CO2 跨临界制冰一一制冷循环优化调控及其在冰场中的应用

彭兆睿 郑秋云 张信荣

1 北京大学工学院 2 北京市城市热管理工程技术研究中心

2021 年中共中央、国务院印发了《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》，指出为实现“双碳”目标要加快构建清洁低碳安全高效的能源体系，大幅提升能源利用效率。制冷是现代社会重要用能领域，是建筑暖通、食品贮藏、工业冷却以及冰雪产业等应用中的关键过程，而国内制冷用电能耗占全部用电能耗15%以上，节能空间达30%～50%，制冷技术的低碳提效减排对实现“双碳”目标意义重大。

CO2具有环保（臭氧破坏潜能ODP=0，温室效应潜能GWP=1）、不可燃且无毒（相比之下另一种天然工质NH3可燃且有毒）、易达到超临界状态（临界温度Tc=31.1℃）等特点，由此带来环境友好、安全、热力学性能优异等优势。CO2跨临界制冷循环是指蒸发压力在临界压力之下、冷却压力在临界压力之上的蒸气压缩循环（单级压缩循环如图1 所示），虽然运行压力较传统制冷剂更高，但压缩比并不高，因此有利于提升压缩机效率。区别于传统制冷剂亚临界循环，其蒸发冷凝均主要发生在两相区，CO2跨临界循环的冷却过程发生在超临界状态，此时气液相界面消失，冷却过程更接近单相变温放热过程（也称气冷过程），这与二次流体传热过程更匹配，同时由于超临界状态下CO2热扩散系数更高、粘度更小，因此气冷过程的热力学不可逆损失更小，研究表明CO2跨临界制冷循环的性能可以与传统制冷剂循环相匹敌，而带热回收时性能则更加优异。此外，高压下CO2密度大，能使制冷循环的压缩机、换热器等设备体积减小，机组更加紧凑。基于上述优势，CO2跨临界制冷循环在超市冷藏储备、交通设备运输及人造冰雪设施中应用前景广泛。

图1 C02跨临界制冷循环(a)单级压缩循环示意图(b)相应T-s图

但是，CO2跨临界制冷循环仍然存在排气温度较高、温暖环境下性能低、节流损失大等问题，解决思路通常包括：①采取双级循环等复杂循环形式代替单级循环；②增添回热器、膨胀机、喷射器等部件；③对整个循环进行参数优化控制，其中第三种思路是在循环形式确定后的实际运行中提升循环性能的有效举措，本文首先将针对这种思路进行阐述。

1 CO2 跨临界制冷循环优化调控技术

我国气候多样，环境温度、湿度等参数随地域、时节变化较大，而CO2跨临界循环的跨临界特性决定了其受环境因素影响显著。由于CO2跨临界制冷循环放热过程在超临界区，温度与压力为相互独立的作用参量，排气压力和气冷器出口温度共同作用于机组的运行性能，因此，降低气冷器出口温度有利于提升循环性能，而气冷器出口温度除了受制于冷却塔风机频率、冷却塔水量等冷却设备操作参数外，更受制于当地湿球温度，由此可见环境参数对循环效能的影响程度。如何保证CO2跨临界制冷机组在多变的环境状态波动下保持最优性能，优化调控技术就是重要手段之一。

调控循环运行参数是最常用优化控制手段，分析不同蒸发温度、高压排气压力、过热度、中间压力（针对双级循环）等运行参数下何时性能最优从而获得关键调控参数。研究表明高压排气压力是影响CO2跨临界循环最重要的调控参数之一，且存在最佳排气压力使得循环COP最高。从热力学循环角度来看，随着排气压力按均匀步长ΔPrejection升高，压缩机耗功按均匀增量Δw增加，而在排气温度给定的工况下，吸热量增量Δq在跨越临界温度区域时出现先增大，后减小的趋势，该趋势抵消掉均匀增加的耗功，使得循环COP也相应出现先增大后减小的特点，因此在某一排气压力下，COP极大值出现，可以用下式表示该最优排气压力Popt的位置：

早期研究利用图表法进行最优排气压力的计算，但该方法耗时大，当把循环中诸如压缩机等熵效率等因素考虑进去时则更为复杂麻烦。现在通常采用建立数值模型的方法获得线性关联式，该关联式通常表示为环境温度tamb或气冷器出口温度tgc,o的函数，而Popt相对蒸发温度te不敏感，因此可忽略该参数的影响。函数关联式形式如式（2）所示，循环运行时可以通过监测这两个温度参数实时计算最优排气压力，使得循环保持在最优状态下运行。表1 总结了文献中一些典型的CO2跨临界制冷循环最优排气压力计算关联式。

表1 最优排气压力（Popt, bar）典型关联式汇总

当CO2跨临界制冷循环形式给定后，根据环境温度调控循环在跨临界模式和亚临界模式之间进行切换也是一种优化调控方法。Y.T Ge等针对应用于超市制冷的单级蒸汽压缩循环，分别对蒸发器、气冷器/冷凝器、压缩机等关键部件建模，探究了最优运行策略。该循环运行逻辑是通过设置转换温度进行模式切换，根据环境温度变化实时调整为亚临界/跨临界模式运行，结果显示出该模式的节能效果良好，更高的转换温度则更为节能。陈威等针对应用于超市的带两种蒸发温度的双温制冷循环，包括平行压缩制冷循环和多喷射器循环进行类似的运行模式控制优化，给出了适用于海南、上海和东北等具有不同环境温度地区的最优循环系统和运行策略。

2 CO2 跨临界制冷循环在冰场中的应用

CO2跨临界制冰始于1999 年，第一座采用NH3-CO2复叠式制冷的冰场在奥地利建成，此后类似的系统在多个冰场中采用，该系统为第一代。2010年在加拿大魁北克建成了跨临界二氧化碳直膨的冰场制冷系统，随后又建成了跨临界二氧化碳制冷系统与其他载冷剂联合的间接冰场制冷系统，这两种系统为第二代。由于跨临界循环相比亚临界循环具有更优异的制热特性，气冷过程降温显著，热回收具有更大潜力，这在供热需求大、温度需求广的室内人工冰场场馆中具有很大优势。在场馆中，大厅、更衣室、办公室、观众席等公共区域空气温度需要维持在20℃左右，淋浴和洗手热水温度需要在60℃左右，包括融冰、浇冰、冰面下的地面防冻、管路化霜等也需要一定的低温水，通过热回收系统回收制冰的热量用于上述梯级供热需求，可以减少额外供热设备及能耗，综合来看冷热同时利用的跨临界二氧化碳制冷系统可以节能50%以上。

图2 为跨临界CO2直冷制冰系统的示意图，与采用氯化钙等载冷剂的间接制冰系统相比，直冷系统的制冰管道压降小、循环功率小，同时热回收潜能最大，寿命周期成本更低。但由于间接制冰系统可以仅通过替换蒸汽压缩回路实现既有冰场的改造更新，相比之下直冷系统还需要替换制冰管道使得初始投资更大，技术更加复杂，因此直冷制冰更适合应用于未来的新建冰场。

图2 CO2 跨临界直冷制冰冰场系统示意图

进一步对图2 所示系统进行简单的热力学分析。该过程主要为：气液分离器中的低压二氧化碳饱和蒸气经压缩机压缩为超临界二氧化碳，进入热回收器中加热供热管网的回水（或其他供热介质）用于不同温度的热量需求，二氧化碳在热回收器中降温为具有超临界压力的过冷液体，根据热量需求温度的不同，二氧化碳需要进一步在冷却塔或风冷机组中降温至10 ～20℃，经膨胀阀形成气液混合状态回至气液分离器中进行气液分离；气液分离器中的液体二氧化碳经二氧化碳泵送至冰场下方的制冷管道中维持冰面所需的低温，流经冰场下方的制冷管道的二氧化碳蒸发为气态，回至气液分离器中。

取北京地区环境温度为参考（-5 ～35℃，全年），考虑60m×30m 的标准冰场，场馆容纳人数1000人，冰面温度-5℃，冰面上方空气温度10℃，风速1.0m/s，计算得出场馆典型冷负荷以及制冷COP 如表2 所示，对应最优排气压力（Popt,MPa）关联式如下：

表2 典型工况下跨临界CO2 直冷制冰系统冷负荷及制冷COP

3 结论

CO2跨临界制冷技术作为一种具有独特热力学优势的制冷技术在人造冰雪设施中应用前景广泛。由于CO2跨临界制冷循环放热过程在超临界区，温度与压力相互独立，排气压力和气冷器出口温度共同作用于机组的运行性能，因此调控循环关键运行参数至最优点是最常用优化控制手段，利用线性关联式可以快速获得最优操作参数，但是该关联式受循环形式影响显著。此外，根据环境温度调控循环在跨临界模式和亚临界模式之间进行切换也是一种优化调控方法。而将CO2跨临界制冷技术应用于冰场在近年逐渐发展，冷热同时利用时优势显著，开发出适合冰场的调控手段则是保证该技术高效应用的重要一步。