CO2 跨臨界制冰一一制冷循環(huán)優(yōu)化調(diào)控及其在冰場中的應(yīng)用

彭兆睿 鄭秋云 張信榮

1 北京大學(xué)工學(xué)院 2 北京市城市熱管理工程技術(shù)研究中心

2021 年中共中央、國務(wù)院印發(fā)了《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》，指出為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)要加快構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系，大幅提升能源利用效率。制冷是現(xiàn)代社會重要用能領(lǐng)域，是建筑暖通、食品貯藏、工業(yè)冷卻以及冰雪產(chǎn)業(yè)等應(yīng)用中的關(guān)鍵過程，而國內(nèi)制冷用電能耗占全部用電能耗15%以上，節(jié)能空間達(dá)30%～50%，制冷技術(shù)的低碳提效減排對實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)意義重大。

CO2具有環(huán)保（臭氧破壞潛能ODP=0，溫室效應(yīng)潛能GWP=1）、不可燃且無毒（相比之下另一種天然工質(zhì)NH3可燃且有毒）、易達(dá)到超臨界狀態(tài)（臨界溫度Tc=31.1℃）等特點(diǎn)，由此帶來環(huán)境友好、安全、熱力學(xué)性能優(yōu)異等優(yōu)勢。CO2跨臨界制冷循環(huán)是指蒸發(fā)壓力在臨界壓力之下、冷卻壓力在臨界壓力之上的蒸氣壓縮循環(huán)（單級壓縮循環(huán)如圖1 所示），雖然運(yùn)行壓力較傳統(tǒng)制冷劑更高，但壓縮比并不高，因此有利于提升壓縮機(jī)效率。區(qū)別于傳統(tǒng)制冷劑亞臨界循環(huán)，其蒸發(fā)冷凝均主要發(fā)生在兩相區(qū)，CO2跨臨界循環(huán)的冷卻過程發(fā)生在超臨界狀態(tài)，此時(shí)氣液相界面消失，冷卻過程更接近單相變溫放熱過程（也稱氣冷過程），這與二次流體傳熱過程更匹配，同時(shí)由于超臨界狀態(tài)下CO2熱擴(kuò)散系數(shù)更高、粘度更小，因此氣冷過程的熱力學(xué)不可逆損失更小，研究表明CO2跨臨界制冷循環(huán)的性能可以與傳統(tǒng)制冷劑循環(huán)相匹敵，而帶熱回收時(shí)性能則更加優(yōu)異。此外，高壓下CO2密度大，能使制冷循環(huán)的壓縮機(jī)、換熱器等設(shè)備體積減小，機(jī)組更加緊湊。基于上述優(yōu)勢，CO2跨臨界制冷循環(huán)在超市冷藏儲備、交通設(shè)備運(yùn)輸及人造冰雪設(shè)施中應(yīng)用前景廣泛。

圖1 C02跨臨界制冷循環(huán)(a)單級壓縮循環(huán)示意圖(b)相應(yīng)T-s圖

但是，CO2跨臨界制冷循環(huán)仍然存在排氣溫度較高、溫暖環(huán)境下性能低、節(jié)流損失大等問題，解決思路通常包括：①采取雙級循環(huán)等復(fù)雜循環(huán)形式代替單級循環(huán)；②增添回?zé)崞鳌⑴蛎洐C(jī)、噴射器等部件；③對整個(gè)循環(huán)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化控制，其中第三種思路是在循環(huán)形式確定后的實(shí)際運(yùn)行中提升循環(huán)性能的有效舉措，本文首先將針對這種思路進(jìn)行闡述。

1 CO2 跨臨界制冷循環(huán)優(yōu)化調(diào)控技術(shù)

我國氣候多樣，環(huán)境溫度、濕度等參數(shù)隨地域、時(shí)節(jié)變化較大，而CO2跨臨界循環(huán)的跨臨界特性決定了其受環(huán)境因素影響顯著。由于CO2跨臨界制冷循環(huán)放熱過程在超臨界區(qū)，溫度與壓力為相互獨(dú)立的作用參量，排氣壓力和氣冷器出口溫度共同作用于機(jī)組的運(yùn)行性能，因此，降低氣冷器出口溫度有利于提升循環(huán)性能，而氣冷器出口溫度除了受制于冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率、冷卻塔水量等冷卻設(shè)備操作參數(shù)外，更受制于當(dāng)?shù)貪袂驕囟?，由此可見環(huán)境參數(shù)對循環(huán)效能的影響程度。如何保證CO2跨臨界制冷機(jī)組在多變的環(huán)境狀態(tài)波動下保持最優(yōu)性能，優(yōu)化調(diào)控技術(shù)就是重要手段之一。

調(diào)控循環(huán)運(yùn)行參數(shù)是最常用優(yōu)化控制手段，分析不同蒸發(fā)溫度、高壓排氣壓力、過熱度、中間壓力（針對雙級循環(huán)）等運(yùn)行參數(shù)下何時(shí)性能最優(yōu)從而獲得關(guān)鍵調(diào)控參數(shù)。研究表明高壓排氣壓力是影響CO2跨臨界循環(huán)最重要的調(diào)控參數(shù)之一，且存在最佳排氣壓力使得循環(huán)COP最高。從熱力學(xué)循環(huán)角度來看，隨著排氣壓力按均勻步長ΔPrejection升高，壓縮機(jī)耗功按均勻增量Δw增加，而在排氣溫度給定的工況下，吸熱量增量Δq在跨越臨界溫度區(qū)域時(shí)出現(xiàn)先增大，后減小的趨勢，該趨勢抵消掉均勻增加的耗功，使得循環(huán)COP也相應(yīng)出現(xiàn)先增大后減小的特點(diǎn)，因此在某一排氣壓力下，COP極大值出現(xiàn)，可以用下式表示該最優(yōu)排氣壓力Popt的位置：

早期研究利用圖表法進(jìn)行最優(yōu)排氣壓力的計(jì)算，但該方法耗時(shí)大，當(dāng)把循環(huán)中諸如壓縮機(jī)等熵效率等因素考慮進(jìn)去時(shí)則更為復(fù)雜麻煩?，F(xiàn)在通常采用建立數(shù)值模型的方法獲得線性關(guān)聯(lián)式，該關(guān)聯(lián)式通常表示為環(huán)境溫度tamb或氣冷器出口溫度tgc,o的函數(shù)，而Popt相對蒸發(fā)溫度te不敏感，因此可忽略該參數(shù)的影響。函數(shù)關(guān)聯(lián)式形式如式（2）所示，循環(huán)運(yùn)行時(shí)可以通過監(jiān)測這兩個(gè)溫度參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算最優(yōu)排氣壓力，使得循環(huán)保持在最優(yōu)狀態(tài)下運(yùn)行。表1 總結(jié)了文獻(xiàn)中一些典型的CO2跨臨界制冷循環(huán)最優(yōu)排氣壓力計(jì)算關(guān)聯(lián)式。

表1 最優(yōu)排氣壓力（Popt, bar）典型關(guān)聯(lián)式匯總

當(dāng)CO2跨臨界制冷循環(huán)形式給定后，根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)控循環(huán)在跨臨界模式和亞臨界模式之間進(jìn)行切換也是一種優(yōu)化調(diào)控方法。Y.T Ge等針對應(yīng)用于超市制冷的單級蒸汽壓縮循環(huán)，分別對蒸發(fā)器、氣冷器/冷凝器、壓縮機(jī)等關(guān)鍵部件建模，探究了最優(yōu)運(yùn)行策略。該循環(huán)運(yùn)行邏輯是通過設(shè)置轉(zhuǎn)換溫度進(jìn)行模式切換，根據(jù)環(huán)境溫度變化實(shí)時(shí)調(diào)整為亞臨界/跨臨界模式運(yùn)行，結(jié)果顯示出該模式的節(jié)能效果良好，更高的轉(zhuǎn)換溫度則更為節(jié)能。陳威等針對應(yīng)用于超市的帶兩種蒸發(fā)溫度的雙溫制冷循環(huán)，包括平行壓縮制冷循環(huán)和多噴射器循環(huán)進(jìn)行類似的運(yùn)行模式控制優(yōu)化，給出了適用于海南、上海和東北等具有不同環(huán)境溫度地區(qū)的最優(yōu)循環(huán)系統(tǒng)和運(yùn)行策略。

2 CO2 跨臨界制冷循環(huán)在冰場中的應(yīng)用

CO2跨臨界制冰始于1999 年，第一座采用NH3-CO2復(fù)疊式制冷的冰場在奧地利建成，此后類似的系統(tǒng)在多個(gè)冰場中采用，該系統(tǒng)為第一代。2010年在加拿大魁北克建成了跨臨界二氧化碳直膨的冰場制冷系統(tǒng)，隨后又建成了跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)與其他載冷劑聯(lián)合的間接冰場制冷系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)為第二代。由于跨臨界循環(huán)相比亞臨界循環(huán)具有更優(yōu)異的制熱特性，氣冷過程降溫顯著，熱回收具有更大潛力，這在供熱需求大、溫度需求廣的室內(nèi)人工冰場場館中具有很大優(yōu)勢。在場館中，大廳、更衣室、辦公室、觀眾席等公共區(qū)域空氣溫度需要維持在20℃左右，淋浴和洗手熱水溫度需要在60℃左右，包括融冰、澆冰、冰面下的地面防凍、管路化霜等也需要一定的低溫水，通過熱回收系統(tǒng)回收制冰的熱量用于上述梯級供熱需求，可以減少額外供熱設(shè)備及能耗，綜合來看冷熱同時(shí)利用的跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)可以節(jié)能50%以上。

圖2 為跨臨界CO2直冷制冰系統(tǒng)的示意圖，與采用氯化鈣等載冷劑的間接制冰系統(tǒng)相比，直冷系統(tǒng)的制冰管道壓降小、循環(huán)功率小，同時(shí)熱回收潛能最大，壽命周期成本更低。但由于間接制冰系統(tǒng)可以僅通過替換蒸汽壓縮回路實(shí)現(xiàn)既有冰場的改造更新，相比之下直冷系統(tǒng)還需要替換制冰管道使得初始投資更大，技術(shù)更加復(fù)雜，因此直冷制冰更適合應(yīng)用于未來的新建冰場。

圖2 CO2 跨臨界直冷制冰冰場系統(tǒng)示意圖

進(jìn)一步對圖2 所示系統(tǒng)進(jìn)行簡單的熱力學(xué)分析。該過程主要為：氣液分離器中的低壓二氧化碳飽和蒸氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮為超臨界二氧化碳，進(jìn)入熱回收器中加熱供熱管網(wǎng)的回水（或其他供熱介質(zhì)）用于不同溫度的熱量需求，二氧化碳在熱回收器中降溫為具有超臨界壓力的過冷液體，根據(jù)熱量需求溫度的不同，二氧化碳需要進(jìn)一步在冷卻塔或風(fēng)冷機(jī)組中降溫至10 ～20℃，經(jīng)膨脹閥形成氣液混合狀態(tài)回至氣液分離器中進(jìn)行氣液分離；氣液分離器中的液體二氧化碳經(jīng)二氧化碳泵送至冰場下方的制冷管道中維持冰面所需的低溫，流經(jīng)冰場下方的制冷管道的二氧化碳蒸發(fā)為氣態(tài)，回至氣液分離器中。

取北京地區(qū)環(huán)境溫度為參考（-5 ～35℃，全年），考慮60m×30m 的標(biāo)準(zhǔn)冰場，場館容納人數(shù)1000人，冰面溫度-5℃，冰面上方空氣溫度10℃，風(fēng)速1.0m/s，計(jì)算得出場館典型冷負(fù)荷以及制冷COP 如表2 所示，對應(yīng)最優(yōu)排氣壓力（Popt,MPa）關(guān)聯(lián)式如下：

表2 典型工況下跨臨界CO2 直冷制冰系統(tǒng)冷負(fù)荷及制冷COP

3 結(jié)論

CO2跨臨界制冷技術(shù)作為一種具有獨(dú)特?zé)崃W(xué)優(yōu)勢的制冷技術(shù)在人造冰雪設(shè)施中應(yīng)用前景廣泛。由于CO2跨臨界制冷循環(huán)放熱過程在超臨界區(qū)，溫度與壓力相互獨(dú)立，排氣壓力和氣冷器出口溫度共同作用于機(jī)組的運(yùn)行性能，因此調(diào)控循環(huán)關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)至最優(yōu)點(diǎn)是最常用優(yōu)化控制手段，利用線性關(guān)聯(lián)式可以快速獲得最優(yōu)操作參數(shù)，但是該關(guān)聯(lián)式受循環(huán)形式影響顯著。此外，根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)控循環(huán)在跨臨界模式和亞臨界模式之間進(jìn)行切換也是一種優(yōu)化調(diào)控方法。而將CO2跨臨界制冷技術(shù)應(yīng)用于冰場在近年逐漸發(fā)展，冷熱同時(shí)利用時(shí)優(yōu)勢顯著，開發(fā)出適合冰場的調(diào)控手段則是保證該技術(shù)高效應(yīng)用的重要一步。