CO2应用于我国工商制冷行业的适用性研究

史敏 贾磊 张秀平 吴俊峰 李炅 钟瑜

（合肥通用机械研究院压缩机技术国家重点实验室 合肥 230031）

CO2应用于我国工商制冷行业的适用性研究

史敏 贾磊 张秀平 吴俊峰 李炅 钟瑜

（合肥通用机械研究院压缩机技术国家重点实验室 合肥 230031）

CO2是我国工商制冷行业HCFCs淘汰管理计划中明确的替代品之一，本文从技术标准、性能测试、替代成本、市场前景等方面对天然制冷剂CO2应用于工商制冷行业的适用性进行分析，结果表明：国内外相关标准认为CO2理论上可以适用于所有类型的制冷系统应用，但在充注量方面需规避泄漏窒息的风险；CO2热泵热水器在超低温工况和GB／T 21362—2008名义工况下的COP比R410A热泵热水器分别高7.9%和10.7%，CO2冷风机蒸发器比传统产品在性能上具有一定的优势；CO2热泵系统替代R22系统的成本会增加1～2倍，CO2冷冻冷藏系统替代R22系统的成本会增加20%～30%；CO2在工商制冷行业的热泵热水机和冷冻冷藏设备领域具有较好的应用潜力，但还需在制冷循环效率提升、高效部件开发、高压运行安全性保障等方面开展深入的工作。

天然制冷剂；热泵热水机；冷冻冷藏设备；性能系数；CO2；适用性

天然制冷剂CO2在环保性、热物性和流动传热特性等方面具有一些独特的优势［1］。国外商业建筑中，主要应用于大、中型超市制冷系统以及空气源热泵热水器，一般有三种基本应用方式［2-3］：1）作为相变载冷剂用于主制冷循环的二次回路输配制冷量；2）作为制冷工质，应用于亚临界制冷循环系统；3）作为制冷工质，应用于跨临界循环系统，如：CO2热泵热水器等。

针对不同的应用需求和超市有中、低温两段温区制冷的需要，可在以上三种基本方式的基础上，组合各种不同的混合系统。近年来，国外超市CO2制冷系统的应用数量不断增长，全球各大连锁超市集团，特别是本部在欧洲的超市集团，纷纷设立CO2制冷示范店，如英国最大的超市连锁商Tesco，瑞士第二大的零售集团Coop，加拿大领先的零售集团Loblaw和全球最大的连锁超市Walmart等［4］。

目前在食品加工和冷冻冷藏工业中，随着对食品冷冻温度、快速冻结需求的不断提升，要求制冷工质的温度进一步降低。当蒸发温度很低时，传统低温制冷工质NH3不适合再作为制冷工质，而CO2仍能维持较为合理的饱和压力。因此，CO2在蒸发温度低于-40℃的制冷系统中得到广泛重视［5］。

另一方面，跨临界CO2热泵及其部件的开发研究也是目前国际制冷领域的热点之一。日本对CO2热泵热水器的研究开发起步较早，目前的相关技术较为成熟，自2002年家用CO2热泵热水器产品投放市场后，销售量稳步上升。目前，日本的CO2热泵热水器累计销售量已达到几百万台［6］。

虽然CO2具有良好的热力学性质和较小的环境影响，被认为是有潜力的长期替代方案，但CO2系统存在运行压力较高、制冷循环能效较低等局限，制约其在行业的应用范围，且与国外相比，我国CO2制冷系统方面的研究仍处于初级阶段。为此，在环保部的组织下，合肥通用机械研究院联合国内知名高校、企业和协会，共同开展了工商制冷行业应用CO2的适用性研究工作，通过对技术标准、实际运行特性、替代成本、市场前景等方面的深入分析，研究CO2工质在工商制冷行业的适用性问题，以促进自然工质在我国得到进一步推广，并为下一阶段HCFCs淘汰技术的选择提供技术支撑。

1 相关标准对工商制冷行业应用CO2的规定

目前，国内外相关技术标准对CO2的安全性分类如表1所示。

表1 相关标准中CO2的安全分类Tab.1 CO2safety classification in relevant standards

从表中可以看出，ISO 817：2014［7］、EN378—1：2008［8］、GB 9237—2001［9］、GB ／T 7778—2008［10］和ASHRAE 34—2013［11］标准均将CO2划分为无毒不可燃工质。我国正在对制冷工质的分类方法标准进行修订，拟结合中国国情和标准体系，采用与ISO 817：2014相同的分类方法，以实现国际接轨，减少行业多次替代带来资源和能源的浪费。

表2汇总了相关标准对于CO2限制使用以及允许充注量的要求。

由表2可知，从安全角度分析，CO2理论上可以适用于所有类型的制冷系统应用。但在应用时，需要考虑工质泄漏带来的窒息风险，在特定的机房和应用场所内，应该根据实际情况设置必要的浓度探测仪、排风以及报警等安全措施。

2 性能实验

前期对CO2压缩机、CO2冷冻冷藏设备和CO2热泵热水机开展了实验研究，结果表明：CO2工质在上述设备中具有良好的表现［12-15］。为了探索 CO2在更多种类产品中的性能，本文针对小型CO2热泵热水器、CO2冷风机蒸发器进行了系列性能实验。

2.1 小型CO2热泵热水器性能实验

系统原理图见如图1所示，其中压缩机采用自主研发的CO2压缩机，气体冷却器采用缠绕型涡流管式气冷器，节流电子膨胀阀调节。

图1 小型CO2热泵热水器原理图Fig.1 Princip le of sm all CO2heat pum p water heater

按照自定义的超低温测试工况和GB／T 21362—2008［16］的名义工况，CO2热泵热水器与传统R410A热泵热水器的实验数据对比如表3所示。

通过上述数据对比可知，在名义工况下，CO2热泵热水器比R410A热泵热水器的性能系数（COP）提高7.9%；在超低温工况下，CO2热泵热水器比R410A热泵热水器的COP高出10.7%。

表2 相关标准对于CO2的限制使用及充注量规定Tab.2 CO2application lim it and charge requirement in relevant standards

表3 CO2热泵热水器与R410A热泵热水器的性能对比Tab.3 Performance comparison between CO2and R410A heat pum p water heater

此外，项目组分别测试样机在过载工况（空气侧干球温度43℃，湿球温度26℃，进水温度29℃，出水温度65℃）、低温工况1（空气侧干球温度-7℃，湿球温度-8℃，进水温度9℃，、出水温度55℃）和低温工况2（空气侧干球温度 -7℃，湿球温度-8℃，进水温度9℃，出水温度65℃）等工况下样机的制热量和COP。

表4 过载和低温工况下CO2热泵热水器的性能Tab.4 Performance of CO2heat pump water heater under overload and low temperature conditions

同时，为了验证CO2热泵热水器用于风盘供暖，地板采暖等供暖设备的可行性，测试了该产品在进水温度为30℃时，不同工况下产品的性能。

当进水温度为30℃，出水温度分别为50℃、55℃、65℃的工况时，CO2热泵热水器的实验数据见表5。

表5 不同出水温度时CO2热泵热水器的性能Tab.5 Performance of CO2heat pum p water heater under different outlet temperature conditions

当进水温度为30℃，出水温度为50℃，空气侧干／湿球温度为7／6℃、-7／-8℃和干球温度为-15℃的工况时，CO2热泵热水器的实验数据见表6。

表6 不同干湿球温度时CO2热泵热水器的性能Tab.6 Perform ance of CO2heat pum p water heater under different dry-bulb and wet-bulb tem perature conditions

通过以上实验数据可以看出，CO2工质应用于热泵热水器上具有很好的能效优势。

2.2 CO2蒸发器性能实验

在工商业冷冻冷藏领域，蒸发器是CO2冷风机直接产生制冷效果的部件，其性能优劣直接影响整个系统能耗的高低。针对CO2冷风机蒸发器开展性能测试，主要考察风速和过热度对CO2蒸发器性能的影响，实验工况见表7。

理想情况下，零过热度能最大限度发挥蒸发器的作用，但考虑过热度为零时蒸发器出口工质可能会带液，导致压缩机发生液击事故，所以一般情况下蒸发器有一定的过热度，技术标准中一般规定翅片蒸发器过热度为5℃左右。在过热度分别为5.5℃和4.2℃的两工况下，对CO2低温蒸发器进行了实验研究，结果如图2所示。由图2可知，随着风速增大，换热量均显著增加，而过热度小的换热量增大速率更快，过热度由5.5℃降到4.2℃时，换热量增大约10%。

根据换热量测试结果，由空气侧进出口温度及蒸发温度计算对数平均温差，结合已知的换热面积，可计算得出蒸发器的总传热系数平均值为20 W／（m2·K），该数值与使用传统R22和R404A工质的冷风机相当［17］，高于冷风机制造商一般要求的15 W／（m2·K）。由于CO2工质具有良好的环保和安全特性，因此，CO2在冷风机蒸发器领域也具有较好的应用前景。

表7 CO2冷风机蒸发器性能实验工况Tab.7 Performance test condition for CO2air-cooler evaporator

图2 过热度和风速对CO2蒸发器换热量的影响Fig.2 CO2evaporator heat exchange capacity versus superheat degree and air speed

3 替代成本分析

选用CO2作为替代工质时，替代成本是制造企业必须考虑的重要因素。本文从生产线、产品制造、物流仓储、运行维护等角度分析目前R22热泵系统和冷冻冷藏系统转换为CO2系统的成本变化，为制造企业的升级改造提供必要的参考。

1）适应性设计与制造

由于CO2工质的固有特性，针对传统R22系统的部件承压特性、最佳充注量、换热器的适应性、零部件的优化选型、工质与润滑油的相容性以及机组安全运行等进行适应性分析，针对原生产线进行重新设计和样机制造。

2）生产线改造

（1）换热器加工

由于CO2系统运行压力高，且根据CO2的换热特性进行换热器的全新设计，因此，需要对换热器管径、换热器模具、胀管、试压等工艺设备等进行改造，进一步增大了加工的难度。另外，换热器尺寸的变化，需要更换换热器钣金加工模具，包括新增换热端板冲孔模具、翻边模具和折弯模具等。

（2）产品装配

CO2系统气密性要求提高，现有真空泵不能满足要求，需要更换真空泵设备；现有卤素检漏仪无法满足使用要求，需新购专用检漏仪；同时，需要更换工质充注设备和回收设备。

3）生产线试运行

生产线设备改造完毕后，需进行调试和试运行，验证整条生产线是否具有连续稳定生产的能力，故需要在改造后的产品线上试生产一定数量的新产品。

4）其他

对性能实验中心进行改造，包括新增高压传感器、工质流量计等。根据CO2产品的特点，对生产、安全、管理、销售、安装和维修人员开展培训。

3.1 生产线改造成本

3.2 产品制造与仓储物流成本

将R22工质替换为CO2后，产品的主要成本变化如下：

1）压缩机：需要专用CO2压缩机，其结构强度增加，导致成本增加较多。

2）电气元件：基本无变化。

3）蒸发器和冷凝器：管材强度和管壁厚度均有增加，导致成本增加较多。

4）管路、阀门等附件：节流阀、控制阀等阀件的成本增加较多，管路成本略有增加，故成本增加较多。

5）工质：由于CO2为天然工质，价格低廉，因此，工质成本降低。

6）由于CO2对环境友好，无毒，不可燃，因此，物流仓储成本无变化。

3.3 运行维护成本

CO2系统在安装过程中，由于压力较高，对系统管路的承压能力提出新要求。同时CO2对系统中水份含量的要求更高，国际上推荐 CO2的纯度为99.9%以上干燥度，水含量小于0.1%。这在实际运行中很有挑战性，若系统安装运转过程中抽空（除水）不彻底，或者润滑油中含水，CO2与水反应产生碳酸，均会对系统可靠性带来威胁。

根据调研的CO2系统实际运行情况来看，CO2系统与传统R22系统的运行成本相当，且均要求定期维护，由于CO2系统的运行压力较高，部件的通用性不强，对产品的维护要求更加严格，需要配备专用设备和人员。因此，产品的维护成本略有增加。

3.4 综合分析

从上述分析过程并结合日本、欧洲等地区的CO2热泵产品、CO2冷冻冷藏系统生产和销售情况来看，R22热泵系统替换为CO2热泵系统的成本会增加1 ～2倍（制热量越大，成本增加比例越小），R22冷冻冷藏系统替换为CO2冷冻冷藏系统的成本会增加20%～30%，其主要原因在于产品制造成本和生产线改造成本增加。

4 市场前景分析

4.1 CO2热泵热水机

2013年9月，国务院印发了《大气污染防治行动计划》，该计划设定了大气污染防治行动计划的目标，同时明确提出了鼓励热泵的应用，“新建建筑要严格执行强制性节能标准，推广使用太阳能热水系统、地源热泵、空气源热泵、光伏建筑一体化和热电冷三联供等技术和装备”。

近年来，南方采暖日益受到消费者追捧，市场上已出现很多空气源热泵热水机（器）通过地暖或者小温差末端的形式采暖的实际应用案例。另外，京津冀及周边地区5年内将着力推行削减“燃煤”的行动。这将形成一个特殊的供暖刚性需求市场，大多数燃煤供暖改造将转向电供暖。京津冀及周边地区的气候条件为空气源热泵的应用创造了良好的条件。

根据中国制冷空调工业协会的统计，2014年热泵热水机的销售产值约为24亿元，且市场保持稳步增长的态势。由于具有良好的环保特性和较高的能效，CO2热泵热水机有望逐步得到推广应用，在做好安全保障的基础上，该类产品具有较好的市场前景。

4.2 CO2冷冻冷藏设备

《物流业发展中长期规划（2014—2020年）》等文件提出重点建设农产品、医药、冷链物流园区，完善冷链物流网络，为冷链行业持续健康发展提供制度保障。另外，《全国药品流通行业发展规划纲要》、《药品冷链物流运作规范》等文件的陆续出台，加强了医药冷链的管理，将带动医药用冷冻冷藏设备的发展。

食品、药品工业生产过程中冷却、产品的保鲜、冷藏运输等环节均离不开冷冻冷藏设备。因此，未来随着冷链物流的不断发展壮大，冷冻冷藏设备将面临爆发式增长。由于CO2冷冻冷藏设备良好的性能和优异的环境友好性，必然也将迎来一个快速发展的时期。

5 结论

本文从技术标准、产品性能测试、产品制造与运维成本以及国家的节能减排政策等方面分析探讨了CO2在我国工商制冷行业的应用潜力。

1）从技术标准规定来说，CO2理论上可以适用于所有类型的制冷系统应用，只是应用时要考虑工质泄漏带来的窒息风险，在特定的机房和应用场所内，应该根据实际情况设置必要的浓度探测仪、排风以及报警等安全措施。

2）从产品性能测试结果来看，CO2热泵热水机具有较高的出水温度和COP，可以完全替代传统热泵热水器，但要注意该类系统在除霜方式上与传统热泵系统的不同；CO2低温蒸发器也具有较好的性能，但其换热量和压降受迎面风速、质量流量、过热度等参数的影响较大。

3）在CO2制冷（热泵）技术应用方面，国内虽然已经逐渐开始掌握成套技术，水平与国外相比差距不大，技术水平趋于成熟，但推广之路明显滞后。目前CO2制冷（热泵）系统造价相对较高，令很多企业望而生畏。就安全、综合运行的经济性而言，CO2制冷（热泵）系统更具优势；单从工质方面来说，CO2比氟利昂成本更低，更易获得，未来氟利昂的成本必将不断升高，CO2将成为良好的中长期替代物。

4）随着国家对节能环保工作重视程度的不断增加，CO2热泵热水机和冷冻冷藏设备在供暖、冷链物流等领域具有良好发展前景，将对工商制冷设备制造企业形成一定的吸引力。

综上所述：CO2在工商制冷行业的热泵热水机和冷冻冷藏设备领域具有较好的应用潜力，但还需攻克循环效率提升、高效部件开发、高压运行安全性保障等技术瓶颈，以推动高效、低成本CO2制冷（热泵）系统在工商制冷行业中的可持续发展。

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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

简介

史敏，女，教授级高级工程师，合肥通用机械研究院总质量师，（0551）65335506，E-mail：shimin＠hgm ri.com。研究方向：制冷技术和制冷空调检测技术等。

2016年9月22日