CO2空调在轨道交通领域的应用前景分析

王宁 程显耀 杜慧勇

关键词：CO2、空调、轨道交通

目前，轨道交通空调使用的制冷剂主要为R407C，R134a和R410A，该类型制冷剂属于过渡制冷剂，ODP为0但是GWP值仍然比较高，加快削减HFCs（氢氟烃类物质）用量，已经成为世界的共识，替代制冷剂的研究已经刻不容缓。CO2作为天然制冷剂具有环境友好，无毒、化学性质稳定、容积制冷量高等优点有望成为下一代空调主力制冷剂。

1 CO2空调技术发展现状

随着材料制造工艺及制冷技术不断进步，针对CO2制冷系统出现了很多新技术能够提高其制冷效率。Lorentzen教授首先提出CO2跨临界循环制冷概念，系统中设置回热器，可使系统性能有10-15%的提升。CO2制冷系统性能直接受运行压力的影响，Ciro Aorea等人发现，系统性能受排热压力大小的影响很明显，在不同环境温度下，通过改变其排热压力，可找到使其性能最佳的压力值。因此在运行过程中对压力进行实时调节可使其能效比始终处于最佳值，也可以达到节能的效果[2]。日本电力工业中央研究院通过对CO2热泵性能的计算和循环特性的理论分析，得出CO2热泵在热水供应时性能高于传统工质热泵的结论。

在轨道交通领域，CO2空调技术研究近年来进展较快。中车长客公司研制的时速400公里跨国联运动车组配备了45kW制冷量的客室空调;中车唐山公司研制的新一代城际列车上配备CO2热泵客室空调;大众ID.4配备了CO2热泵空调，已全面进入市场。

2.CO2性质

CO2无色无毒且不可燃。对比其他HFCs类制冷剂，CO2的流动和传热性能优良，单位容积制冷量较高。通过与R407C、R134a、R410A几种在轨道交通空调中常用冷媒在饱和状态下蒸汽传热系数的对比，在蒸发温度为10℃时，CO2热系数高于其它三种冷媒，蒸发温度越低，CO2传热系数优势越明显;在蒸发温度为10℃时，CO2黏度明显低于其它冷媒，在蒸发器中流动阻力小，流动性能更好。

因此，CO2空调适宜使用小管径管路，CO2具有较高的单位容积制冷量，不同制冷剂同等制冷量的系统，CO2压缩机所需的排气量更小，其压缩机所需的体积也更小，CO2制冷系统可以设计的更加紧凑。

3. 跨临界循环CO2空调系统组成介绍

CO2的临界压力为7.38Mpa，临界温度为31.1℃，临界温度较低，且CO2在超临界状态下物性会发生较大变化，气体比热容会明显增大[1]。CO2跨临界循环系统由压缩机、换热器、节流装置等构成。

3.1 压缩机

压缩机为制冷系统核心部件之一。CO2双转子变频压缩机在压缩机腔内设置中压腔和高压腔以实现两级压缩，从而在同样的设计压力下，双转子压缩机壁厚更薄，减重效果明显，噪音和振动指标也比较优异。目前，谷轮等压缩机厂家正在研发CO2涡旋压缩机，日本三电研制出了铝制小排量CO2壓缩机，随着技术的发展，CO2压缩机小型化轻量化的优势将日益凸显。

3.2 换热器

轨道交通空调主要使用铜管铝翅片形式的换热器。考虑到CO2的运动粘度较低，管内压降较小，CO2换热器铜管优先使用小管径铜管，铝制平行流微通道换热器可使制冷剂侧换热面积增加约3倍.

3.3节流装置

CO2系统性能受高压端压力影响较大，要实现较为复杂的控制需要精准地调节节流装置，因此，CO2制冷系统节流装置通常使用电子膨胀阀，可以通过电子膨胀阀控制器来对阀的开度进行精准控制。

4  CO2空调在轨道交通领域的发展与竞争形势

4.1 制冷剂发展的形势

根据蒙特利尔协定基加利修正案，发达国家自2019年起削减HFCs（氢氟烃）的消费和生产;中国等发展中国家2024年将冻结HFCs （氢氟烃）的消费和生产;欧盟致力于通过F-gas法规在2015年至2030年淘汰79%的HFCs;2015年美国颁布SNAP法规，在2024年前逐步禁止HFCs的使用。

德国联邦铁路公司（简称DB）目标是未来几年在新车上全部使用自然工质空调，CO2空调是DB最主要的目标，并已经在某些轨道列车上进行了装车应用测试，在西门子的VT642动车上装载第一台CO2空调。

从制冷剂的发展形势上来说，国际上急需使用第四代制冷剂空调产品走上市场，而CO2是目前最被看好的自然工质。

4.2 CO2空调竞争形势

环境友好制冷剂应有以下特点：ODP为0;在大气中停留时间短;GWP较低;系统性能好;安全性好。

对比氨、水和碳氢化合物，不难发现CO2具有独特的优势：环境友好、安全性（无毒、不燃）;传热性能和流动性好;容积制冷量大;与普通润滑剂和结构材料相兼容;价格便宜，维护成本低等。

目前，国内多个厂家已开展了轨道交通CO2空调机组的研发，通过与常规制冷剂空调对比，有以下特点：

在结构形式方面，CO2空调也是采用蒸汽压缩式制冷方式。CO2超临界状态下良好的传热和热力性能使得换热器的效率提升，气体冷却器结构非常的紧凑，可以设计成比现有系统换热器尺寸更小的换热器，且能满足换热量的需求，这为轨道交通空调的小型化提供了可能。

在性能方面，随着CO2跨临界循环技术的不断深入研究，部件技术不断改进革新，采用高效的膨胀机、双级压缩技术以及高效换热等技术，CO2空调的性能也不断地提高。

在节能环保方面，CO2作为天然工质有着绿色环保（ODP为0，GWP为1），易获取，成本低等明显优势。前文提到DB某列车上的CO2空调相比于R134a为制冷剂的空调，其可实现节能10%左右。

5 总结

CO2系统的优势非常的突出，但是其运行压力高，运行效率偏低等缺点也是其迟迟未进入主流市场的主要原因。为应对气候变化，我国提出“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”目标承诺。开发新型环保制冷剂及其空调具有积极的意义。在轨道交通领域CO2空调终会成为空调环保问题的最佳解决方案。

参考文献：

[1] 丁国良，黄东平. 二氧化碳制冷技术[M]. 化学工业出版社，2007.