商超用CO2制冷系統(tǒng)能效測試及評價方法

司春強，李佳美，孫志利

（1-華商國際工程有限公司，北京 10069；2-天津市制冷技術(shù)重點實驗室，天津 300134）

0 引言

商超制冷指冷鏈、冷庫、超市、展示陳列柜和冷風(fēng)機等制冷應(yīng)用，主要用于處理、運輸和貯存魚肉果蔬和飲料等產(chǎn)品[1-2]。商超制冷系統(tǒng)大多采用蒸汽壓縮式，以單級蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)為主，主要采用氟利昂類制冷劑。近年來，在臭氧層破壞和溫室效應(yīng)的大趨勢影響下，單級蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)中應(yīng)用的制冷劑替代問題逐漸成為研究熱點，新的環(huán)保制冷劑如R290、R32、CO2等逐漸進入商業(yè)化應(yīng)用領(lǐng)域[3-6]。新的制冷劑應(yīng)用所面臨的共性問題是可燃性高、效率低或運行壓力高等技術(shù)問題。因此大量的研究工作聚焦在如何解決或改善這些技術(shù)難題，尤其是針對CO2制冷劑在商超制冷系統(tǒng)的應(yīng)用問題。

目前，國內(nèi)商超應(yīng)用的制冷系統(tǒng)大致可分為四種：1）單級蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)；2）采用載冷劑系統(tǒng)的蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)（載冷劑可選擇為常規(guī)無相變載冷劑或有相變載冷劑，如CO2）；3）CO2應(yīng)用于低溫級的復(fù)疊式制冷系統(tǒng)；4）CO2跨臨界雙級壓縮制冷系統(tǒng)。

商超制冷系統(tǒng)用單級蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)，一般分成低溫及中溫兩套系統(tǒng)：中溫機組為中溫冷柜/冷庫提供制冷，低溫機組服務(wù)于低溫冷柜/冷庫，兩套系統(tǒng)相互獨立，互不影響。中溫系統(tǒng)多采用R22制冷劑，低溫系統(tǒng)則多采用R22/R404A制冷劑。CO2應(yīng)用于商超制冷系統(tǒng)中的跨臨界循環(huán)常為圖1所示的雙級壓縮系統(tǒng)，采用兩臺壓縮機能有效降低壓比，提高循環(huán)效率。循環(huán)將中、低溫冷柜/冷庫耦合在一個系統(tǒng)中，通過控制進入蒸發(fā)器的制冷劑壓力不同，實現(xiàn)不同溫度的制冷。圖2為CO2應(yīng)用于低溫級的復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，高溫采用HFC/HFO等環(huán)保制冷劑。高溫級工質(zhì)向外界環(huán)境放出熱量，同時為低溫級與中溫冷柜/冷庫提供冷量；低溫級冷凝溫度低于臨界溫度，CO2在低溫級進行亞臨界循環(huán)，和高溫級通過冷凝蒸發(fā)器進行換熱，為低溫冷柜/冷庫提供冷量[7-8]。

圖1 CO2跨臨界雙級壓縮制冷系統(tǒng)

圖2 HFC/HFO-CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)

在實際商超制冷系統(tǒng)中，CO2跨臨界雙級壓縮系統(tǒng)在制冷劑替代趨勢下有著較大的優(yōu)勢，但其應(yīng)用效果還與室外環(huán)境有關(guān)，歐洲等國夏季溫度不高，使用CO2跨臨界雙級壓縮系統(tǒng)較合適，我國夏季溫度較高，使用CO2跨臨界雙級壓縮可能會出現(xiàn)制冷效果差、制冷效率低等問題[9]。由于建設(shè)成本及使用區(qū)域的限制，現(xiàn)階段我國已建成CO2制冷系統(tǒng)和計劃建設(shè)的使用HFC/HFO-CO2復(fù)疊系統(tǒng)[10-15]。

關(guān)于市場上出現(xiàn)的CO2商超制冷系統(tǒng)的制冷能力及能效標準，目前還沒有一個標準化的測評方法及流程。因此，本文針對HFC/HFO-CO2復(fù)疊系統(tǒng)，提出具體的數(shù)據(jù)采集、能效測試及評價方法，為超市制冷系統(tǒng)的檢測與評價提供思路。

1 CO2制冷系統(tǒng)能效測試及評價方法

1.1 單級蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)和采用CO2載冷劑的蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)

對于單級蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)和采用載冷劑的蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)，其測量與數(shù)據(jù)處理方法較為簡單，系統(tǒng)制冷量為系統(tǒng)單位時間內(nèi)通過末端冷柜的蒸發(fā)器從被冷卻物體中吸取的熱量，即單位時間內(nèi)冷柜中產(chǎn)生的冷量，其計算方法如下：

超聲波流量計測量的制冷劑液體體積流量V和制冷劑液體密度ρ，換算為質(zhì)量流量：

則制冷量Q為：

式中：

m——低溫機組供低溫末端流量，kg/s；

h4——末端蒸發(fā)器出口氣體制冷劑焓值，kJ/kg；

h1——末端蒸發(fā)器進口液體制冷劑焓值，kJ/kg。

系統(tǒng)能效比（COP）即為循環(huán)產(chǎn)生的冷卻效果與輸入熱量或驅(qū)動循環(huán)所需的功率之比，是評價商超制冷系統(tǒng)綜合能效的重要指標[16-17]，COP可按式(3)計算：

式中：

P——機組電功率，包括壓縮機組、泵、冷凝器、控制器及所有制冷系統(tǒng)運行必要設(shè)備的電功率，kW。

1.2 HFC/HFO-CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)

我國商超CO2制冷系統(tǒng)多為復(fù)疊式蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)，高溫級用R134a做制冷劑，低溫級用CO2做制冷劑，圖3為其壓焓圖[16-21]。

CO2商超制冷系統(tǒng)分為低溫級與中溫級，制冷量計算對評價系統(tǒng)而言，只需要計算低溫級冷柜制冷量即可。為驗證數(shù)據(jù)一致性，多方面對比數(shù)據(jù)，可分別計算各部分制冷量。具體如下：

低溫級末端冷柜制冷量QL：

式中：

mL——低溫機組供低溫末端流量，kg/s；

hL5——低溫冷柜蒸發(fā)器出口制冷劑焓值，kJ/kg；

hL8——低溫冷柜蒸發(fā)器進口制冷劑焓值，kJ/kg。

高溫級末端冷柜制冷量Qm：

式中：

mm——高溫末端流量，kg/s；

h4——高溫冷柜蒸發(fā)器出口制冷劑焓值，kJ/kg；

h1——高溫冷柜蒸發(fā)器進口制冷劑焓值，kJ/kg。

中溫供低溫機組冷凝蒸發(fā)器中的換熱量Qhex：

式中：

mhex——中溫供低溫機組冷凝制冷劑流量，kg/s；

hhexo——中溫供低溫機組冷凝蒸發(fā)器出口氣體制冷劑焓值，kJ/kg；

hhexi——中溫供低溫機組冷凝蒸發(fā)器進口液體制冷劑焓值，kJ/kg。

中溫機組總制冷量Qsum：

式中：

msum——中溫總供液流量，kg/s；

hsumo——中溫機組壓縮機吸氣制冷劑焓值，kJ/kg；

hsumi——中溫供液液體制冷劑焓值，kJ/kg。

因中溫機組總供液管分為供中溫冷柜和低溫機組冷凝蒸發(fā)器兩路回路，故msum等于mhex和mL之和。

低溫系統(tǒng)能源消耗由兩部分組成，一部分為低溫機組本身耗電，另一部分為中溫系統(tǒng)中冷凝蒸發(fā)器為低溫級提供冷凝冷量所消耗的電量，這部分耗電無法直接測量需要進行折算。計算方法如下：

a）折算系數(shù)

式中：

A——中溫級冷凝蒸發(fā)器一路制冷劑流量占中溫級總制冷劑流量比例，A＜1；

B——中溫級冷柜制冷劑流量占中溫級總制冷劑流量比例，B＜1，A+B=1。

b）機組耗電

c）低溫機組能效比

d）高溫機組能效比

式中：

P——系統(tǒng)消耗總功率，kW；

PL——低溫機組總消耗電功率，kW；

PLreal——低溫機組直接電功率，即低溫級壓縮機消耗功率，kW；

PLcompr——低溫機組折算電功率，kW；

Pm——中溫機組總消耗電功率，kW。

對于CO2跨臨界雙級壓縮制冷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理可參考此思路進行數(shù)據(jù)處理，但涉及Booster系統(tǒng)的制冷能效測試及評價方法可根據(jù)實際情況略作調(diào)整。

圖3 CO2商超制冷系統(tǒng)壓焓圖

2 實驗參數(shù)的測量及數(shù)據(jù)處理方法

2.1 參數(shù)測量

2.1.1 商超制冷系統(tǒng)能耗測量

商超制冷系統(tǒng)的能耗主要受系統(tǒng)工作環(huán)境以及超市室內(nèi)設(shè)計參數(shù)影響，能耗測試主要是對制冷系統(tǒng)耗電量、運行電流等電參數(shù)的采集測量。檢測時分項測量壓縮機、冷凝器、柜體風(fēng)機等制冷系統(tǒng)各用電部分的實時電功率和總電能消耗。數(shù)據(jù)采集連續(xù)24 h以上。根據(jù)各部分的運行功率結(jié)合流量、壓力等參數(shù)，綜合分析系統(tǒng)運行工況和運行狀態(tài)。通過明確每個單獨設(shè)備的供配電情況，安排測量順序。

2.1.2 制冷劑流量測量

制冷量的計算是制冷系統(tǒng)評價的重要組成部分。其中最關(guān)鍵的問題是對流量的檢測。因不能斷開原有系統(tǒng)安裝流量計，只能采用超聲波流量計類外置測量設(shè)備?？紤]到設(shè)備本身特性和現(xiàn)場實際情況，流量的采集只有在特定的位置才能得到準確的結(jié)果。如必須在滿液管段測量，并避開變徑和管道拐彎位置等。

2.1.3 制冷系統(tǒng)綜合效率測量

每完成一個制冷系統(tǒng)檢測后，及時分析處理檢測數(shù)據(jù)，計算制冷系統(tǒng)的能效比（COP），并綜合考慮外界環(huán)境、顧客活動影響、補貨時間、貨品冷負荷等因素，給出整個制冷系統(tǒng)的綜合評價。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

2.2.1 外部參數(shù)的調(diào)查記錄

在進行實際測量之前，需要了解被測系統(tǒng)的相關(guān)信息，包括系統(tǒng)基本信息，如系統(tǒng)中所用冷柜的型號、制冷劑類型、有效容積等，如表1所示；以及系統(tǒng)中所用主要設(shè)備的參數(shù)信息，如表2所示。信息可來源于設(shè)備銘牌、廠家提供的資料以及超市技術(shù)輔助人員等。

2.2.2 內(nèi)部工作參數(shù)的實際測量

為了綜合分析計算系統(tǒng)制冷量、能耗及能效水平，還需要測量系統(tǒng)正常運行時的關(guān)鍵運行參數(shù)。

1）單級蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)和采用CO2載冷劑的蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)

對于單一循環(huán)管路的傳統(tǒng)商超制冷系統(tǒng)，可參照表3中的參數(shù)及測量方法測量，使用焓差法計算系統(tǒng)實際制冷量。

如現(xiàn)場實際情況無法事先確定，在電參數(shù)測量時需要根據(jù)實際系統(tǒng)配電情況進行。如果電參數(shù)采集設(shè)備數(shù)量限制，優(yōu)先保證能夠檢測制冷系統(tǒng)各部分總耗電量。條件允許情況下，還需要測量單個壓縮機機頭、冷凝器單個電機或水泵電參數(shù)。如果單臺末端設(shè)備（冷柜/冷庫）耗電方便測量，還需要選擇性檢測單臺末端設(shè)備。

對于不同的超市供電系統(tǒng)，往往需要不同的測量方法，對于以下3種情況，可按參考方法進行測量。

a）壓縮機機頭、冷凝器有一根總供電，末端設(shè)備單獨供電。

一組電流互感器接于總供電線路，并檢查供電線路中是否包括其他機組運行必需的用電設(shè)備，如控制器、輔助散熱風(fēng)扇等。所有機組運行的必需耗電設(shè)備均應(yīng)包含在內(nèi)。如被測線路中還包括其他設(shè)備用電，則必須單獨測量與機組運行無關(guān)的耗電情況，并在機組耗電量計算中剔除。另外一組接于末端供電總線路，能夠測量所有末端冷柜和冷庫的耗電情況，并注意檢查冷柜融霜供電是否包含在內(nèi)。

b）壓縮機機組、冷凝器分別各有一根總供電。末端設(shè)備單獨供電。

需要至少3套設(shè)備同時分別測量這3部分電參數(shù)。同時需要注意前述問題。

表1 商超制冷系統(tǒng)基本信息采集

表2 商超制冷系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)信息采集

c）壓縮機機組、冷凝器均無總供電線路。

此種情況下，在儀表數(shù)量數(shù)量足夠情況下，需要同時分別測量各耗電部分，不遺漏每個耗電設(shè)備。如冷凝器運行穩(wěn)定，且同型號冷凝器啟停狀況相同，可選擇每種型號冷凝器中的一臺測量，并推算冷凝器總耗電。對壓縮機，如能保證幾個機頭運行情況相同，也可通過一臺壓縮機推算整個壓縮機組耗電量。此種方法僅為條件不具備情況下的估算，并不能完全準確體現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)果。

2）HFC/HFO-CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)

對于以CO2做低溫級的復(fù)疊式商超制冷系統(tǒng)，參照表4測量中溫及低溫回路運行參數(shù)，同樣采用焓差法計算系統(tǒng)實際制冷量。

表3 傳統(tǒng)商超制冷系統(tǒng)測量參數(shù)及方法

表4 HFC/HFO-CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)測量參數(shù)及方法

2.3 溫度的測點布置及數(shù)據(jù)處理

2.3.1 測點位置及數(shù)量

測量點可根據(jù)冷柜實際情況，按照如下原則選擇合適位置。在以下位置中選擇合適位置布置。立式冷柜和臥式冷柜應(yīng)分別布置，同一型號類型不少于3個：

a）立式冷柜與臥式冷柜均應(yīng)分別布置測溫點；

b）每組冷柜或同一供冷管路冷柜中需選擇不少于2個冷柜布置測溫點，每組冷柜總測溫點數(shù)量不少于4個；

c）測溫點優(yōu)先布置于冷柜回風(fēng)處，并保證每組冷柜出風(fēng)處有測溫點；對冷柜自身測溫點在柜內(nèi)的，如方便可在旁邊布置一測溫點用于比對；

d）條件允許或柜內(nèi)溫度明顯異常，可在柜內(nèi)放置實驗負載包，負載包中插入熱電偶連續(xù)采集。

還應(yīng)采集記錄超市內(nèi)環(huán)境溫濕度，溫度測量點應(yīng)能反映超市冷柜附近溫度且不受冷柜影響。

2.3.2 儀表及采集周期

在測試溫度時，宜采用下列一種或幾種儀表：

a) 熱電偶；

b) 鉑電阻溫度計；

c) 熱敏電阻溫度計；

d) 干濕表；

e) 其他便于遠傳且滿足測量精度的溫度測量儀表。

在測試濕度時，宜采用下列一種或幾種儀表：

a) 電子濕度傳感器；

b) 通風(fēng)干濕表；

c) 其他便于遠傳且滿足測量精度的濕度測量儀表。

儀表應(yīng)需能夠連續(xù)采集和記錄溫度數(shù)據(jù)，記錄周期不長于1 min，且儀表精度應(yīng)滿足表5要求。

表5 溫度、濕度測量儀表試驗允差和精度要求

2.3.3 溫度數(shù)據(jù)處理

溫度數(shù)據(jù)以每組冷柜為單位，如同一組冷柜由不同壓縮機組或2根供液管路供液則分別計算?？蓞⒖枷铝袇?shù)和計算方法。

a）平均溫度

同一時刻各點溫度的算術(shù)平均值。

式中：

τ——時刻；

n——布置的溫度測點總數(shù)。

b）工作溫度

不同時刻平均溫度tc(τ)的算術(shù)平均值。

式中：

τ——時刻；

N——試驗時間內(nèi)按一定時間間隔和順序進行測量的總次數(shù)。

c）平均溫度波動值

式中：

tcmax——平均溫度tc(τ)的最大值，℃；

tcmin——平均溫度tc(τ)的最小值，℃。

d）溫度差值

同一時刻，不同測點上溫度tc(i)差值的最大值。

e）溫度不均勻性

不同時刻，溫度差值tc(τ)的最大值。

f）平均溫差

各測點（i個測點）溫度的總平均值的最高值與最低值的差值。

式中：

t(i, τ)——溫度，℃；

τ——時刻；

i——布置的測溫點；

N——試驗時間內(nèi)按一定時間間隔和順序進行測量的總次數(shù)。

其中，工作溫度、平均溫度波動為必需計算參數(shù)，其余參數(shù)可根據(jù)情況計算。實際測試中，由于存在融霜情況，上述部分參數(shù)計算周期可選擇融霜間隔穩(wěn)定運行階段。

除上述參數(shù)外，還應(yīng)繪制測試周期內(nèi)的平均溫度曲線，以直觀反映柜內(nèi)溫度變化情況。

2.4 實驗驗證

依據(jù)文中的測試方法，在武漢地區(qū)對采用R22、R404A和R134a/R744不同工質(zhì)的制冷系統(tǒng)的超市同時開展測試實驗，結(jié)果表明，3種系統(tǒng)的低溫部分制冷綜合效率分別為1.02、1.02和1.09，表明二氧化碳技術(shù)在低溫商超制冷領(lǐng)域具有一定優(yōu)勢，性能高于氟利昂制冷系統(tǒng)7%。

3 結(jié)論

對商超制冷系統(tǒng)的主要評價應(yīng)著眼于系統(tǒng)中末端冷柜內(nèi)的溫度水平是否達到標準以及系統(tǒng)的綜合能效比。依據(jù)本測試評價方法，通過對同一地區(qū)采用不同工質(zhì)R22、R404A和R134a/R744制冷系統(tǒng)的超市進行實測評價。在溫度性能滿足需求的情況下，3種系統(tǒng)的低溫部分制冷綜合效率分別為1.02、1.02和1.09，表明二氧化碳技術(shù)在低溫商超制冷領(lǐng)域具有一定優(yōu)勢。

詳細的檢測方法與評價體系有助于綜合分析商超制冷系統(tǒng)的制冷水平，為進一步優(yōu)化改進系統(tǒng)、提高經(jīng)濟效益和挖掘節(jié)能效果提供了基礎(chǔ)參考資料。商超用CO2制冷系統(tǒng)能效測試及評價方法的提出，對商超用CO2制冷系統(tǒng)測試評價工作以及相應(yīng)的提效等節(jié)能工作提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。