耿旭東，周?chē)[虎，邵雙全，李 鋒，司春強(qiáng)，馬 進(jìn)

（1.華中科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430074；2.華商國(guó)際工程有限公司，北京 100069）

0 引言

巴黎協(xié)定等氣候條約的簽訂使得溫室氣體排放問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注，因此以CO2為代表的天然制冷劑逐漸得到推廣應(yīng)用。傳統(tǒng)商業(yè)制冷系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的制冷劑為R404A和R22，其全球變暖潛能值（GWP）分別為3 943和1 760，并且有著較高的泄漏比例［1］，有可能造成比較嚴(yán)重的溫室效應(yīng)，在碳達(dá)峰和碳中和的目標(biāo)下，淘汰高溫室效應(yīng)制冷劑的壓力較大。天然制冷劑中的CO2具有較好的環(huán)境性能（GWP=1，臭氧消耗潛能值（ODP）=0），采用CO2作為制冷劑可以在很大程度上解決由制冷劑泄漏和未有效回收引起的溫室氣體排放問(wèn)題［2-3］；同時(shí)CO2具有良好的熱力學(xué)性能：作為制冷劑時(shí)，CO2的密度及潛熱較大，有著更大的容積制冷量；同時(shí)CO2的黏度較低，這些特性都有利于CO2在制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用［4-5］。數(shù)據(jù)顯示，2018年全球跨臨界CO2制冷設(shè)備的安裝量已經(jīng)超過(guò)20 000臺(tái)，并且還在快速發(fā)展［6］。

超市是能耗非常高的應(yīng)用場(chǎng)景，根據(jù)TASSOU等［7］的研究，在英國(guó)，超市的耗電量和溫室氣體排放量分別占全年英國(guó)總量的3%和1%，其中，制冷設(shè)備的耗電量約占超市總耗電量的30%～60%。隨著中國(guó)城市化的繼續(xù)推進(jìn)和居民生活水平的提高，超市的耗電以及溫室氣體排放問(wèn)題也會(huì)變得越來(lái)越嚴(yán)峻。同時(shí)CO2較低的臨界溫度（31.3 ℃）會(huì)導(dǎo)致制冷系統(tǒng)在高溫下的制冷系數(shù)（COP）下降，根據(jù)模擬結(jié)果，當(dāng)環(huán)境溫度高于10～15 ℃時(shí)，采用CO2的制冷系統(tǒng)的COP就會(huì)低于采用常規(guī)制冷劑的系統(tǒng)［8-9］，因此需要對(duì)采用CO2的超市制冷系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的研究以提高其性能。

目前CO2在超市制冷領(lǐng)域中應(yīng)用最多的系統(tǒng)形式為增壓式CO2跨臨界制冷系統(tǒng)。在增壓式CO2跨臨界制冷系統(tǒng)中，低溫級(jí)蒸發(fā)器出口的CO2在低溫級(jí)壓縮機(jī)壓縮之后與中溫級(jí)蒸發(fā)器出口的CO2進(jìn)行混合，混合后的CO2再進(jìn)入中溫級(jí)壓縮機(jī)。增壓式CO2制冷系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、可以同時(shí)滿(mǎn)足超市不同溫度的食品冷凍/冷藏需求的優(yōu)點(diǎn)。為了提升其性能，學(xué)者進(jìn)行了許多研究：（1）循環(huán)優(yōu)化；（2）系統(tǒng)集成——將食品冷凍冷藏、空氣調(diào)節(jié)與通風(fēng)、熱水加熱等需求進(jìn)行結(jié)合。系統(tǒng)集成能簡(jiǎn)化功能之間的溝通與交流，使得系統(tǒng)形式更加緊湊，采用熱回收時(shí)，也可以利有效利用氣冷器的放熱量以降低能耗，從而推動(dòng)CO2作為制冷劑在商業(yè)制冷系統(tǒng)的推廣使用。

針對(duì)天然制冷劑CO2及其在制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用，已經(jīng)有許多學(xué)者做出了綜述進(jìn)行介紹：KIM等［10］和 PRADEEP 等［11］對(duì) CO2在蒸汽壓縮制冷循環(huán)中應(yīng)用的基礎(chǔ)問(wèn)題分別進(jìn)行了總結(jié)與匯總，包括CO2作為制冷劑時(shí)的熱力學(xué)性能、CO2制冷/熱泵循環(huán)的優(yōu)化以及CO2系統(tǒng)高壓側(cè)壓力的控制；BRUNO 等［12］和宋昱龍等［13］對(duì) CO2在熱泵和制冷領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹；YU等［14］對(duì)CO2跨臨界制冷循環(huán)的各種優(yōu)化措施的原理以及效果進(jìn)行了總結(jié)，宗碩等［15］和黃龍飛等［16］則進(jìn)一步分別對(duì)跨臨界CO2循環(huán)中，引射器技術(shù)和過(guò)冷技術(shù)的應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹；MA等［17］重點(diǎn)對(duì)CO2制冷劑的換熱特性以及CO2膨脹機(jī)的研究進(jìn)展和應(yīng)用情況進(jìn)行了綜述；GULLO等［1］對(duì)CO2增壓制冷循環(huán)在超市中的應(yīng)用進(jìn)行了全面的介紹，包括世界各國(guó)商業(yè)制冷發(fā)展的趨勢(shì)以及CO2制冷系統(tǒng)優(yōu)化的發(fā)展情況。

綜上所述，對(duì)CO2跨臨界制冷循環(huán)及其在超市冷凍冷藏中的應(yīng)用，已經(jīng)有了比較詳盡的總結(jié)，但是對(duì)結(jié)合了供暖以及空氣調(diào)節(jié)功能的集成式CO2超市制冷系統(tǒng)的綜述還比較少。由于系統(tǒng)集成對(duì)提高跨臨界CO2系統(tǒng)的性能及推廣CO2在超市制冷系統(tǒng)的應(yīng)用非常有意義，有必要對(duì)集成式CO2超市制冷系統(tǒng)的發(fā)展及研究狀況進(jìn)行全面的介紹。

1 CO2超市制冷系統(tǒng)

CO2在制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用最早可以追溯到1850年［18］，目前CO2在超市制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用主要有3種形式，分別為：在間接式制冷系統(tǒng)中作為載冷劑、在復(fù)疊式制冷系統(tǒng)中作為低溫級(jí)制冷劑或者應(yīng)用于CO2跨臨界制冷系統(tǒng)。

對(duì)采用CO2的間接式制冷系統(tǒng)，其常見(jiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用CO2作為載冷劑時(shí)，可以用常規(guī)制冷劑對(duì)其進(jìn)行冷卻，再將CO2泵往蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)換熱。

圖1 間接式CO2制冷系統(tǒng)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潛熱來(lái)進(jìn)行換熱，載冷側(cè)可以使用直徑更小的換熱管道，有利于減小系統(tǒng)體積及降低成本，同時(shí)采用CO2作為間接式制冷系統(tǒng)的載冷劑可以更方便地提高循環(huán)倍率以實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)液蒸發(fā)，優(yōu)化換熱效果［19-20］，降低系統(tǒng)能耗。

復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示，低溫級(jí)采用CO2作為制冷劑，高溫級(jí)通常采用R717、R507A及R134a等作為制冷劑。對(duì)不同的蒸發(fā)溫度、高溫級(jí)制冷劑以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，整體性能也會(huì)不同。

圖2 復(fù)疊式CO2制冷系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic diagram m of a CO2 cascade refrigeration system

對(duì)CO2跨臨界制冷系統(tǒng)，其只采用CO2作為制冷劑。常規(guī)的商業(yè)制冷通常包含中溫和低溫2個(gè)不同水平的制冷負(fù)荷，因此需要有2個(gè)不同蒸發(fā)溫度的蒸發(fā)器，在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，通常選擇增壓式的跨臨界CO2制冷循環(huán)來(lái)滿(mǎn)足不同溫度的制冷負(fù)荷，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和P-h曲線分別如圖3（a）和（b）所示［21］。

圖3 增壓式跨臨界CO2制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意及P-h曲線［21］Fig.3 Schematic diagram and P-h diagram of CO2 booster transcritical refrigeration system［21］

目前對(duì)CO2超市制冷系統(tǒng)的研究大部分集中于增壓式跨臨界CO2制冷系統(tǒng)的優(yōu)化，研究的一個(gè)重點(diǎn)是循環(huán)優(yōu)化，如并行壓縮［22-25］、滿(mǎn)液蒸發(fā)［25-28］、引射器［27，29-30］、機(jī)械過(guò)冷和絕熱冷卻［31-34］、回?zé)崞鳎?5-37］、膨脹機(jī)［38］等措施的采用，這些措施可以有效提高系統(tǒng)在溫和或者溫暖氣候下的制冷性能，但在高溫下系統(tǒng)的制冷性能依舊劣于采用常規(guī)制冷劑的系統(tǒng)［9］，并且會(huì)加大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及控制難度［26］，因此仍舊有必要對(duì)集成式CO2超市制冷系統(tǒng)進(jìn)行研究以進(jìn)一步推廣CO2在商業(yè)制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2 集成式CO2超市制冷系統(tǒng)

對(duì)CO2超市制冷系統(tǒng)，一方面可以選擇集成熱回收功能來(lái)滿(mǎn)足超市的制熱負(fù)荷以降低系統(tǒng)的整體能耗；另一方面可以集成空氣調(diào)節(jié)換熱器來(lái)滿(mǎn)足空氣調(diào)節(jié)需求，提高系統(tǒng)的緊湊程度并降低占地面積。在本章將分別對(duì)不同的集成式超市制冷系統(tǒng)及其特點(diǎn)進(jìn)行介紹。

2.1 集成的熱回收功能

CO2作為制冷劑時(shí)，在氣冷器中的跨臨界放熱過(guò)程是溫度滑移較大的變溫過(guò)程，因此可以與變溫?zé)嵩雌ヅ鋪?lái)構(gòu)建一個(gè)特殊的Lorenz循環(huán)，可以獲得較好的換熱效果［18］。以CO2作為制冷劑的超市制冷系統(tǒng)在跨臨界運(yùn)行時(shí)，氣冷器入口的CO2溫度較高，氣冷器放熱量較大，通過(guò)熱回收可以有效回收熱量并用于提供熱水或者供暖。

2.1.1 直接式熱回收

SAWALHA等［39-40］分析了一種采用熱回收換熱器的直接式熱回收系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，整體結(jié)構(gòu)與常規(guī)增壓制冷系統(tǒng)相近，但在氣冷器/冷凝器之前安裝了熱回收換熱器進(jìn)行熱回收，并通過(guò)閥門(mén)來(lái)對(duì)制冷劑流向進(jìn)行控制。

圖4 帶熱回收的跨臨界制冷系統(tǒng)示意Fig.4 Schematic diagram of a trans-critical refrigeration system with heat recovery

在文獻(xiàn)中，作者主要通過(guò)建模的方法對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了分析：當(dāng)環(huán)境溫度低于10℃時(shí)，系統(tǒng)的制熱負(fù)荷隨環(huán)境溫度降低而增大，此時(shí)系統(tǒng)將在熱回收模式下運(yùn)行。根據(jù)模擬結(jié)果，在冬季，中溫級(jí)壓縮機(jī)的耗電量約有50%被用于提供額外的制熱量，并且制熱的季節(jié)能效比SPF能夠達(dá)到4，高于傳統(tǒng)系統(tǒng)。

SAWALHA等［41］進(jìn)一步分析了并行壓縮機(jī)對(duì)帶熱回收的跨臨界CO2超市制冷系統(tǒng)性能的影響，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 帶熱回收和并行壓縮的跨臨界制冷系統(tǒng)示意Fig.5 Schematic diagram of a trans-critical refrigeration system with heat recovery and parallel compression

夏季運(yùn)行模式下，并行壓縮對(duì)制冷COP的提升幅度較大；在冬季熱回收模式下，對(duì)系統(tǒng)總COP的提升效果較小。SHI等［42］對(duì)一個(gè)位于荷蘭的帶熱回收的超市制冷系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和建模研究，建模結(jié)果表明采用熱回收之后系統(tǒng)的總能耗能夠下降12.9%。

除了采用單個(gè)熱回收換熱器的系統(tǒng)，一些學(xué)者也研究了雙級(jí)/多級(jí)熱回收的熱回收系統(tǒng)。KARAMPOUR等［43］的研究中設(shè)置了兩個(gè)串聯(lián)的熱回收換熱器，回收的不同品位的熱量分別被用于提供熱水以及供暖。采用雙級(jí)熱回收可以根據(jù)需求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更好的控制，并且有助于避免單級(jí)熱回收換熱器中可能發(fā)生的夾點(diǎn)問(wèn)題。POLZOT等［44］研究了相近的結(jié)構(gòu)，建模研究結(jié)果表明，熱回收可以滿(mǎn)足100%的超市熱水需求，但是有31.5%～49%的供暖需求無(wú)法被完全滿(mǎn)足；采用熱回收之后，系統(tǒng)的全年能耗能夠下降10%，同時(shí)可以完全移除熱水加熱系統(tǒng)并大幅減小供暖系統(tǒng)的體積。

COLOMBO等［45］進(jìn)一步優(yōu)化了回收熱量的利用方式，熱回收系統(tǒng)的原理如圖6所示，通過(guò)主回路與二次流回路，回收的熱量有3種不同的利用方式：（1）通過(guò)HE1a換熱器回收的高品位熱量可以作為熱源來(lái)驅(qū)動(dòng)吸收式制冷設(shè)備或出售給區(qū)域供暖系統(tǒng)；（2）通過(guò)HE1b回收的熱量用于滿(mǎn)足超市用熱水需求；（3）通過(guò)HE2回收的熱量主要用于滿(mǎn)足超市供暖需求。經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算，圖6示出的雙級(jí)/多級(jí)熱回收方式可以使得超市制冷系統(tǒng)的總CO2排放量下降34%。

圖6 熱回收系統(tǒng)原理［45］Fig.6 Schematic diagram of a heat recovery system［45］

在冬季，當(dāng)環(huán)境溫度較低、超市熱負(fù)荷較高時(shí)，可以通過(guò)設(shè)置負(fù)荷蒸發(fā)器（load evaporator）的方式來(lái)提供額外的熱量。POLZOT 等［44，46，47］研究的熱回收系統(tǒng)如圖7所示，其在儲(chǔ)液器后增加了一個(gè)額外的負(fù)荷蒸發(fā)器，在冬季環(huán)境溫度較低時(shí)啟用，以增大壓縮機(jī)以及熱回收換熱器中CO2的質(zhì)量流量并增大熱回收量。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)的控制，文獻(xiàn)［44］中，負(fù)荷蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度與與中溫蒸發(fā)器相同，此時(shí)系統(tǒng)的總能耗反而會(huì)升高，但采用該結(jié)構(gòu)可以完全移除額外的熱泵系統(tǒng)，并且可以通過(guò)引入輔助壓縮機(jī)來(lái)進(jìn)一步提高熱回收運(yùn)行模式下的整體效率。EMILIO JOSé SARABIA ESCRIVA等［48］也研究了采用負(fù)荷蒸發(fā)器的熱回收系統(tǒng)，與通過(guò)提高壓力來(lái)增大熱回收量相比，采用負(fù)荷蒸發(fā)器會(huì)使系統(tǒng)的運(yùn)行成本升高，因此負(fù)荷蒸發(fā)器應(yīng)該在系統(tǒng)壓力達(dá)到最大限定值后啟動(dòng)；AZZOLIN等［49］對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行了改造，通過(guò)管路設(shè)計(jì)，在冬季可以將氣冷器/冷凝器作為熱源來(lái)增大低溫下的熱回收量，其優(yōu)勢(shì)在于改造系統(tǒng)的成本較低，無(wú)需配置額外的蒸發(fā)器，同時(shí)，當(dāng)與滿(mǎn)液蒸發(fā)及蒸發(fā)冷卻進(jìn)行結(jié)合時(shí)，在研究的工況下能夠使得年能耗下降7.5%。

圖7 采用額外蒸發(fā)器的熱回收系統(tǒng)原理［46］Fig.7 Schematic diagram of a heat recovery system with load evaporator［46］

EMILIO JOSé SARABIA ESCRIVA 等［48］在分析直接式熱回收系統(tǒng)的同時(shí)，對(duì)可用熱回收量、實(shí)際熱回收量和熱負(fù)荷進(jìn)行了模擬及比較：在不同的運(yùn)行模式下，全年可用熱回收量與全年熱負(fù)荷的比值為181.4%～235.0%，但有效熱回收量的占比只有28.7%～43.2%，這說(shuō)明全年總可用熱量超過(guò)全年熱負(fù)荷，但由于熱回收時(shí)段與需求時(shí)段不完全一致，需求和負(fù)荷之間也會(huì)存在不匹配的情況。

2.1.2 儲(chǔ)熱式熱回收

如前所述，由于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)熱回收量不足以及可用熱回收量與熱負(fù)荷不完全匹配，在冬季存在熱回收量無(wú)法完全滿(mǎn)足制熱負(fù)荷的情況。EMILIO JOSé SARABIA ESCRIVA 等［48］因此建議使用儲(chǔ)熱設(shè)備以提高熱回收的效率。

GEORGIOS等［50］對(duì)采用儲(chǔ)熱的 CO2熱回收超市制冷系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹以及建模研究。儲(chǔ)熱式熱回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖8所示，緩沖罐左側(cè)為加熱側(cè)，通過(guò)熱回收換熱器對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)的水進(jìn)行加熱；緩沖罐右側(cè)為放熱側(cè)，需要保證有足夠的熱量提供給超市，緩沖罐是加熱端和使用端的中間環(huán)節(jié)，同時(shí)也是儲(chǔ)熱系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)。

圖8 儲(chǔ)熱系統(tǒng)示意及與一次側(cè)、二次側(cè)的關(guān)系［50］Fig.8 Schematic diagram of a thermal storage system and its relationship with its primary and secondary side［50］

在模擬中，設(shè)定儲(chǔ)罐上部最低溫度為45 ℃，最高溫度為75 ℃，當(dāng)儲(chǔ)罐上部溫度低于45 ℃時(shí)即以最高運(yùn)行壓力進(jìn)行熱回收，當(dāng)溫度高于75 ℃時(shí)即停止加熱。作者同時(shí)建立了儲(chǔ)罐的動(dòng)態(tài)模型并與制冷系統(tǒng)結(jié)合以模擬熱回收的效果。經(jīng)過(guò)模擬與對(duì)比，采用儲(chǔ)熱的熱回收系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的“熱回收+天然氣鍋爐”模式能夠使得溫室氣體排放量和能耗分別下降13%和18%。POLZOT等［51］研究了將消防水箱作為儲(chǔ)熱設(shè)備以進(jìn)行熱回收的可能性，在合理選擇儲(chǔ)熱溫度的情況下，水箱中較高的熱源溫度可以提高HVAC系統(tǒng)的性能。

2.1.3 與區(qū)域供暖系統(tǒng)的結(jié)合

以上回收的熱量通常用于滿(mǎn)足超市自身的熱負(fù)荷，由于CO2在熱泵工況下具有較好的供暖性能，將超市作為生產(chǎn)性消費(fèi)者與區(qū)域供暖系統(tǒng)結(jié)合也是目前很重要的一個(gè)應(yīng)用方向。

KARAMPOUR 等［52］和 GIUNTAHE 等［53］在傳統(tǒng)的雙級(jí)熱回收的基礎(chǔ)上又分析了將帶熱回收的CO2的超市制冷系統(tǒng)與區(qū)域供暖系統(tǒng)結(jié)合的效果。GIUNTAHE等研究的系統(tǒng)熱回收部分的結(jié)構(gòu)見(jiàn)如圖9所示，通過(guò)熱回收換熱器hx1可以回收高品位的熱量并用于提供熱水，額外的熱量可以出售給區(qū)域供暖系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)模擬，采用熱回收替代區(qū)域供暖系統(tǒng)時(shí)，年能耗成本能夠下降23%，考慮售熱收益時(shí)，能耗成本能夠再下降11%～16%。

圖9 與區(qū)域供暖結(jié)合的熱回收系統(tǒng)原理［53］Fig.9 Schematic diagram of heat recovery system with district heating network［53］

ARNAUDO等［54］對(duì)相近的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（與集中供暖和地?zé)醿?chǔ)能結(jié)合）進(jìn)行了建模分析，同時(shí)作者創(chuàng)新性地分別基于運(yùn)行成本和CO2排放量2個(gè)優(yōu)化目標(biāo)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了分析。ZüHLSDORF等［55］也建模分析了與區(qū)域供暖系統(tǒng)結(jié)合的CO2超市制冷系統(tǒng)的制冷/供暖性能和經(jīng)濟(jì)性能，并進(jìn)一步分析了回收的熱量直接利用與作為熱泵熱源時(shí)的性能差異。

2.1.4 熱回收的控制策略

熱回收模式下，由于回收的熱量與熱負(fù)荷不完全匹配，因此需要對(duì)系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行優(yōu)化以滿(mǎn)足超市的熱負(fù)荷并盡可能降低能耗。

對(duì)超市制冷系統(tǒng)，在冬季，食品冷凍和冷藏負(fù)荷降低，制冷劑質(zhì)量流量下降，同時(shí)冷凝溫度也隨環(huán)境溫度下降，因此氣冷器/冷凝器的可用熱回收量不足以滿(mǎn)足增大的制熱負(fù)荷，為提高熱回收量，通常需要提高系統(tǒng)壓縮機(jī)排氣壓力。同時(shí)冬季熱回收換熱器出口的CO2溫度通常仍舊高于環(huán)境溫度，可以采用空氣對(duì)CO2進(jìn)行過(guò)冷，過(guò)冷可以提高制冷系統(tǒng)的COP，但會(huì)導(dǎo)致制冷劑質(zhì)量流量下降，可用熱回收量減少，因此需要對(duì)排氣壓力和過(guò)冷度進(jìn)行優(yōu)化控制。SALWLHA等［39］分析了系統(tǒng)高壓側(cè)壓力和過(guò)冷對(duì)熱回收的影響，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。作者根據(jù)對(duì)比結(jié)果提出了熱回收的控制策略：在熱回收模式下，當(dāng)高壓側(cè)壓力不超過(guò)8.9 MPa時(shí)，通過(guò)提高壓力的方式來(lái)增大熱回收量，同時(shí)氣冷器以最大容量運(yùn)行以提供最大程度的過(guò)冷；當(dāng)高壓側(cè)的壓力達(dá)到89bar時(shí)，需要降低風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速來(lái)增大熱回收量；當(dāng)熱負(fù)荷繼續(xù)增大時(shí)，需要完全旁通氣冷器以獲得最大的熱回收量。

GE等［56］也對(duì)熱回收模式下高壓側(cè)壓力的控制策略進(jìn)行了分析。在熱回收模式下，系統(tǒng)高壓側(cè)壓力分別按照浮動(dòng)冷凝、6，7，8～12 MPa進(jìn)行控制。文獻(xiàn)中主要對(duì)比了不同控制策略下系統(tǒng)的運(yùn)行成本，結(jié)果表明熱回收壓力控制在6 MPa時(shí)能夠最大程度地節(jié)約運(yùn)行成本，相對(duì)于天然氣鍋爐成本能夠下降12.4%。

MAOURIS等［50］對(duì)采用儲(chǔ)水罐的超市熱回收系統(tǒng)進(jìn)行了研究，分析了不同控制策略下系統(tǒng)性能的變化情況：基礎(chǔ)運(yùn)行模式下，儲(chǔ)罐上部設(shè)定溫度為45 ℃；對(duì)比運(yùn)行模式下提高了儲(chǔ)罐上部的設(shè)定溫度（7：30-8：00之間設(shè)定為 62.5 ℃，10：00-16：00之間設(shè)定為55 ℃），低于設(shè)定溫度時(shí)系統(tǒng)即以最高壓力運(yùn)行以進(jìn)行熱回收。通過(guò)設(shè)定更高的儲(chǔ)熱溫度，在超市營(yíng)業(yè)之前熱回收系統(tǒng)可以回收并儲(chǔ)存更多的熱量以滿(mǎn)足營(yíng)業(yè)初期急劇上升的熱負(fù)荷，從而無(wú)需通過(guò)降低氣冷器轉(zhuǎn)速、減小過(guò)冷度的方式來(lái)增大熱回收量，因而可以降低對(duì)制冷系統(tǒng)COP的不利影響。

2.2 集成的空氣調(diào)節(jié)功能

除了集成熱回收功能之外，集成空氣調(diào)節(jié)功能也是跨臨界CO2超市制冷系統(tǒng)的一個(gè)研究方向，即夏季的空氣調(diào)節(jié)負(fù)荷也由CO2制冷系統(tǒng)來(lái)提供以提高系統(tǒng)的緊湊程度并盡可能降低能耗。

GULLO等［29］引入了空氣調(diào)節(jié)換熱器來(lái)滿(mǎn)足超市的空氣調(diào)節(jié)負(fù)荷，根據(jù)對(duì)比，在研究的各種工況下，相比于采用傳統(tǒng)HFCs制冷劑的制冷系統(tǒng)，采用多引射器組件以及空氣調(diào)節(jié)換熱器的CO2系統(tǒng)全年能耗能夠下降15.6%～26.2%。

KARAMPOUR 等［26］也在 CO2超市制冷系統(tǒng)中引入了空氣調(diào)節(jié)功能并對(duì)比了其性能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10所示。為了進(jìn)行性能比較，作者對(duì)比了集成式CO2超市制冷系統(tǒng)與R410a空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的空氣調(diào)節(jié)季節(jié)能效比（SEERAC），對(duì)比結(jié)果如圖11所示，可以觀察到集成式系統(tǒng)的SEERAC與傳統(tǒng)系統(tǒng)非常接近，同時(shí)能夠減小系統(tǒng)體積以及人工制冷劑的使用量。

圖10 帶空氣調(diào)節(jié)及熱回收的制冷系統(tǒng)示意Fig.10 Schematic diagram of a refrigeration system with AC and heat recovery

圖11 斯德哥爾摩和巴塞羅那地區(qū)CO2和R410a空氣調(diào)節(jié)方案的季節(jié)能效比［23］Fig.11 Seasonal Energy Efficiency Ratio of CO2 and R410A AC solutions in Stockholm and Barcelona

PARDI?AS 等［57］研究了一個(gè)集成了空氣調(diào)節(jié)功能并且采用了并行壓縮和引射器的CO2超市制冷系統(tǒng)，作者建議設(shè)置浮動(dòng)的空氣調(diào)節(jié)換熱器壓力，以匹配變化的空氣調(diào)節(jié)負(fù)荷并降低能耗。

許多與空氣調(diào)節(jié)進(jìn)行集成的超市制冷系統(tǒng)都會(huì)與熱回收同時(shí)出現(xiàn)，在2.3節(jié)將會(huì)對(duì)其進(jìn)行介紹。

2.3 “多合一”系統(tǒng)

在“多合一”系統(tǒng)中，超市的冷凍冷藏、空氣調(diào)節(jié)、熱水以及供暖負(fù)荷全部由CO2系統(tǒng)提供。

KARAMPOUR等［41］研究的集成式超市制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與圖5接近，其包含熱回收換熱器和空氣調(diào)節(jié)換熱器；在這個(gè)研究的基礎(chǔ)上，作者等人在文獻(xiàn)［58］中進(jìn)一步利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和建模的方法對(duì)“多合一”系統(tǒng)進(jìn)行了研究，作者認(rèn)為：在環(huán)境溫度較低的城市，集成式的“多合一”CO2超市系統(tǒng)是一種高效、環(huán)境友好并且結(jié)構(gòu)緊湊的系統(tǒng)，但是在溫暖的地區(qū)還需要額外的優(yōu)化以提高系統(tǒng)性能。

基于以上的研究，KARAMPOUR 等［26］對(duì)比了各種不同優(yōu)化措施在應(yīng)用時(shí)的效果，并定義了一種新型的制冷系統(tǒng)：采用并行壓縮和中溫/低溫蒸發(fā)器滿(mǎn)液蒸發(fā)，并且利用兩級(jí)熱回收換熱器和空氣調(diào)節(jié)換熱器。研究結(jié)果表明，在研究的2個(gè)城市，相對(duì)于傳統(tǒng)的CO2跨臨界系統(tǒng)，所研究系統(tǒng)的制冷全年能耗分別能夠下降15.0%和15.4%，同時(shí)在斯德哥爾摩，空氣調(diào)節(jié)和熱回收的季節(jié)能效比能分別達(dá)到4.5和3.9。

D’AGARO 等［59］對(duì)一個(gè)集成式的 CO2超市制冷系統(tǒng)進(jìn)行了研究，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖12所示。建模研究結(jié)果表明：在所研究的氣候條件及運(yùn)行工況下，研究的系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足幾乎全部的供暖、熱水及空氣調(diào)節(jié)需求，相對(duì)于采用傳統(tǒng)制冷劑的獨(dú)立式制冷/熱泵系統(tǒng)，能夠使總能耗下降6%，同時(shí)系統(tǒng)的占地面積以及初始投資成本都會(huì)下降。AZZOLIN等［49］對(duì)一個(gè)位于意大利的全集成式制冷系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)收集并根據(jù)實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了建模分析，并利用模型分析了蒸發(fā)冷卻、滿(mǎn)液蒸發(fā)和氣體引射器在溫暖氣候下的性能提升效果以推動(dòng)系統(tǒng)在溫暖氣候下的應(yīng)用。

圖 12 帶熱回收以及空氣調(diào)節(jié)換熱器的CO2超市制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.12 Schematic diagram of the CO2 refrigeration system with heat recovery and air-conditioning heat exchanger

PUROHIT等［60］將“全 CO2”系統(tǒng)的理念引入了印度和中東地區(qū)。作者對(duì)比了3種不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：分別為標(biāo)準(zhǔn)增壓制冷系統(tǒng)B、全天然制冷劑NH3/CO2復(fù)疊增壓制冷系統(tǒng)CB和傳統(tǒng)HFCs系統(tǒng)，其中復(fù)疊增壓制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖13所示，作者引入NH3/CO2復(fù)疊增壓系統(tǒng)的目的在于將CO2熱回收的潛力與復(fù)疊系統(tǒng)高環(huán)境溫度下的性能優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起。經(jīng)過(guò)對(duì)比，在極端炎熱的中東地區(qū)，CB系統(tǒng)的COPtotal（包括制冷、空氣調(diào)節(jié)以及供暖）要比B系統(tǒng)高出12.73%，而在印度北部，B系統(tǒng)的COPtotal要高一些，且都高于采用傳統(tǒng)制冷劑的系統(tǒng)，作者據(jù)此得出結(jié)論，采用天然制冷劑的集成式超市制冷系統(tǒng)在未來(lái)有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

圖13 集成式全天然制冷劑NH3/CO2復(fù)疊增壓制冷系統(tǒng)示意Fig.13 Schematic diagram of an integrated all-natural NH3/CO2 cascaded booster system

3 總結(jié)與展望

受到環(huán)境問(wèn)題的限制，采用CO2作為制冷劑的超市制冷系統(tǒng)將是商業(yè)制冷領(lǐng)域的重要研究方向。通過(guò)集成熱回收或空氣調(diào)節(jié)功能可以有效提高CO2超市制冷系統(tǒng)的能量利用效率，減少常規(guī)制冷劑的充注量以及溫室氣體排放量。在部分研究的城市，集成式系統(tǒng)的供暖以及空氣調(diào)節(jié)的季節(jié)能效比分別能達(dá)到3.9和4.5，具有較好的性能；而對(duì)于“全CO2”跨臨界制冷系統(tǒng)，其相對(duì)于獨(dú)立式系統(tǒng)能夠使總能耗下降6%以上，同時(shí)系統(tǒng)的占地面積以及初始投資成本都會(huì)下降。綜上所述，集成式的CO2超市制冷系統(tǒng)能夠推廣CO2在商超制冷領(lǐng)域的應(yīng)用。但考慮到系統(tǒng)集成后控制難度增大以及初始投資上升的問(wèn)題，有必要對(duì)超市負(fù)荷變動(dòng)及制冷的控制策略進(jìn)行研究，以保證制冷系統(tǒng)在滿(mǎn)足超市全部負(fù)荷的同時(shí)盡可能降低能耗；同時(shí)對(duì)生命周期經(jīng)濟(jì)性的研究也有利于CO2集成式制冷系統(tǒng)的推廣。