集成式CO2超市制冷系統(tǒng)的研究進展

耿旭東，周嘯虎，邵雙全，李 鋒，司春強，馬 進

（1.華中科技大學 能源與動力工程學院，武漢 430074；2.華商國際工程有限公司，北京 100069）

0 引言

巴黎協(xié)定等氣候條約的簽訂使得溫室氣體排放問題越來越受到關(guān)注，因此以CO2為代表的天然制冷劑逐漸得到推廣應用。傳統(tǒng)商業(yè)制冷系統(tǒng)中應用最為廣泛的制冷劑為R404A和R22，其全球變暖潛能值（GWP）分別為3 943和1 760，并且有著較高的泄漏比例［1］，有可能造成比較嚴重的溫室效應，在碳達峰和碳中和的目標下，淘汰高溫室效應制冷劑的壓力較大。天然制冷劑中的CO2具有較好的環(huán)境性能（GWP=1，臭氧消耗潛能值（ODP）=0），采用CO2作為制冷劑可以在很大程度上解決由制冷劑泄漏和未有效回收引起的溫室氣體排放問題［2-3］；同時CO2具有良好的熱力學性能：作為制冷劑時，CO2的密度及潛熱較大，有著更大的容積制冷量；同時CO2的黏度較低，這些特性都有利于CO2在制冷系統(tǒng)中的應用［4-5］。數(shù)據(jù)顯示，2018年全球跨臨界CO2制冷設備的安裝量已經(jīng)超過20 000臺，并且還在快速發(fā)展［6］。

超市是能耗非常高的應用場景，根據(jù)TASSOU等［7］的研究，在英國，超市的耗電量和溫室氣體排放量分別占全年英國總量的3%和1%，其中，制冷設備的耗電量約占超市總耗電量的30%～60%。隨著中國城市化的繼續(xù)推進和居民生活水平的提高，超市的耗電以及溫室氣體排放問題也會變得越來越嚴峻。同時CO2較低的臨界溫度（31.3 ℃）會導致制冷系統(tǒng)在高溫下的制冷系數(shù)（COP）下降，根據(jù)模擬結(jié)果，當環(huán)境溫度高于10～15 ℃時，采用CO2的制冷系統(tǒng)的COP就會低于采用常規(guī)制冷劑的系統(tǒng)［8-9］，因此需要對采用CO2的超市制冷系統(tǒng)進行進一步的研究以提高其性能。

目前CO2在超市制冷領(lǐng)域中應用最多的系統(tǒng)形式為增壓式CO2跨臨界制冷系統(tǒng)。在增壓式CO2跨臨界制冷系統(tǒng)中，低溫級蒸發(fā)器出口的CO2在低溫級壓縮機壓縮之后與中溫級蒸發(fā)器出口的CO2進行混合，混合后的CO2再進入中溫級壓縮機。增壓式CO2制冷系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、可以同時滿足超市不同溫度的食品冷凍/冷藏需求的優(yōu)點。為了提升其性能，學者進行了許多研究：（1）循環(huán)優(yōu)化；（2）系統(tǒng)集成——將食品冷凍冷藏、空氣調(diào)節(jié)與通風、熱水加熱等需求進行結(jié)合。系統(tǒng)集成能簡化功能之間的溝通與交流，使得系統(tǒng)形式更加緊湊，采用熱回收時，也可以利有效利用氣冷器的放熱量以降低能耗，從而推動CO2作為制冷劑在商業(yè)制冷系統(tǒng)的推廣使用。

針對天然制冷劑CO2及其在制冷系統(tǒng)中的應用，已經(jīng)有許多學者做出了綜述進行介紹：KIM等［10］和 PRADEEP 等［11］對 CO2在蒸汽壓縮制冷循環(huán)中應用的基礎(chǔ)問題分別進行了總結(jié)與匯總，包括CO2作為制冷劑時的熱力學性能、CO2制冷/熱泵循環(huán)的優(yōu)化以及CO2系統(tǒng)高壓側(cè)壓力的控制；BRUNO 等［12］和宋昱龍等［13］對 CO2在熱泵和制冷領(lǐng)域中的應用進行了介紹；YU等［14］對CO2跨臨界制冷循環(huán)的各種優(yōu)化措施的原理以及效果進行了總結(jié)，宗碩等［15］和黃龍飛等［16］則進一步分別對跨臨界CO2循環(huán)中，引射器技術(shù)和過冷技術(shù)的應用情況進行了介紹；MA等［17］重點對CO2制冷劑的換熱特性以及CO2膨脹機的研究進展和應用情況進行了綜述；GULLO等［1］對CO2增壓制冷循環(huán)在超市中的應用進行了全面的介紹，包括世界各國商業(yè)制冷發(fā)展的趨勢以及CO2制冷系統(tǒng)優(yōu)化的發(fā)展情況。

綜上所述，對CO2跨臨界制冷循環(huán)及其在超市冷凍冷藏中的應用，已經(jīng)有了比較詳盡的總結(jié)，但是對結(jié)合了供暖以及空氣調(diào)節(jié)功能的集成式CO2超市制冷系統(tǒng)的綜述還比較少。由于系統(tǒng)集成對提高跨臨界CO2系統(tǒng)的性能及推廣CO2在超市制冷系統(tǒng)的應用非常有意義，有必要對集成式CO2超市制冷系統(tǒng)的發(fā)展及研究狀況進行全面的介紹。

1 CO2超市制冷系統(tǒng)

CO2在制冷系統(tǒng)中的應用最早可以追溯到1850年［18］，目前CO2在超市制冷系統(tǒng)中的應用主要有3種形式，分別為：在間接式制冷系統(tǒng)中作為載冷劑、在復疊式制冷系統(tǒng)中作為低溫級制冷劑或者應用于CO2跨臨界制冷系統(tǒng)。

對采用CO2的間接式制冷系統(tǒng)，其常見結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用CO2作為載冷劑時，可以用常規(guī)制冷劑對其進行冷卻，再將CO2泵往蒸發(fā)器進行蒸發(fā)換熱。

圖1 間接式CO2制冷系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of a CO2 indirect refrigeration system

由于CO2黏度更低并且可以使用潛熱來進行換熱，載冷側(cè)可以使用直徑更小的換熱管道，有利于減小系統(tǒng)體積及降低成本，同時采用CO2作為間接式制冷系統(tǒng)的載冷劑可以更方便地提高循環(huán)倍率以實現(xiàn)滿液蒸發(fā)，優(yōu)化換熱效果［19-20］，降低系統(tǒng)能耗。

復疊式制冷系統(tǒng)的常見結(jié)構(gòu)如圖2所示，低溫級采用CO2作為制冷劑，高溫級通常采用R717、R507A及R134a等作為制冷劑。對不同的蒸發(fā)溫度、高溫級制冷劑以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，整體性能也會不同。

圖2 復疊式CO2制冷系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic diagram m of a CO2 cascade refrigeration system

對CO2跨臨界制冷系統(tǒng)，其只采用CO2作為制冷劑。常規(guī)的商業(yè)制冷通常包含中溫和低溫2個不同水平的制冷負荷，因此需要有2個不同蒸發(fā)溫度的蒸發(fā)器，在實際的應用過程中，通常選擇增壓式的跨臨界CO2制冷循環(huán)來滿足不同溫度的制冷負荷，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和P-h曲線分別如圖3（a）和（b）所示［21］。

圖3 增壓式跨臨界CO2制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意及P-h曲線［21］Fig.3 Schematic diagram and P-h diagram of CO2 booster transcritical refrigeration system［21］

目前對CO2超市制冷系統(tǒng)的研究大部分集中于增壓式跨臨界CO2制冷系統(tǒng)的優(yōu)化，研究的一個重點是循環(huán)優(yōu)化，如并行壓縮［22-25］、滿液蒸發(fā)［25-28］、引射器［27，29-30］、機械過冷和絕熱冷卻［31-34］、回熱器［35-37］、膨脹機［38］等措施的采用，這些措施可以有效提高系統(tǒng)在溫和或者溫暖氣候下的制冷性能，但在高溫下系統(tǒng)的制冷性能依舊劣于采用常規(guī)制冷劑的系統(tǒng)［9］，并且會加大系統(tǒng)的設計及控制難度［26］，因此仍舊有必要對集成式CO2超市制冷系統(tǒng)進行研究以進一步推廣CO2在商業(yè)制冷系統(tǒng)中的應用。

2 集成式CO2超市制冷系統(tǒng)

對CO2超市制冷系統(tǒng)，一方面可以選擇集成熱回收功能來滿足超市的制熱負荷以降低系統(tǒng)的整體能耗；另一方面可以集成空氣調(diào)節(jié)換熱器來滿足空氣調(diào)節(jié)需求，提高系統(tǒng)的緊湊程度并降低占地面積。在本章將分別對不同的集成式超市制冷系統(tǒng)及其特點進行介紹。

2.1 集成的熱回收功能

CO2作為制冷劑時，在氣冷器中的跨臨界放熱過程是溫度滑移較大的變溫過程，因此可以與變溫熱源匹配來構(gòu)建一個特殊的Lorenz循環(huán)，可以獲得較好的換熱效果［18］。以CO2作為制冷劑的超市制冷系統(tǒng)在跨臨界運行時，氣冷器入口的CO2溫度較高，氣冷器放熱量較大，通過熱回收可以有效回收熱量并用于提供熱水或者供暖。

2.1.1 直接式熱回收

SAWALHA等［39-40］分析了一種采用熱回收換熱器的直接式熱回收系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，整體結(jié)構(gòu)與常規(guī)增壓制冷系統(tǒng)相近，但在氣冷器/冷凝器之前安裝了熱回收換熱器進行熱回收，并通過閥門來對制冷劑流向進行控制。

圖4 帶熱回收的跨臨界制冷系統(tǒng)示意Fig.4 Schematic diagram of a trans-critical refrigeration system with heat recovery

在文獻中，作者主要通過建模的方法對系統(tǒng)的性能進行了分析：當環(huán)境溫度低于10℃時，系統(tǒng)的制熱負荷隨環(huán)境溫度降低而增大，此時系統(tǒng)將在熱回收模式下運行。根據(jù)模擬結(jié)果，在冬季，中溫級壓縮機的耗電量約有50%被用于提供額外的制熱量，并且制熱的季節(jié)能效比SPF能夠達到4，高于傳統(tǒng)系統(tǒng)。

SAWALHA等［41］進一步分析了并行壓縮機對帶熱回收的跨臨界CO2超市制冷系統(tǒng)性能的影響，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 帶熱回收和并行壓縮的跨臨界制冷系統(tǒng)示意Fig.5 Schematic diagram of a trans-critical refrigeration system with heat recovery and parallel compression

夏季運行模式下，并行壓縮對制冷COP的提升幅度較大；在冬季熱回收模式下，對系統(tǒng)總COP的提升效果較小。SHI等［42］對一個位于荷蘭的帶熱回收的超市制冷系統(tǒng)進行了實驗和建模研究，建模結(jié)果表明采用熱回收之后系統(tǒng)的總能耗能夠下降12.9%。

除了采用單個熱回收換熱器的系統(tǒng)，一些學者也研究了雙級/多級熱回收的熱回收系統(tǒng)。KARAMPOUR等［43］的研究中設置了兩個串聯(lián)的熱回收換熱器，回收的不同品位的熱量分別被用于提供熱水以及供暖。采用雙級熱回收可以根據(jù)需求對系統(tǒng)進行更好的控制，并且有助于避免單級熱回收換熱器中可能發(fā)生的夾點問題。POLZOT等［44］研究了相近的結(jié)構(gòu)，建模研究結(jié)果表明，熱回收可以滿足100%的超市熱水需求，但是有31.5%～49%的供暖需求無法被完全滿足；采用熱回收之后，系統(tǒng)的全年能耗能夠下降10%，同時可以完全移除熱水加熱系統(tǒng)并大幅減小供暖系統(tǒng)的體積。

COLOMBO等［45］進一步優(yōu)化了回收熱量的利用方式，熱回收系統(tǒng)的原理如圖6所示，通過主回路與二次流回路，回收的熱量有3種不同的利用方式：（1）通過HE1a換熱器回收的高品位熱量可以作為熱源來驅(qū)動吸收式制冷設備或出售給區(qū)域供暖系統(tǒng)；（2）通過HE1b回收的熱量用于滿足超市用熱水需求；（3）通過HE2回收的熱量主要用于滿足超市供暖需求。經(jīng)過模擬計算，圖6示出的雙級/多級熱回收方式可以使得超市制冷系統(tǒng)的總CO2排放量下降34%。

圖6 熱回收系統(tǒng)原理［45］Fig.6 Schematic diagram of a heat recovery system［45］

在冬季，當環(huán)境溫度較低、超市熱負荷較高時，可以通過設置負荷蒸發(fā)器（load evaporator）的方式來提供額外的熱量。POLZOT 等［44，46，47］研究的熱回收系統(tǒng)如圖7所示，其在儲液器后增加了一個額外的負荷蒸發(fā)器，在冬季環(huán)境溫度較低時啟用，以增大壓縮機以及熱回收換熱器中CO2的質(zhì)量流量并增大熱回收量。為了簡化系統(tǒng)的控制，文獻［44］中，負荷蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度與與中溫蒸發(fā)器相同，此時系統(tǒng)的總能耗反而會升高，但采用該結(jié)構(gòu)可以完全移除額外的熱泵系統(tǒng)，并且可以通過引入輔助壓縮機來進一步提高熱回收運行模式下的整體效率。EMILIO JOSé SARABIA ESCRIVA等［48］也研究了采用負荷蒸發(fā)器的熱回收系統(tǒng)，與通過提高壓力來增大熱回收量相比，采用負荷蒸發(fā)器會使系統(tǒng)的運行成本升高，因此負荷蒸發(fā)器應該在系統(tǒng)壓力達到最大限定值后啟動；AZZOLIN等［49］對傳統(tǒng)系統(tǒng)進行了改造，通過管路設計，在冬季可以將氣冷器/冷凝器作為熱源來增大低溫下的熱回收量，其優(yōu)勢在于改造系統(tǒng)的成本較低，無需配置額外的蒸發(fā)器，同時，當與滿液蒸發(fā)及蒸發(fā)冷卻進行結(jié)合時，在研究的工況下能夠使得年能耗下降7.5%。

圖7 采用額外蒸發(fā)器的熱回收系統(tǒng)原理［46］Fig.7 Schematic diagram of a heat recovery system with load evaporator［46］

EMILIO JOSé SARABIA ESCRIVA 等［48］在分析直接式熱回收系統(tǒng)的同時，對可用熱回收量、實際熱回收量和熱負荷進行了模擬及比較：在不同的運行模式下，全年可用熱回收量與全年熱負荷的比值為181.4%～235.0%，但有效熱回收量的占比只有28.7%～43.2%，這說明全年總可用熱量超過全年熱負荷，但由于熱回收時段與需求時段不完全一致，需求和負荷之間也會存在不匹配的情況。

2.1.2 儲熱式熱回收

如前所述，由于系統(tǒng)的實時熱回收量不足以及可用熱回收量與熱負荷不完全匹配，在冬季存在熱回收量無法完全滿足制熱負荷的情況。EMILIO JOSé SARABIA ESCRIVA 等［48］因此建議使用儲熱設備以提高熱回收的效率。

GEORGIOS等［50］對采用儲熱的 CO2熱回收超市制冷系統(tǒng)進行了詳細的介紹以及建模研究。儲熱式熱回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖8所示，緩沖罐左側(cè)為加熱側(cè)，通過熱回收換熱器對儲罐內(nèi)的水進行加熱；緩沖罐右側(cè)為放熱側(cè)，需要保證有足夠的熱量提供給超市，緩沖罐是加熱端和使用端的中間環(huán)節(jié)，同時也是儲熱系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)。

圖8 儲熱系統(tǒng)示意及與一次側(cè)、二次側(cè)的關(guān)系［50］Fig.8 Schematic diagram of a thermal storage system and its relationship with its primary and secondary side［50］

在模擬中，設定儲罐上部最低溫度為45 ℃，最高溫度為75 ℃，當儲罐上部溫度低于45 ℃時即以最高運行壓力進行熱回收，當溫度高于75 ℃時即停止加熱。作者同時建立了儲罐的動態(tài)模型并與制冷系統(tǒng)結(jié)合以模擬熱回收的效果。經(jīng)過模擬與對比，采用儲熱的熱回收系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的“熱回收+天然氣鍋爐”模式能夠使得溫室氣體排放量和能耗分別下降13%和18%。POLZOT等［51］研究了將消防水箱作為儲熱設備以進行熱回收的可能性，在合理選擇儲熱溫度的情況下，水箱中較高的熱源溫度可以提高HVAC系統(tǒng)的性能。

2.1.3 與區(qū)域供暖系統(tǒng)的結(jié)合

以上回收的熱量通常用于滿足超市自身的熱負荷，由于CO2在熱泵工況下具有較好的供暖性能，將超市作為生產(chǎn)性消費者與區(qū)域供暖系統(tǒng)結(jié)合也是目前很重要的一個應用方向。

KARAMPOUR 等［52］和 GIUNTAHE 等［53］在傳統(tǒng)的雙級熱回收的基礎(chǔ)上又分析了將帶熱回收的CO2的超市制冷系統(tǒng)與區(qū)域供暖系統(tǒng)結(jié)合的效果。GIUNTAHE等研究的系統(tǒng)熱回收部分的結(jié)構(gòu)見如圖9所示，通過熱回收換熱器hx1可以回收高品位的熱量并用于提供熱水，額外的熱量可以出售給區(qū)域供暖系統(tǒng)。經(jīng)過模擬，采用熱回收替代區(qū)域供暖系統(tǒng)時，年能耗成本能夠下降23%，考慮售熱收益時，能耗成本能夠再下降11%～16%。

圖9 與區(qū)域供暖結(jié)合的熱回收系統(tǒng)原理［53］Fig.9 Schematic diagram of heat recovery system with district heating network［53］

ARNAUDO等［54］對相近的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（與集中供暖和地熱儲能結(jié)合）進行了建模分析，同時作者創(chuàng)新性地分別基于運行成本和CO2排放量2個優(yōu)化目標對系統(tǒng)性能進行了分析。ZüHLSDORF等［55］也建模分析了與區(qū)域供暖系統(tǒng)結(jié)合的CO2超市制冷系統(tǒng)的制冷/供暖性能和經(jīng)濟性能，并進一步分析了回收的熱量直接利用與作為熱泵熱源時的性能差異。

2.1.4 熱回收的控制策略

熱回收模式下，由于回收的熱量與熱負荷不完全匹配，因此需要對系統(tǒng)的控制策略進行優(yōu)化以滿足超市的熱負荷并盡可能降低能耗。

對超市制冷系統(tǒng)，在冬季，食品冷凍和冷藏負荷降低，制冷劑質(zhì)量流量下降，同時冷凝溫度也隨環(huán)境溫度下降，因此氣冷器/冷凝器的可用熱回收量不足以滿足增大的制熱負荷，為提高熱回收量，通常需要提高系統(tǒng)壓縮機排氣壓力。同時冬季熱回收換熱器出口的CO2溫度通常仍舊高于環(huán)境溫度，可以采用空氣對CO2進行過冷，過冷可以提高制冷系統(tǒng)的COP，但會導致制冷劑質(zhì)量流量下降，可用熱回收量減少，因此需要對排氣壓力和過冷度進行優(yōu)化控制。SALWLHA等［39］分析了系統(tǒng)高壓側(cè)壓力和過冷對熱回收的影響，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4。作者根據(jù)對比結(jié)果提出了熱回收的控制策略：在熱回收模式下，當高壓側(cè)壓力不超過8.9 MPa時，通過提高壓力的方式來增大熱回收量，同時氣冷器以最大容量運行以提供最大程度的過冷；當高壓側(cè)的壓力達到89bar時，需要降低風扇的轉(zhuǎn)速來增大熱回收量；當熱負荷繼續(xù)增大時，需要完全旁通氣冷器以獲得最大的熱回收量。

GE等［56］也對熱回收模式下高壓側(cè)壓力的控制策略進行了分析。在熱回收模式下，系統(tǒng)高壓側(cè)壓力分別按照浮動冷凝、6，7，8～12 MPa進行控制。文獻中主要對比了不同控制策略下系統(tǒng)的運行成本，結(jié)果表明熱回收壓力控制在6 MPa時能夠最大程度地節(jié)約運行成本，相對于天然氣鍋爐成本能夠下降12.4%。

MAOURIS等［50］對采用儲水罐的超市熱回收系統(tǒng)進行了研究，分析了不同控制策略下系統(tǒng)性能的變化情況：基礎(chǔ)運行模式下，儲罐上部設定溫度為45 ℃；對比運行模式下提高了儲罐上部的設定溫度（7：30-8：00之間設定為 62.5 ℃，10：00-16：00之間設定為55 ℃），低于設定溫度時系統(tǒng)即以最高壓力運行以進行熱回收。通過設定更高的儲熱溫度，在超市營業(yè)之前熱回收系統(tǒng)可以回收并儲存更多的熱量以滿足營業(yè)初期急劇上升的熱負荷，從而無需通過降低氣冷器轉(zhuǎn)速、減小過冷度的方式來增大熱回收量，因而可以降低對制冷系統(tǒng)COP的不利影響。

2.2 集成的空氣調(diào)節(jié)功能

除了集成熱回收功能之外，集成空氣調(diào)節(jié)功能也是跨臨界CO2超市制冷系統(tǒng)的一個研究方向，即夏季的空氣調(diào)節(jié)負荷也由CO2制冷系統(tǒng)來提供以提高系統(tǒng)的緊湊程度并盡可能降低能耗。

GULLO等［29］引入了空氣調(diào)節(jié)換熱器來滿足超市的空氣調(diào)節(jié)負荷，根據(jù)對比，在研究的各種工況下，相比于采用傳統(tǒng)HFCs制冷劑的制冷系統(tǒng)，采用多引射器組件以及空氣調(diào)節(jié)換熱器的CO2系統(tǒng)全年能耗能夠下降15.6%～26.2%。

KARAMPOUR 等［26］也在 CO2超市制冷系統(tǒng)中引入了空氣調(diào)節(jié)功能并對比了其性能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10所示。為了進行性能比較，作者對比了集成式CO2超市制冷系統(tǒng)與R410a空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的空氣調(diào)節(jié)季節(jié)能效比（SEERAC），對比結(jié)果如圖11所示，可以觀察到集成式系統(tǒng)的SEERAC與傳統(tǒng)系統(tǒng)非常接近，同時能夠減小系統(tǒng)體積以及人工制冷劑的使用量。

圖10 帶空氣調(diào)節(jié)及熱回收的制冷系統(tǒng)示意Fig.10 Schematic diagram of a refrigeration system with AC and heat recovery

圖11 斯德哥爾摩和巴塞羅那地區(qū)CO2和R410a空氣調(diào)節(jié)方案的季節(jié)能效比［23］Fig.11 Seasonal Energy Efficiency Ratio of CO2 and R410A AC solutions in Stockholm and Barcelona

PARDI?AS 等［57］研究了一個集成了空氣調(diào)節(jié)功能并且采用了并行壓縮和引射器的CO2超市制冷系統(tǒng)，作者建議設置浮動的空氣調(diào)節(jié)換熱器壓力，以匹配變化的空氣調(diào)節(jié)負荷并降低能耗。

許多與空氣調(diào)節(jié)進行集成的超市制冷系統(tǒng)都會與熱回收同時出現(xiàn)，在2.3節(jié)將會對其進行介紹。

2.3 “多合一”系統(tǒng)

在“多合一”系統(tǒng)中，超市的冷凍冷藏、空氣調(diào)節(jié)、熱水以及供暖負荷全部由CO2系統(tǒng)提供。

KARAMPOUR等［41］研究的集成式超市制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與圖5接近，其包含熱回收換熱器和空氣調(diào)節(jié)換熱器；在這個研究的基礎(chǔ)上，作者等人在文獻［58］中進一步利用實測數(shù)據(jù)和建模的方法對“多合一”系統(tǒng)進行了研究，作者認為：在環(huán)境溫度較低的城市，集成式的“多合一”CO2超市系統(tǒng)是一種高效、環(huán)境友好并且結(jié)構(gòu)緊湊的系統(tǒng)，但是在溫暖的地區(qū)還需要額外的優(yōu)化以提高系統(tǒng)性能。

基于以上的研究，KARAMPOUR 等［26］對比了各種不同優(yōu)化措施在應用時的效果，并定義了一種新型的制冷系統(tǒng)：采用并行壓縮和中溫/低溫蒸發(fā)器滿液蒸發(fā)，并且利用兩級熱回收換熱器和空氣調(diào)節(jié)換熱器。研究結(jié)果表明，在研究的2個城市，相對于傳統(tǒng)的CO2跨臨界系統(tǒng)，所研究系統(tǒng)的制冷全年能耗分別能夠下降15.0%和15.4%，同時在斯德哥爾摩，空氣調(diào)節(jié)和熱回收的季節(jié)能效比能分別達到4.5和3.9。

D’AGARO 等［59］對一個集成式的 CO2超市制冷系統(tǒng)進行了研究，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖12所示。建模研究結(jié)果表明：在所研究的氣候條件及運行工況下，研究的系統(tǒng)能夠滿足幾乎全部的供暖、熱水及空氣調(diào)節(jié)需求，相對于采用傳統(tǒng)制冷劑的獨立式制冷/熱泵系統(tǒng)，能夠使總能耗下降6%，同時系統(tǒng)的占地面積以及初始投資成本都會下降。AZZOLIN等［49］對一個位于意大利的全集成式制冷系統(tǒng)進行了數(shù)據(jù)收集并根據(jù)實地測量數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進行了建模分析，并利用模型分析了蒸發(fā)冷卻、滿液蒸發(fā)和氣體引射器在溫暖氣候下的性能提升效果以推動系統(tǒng)在溫暖氣候下的應用。

圖 12 帶熱回收以及空氣調(diào)節(jié)換熱器的CO2超市制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.12 Schematic diagram of the CO2 refrigeration system with heat recovery and air-conditioning heat exchanger

PUROHIT等［60］將“全 CO2”系統(tǒng)的理念引入了印度和中東地區(qū)。作者對比了3種不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：分別為標準增壓制冷系統(tǒng)B、全天然制冷劑NH3/CO2復疊增壓制冷系統(tǒng)CB和傳統(tǒng)HFCs系統(tǒng)，其中復疊增壓制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖13所示，作者引入NH3/CO2復疊增壓系統(tǒng)的目的在于將CO2熱回收的潛力與復疊系統(tǒng)高環(huán)境溫度下的性能優(yōu)勢結(jié)合在一起。經(jīng)過對比，在極端炎熱的中東地區(qū)，CB系統(tǒng)的COPtotal（包括制冷、空氣調(diào)節(jié)以及供暖）要比B系統(tǒng)高出12.73%，而在印度北部，B系統(tǒng)的COPtotal要高一些，且都高于采用傳統(tǒng)制冷劑的系統(tǒng)，作者據(jù)此得出結(jié)論，采用天然制冷劑的集成式超市制冷系統(tǒng)在未來有著非常廣闊的應用前景。

圖13 集成式全天然制冷劑NH3/CO2復疊增壓制冷系統(tǒng)示意Fig.13 Schematic diagram of an integrated all-natural NH3/CO2 cascaded booster system

3 總結(jié)與展望

受到環(huán)境問題的限制，采用CO2作為制冷劑的超市制冷系統(tǒng)將是商業(yè)制冷領(lǐng)域的重要研究方向。通過集成熱回收或空氣調(diào)節(jié)功能可以有效提高CO2超市制冷系統(tǒng)的能量利用效率，減少常規(guī)制冷劑的充注量以及溫室氣體排放量。在部分研究的城市，集成式系統(tǒng)的供暖以及空氣調(diào)節(jié)的季節(jié)能效比分別能達到3.9和4.5，具有較好的性能；而對于“全CO2”跨臨界制冷系統(tǒng)，其相對于獨立式系統(tǒng)能夠使總能耗下降6%以上，同時系統(tǒng)的占地面積以及初始投資成本都會下降。綜上所述，集成式的CO2超市制冷系統(tǒng)能夠推廣CO2在商超制冷領(lǐng)域的應用。但考慮到系統(tǒng)集成后控制難度增大以及初始投資上升的問題，有必要對超市負荷變動及制冷的控制策略進行研究，以保證制冷系統(tǒng)在滿足超市全部負荷的同時盡可能降低能耗；同時對生命周期經(jīng)濟性的研究也有利于CO2集成式制冷系統(tǒng)的推廣。