集成式CO2超市制冷系统的研究进展

耿旭东，周啸虎，邵双全，李 锋，司春强，马 进

（1.华中科技大学 能源与动力工程学院，武汉 430074；2.华商国际工程有限公司，北京 100069）

0 引言

巴黎协定等气候条约的签订使得温室气体排放问题越来越受到关注，因此以CO2为代表的天然制冷剂逐渐得到推广应用。传统商业制冷系统中应用最为广泛的制冷剂为R404A和R22，其全球变暖潜能值（GWP）分别为3 943和1 760，并且有着较高的泄漏比例［1］，有可能造成比较严重的温室效应，在碳达峰和碳中和的目标下，淘汰高温室效应制冷剂的压力较大。天然制冷剂中的CO2具有较好的环境性能（GWP=1，臭氧消耗潜能值（ODP）=0），采用CO2作为制冷剂可以在很大程度上解决由制冷剂泄漏和未有效回收引起的温室气体排放问题［2-3］；同时CO2具有良好的热力学性能：作为制冷剂时，CO2的密度及潜热较大，有着更大的容积制冷量；同时CO2的黏度较低，这些特性都有利于CO2在制冷系统中的应用［4-5］。数据显示，2018年全球跨临界CO2制冷设备的安装量已经超过20 000台，并且还在快速发展［6］。

超市是能耗非常高的应用场景，根据TASSOU等［7］的研究，在英国，超市的耗电量和温室气体排放量分别占全年英国总量的3%和1%，其中，制冷设备的耗电量约占超市总耗电量的30%～60%。随着中国城市化的继续推进和居民生活水平的提高，超市的耗电以及温室气体排放问题也会变得越来越严峻。同时CO2较低的临界温度（31.3 ℃）会导致制冷系统在高温下的制冷系数（COP）下降，根据模拟结果，当环境温度高于10～15 ℃时，采用CO2的制冷系统的COP就会低于采用常规制冷剂的系统［8-9］，因此需要对采用CO2的超市制冷系统进行进一步的研究以提高其性能。

目前CO2在超市制冷领域中应用最多的系统形式为增压式CO2跨临界制冷系统。在增压式CO2跨临界制冷系统中，低温级蒸发器出口的CO2在低温级压缩机压缩之后与中温级蒸发器出口的CO2进行混合，混合后的CO2再进入中温级压缩机。增压式CO2制冷系统具有结构紧凑、可以同时满足超市不同温度的食品冷冻/冷藏需求的优点。为了提升其性能，学者进行了许多研究：（1）循环优化；（2）系统集成——将食品冷冻冷藏、空气调节与通风、热水加热等需求进行结合。系统集成能简化功能之间的沟通与交流，使得系统形式更加紧凑，采用热回收时，也可以利有效利用气冷器的放热量以降低能耗，从而推动CO2作为制冷剂在商业制冷系统的推广使用。

针对天然制冷剂CO2及其在制冷系统中的应用，已经有许多学者做出了综述进行介绍：KIM等［10］和 PRADEEP 等［11］对 CO2在蒸汽压缩制冷循环中应用的基础问题分别进行了总结与汇总，包括CO2作为制冷剂时的热力学性能、CO2制冷/热泵循环的优化以及CO2系统高压侧压力的控制；BRUNO 等［12］和宋昱龙等［13］对 CO2在热泵和制冷领域中的应用进行了介绍；YU等［14］对CO2跨临界制冷循环的各种优化措施的原理以及效果进行了总结，宗硕等［15］和黄龙飞等［16］则进一步分别对跨临界CO2循环中，引射器技术和过冷技术的应用情况进行了介绍；MA等［17］重点对CO2制冷剂的换热特性以及CO2膨胀机的研究进展和应用情况进行了综述；GULLO等［1］对CO2增压制冷循环在超市中的应用进行了全面的介绍，包括世界各国商业制冷发展的趋势以及CO2制冷系统优化的发展情况。

综上所述，对CO2跨临界制冷循环及其在超市冷冻冷藏中的应用，已经有了比较详尽的总结，但是对结合了供暖以及空气调节功能的集成式CO2超市制冷系统的综述还比较少。由于系统集成对提高跨临界CO2系统的性能及推广CO2在超市制冷系统的应用非常有意义，有必要对集成式CO2超市制冷系统的发展及研究状况进行全面的介绍。

1 CO2超市制冷系统

CO2在制冷系统中的应用最早可以追溯到1850年［18］，目前CO2在超市制冷系统中的应用主要有3种形式，分别为：在间接式制冷系统中作为载冷剂、在复叠式制冷系统中作为低温级制冷剂或者应用于CO2跨临界制冷系统。

对采用CO2的间接式制冷系统，其常见结构如图1所示。采用CO2作为载冷剂时，可以用常规制冷剂对其进行冷却，再将CO2泵往蒸发器进行蒸发换热。

图1 间接式CO2制冷系统示意Fig.1 Schematic diagram of a CO2 indirect refrigeration system

由于CO2黏度更低并且可以使用潜热来进行换热，载冷侧可以使用直径更小的换热管道，有利于减小系统体积及降低成本，同时采用CO2作为间接式制冷系统的载冷剂可以更方便地提高循环倍率以实现满液蒸发，优化换热效果［19-20］，降低系统能耗。

复叠式制冷系统的常见结构如图2所示，低温级采用CO2作为制冷剂，高温级通常采用R717、R507A及R134a等作为制冷剂。对不同的蒸发温度、高温级制冷剂以及系统结构，整体性能也会不同。

图2 复叠式CO2制冷系统示意Fig.2 Schematic diagram m of a CO2 cascade refrigeration system

对CO2跨临界制冷系统，其只采用CO2作为制冷剂。常规的商业制冷通常包含中温和低温2个不同水平的制冷负荷，因此需要有2个不同蒸发温度的蒸发器，在实际的应用过程中，通常选择增压式的跨临界CO2制冷循环来满足不同温度的制冷负荷，其系统结构和P-h曲线分别如图3（a）和（b）所示［21］。

图3 增压式跨临界CO2制冷系统结构示意及P-h曲线［21］Fig.3 Schematic diagram and P-h diagram of CO2 booster transcritical refrigeration system［21］

目前对CO2超市制冷系统的研究大部分集中于增压式跨临界CO2制冷系统的优化，研究的一个重点是循环优化，如并行压缩［22-25］、满液蒸发［25-28］、引射器［27，29-30］、机械过冷和绝热冷却［31-34］、回热器［35-37］、膨胀机［38］等措施的采用，这些措施可以有效提高系统在温和或者温暖气候下的制冷性能，但在高温下系统的制冷性能依旧劣于采用常规制冷剂的系统［9］，并且会加大系统的设计及控制难度［26］，因此仍旧有必要对集成式CO2超市制冷系统进行研究以进一步推广CO2在商业制冷系统中的应用。

2 集成式CO2超市制冷系统

对CO2超市制冷系统，一方面可以选择集成热回收功能来满足超市的制热负荷以降低系统的整体能耗；另一方面可以集成空气调节换热器来满足空气调节需求，提高系统的紧凑程度并降低占地面积。在本章将分别对不同的集成式超市制冷系统及其特点进行介绍。

2.1 集成的热回收功能

CO2作为制冷剂时，在气冷器中的跨临界放热过程是温度滑移较大的变温过程，因此可以与变温热源匹配来构建一个特殊的Lorenz循环，可以获得较好的换热效果［18］。以CO2作为制冷剂的超市制冷系统在跨临界运行时，气冷器入口的CO2温度较高，气冷器放热量较大，通过热回收可以有效回收热量并用于提供热水或者供暖。

2.1.1 直接式热回收

SAWALHA等［39-40］分析了一种采用热回收换热器的直接式热回收系统，其系统结构如图4所示，整体结构与常规增压制冷系统相近，但在气冷器/冷凝器之前安装了热回收换热器进行热回收，并通过阀门来对制冷剂流向进行控制。

图4 带热回收的跨临界制冷系统示意Fig.4 Schematic diagram of a trans-critical refrigeration system with heat recovery

在文献中，作者主要通过建模的方法对系统的性能进行了分析：当环境温度低于10℃时，系统的制热负荷随环境温度降低而增大，此时系统将在热回收模式下运行。根据模拟结果，在冬季，中温级压缩机的耗电量约有50%被用于提供额外的制热量，并且制热的季节能效比SPF能够达到4，高于传统系统。

SAWALHA等［41］进一步分析了并行压缩机对带热回收的跨临界CO2超市制冷系统性能的影响，系统结构如图5所示。

图5 带热回收和并行压缩的跨临界制冷系统示意Fig.5 Schematic diagram of a trans-critical refrigeration system with heat recovery and parallel compression

夏季运行模式下，并行压缩对制冷COP的提升幅度较大；在冬季热回收模式下，对系统总COP的提升效果较小。SHI等［42］对一个位于荷兰的带热回收的超市制冷系统进行了实验和建模研究，建模结果表明采用热回收之后系统的总能耗能够下降12.9%。

除了采用单个热回收换热器的系统，一些学者也研究了双级/多级热回收的热回收系统。KARAMPOUR等［43］的研究中设置了两个串联的热回收换热器，回收的不同品位的热量分别被用于提供热水以及供暖。采用双级热回收可以根据需求对系统进行更好的控制，并且有助于避免单级热回收换热器中可能发生的夹点问题。POLZOT等［44］研究了相近的结构，建模研究结果表明，热回收可以满足100%的超市热水需求，但是有31.5%～49%的供暖需求无法被完全满足；采用热回收之后，系统的全年能耗能够下降10%，同时可以完全移除热水加热系统并大幅减小供暖系统的体积。

COLOMBO等［45］进一步优化了回收热量的利用方式，热回收系统的原理如图6所示，通过主回路与二次流回路，回收的热量有3种不同的利用方式：（1）通过HE1a换热器回收的高品位热量可以作为热源来驱动吸收式制冷设备或出售给区域供暖系统；（2）通过HE1b回收的热量用于满足超市用热水需求；（3）通过HE2回收的热量主要用于满足超市供暖需求。经过模拟计算，图6示出的双级/多级热回收方式可以使得超市制冷系统的总CO2排放量下降34%。

图6 热回收系统原理［45］Fig.6 Schematic diagram of a heat recovery system［45］

在冬季，当环境温度较低、超市热负荷较高时，可以通过设置负荷蒸发器（load evaporator）的方式来提供额外的热量。POLZOT 等［44，46，47］研究的热回收系统如图7所示，其在储液器后增加了一个额外的负荷蒸发器，在冬季环境温度较低时启用，以增大压缩机以及热回收换热器中CO2的质量流量并增大热回收量。为了简化系统的控制，文献［44］中，负荷蒸发器的蒸发温度与与中温蒸发器相同，此时系统的总能耗反而会升高，但采用该结构可以完全移除额外的热泵系统，并且可以通过引入辅助压缩机来进一步提高热回收运行模式下的整体效率。EMILIO JOSÉ SARABIA ESCRIVA等［48］也研究了采用负荷蒸发器的热回收系统，与通过提高压力来增大热回收量相比，采用负荷蒸发器会使系统的运行成本升高，因此负荷蒸发器应该在系统压力达到最大限定值后启动；AZZOLIN等［49］对传统系统进行了改造，通过管路设计，在冬季可以将气冷器/冷凝器作为热源来增大低温下的热回收量，其优势在于改造系统的成本较低，无需配置额外的蒸发器，同时，当与满液蒸发及蒸发冷却进行结合时，在研究的工况下能够使得年能耗下降7.5%。

图7 采用额外蒸发器的热回收系统原理［46］Fig.7 Schematic diagram of a heat recovery system with load evaporator［46］

EMILIO JOSÉ SARABIA ESCRIVA 等［48］在分析直接式热回收系统的同时，对可用热回收量、实际热回收量和热负荷进行了模拟及比较：在不同的运行模式下，全年可用热回收量与全年热负荷的比值为181.4%～235.0%，但有效热回收量的占比只有28.7%～43.2%，这说明全年总可用热量超过全年热负荷，但由于热回收时段与需求时段不完全一致，需求和负荷之间也会存在不匹配的情况。

2.1.2 储热式热回收

如前所述，由于系统的实时热回收量不足以及可用热回收量与热负荷不完全匹配，在冬季存在热回收量无法完全满足制热负荷的情况。EMILIO JOSÉ SARABIA ESCRIVA 等［48］因此建议使用储热设备以提高热回收的效率。

GEORGIOS等［50］对采用储热的 CO2热回收超市制冷系统进行了详细的介绍以及建模研究。储热式热回收系统的结构如图8所示，缓冲罐左侧为加热侧，通过热回收换热器对储罐内的水进行加热；缓冲罐右侧为放热侧，需要保证有足够的热量提供给超市，缓冲罐是加热端和使用端的中间环节，同时也是储热系统的核心环节。

图8 储热系统示意及与一次侧、二次侧的关系［50］Fig.8 Schematic diagram of a thermal storage system and its relationship with its primary and secondary side［50］

在模拟中，设定储罐上部最低温度为45 ℃，最高温度为75 ℃，当储罐上部温度低于45 ℃时即以最高运行压力进行热回收，当温度高于75 ℃时即停止加热。作者同时建立了储罐的动态模型并与制冷系统结合以模拟热回收的效果。经过模拟与对比，采用储热的热回收系统相比于传统的“热回收+天然气锅炉”模式能够使得温室气体排放量和能耗分别下降13%和18%。POLZOT等［51］研究了将消防水箱作为储热设备以进行热回收的可能性，在合理选择储热温度的情况下，水箱中较高的热源温度可以提高HVAC系统的性能。

2.1.3 与区域供暖系统的结合

以上回收的热量通常用于满足超市自身的热负荷，由于CO2在热泵工况下具有较好的供暖性能，将超市作为生产性消费者与区域供暖系统结合也是目前很重要的一个应用方向。

KARAMPOUR 等［52］和 GIUNTAHE 等［53］在传统的双级热回收的基础上又分析了将带热回收的CO2的超市制冷系统与区域供暖系统结合的效果。GIUNTAHE等研究的系统热回收部分的结构见如图9所示，通过热回收换热器hx1可以回收高品位的热量并用于提供热水，额外的热量可以出售给区域供暖系统。经过模拟，采用热回收替代区域供暖系统时，年能耗成本能够下降23%，考虑售热收益时，能耗成本能够再下降11%～16%。

图9 与区域供暖结合的热回收系统原理［53］Fig.9 Schematic diagram of heat recovery system with district heating network［53］

ARNAUDO等［54］对相近的系统结构（与集中供暖和地热储能结合）进行了建模分析，同时作者创新性地分别基于运行成本和CO2排放量2个优化目标对系统性能进行了分析。ZÜHLSDORF等［55］也建模分析了与区域供暖系统结合的CO2超市制冷系统的制冷/供暖性能和经济性能，并进一步分析了回收的热量直接利用与作为热泵热源时的性能差异。

2.1.4 热回收的控制策略

热回收模式下，由于回收的热量与热负荷不完全匹配，因此需要对系统的控制策略进行优化以满足超市的热负荷并尽可能降低能耗。

对超市制冷系统，在冬季，食品冷冻和冷藏负荷降低，制冷剂质量流量下降，同时冷凝温度也随环境温度下降，因此气冷器/冷凝器的可用热回收量不足以满足增大的制热负荷，为提高热回收量，通常需要提高系统压缩机排气压力。同时冬季热回收换热器出口的CO2温度通常仍旧高于环境温度，可以采用空气对CO2进行过冷，过冷可以提高制冷系统的COP，但会导致制冷剂质量流量下降，可用热回收量减少，因此需要对排气压力和过冷度进行优化控制。SALWLHA等［39］分析了系统高压侧压力和过冷对热回收的影响，系统结构见图4。作者根据对比结果提出了热回收的控制策略：在热回收模式下，当高压侧压力不超过8.9 MPa时，通过提高压力的方式来增大热回收量，同时气冷器以最大容量运行以提供最大程度的过冷；当高压侧的压力达到89bar时，需要降低风扇的转速来增大热回收量；当热负荷继续增大时，需要完全旁通气冷器以获得最大的热回收量。

GE等［56］也对热回收模式下高压侧压力的控制策略进行了分析。在热回收模式下，系统高压侧压力分别按照浮动冷凝、6，7，8～12 MPa进行控制。文献中主要对比了不同控制策略下系统的运行成本，结果表明热回收压力控制在6 MPa时能够最大程度地节约运行成本，相对于天然气锅炉成本能够下降12.4%。

MAOURIS等［50］对采用储水罐的超市热回收系统进行了研究，分析了不同控制策略下系统性能的变化情况：基础运行模式下，储罐上部设定温度为45 ℃；对比运行模式下提高了储罐上部的设定温度（7：30-8：00之间设定为 62.5 ℃，10：00-16：00之间设定为55 ℃），低于设定温度时系统即以最高压力运行以进行热回收。通过设定更高的储热温度，在超市营业之前热回收系统可以回收并储存更多的热量以满足营业初期急剧上升的热负荷，从而无需通过降低气冷器转速、减小过冷度的方式来增大热回收量，因而可以降低对制冷系统COP的不利影响。

2.2 集成的空气调节功能

除了集成热回收功能之外，集成空气调节功能也是跨临界CO2超市制冷系统的一个研究方向，即夏季的空气调节负荷也由CO2制冷系统来提供以提高系统的紧凑程度并尽可能降低能耗。

GULLO等［29］引入了空气调节换热器来满足超市的空气调节负荷，根据对比，在研究的各种工况下，相比于采用传统HFCs制冷剂的制冷系统，采用多引射器组件以及空气调节换热器的CO2系统全年能耗能够下降15.6%～26.2%。

KARAMPOUR 等［26］也在 CO2超市制冷系统中引入了空气调节功能并对比了其性能，系统结构如图10所示。为了进行性能比较，作者对比了集成式CO2超市制冷系统与R410a空气调节系统的空气调节季节能效比（SEERAC），对比结果如图11所示，可以观察到集成式系统的SEERAC与传统系统非常接近，同时能够减小系统体积以及人工制冷剂的使用量。

图10 带空气调节及热回收的制冷系统示意Fig.10 Schematic diagram of a refrigeration system with AC and heat recovery

图11 斯德哥尔摩和巴塞罗那地区CO2和R410a空气调节方案的季节能效比［23］Fig.11 Seasonal Energy Efficiency Ratio of CO2 and R410A AC solutions in Stockholm and Barcelona

PARDIÑAS 等［57］研究了一个集成了空气调节功能并且采用了并行压缩和引射器的CO2超市制冷系统，作者建议设置浮动的空气调节换热器压力，以匹配变化的空气调节负荷并降低能耗。

许多与空气调节进行集成的超市制冷系统都会与热回收同时出现，在2.3节将会对其进行介绍。

2.3 “多合一”系统

在“多合一”系统中，超市的冷冻冷藏、空气调节、热水以及供暖负荷全部由CO2系统提供。

KARAMPOUR等［41］研究的集成式超市制冷系统结构与图5接近，其包含热回收换热器和空气调节换热器；在这个研究的基础上，作者等人在文献［58］中进一步利用实测数据和建模的方法对“多合一”系统进行了研究，作者认为：在环境温度较低的城市，集成式的“多合一”CO2超市系统是一种高效、环境友好并且结构紧凑的系统，但是在温暖的地区还需要额外的优化以提高系统性能。

基于以上的研究，KARAMPOUR 等［26］对比了各种不同优化措施在应用时的效果，并定义了一种新型的制冷系统：采用并行压缩和中温/低温蒸发器满液蒸发，并且利用两级热回收换热器和空气调节换热器。研究结果表明，在研究的2个城市，相对于传统的CO2跨临界系统，所研究系统的制冷全年能耗分别能够下降15.0%和15.4%，同时在斯德哥尔摩，空气调节和热回收的季节能效比能分别达到4.5和3.9。

D’AGARO 等［59］对一个集成式的 CO2超市制冷系统进行了研究，系统结构如图12所示。建模研究结果表明：在所研究的气候条件及运行工况下，研究的系统能够满足几乎全部的供暖、热水及空气调节需求，相对于采用传统制冷剂的独立式制冷/热泵系统，能够使总能耗下降6%，同时系统的占地面积以及初始投资成本都会下降。AZZOLIN等［49］对一个位于意大利的全集成式制冷系统进行了数据收集并根据实地测量数据对系统进行了建模分析，并利用模型分析了蒸发冷却、满液蒸发和气体引射器在温暖气候下的性能提升效果以推动系统在温暖气候下的应用。

图 12 带热回收以及空气调节换热器的CO2超市制冷系统结构示意Fig.12 Schematic diagram of the CO2 refrigeration system with heat recovery and air-conditioning heat exchanger

PUROHIT等［60］将“全 CO2”系统的理念引入了印度和中东地区。作者对比了3种不同的系统结构：分别为标准增压制冷系统B、全天然制冷剂NH3/CO2复叠增压制冷系统CB和传统HFCs系统，其中复叠增压制冷系统结构如图13所示，作者引入NH3/CO2复叠增压系统的目的在于将CO2热回收的潜力与复叠系统高环境温度下的性能优势结合在一起。经过对比，在极端炎热的中东地区，CB系统的COPtotal（包括制冷、空气调节以及供暖）要比B系统高出12.73%，而在印度北部，B系统的COPtotal要高一些，且都高于采用传统制冷剂的系统，作者据此得出结论，采用天然制冷剂的集成式超市制冷系统在未来有着非常广阔的应用前景。

图13 集成式全天然制冷剂NH3/CO2复叠增压制冷系统示意Fig.13 Schematic diagram of an integrated all-natural NH3/CO2 cascaded booster system

3 总结与展望

受到环境问题的限制，采用CO2作为制冷剂的超市制冷系统将是商业制冷领域的重要研究方向。通过集成热回收或空气调节功能可以有效提高CO2超市制冷系统的能量利用效率，减少常规制冷剂的充注量以及温室气体排放量。在部分研究的城市，集成式系统的供暖以及空气调节的季节能效比分别能达到3.9和4.5，具有较好的性能；而对于“全CO2”跨临界制冷系统，其相对于独立式系统能够使总能耗下降6%以上，同时系统的占地面积以及初始投资成本都会下降。综上所述，集成式的CO2超市制冷系统能够推广CO2在商超制冷领域的应用。但考虑到系统集成后控制难度增大以及初始投资上升的问题，有必要对超市负荷变动及制冷的控制策略进行研究，以保证制冷系统在满足超市全部负荷的同时尽可能降低能耗；同时对生命周期经济性的研究也有利于CO2集成式制冷系统的推广。