略有增加，故成本增加較多。

5）工質(zhì)：由于CO2為天然工質(zhì)，價格低廉，因此，工質(zhì)成本降低。

6）由于CO2對環(huán)境友好，無毒，不可燃，因此，物流倉儲成本無變化。

3.3 運行維護成本

CO2系統(tǒng)在安裝過程中，由于壓力較高，對系統(tǒng)管路的承壓能力提出新要求。同時CO2對系統(tǒng)中水份含量的要求更高，國際上推薦 CO2的純度為99.9%以上干燥度，水含量小于0.1%。這在實際運行中很有挑戰(zhàn)性，若系統(tǒng)安裝運轉(zhuǎn)過程中抽空（除水）不徹底，或者潤滑油中含水，CO2與水反應產(chǎn)生碳酸，均會對系統(tǒng)可靠性帶來威脅。

根據(jù)調(diào)研的CO2系統(tǒng)實際運行情況來看，CO2系統(tǒng)與傳統(tǒng)R22系統(tǒng)的運行成本相當，且均要求定期維護，由于CO2系統(tǒng)的運行壓力較高，部件的通用性不強，對產(chǎn)品的維護要求更加嚴格，需要配備專用設備和人員。因此，產(chǎn)品的維護成本略有增加。

3.4 綜合分析

從上述分析過程并結(jié)合日本、歐洲等地區(qū)的CO2熱泵產(chǎn)品、CO2冷凍冷藏系統(tǒng)生產(chǎn)和銷售情況來看，R22熱泵系統(tǒng)替換為CO2熱泵系統(tǒng)的成本會增加1 ～2倍（制熱量越大，成本增加比例越?。?，R22冷凍冷藏系統(tǒng)替換為CO2冷凍冷藏系統(tǒng)的成本會增加20%～30%，其主要原因在于產(chǎn)品制造成本和生產(chǎn)線改造成本增加。

4 市場前景分析

4.1 CO2熱泵熱水機

2013年9月，國務院印發(fā)了《大氣污染防治行動計劃》，該計劃設定了大氣污染防治行動計劃的目標，同時明確提出了鼓勵熱泵的應用，“新建建筑要嚴格執(zhí)行強制性節(jié)能標準，推廣使用太陽能熱水系統(tǒng)、地源熱泵、空氣源熱泵、光伏建筑一體化和熱電冷三聯(lián)供等技術(shù)和裝備”。

近年來，南方采暖日益受到消費者追捧，市場上已出現(xiàn)很多空氣源熱泵熱水機（器）通過地暖或者小溫差末端的形式采暖的實際應用案例。另外，京津冀及周邊地區(qū)5年內(nèi)將著力推行削減“燃煤”的行動。這將形成一個特殊的供暖剛性需求市場，大多數(shù)燃煤供暖改造將轉(zhuǎn)向電供暖。京津冀及周邊地區(qū)的氣候條件為空氣源熱泵的應用創(chuàng)造了良好的條件。

根據(jù)中國制冷空調(diào)工業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計，2014年熱泵熱水機的銷售產(chǎn)值約為24億元，且市場保持穩(wěn)步增長的態(tài)勢。由于具有良好的環(huán)保特性和較高的能效，CO2熱泵熱水機有望逐步得到推廣應用，在做好安全保障的基礎上，該類產(chǎn)品具有較好的市場前景。

4.2 CO2冷凍冷藏設備

《物流業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2014—2020年）》等文件提出重點建設農(nóng)產(chǎn)品、醫(yī)藥、冷鏈物流園區(qū)，完善冷鏈物流網(wǎng)絡，為冷鏈行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展提供制度保障。另外，《全國藥品流通行業(yè)發(fā)展規(guī)劃綱要》、《藥品冷鏈物流運作規(guī)范》等文件的陸續(xù)出臺，加強了醫(yī)藥冷鏈的管理，將帶動醫(yī)藥用冷凍冷藏設備的發(fā)展。

食品、藥品工業(yè)生產(chǎn)過程中冷卻、產(chǎn)品的保鮮、冷藏運輸?shù)拳h(huán)節(jié)均離不開冷凍冷藏設備。因此，未來隨著冷鏈物流的不斷發(fā)展壯大，冷凍冷藏設備將面臨爆發(fā)式增長。由于CO2冷凍冷藏設備良好的性能和優(yōu)異的環(huán)境友好性，必然也將迎來一個快速發(fā)展的時期。

5 結(jié)論

本文從技術(shù)標準、產(chǎn)品性能測試、產(chǎn)品制造與運維成本以及國家的節(jié)能減排政策等方面分析探討了CO2在我國工商制冷行業(yè)的應用潛力。

1）從技術(shù)標準規(guī)定來說，CO2理論上可以適用于所有類型的制冷系統(tǒng)應用，只是應用時要考慮工質(zhì)泄漏帶來的窒息風險，在特定的機房和應用場所內(nèi)，應該根據(jù)實際情況設置必要的濃度探測儀、排風以及報警等安全措施。

2）從產(chǎn)品性能測試結(jié)果來看，CO2熱泵熱水機具有較高的出水溫度和COP，可以完全替代傳統(tǒng)熱泵熱水器，但要注意該類系統(tǒng)在除霜方式上與傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)的不同；CO2低溫蒸發(fā)器也具有較好的性能，但其換熱量和壓降受迎面風速、質(zhì)量流量、過熱度等參數(shù)的影響較大。

3）在CO2制冷（熱泵）技術(shù)應用方面，國內(nèi)雖然已經(jīng)逐漸開始掌握成套技術(shù)，水平與國外相比差距不大，技術(shù)水平趨于成熟，但推廣之路明顯滯后。目前CO2制冷（熱泵）系統(tǒng)造價相對較高，令很多企業(yè)望而生畏。就安全、綜合運行的經(jīng)濟性而言，CO2制冷（熱泵）系統(tǒng)更具優(yōu)勢；單從工質(zhì)方面來說，CO2比氟利昂成本更低，更易獲得，未來氟利昂的成本必將不斷升高，CO2將成為良好的中長期替代物。

4）隨著國家對節(jié)能環(huán)保工作重視程度的不斷增加，CO2熱泵熱水機和冷凍冷藏設備在供暖、冷鏈物流等領域具有良好發(fā)展前景，將對工商制冷設備制造企業(yè)形成一定的吸引力。

綜上所述：CO2在工商制冷行業(yè)的熱泵熱水機和冷凍冷藏設備領域具有較好的應用潛力，但還需攻克循環(huán)效率提升、高效部件開發(fā)、高壓運行安全性保障等技術(shù)瓶頸，以推動高效、低成本CO2制冷（熱泵）系統(tǒng)在工商制冷行業(yè)中的可持續(xù)發(fā)展。

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About the corresponding author

Shi Min，female，professor of senior engineer，general quality director of Hefei General Machinery Research Institute，+86 551-65335506，E-mail：shimin＠hgmri.com.Research fields：refrigeration technology and testing technology of R＆AC，et al.

Applicability Research on CO2Application in Chinese Industrial and Commercial Refrigeration Industry

Shi Min Jia Lei Zhang Xiuping Wu Junfeng Li Jiong Zhong Yu

（State Key Laboratory for Compressor Technology，Hefei General Machinery Research Institute，Hefei，230031，China）

CO2is a HCFCs substitution in HPMP of industrial and commercial refrigeration（ICR）sector in China.In this paper，the applicability of natural refrigerant CO2application in ICR is analyzed by standards，testing，replacement cost and market prospect.The conclusion indicates that：1）based on the leaking and suffocation risk charging limit，CO2can be used in all refrigeration systems theoretically in relevant standards；2）under ultra-low temperature condition and nominal condition in GB／T 21362—2008，the COP of CO2heat pump water heater is 7.9%and 10.7%higher than R410A unit，and the performance of CO2air-cooler evaporator is better than traditional unit；3）the replacement cost from R22 heat pump and refrigeration system to CO2system will increase 100%-200%and 20%-30%，respectively；4）CO2has well application potential in heat pump water heater and refrigeration equipment area of ICR，but the refrigeration cycle efficiency promotion，high efficiency components development and operation security protection under high pressure need further research.

natural refrigerant；heat pump water heater；refrigeration equipment；coefficient of performance；CO2；applicability

TB64；TQ051.5

A

0253-4339（2016）06-0097-07

10.3969／j.issn.0253-4339.2016.06.097

簡介

史敏，女，教授級高級工程師，合肥通用機械研究院總質(zhì)量師，（0551）65335506，E-mail：shimin＠hgm ri.com。研究方向：制冷技術(shù)和制冷空調(diào)檢測技術(shù)等。

2016年9月22日