CO2在大中型超市的制冷系统中的应用.docx

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CO2在大中型超市的制冷系统中的应用

CO2在大、中型超市的制冷系统中的应用

王振超1）,2）陈江平1）陈洪祥1）,2）张曙光2）

1）〔上海交通大学制冷与低温工程研究所上海,200240〕2）〔西克制冷亚洲，上海,200030〕

摘要本文介绍了大、中型超市的制冷需求和超市制冷中制冷剂的应用现状，回忆了CO2的特性，总结和分析了CO2用于大、中型超市的制冷系统的根本方式。

在文献的根底上，本文对CO2在国内外大、中型超市制冷系统的应用现状作了分析，最后，对CO2在大、中型超市制冷上的应用作了展望。

关键词:

CO2，二氧化碳，制冷，超市

THEAPPLICATIONOFCO2INREFRIGERATIONSYSTEMSOFLARGE/MEDIUMSIZESUPERMARKET

ZhenchaoWang1）,2）JiangpingChen1）HongxiangChen1）,2）ShuguangZhang2）

1）（InstituteofRefrigerationandCryogenics,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai,200240）

2）（HeatcraftRefrigerationAsiaShanghaiRep.office,Shanghai,200030）

ABSTRACTInthispaper,therefrigerationrequirementsinLarge/MediumsizesupermarketsarepresentedandtheapplicationstatusofrefrigerantinLarge/Mediumsizesupermarkets’refrigerationisintroduced.Also,thepropertiesofCO2arereviewed,andbasictypesofCO2refrigerationsystemsinLarge/Mediumsizesupermarketaresummarizedandanalyzed.Basedonliteratures,theapplicationstatusofCO2refrigerationsystemsinworldwidesupermarketsissummarized.AlsoprospectofCO2intherefrigerationsystemsofLarge/Mediumsizesupermarketsisdiscussedattheendofthispaper.

KEYWORDSCO2,CarbonDioxide,Refrigeration,Supermarket

0引言

CO2用作制冷剂有着130多年的历史，并曾作为主要制冷剂广泛用于蒸汽压缩式制冷，特别是船用制冷。

卤代烃制冷剂出现以后，限于早期的技术水平，CO2在制冷上的应用逐渐被性质优良、制冷效率高、压力适中的卤代烃所取代[1]。

最近几十年来，随着人们对卤代烃具有破坏臭氧层的副作用和具有较高温室效应的认识，人们重新将目光投向了对环境友好的五类自然制冷剂：

氨、二氧化碳、空气、水和碳氢类化合物。

其中，由于二氧化碳不可燃、无毒、并且能应用于低温制冷，在最近十几年里得到了各国专家学者的广泛关注，并在一些领域取得了十分突出的进展，特别是在汽车空调、热泵热水器、商用制冷和工业制冷领域[1][2]。

超市制冷，特别是大、中型超市的制冷应用是CO2在商用制冷上最主要的应用领域，有鉴于此，本文在相关文献的根底上，对CO2在大、中型超市制冷上的应用作一个回忆和分析。

1大、中型超市的制冷应用需求及超市制冷中的制冷剂应用情况

大、中型超市的制冷负载一般包括：

中、低温陈列柜，冷冻物冷藏冷库和冷却物冷藏冷库，中、高温加工间和制冰机等。

按应用温度范围可分为中温和低温两个温区：

中温区：

蒸发温度一般在-10~-15℃，中温陈列柜、冷却物冷藏库或加工间温度在-2℃~+10℃；

低温区：

蒸发温度一般在-30~-40℃，低温陈列柜、冷冻物冷藏库温度在-30℃~-20℃；

由于大、中型超市制冷的冷量需求较大，并且负荷变化范围较宽，两个温区一般都采用一套或多套并联机组（每套并联机组由多台压缩机并联组成）集中供冷，且多采用直接膨胀式供液。

在美国地区，现有超市大局部都采用R22制冷剂，新建超市以R404A或R507制冷剂为主。

而在欧洲地区，由于政府部门对环保问题特别重视，绝大局部新建超市都采用R404A或R507制冷剂等HFC制冷剂，同时正积极尝试采用CO2制冷系统，并且已有相当数量的应用。

在中国市场上，除国外著名的大型连锁超市如沃尔玛（Walmart）、家乐福（Carrefour）、乐购（Tesco）、欧尚（Auchan）等采用R404A作制冷剂外，大局部内资中、大型超市都采用R22作制冷剂。

目前，超市制冷系统的制冷剂泄漏严重，欧洲超市每年平均的制冷剂泄漏率在15~30%，美国为25%左右[3]，大量的HFC/HCFC制冷剂泄漏给我们生存的环境带来了潜在威胁。

目前，零售业及相关行业的许多企业已经提出尽快淘汰常规合成制冷的方案[4]。

2007年3月，英国几大连锁超市集团宣布要在他们制冷设备中逐步淘汰HFCs，而改用自然制冷剂；沃尔玛、玛莎百货、特易购、森斯伯瑞、塞莫菲尔德等全球著名超市集团也都纷纷表示，在商业制冷领域继续使用HFCs会与人们日益关心气候变化的趋势背道而驰[5]。

因此，Girotto[6]认为在超市制冷系统中采用自然制冷剂是必然的方向。

其中特别地，由于CO2具有很多优秀的热物理特性，开展CO2超市制冷系统受到了特别重视。

2CO2的特性

CO2具有很多优秀的热物理特性，如无毒、不可燃，ODP为0、GWP为1，良好的化学稳定性：

即使在高温的情况下也不会分解出有害气体等等。

其中特别突出的性能有：

单位容积制冷量高：

3~10倍于HCFC、HFC和HC制冷剂[7]。

如在-35℃时其单位容积制冷量为R404A的6倍，为R22的7倍[8]。

在满足相同制冷量需求时，CO2系统的压缩机排量远小于R404A和R22。

气化潜热大：

在-35℃时，CO2的气化潜热分别比R22和R404A高36%和60%；在-10℃时，分别比R22和R404A高20%和46%。

热导率高：

20℃时液体热导率分别为R22和R404A的3倍和2倍；

-10℃时液体热导率分别比R22和R404A高23%和50%；

-35℃时液体热导率分别比R22和R404A高38%和64%[9]。

很高的导热性能和气化潜热使得CO2的换热效率明显高于R22和R404A，文献[10]指出，在同等蒸发器换热面积的情况下，CO2很高的换热效率使得CO2系统的蒸发温度至少可以比R404A高2K，从而提高了CO2系统的效率。

粘性小：

在-35℃~-10℃范围，CO2液体粘性仅为R22和R404A的40~60%[9]。

相对于R22和R404A系统，在保证同等压降的前提下，CO2系统可以选用更高的的流速、可以选择更小的管径，从而节约了管道本钱。

本钱低廉：

CO2为工业副产品，价格约为HFC的1/5~1/10[6]。

CO2应用在制冷上的缺乏之处主要是其临界温度低℃），压力水平很高（跨临界循环的高压高达120~140Bar），节流损失大，绝热指数偏高（1.3）。

此外，CO2在空气中的限量值3〕~6倍；混入润滑油中后会导致润滑油粘性急剧下降。

CO2具有的众多优秀特性决定了其在超市制冷系统上有巨大的应用潜力，但同时CO2的缺点，特别是其压力水平很高，给CO2制冷系统的推广和大规模应用带来了挑战。

3CO2用于大、中型超市制冷的根本方式

CO2在大、中型的超市制冷系统上的应用有三种根本方式[7]:

1，作第二制冷剂用于主制冷循环的二次回路，或称有相变的二次回路。

与采用常规载冷剂的二次回路不同，CO2液体在蒸发器盘管内吸热蒸发，换热主要是通过相变的潜热交换完成。

2，作主制冷剂，应用于亚临界系统，采用亚临界循环。

一般与其它独立的中温回路一起组成复叠系统运行，中温回路的一个蒸发器用作CO2亚临界循环的冷凝器，保证CO2处在亚临界区内循环。

3，作主制冷剂，应用于跨临界系统，采用跨临界循环。

高压侧的排热过程（对应常规系统的冷凝过程）是在跨临界区内完成，在这个过程中制冷剂不会发生相变。

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3种根本方式的根底上，组合出各种不同的混合系统。

3.1CO2作第二制冷剂的二次回路系统

图1给出了该系统的原理图。

系统包含两个回路：

采用其它制冷剂（如HCFC、HFC和HC制冷剂）的主制冷回路和采用CO2作第二制冷剂的二次回路。

大致流程为：

从储液器流出的液体CO2经液泵加压后流经热负载〔展示柜或库房冷风机盘管〕，局部液体吸热气化后形成一定干度的气液两相流体，两相流体回到主制冷系统的蒸发器内重新冷凝为液体后，回到CO2储液器，进行下一次循环。

相对于采用常规无相变的载冷剂，如乙二醇和氯化钙，CO2液体粘性要低1~2个数量级[12]，特别是在低温区，常规载冷剂的粘性随温度的下降而明显增大，采用CO2能明显节约液泵耗功。

此外，CO2二次回路为相变换热，换热系数很高，并且由于CO2气化潜热大，满足同样换热量需求时CO2质量流量和液泵耗功较小，因此可以减小输送管管径和液泵型号；并且，由于CO2换热系数很高，在同样换热面积和换热量需求的情况下，液体CO2的供液温度可以有一定提高，主制冷回路的蒸发温度也可以有一定的提高，从而提高了整个系统的效率。

图2CO2作第二制冷剂的二次回路系统[11]

由于采用了泵过量供液，可以通过调节循环倍率使换热效率到达最优值。

文献[13]给出了CO2泵供液倍率的一些参考值。

由于采用了二次回路，主制冷回路的管道布置可以集中在机房，因此能大幅减少主制冷回路的制冷剂充注量。

加拿大连锁超市Loblawd的某个分店在低温系统上采用CO2二次回路后，主回路的充注量减少了90%[14]。

此外，CO2为无毒的自然工质，系统轻微泄漏不会污染存储货物[15]。

在超市中温应用的蒸发温度附近（-10~-15℃〕，CO2的压力较高，约26bar左右，因此出于简化系统考虑，CO2二次回路系统多用于超市的低温应用，而中温常采用其它载冷剂的二次回路或者采用主制冷剂直接膨胀的制冷方式[2]。

CO2作第二制冷剂的二次回路系统是CO2进入超市制冷最先采用的方式[2]。

由于CO2二次回路系统布置简单、并可采用常规部件来构建系统，目前开展已较为成熟[16]。

4.2CO2亚临界复叠系统

图2给出了CO2亚临界系统应用于超市低温负载制冷的系统原理图。

其循环与常规的制冷循环类似。

CO2的临界温度仅℃，低于典型的夏季工况的环境温度+35℃，为实现CO2亚临界循环，除应用在气温较低的地区外，必须采用其它的辅助循环使得CO2的冷凝温度处在临界温度之下。

因此CO2亚临界系统通常都需要与常规的制冷系统一起组成复叠式系统。

在超市制冷上的典型应用是：

采用HFCs（如R404A）的中温系统为超市的中温负载提供冷源〔蒸发温度：

-10~-15℃〕，并在冷凝蒸发器中冷凝CO2亚临界低温系统的的高压排气，保证CO2系统运行于亚临界区域；CO2亚临界系统为低温负载（蒸发温度：

-30~-40℃）提供冷源，直膨供液。

图2CO2亚临界系统（与中温R404A系统组成复叠式系统）[11]

CO2亚临界系统的压力水平约为40Bar，与现有R410A系统压力相当，远低于跨临界循环的120Bar左右的压力水平。

亚临界方式或者含有亚临界的混合方式是CO2应用于超市制冷的重要方式，采用CO2亚临界复叠系统的低温应用越来越多，其竞争力也越来越强[2]。

文献[2]根据供液方式和布置方式的不同，总结了CO2亚临界复叠系统的多种应用方式。

4.3CO2跨临界系统

图3给出了CO2跨临界系统的原理图和对应的LgP-h图。

其大致流程为：

压缩机排出的高温、高压CO2气体进入气体冷却器进行冷却，由于其压力高于临界压力、处在超临界区，故气体冷却器中的CO2气体不会冷凝为液体。

气体冷却器排出的超临界CO2流体经过压力调节阀节流、减压后形成两相流，进入储液器/气液别离器内别离为两局部：

CO2液体局部经过膨胀阀后进入蒸发器吸热蒸发，形成过热气体流入压缩机吸气总管；而CO2气体局部经过压力调节阀减压后也进入压缩机吸气管，与在蒸发器中吸热蒸发形成的过热气体混合后进入压缩机压缩，如此反复循环。

（a）原理图[11]〔b〕对应的LgP-h图

图3CO2跨临界系统

跨临界循环的最大特点在于CO2的吸、放热分别在亚临界和跨临界区进行，高压侧的冷却过程中不发生相变，换热全部通过显热交换完成[17]。

在现阶段，该系统的缺点是其效率较低[2][3]，尤其是当环境温度较高时[2]。

此外，由于跨临界循环的排气压力高达120Bar左右,远高于常规系统，现有的系统部件相对较少，因此跨临界循环的应用受到了一定限制。

但由于在跨临界循环的根底上，能实现超市中、低温全部采用CO2制冷，也即“完全CO2制冷〞，完全实现自然制冷剂制冷。

因此，跨临界循环是当前CO2制冷应用的研究热点。

为提高CO2跨临界循环的综合效率，可以对高压侧的排热进行热回收加以利用[7]，独特的超临界放热特性使得CO2跨临界循环系统特别适合于需要热回收的场合[1][2]。

此外，为提高系统效率并降低排气温度，对低温应用或吸、排气压差较大的场合，可采用双级压缩循环的跨临界系统[2][18]。

为满足超市两段温区制冷的需要，并考虑到特定的应用场合以及提高系统的整体效率，在实际应用时，往往是在以上3种根本方式的根底上，组合出不同应用系统，本文称之为复合系统。

图4给出了2种复合系统。

图4（a）中，中温采用HFC/CO2作第二制冷剂的二次回路、低温采用CO2亚临界循环。

该系统中所有HFC回路集中在机房内，大幅减少了HFC制冷剂的充注量。

图4（b）中，中温采用CO2跨临界循环、低温采用CO2亚临界循环，该系统实现了超市中、低温应用的“完全CO2制冷〞。

（a）（b）

图4CO2复合系统[11]

4.5各种方案比拟及选择

应用实践证明，以上几种方案都是可行的，并且都已有商业应用实例。

对以上方案进行实际应用选择时，需要考虑以下几个方面[19]:

1，应用地区对HFC制冷剂的限制政策；

2，初投资和运行本钱；

3，能耗指标；

同时必须考虑应用地区全年的气候条件。

已有不少文献针对特定的应用条件，从本钱和效率角度对超市的各种CO2制冷系统作了分析和比拟。

Heibokel（2001）的实测结果显示[2]：

中、低温均采用R404A/CO2二次回路系统比R404A直膨系统的能耗高6%〔采用盐水二次回路系统比R404A直膨系统高20%〕，而中温采用R404A直膨、低温采用CO2亚临界复叠系统的能耗仅比R404A直膨系统高2%。

Girotto等的分析说明[2]：

在意大利的气候条件下，中温采用CO2跨临界单级循环、低温采用CO2跨临界双级循环的安装费用至少比R404A直膨系统高10%，能耗高8%以上。

但当环境温度较低时其效率有比拟优势，如在欧洲中部或者北部地区，其效率与R404A直膨系统相当甚至更高。

Girotto等经过实测分析后指出[3]：

在目前缺乏量产的情况下，中温采用CO2跨临界循环、低温采用亚临界循环的“完全CO2制冷〞系统的本钱比R404A直膨系统高20%以上。

宁静红等的分析说明[15]，在冷凝温度高于32℃时，中温采用R290/CO2二次回路系统、低温采用R290/CO2亚临界复叠系统的效率高于R404A直膨系统。

文献[11]的比拟结果显示，低温采用HFC/CO2亚临界复叠循环的效率与R404A直膨系统相当，而中温采用CO2跨临界循环在高环境温度时其效率比R404A直膨系统低。

总体上：

1,CO2作第二制冷剂的二次回路系统，其系统布置简单且能利用现有传统制冷系统的部件。

其能耗高于现有的R404A直膨系统，但低于采用常规载冷剂的二次回路系统。

2,CO2亚临界系统与常规制冷剂循环一起组成的复叠系统，其效率与现有的R404A直膨系统相当，而初投资略高。

综合初投资、系统效率和实用性三方面因素，中温采用HFC/普通载冷剂的二次回路循环、低温采用HFC/CO2亚临界复叠循环系统是目前超市全HFC直膨制冷的最正确替代方案[3][16][20]。

3,CO2跨临界系统的整体效率比R404A直膨系统低，安装费用较高。

但利用CO2跨临界循环能实现“完全CO2制冷〞。

CO2跨临界系统更适合于低环境温度的地区（有相当长的时间段以亚临界循环方式运行）和有热回收需求的场合[2]。

5相关产品

由于CO2制冷系统的巨大应用潜力，各大商用冷冻设备厂商纷纷加大了在CO2系统上的研发，并取得了不少成果。

已有不少文献分析、总结了现有CO2制冷产品的研发情况，如文献[1][7][21][22]以跨临界系统为重点，介绍了CO2部件设计和开发的情况。

文献[23]介绍了CO2零部件开发、设计和应用的一些注意点。

下面针对现有的CO2商用冷冻产品的情况做一个介绍。

压缩机方面：

意大利Dorin公司推出了CO2单级亚临界、单级跨临界和双级跨临界半封活塞压缩机产品，其冷量范围可覆盖商业冷冻的常规应用需求；德国Bitzer公司已推出局部系列的跨临界应用的半封活塞压缩机；德国Bock公司也推出了亚临界应用的半封活塞压缩机系列。

此外，Emerson公司推出了CO2亚临界应用的涡旋式压缩机，并在积极研究超临界涡旋式压缩机。

零部件方面：

对亚临界系统，由于CO2机组的高压侧压力在40Bar左右，与县现有R410A系统相当，因此，大局部用于R410A系统的部件无需作太大修改即可应用于CO2亚临界系统[24]。

而对跨临界系统应用的部件，其设计压力需要考虑到120Bar，远远超过常规系统，因此需要特别设计。

Danfoss、Sporlan、Hansen、Fujikoki和Henry等公司已有较齐全的亚临界系统的配套阀件，Carel和Danfoss也已经推出了用于亚临界和跨临界系统的电子膨胀阀和对应的电子控制器；AlfaLaval和Swep公司也已经推出亚临界应用的板式换热器；Temprite公司已推出了亚临界和跨临界应用的油路产品。

系统方面：

世界各大商业冷冻系统集成商几乎都已经推出了相应的产品，如Heatcraft，Carrier-Linde，Hussmann，Epta，StarRefrigeration，Green&Cool[14].

总体上，CO2亚临界系统的零部件和系统的开展水平较高，产品种类和系列也较齐全，而CO2超临界系统的零部件和系统尚处在研发阶段，产品种类和系列较少[11]，但各大商用冷冻公司正积极加大在超临界系统和产品开发上的投入。

6CO2制冷系统在各国超市的应用现状

目前，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（乐购），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等等[14]。

下面，对超市CO2制冷系统在各地区的应用作一个简单介绍。

在欧洲，各国政府对环保问题比拟重视，对影响环境的制冷剂有很明确的政策限制，这为CO2制冷系统的应用提供了很好的政策环境。

特别是北欧的一些国家如丹麦、瑞典、挪威等，甚至通过对影响环境的卤代烃制冷剂进行征税来引导企业和社会采用更环保、更节能的制冷系统，得益于此，采用CO2作第二制冷剂的二次回路系统在北欧已经得到了大量应用[7]。

1995年，在政府的资助下，瑞典成功安装了第一个CO2超市制冷系统，截至2007年，瑞典至少有100个超市采用了CO2系统[2]。

同时，作者所在公司——Heatcraft的欧洲运营公司的CO2第二制冷剂产品的销量在过去几年增长迅速。

作者从Heatcraft最近对欧洲客户和工程商的调研报告中了解到，欧洲地区采用CO2亚临界复叠系统的案例越来越多，特别是在已出台制冷剂征税政策的北欧国家，其趋势明显。

从2001年开始，Carrier-Linde公司已经在欧洲成功安装了100多套CO2亚临界超市制冷系统[8]。

丹麦于2004年安装了第一套超市CO2跨临界循环制冷系统，截至2007年，已至少安装了20套超市CO2跨临界制冷系统[2]。

据意大利Dorin公司统计，截至2007年，至少有70个超市已采用了CO2跨临界制冷系统。

在美洲地区，与欧洲不同，经济利益是选用制冷剂的主要出发点[16]，因此CO2制冷系统在美洲超市制冷上的推广速度较慢，应用实例相对较少。

1996年，美洲市场上首套CO2制冷系统安装完成，该系统中CO2作中温系统的二次回路的第二制冷剂。

从2006年开始到2021年7月，北美市场上至少安装了8套CO2作第二制冷剂的低温系统，首套采用CO2亚临界复叠式的低温制冷系统也已经在2021年得到应用[24]。

超市CO2制冷系统在亚太地区的的应用主要集中在澳大利亚和新西兰。

Hussmann公司称其已在该区域安装了4套CO2制冷系统[20]。

2007年，Carrier-Linde与澳大利亚Frigrite公司合作在泰国安装了亚洲的第一套超市CO2制冷系统[8]。

在我国，没有看到超市应用CO2系统的报道。

总之，CO2制冷系统在欧洲超市的开展趋势十清楚显，尤其是在北欧国家；在美洲和亚洲，其应用实例较少；而在澳大利亚和新西兰，其应用也越来越多。

在CO2制冷的3种根本方式中，将CO2作第二制冷剂的系统已经得到了较广泛的应用，开展也最为成熟；CO2亚临界复叠系统为现阶段超市CO2制冷应用的主流，已有众多的应用；由于超临界系统能实现超市的“完全CO2制冷〞，已经引起人们越来越多的关注，欧洲市场上也已有一定数量的应用实例。

7前景展望

尽管到目前为止，CO2超市制冷系统的系统效率不特别具有竞争力，投资本钱也相对较高[25][26]，但随着人们环保意识的增强、以及对环境有影响的制冷剂的逐步淘汰，并随着CO2制冷技术的开展、CO2制冷效率的提高以及向规模化应用方向的进步，CO2在大、中型超市制冷上的应用前景十分乐观，CO2已经成为最有前途的制冷剂之一[25]。

对还是开展中国家的中国而言，开展CO2在超市制冷上的应用其意义更为深远，目前，中国的温室气体排放量已经占到整个开展中国家排放总量的一半[26]，中国政府已将节能减排已经作为一项重要的指标考核各地政府部门的工作。

此外，中国人口众多，随着生活水平的提高，超市业的潜力巨大，因此推广超市CO2制冷系统对我国具有重要的意义。

参考文献

[1]AndyPearson.Carbondioxide—newusesforanoldrefrigerant[J].InternationalJournalofRefrigeration,2005,28:

1140–1148.

[2]SamerSawalha.CarbonDioxideinSupermarketRefrigeration[D].Stockholm，Sweden:

RoyalInstituteofTechnology，2021.

[3]SergioGiro