劉圣春，李佳鈺，代寶民，王嘉豪

（1.天津商業(yè)大學(xué) 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300134；2.艾默生環(huán)境優(yōu)化技術(shù)（蘇州）有限公司，江蘇蘇州 320500）

0 引言

CO2具有優(yōu)越的熱力學(xué)特性和環(huán)保特性，被公認(rèn)為商業(yè)制冷中最長期、最環(huán)保的制冷劑［1］。商超冷凍冷藏領(lǐng)域使用CO2替代常規(guī)人工合成制冷劑是可靠解決方案［2］。

對于跨臨界CO2制冷系統(tǒng)而言，系統(tǒng)在高溫跨臨界工況運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)性能會下降很多，所以在高溫地區(qū)使用較少［3］。MINETTO 等［4］對并行壓縮的跨臨界CO2制冷循環(huán)進(jìn)行了理論研究，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)循環(huán)相比，并行壓縮系統(tǒng)的制冷性能系數(shù)COP 和制冷能力都獲得了提高。KARAMPOUR等［5］分析了內(nèi)部熱交換器在跨臨界CO2系統(tǒng)上的應(yīng)用，研究表明，使用內(nèi)部熱交換器能提高系統(tǒng)制冷COP，同時(shí)也可以提高增壓系統(tǒng)的熱回收。LLOPIS 等［6］對R1234yf 和R134a 機(jī)械過冷跨臨界CO2制冷系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在蒸發(fā)溫度為-10 ℃時(shí)，R1234yf 機(jī)械過冷系統(tǒng)總COP增加了6.9%達(dá)到30.3%；R134a 機(jī)械過冷系統(tǒng)總COP 提高了20%以上。針對跨臨界CO2制冷系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，可以有效提高系統(tǒng)運(yùn)行性能，增加系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，有利于系統(tǒng)在全國的推廣［7］。

與傳統(tǒng)單級系統(tǒng)相比，帶閃發(fā)罐的兩級節(jié)流跨臨界CO2系統(tǒng)可以通過背壓閥和旁通閥，將閃蒸氣體直接節(jié)流后與蒸發(fā)器出口流體混合，進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，并通過背壓閥控制排氣壓力使系統(tǒng)在最優(yōu)工況下運(yùn)行，達(dá)到提升系統(tǒng)的性能系數(shù)并減少功耗的目的。為了進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能，本文在兩級節(jié)流跨臨界CO2制冷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出了3 種系統(tǒng)構(gòu)型，并進(jìn)行了分析和對比，并對各個(gè)系統(tǒng)在中國典型城市的應(yīng)用進(jìn)行了評估和全生命周期氣候性能（LCCP）評價(jià)。在未來實(shí)際應(yīng)用中，用電量是最大的影響因素，相關(guān)排放的仔細(xì)核算對于減緩當(dāng)前和未來的溫室氣體排放至關(guān)重要，并對實(shí)地落地應(yīng)用有指導(dǎo)意義，也對節(jié)能減排實(shí)現(xiàn)“碳中和”具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)模型介紹

本文主要建立3 種模型進(jìn)行分析，即帶內(nèi)部熱交換器、帶并行壓縮和帶機(jī)械過冷的兩級節(jié)流跨臨界CO2制冷系統(tǒng)熱力學(xué)模型與傳統(tǒng)兩級節(jié)流跨臨界CO2制冷系統(tǒng)進(jìn)行對比分析。

對于傳統(tǒng)兩級節(jié)流跨臨界CO2制冷系統(tǒng)如圖1 所示，可以通過增加1 個(gè)內(nèi)部熱交換器，降低氣冷器出口溫度，提高系統(tǒng)COP［8］。系統(tǒng)和壓焓曲線如圖2 所示。從蒸發(fā)器出來的低溫氣體，在內(nèi)部熱交換器內(nèi)被加熱變?yōu)檫^熱氣體，進(jìn)入壓縮機(jī)，通常壓縮機(jī)吸氣保持一定的過熱度有利于其安全運(yùn)行，但是如果吸氣過熱度過大，會造成壓縮機(jī)排氣溫度過高，導(dǎo)致吸氣比容增大，單位容積制冷量降低，壓縮機(jī)的制冷量減少［9］，同時(shí)也會帶來其他問題，例如潤滑油黏度降低，潤滑密封性能下降。內(nèi)部熱交換器既可以冷卻從氣體冷卻器出來的高溫超臨界CO2流體，又可以加熱進(jìn)入壓縮機(jī)的CO2，使系統(tǒng)COP 增大［10］。

圖1 傳統(tǒng)CO2 兩級節(jié)流制冷系統(tǒng)Fig.1 Single-stage CO2 refrigeration system with two-stage throttling

圖2 帶內(nèi)部熱交換器的CO2 兩級節(jié)流制冷系統(tǒng)Fig.2 Single-stage CO2 refrigeration system with two-stage throttling with internal heat exchanger

對于傳統(tǒng)兩級節(jié)流跨臨界CO2制冷系統(tǒng)，也可以通過在系統(tǒng)中加入1 個(gè)并行壓縮機(jī)，改善跨臨界CO2制冷系統(tǒng)的運(yùn)行性能［11］。并行壓縮系統(tǒng)和壓焓曲線如圖3 所示，從氣體冷卻器出來的高壓CO2制冷劑經(jīng)過高壓閥節(jié)流降壓進(jìn)入閃發(fā)罐，在閃發(fā)罐內(nèi)分為氣、液兩部分，其中液體部分通過二級節(jié)流閥節(jié)流降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器，蒸發(fā)吸熱后進(jìn)入主壓縮機(jī)，氣體部分則進(jìn)入并行壓縮機(jī)，壓縮后與主壓縮機(jī)制冷劑混合，進(jìn)入氣體冷卻器。并行壓縮機(jī)可以減少進(jìn)入主壓縮機(jī)的制冷劑流量，降低主壓縮機(jī)的功耗［12］，而且并行壓縮機(jī)本身的吸氣壓力為閃發(fā)罐壓力，較高的吸氣壓力也可以使得壓縮機(jī)吸排氣壓比降低，進(jìn)而降低其自身的功耗。

圖3 帶并行壓縮的CO2 兩級節(jié)流制冷系統(tǒng)Fig.3 Single-stage CO2 refrigeration system with two-stage throttling with parallel compression

機(jī)械過冷技術(shù)通過在氣體冷卻器/冷凝器出口和節(jié)流閥之間引入蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)，降低氣冷器出口溫度，該系統(tǒng)被稱為輔助過冷系統(tǒng)或機(jī)械過冷系統(tǒng)［13］，如圖4 所示。通過輔助循環(huán)的機(jī)械過冷系統(tǒng)的蒸發(fā)過程，可實(shí)現(xiàn)CO2流體的進(jìn)一步冷卻，CO2的過冷度可通過調(diào)節(jié)輔助過冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度進(jìn)行實(shí)現(xiàn)［14］。隨著過冷度的增加，主循環(huán)節(jié)流損失逐漸降低，閃發(fā)罐中制冷劑的干度也逐漸增加，主循環(huán)性能提升，但提供過冷度的輔助循環(huán)的功耗會逐漸增加，因此系統(tǒng)存在一個(gè)最優(yōu)的過冷度。為保證系統(tǒng)的環(huán)保特性，輔助過冷系統(tǒng)的制冷劑可選氫氟烴（HFCs）和烷烴（HCs）等低GWP 制冷劑或R290 等其他天然工質(zhì)［15］。因此，可通過一個(gè)小型常規(guī)工質(zhì)蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)CO2制冷系統(tǒng)性能的明顯提升，且設(shè)備投資成本較低，能效可顯著改善。

圖4 帶機(jī)械過冷的CO2 兩級節(jié)流制冷系統(tǒng)Fig.4 Single-stage CO2 refrigeration system with two-stage throttling with mechanical subcooling

在每個(gè)環(huán)境溫度下，帶機(jī)械過冷的CO2制冷系統(tǒng)都存在一個(gè)最優(yōu)過冷度。當(dāng)環(huán)境溫度大于2 ℃時(shí)，隨著環(huán)境溫度的升高，最優(yōu)過冷度先下降后上升。這是由于當(dāng)環(huán)境溫度低于7 ℃，系統(tǒng)壓力低于5 MPa，沒有設(shè)置閃蒸氣體旁通。當(dāng)環(huán)境溫度大于7 ℃時(shí)，排氣壓力高于5 MPa，閃發(fā)罐的閃蒸氣體開始旁通到壓縮機(jī)吸氣口，進(jìn)而影響其他參數(shù)變化，最優(yōu)過冷度逐漸增加。所以本文中對帶機(jī)械過冷的CO2制冷系統(tǒng)的計(jì)算都基于最優(yōu)過冷度。

2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

本文基于以下假設(shè)進(jìn)行分析：

（1）所有的節(jié)流閥都被認(rèn)為是絕熱裝置，整個(gè)節(jié)流過程前、后焓值相等；

（2）所有管道以及設(shè)備的壓降忽略不計(jì)；

（3）制冷系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)條件下運(yùn)行；

（4）所有管道以及設(shè)備與周圍環(huán)境直接的熱損失忽略不計(jì)。

對于理論模型參考以下公式進(jìn)行計(jì)算。忽略壓縮機(jī)與外界環(huán)境的熱交換，壓縮機(jī)功耗Wcomp可以由下式求得：

式中，m 為進(jìn)入壓縮機(jī)的質(zhì)量流量；hcomp.out為壓縮機(jī)對應(yīng)出口焓值；hcomp.in為壓縮機(jī)對應(yīng)進(jìn)口焓值。

蒸發(fā)器的制冷量Qevap可由下式求得：

其中

式中，mevap為進(jìn)入蒸發(fā)器的質(zhì)量流量；hevap.out為蒸發(fā)器對應(yīng)出口焓值；hevap.in為蒸發(fā)器對應(yīng)進(jìn)口焓值；x3為進(jìn)入閃發(fā)罐進(jìn)口的干度。

則系統(tǒng)性能系數(shù)COP 可由下式求得。

制冷系統(tǒng)全年性能系數(shù)APF 表達(dá)式為：

式中，ni為該城市制冷系統(tǒng)運(yùn)行期間各溫度小時(shí)數(shù)。

年性能系數(shù)增加比ΔAPF 表達(dá)式為：

壓縮機(jī)全年能耗Wtotal表達(dá)式為：

全年能耗降低比（ΔWtotal）表達(dá)式為：

LCCP 計(jì)算式為［16］：

式中，LCCPDirectEmissions為直接排放；LCCPIndirectEmissions為間接排放；C 為制冷劑費(fèi)用；L 為設(shè)備平均壽命；ALR 為年泄漏率；EOL 為壽命終止制冷劑泄漏率；GWP 為全球變暖潛能值；Adp.GWP 為制冷劑大氣降解產(chǎn)物的GWP；AEC 為全年能耗；EM 為二氧化碳產(chǎn)量；m 為單位質(zhì)量；MM 為產(chǎn)生的CO2e；mr 為回收材料的質(zhì)量；RM 為CO2e生產(chǎn)/回收材料；RFM 為制冷劑排放量；RFD 為處理的制冷劑排放量。

式中涉及的主要參數(shù)取值見表1。

表1 LCCP 計(jì)算主要參數(shù)Tab.1 The main parameters for LCCP determination

3 模型驗(yàn)證

將本文構(gòu)建的模型與CO2系統(tǒng)的試驗(yàn)測試結(jié)果［17］進(jìn)行對比驗(yàn)證，測試工況的環(huán)境溫度為0 ℃、回水溫度為30 ℃、供水溫度為55～75 ℃，結(jié)果如圖5 所示?？梢钥吹剿泄r下模擬和試驗(yàn)結(jié)果的相對誤差均在±5%的范圍內(nèi)，表明該模型是準(zhǔn)確可靠的。

圖5 理論模型驗(yàn)證Fig.5 Validation of theoretical model

4 結(jié)果與分析

4.1 系統(tǒng)能效比分析

將在環(huán)境溫度-5.0～40.0 ℃下運(yùn)行的傳統(tǒng)兩級節(jié)流跨臨界CO2制冷系統(tǒng)與優(yōu)化系統(tǒng)（帶內(nèi)部熱交換器、并行壓縮和機(jī)械過冷）進(jìn)行對比分析。圖6 示出4 種系統(tǒng)的COP 在不同環(huán)境溫度下，隨溫度發(fā)生變化的趨勢。從圖中可以看出，機(jī)械過冷的優(yōu)化系統(tǒng)和并行壓縮的優(yōu)化系統(tǒng)的提升效果比較明顯。當(dāng)環(huán)境溫度低于7.0 ℃時(shí)，4 種系統(tǒng)的COP 保持不變，在這種溫度條件下，內(nèi)部換熱器對系統(tǒng)幾乎沒有過冷度，且并行壓縮機(jī)在停機(jī)階段，所以可以看出機(jī)械過冷效果較高于其他3 種系統(tǒng)。隨著環(huán)境溫度的提高，系統(tǒng)COP 逐漸降低，但是可以看出帶內(nèi)部熱交換器、并行壓縮和機(jī)械過冷系統(tǒng)的COP 較原有系統(tǒng)均有所提升，最高分別提升了15.3%，23.5%和82.7%，其中帶機(jī)械過冷的系統(tǒng)提升較為明顯，且隨著溫度的升高提升效果逐漸明顯。

圖6 不同環(huán)境溫度下各個(gè)系統(tǒng)的COPFig.6 COP of different systems at different ambient temperatures

4.2 全年性能評估

為了評估各個(gè)系統(tǒng)在中國不同氣候的性能表現(xiàn)以及適用性，選擇了哈爾濱、北京、上海、重慶、昆明和廈門等6 個(gè)代表城市，進(jìn)行了全年性能評估。年性能系數(shù)計(jì)算結(jié)果和年性能系數(shù)增長比如圖7 所示（橫坐標(biāo)按照各城市年平均溫度由高到低進(jìn)行排列的）。系統(tǒng)的年性能系數(shù)隨著環(huán)境溫度的升高逐漸減少，其中隨著環(huán)境溫度越來越高，系統(tǒng)的年性能系數(shù)（APF）越來越低，機(jī)械過冷優(yōu)化系統(tǒng)的APF 始終高于并行壓縮優(yōu)化系統(tǒng)、內(nèi)部熱交換器優(yōu)化系統(tǒng)和常規(guī)兩級節(jié)流系統(tǒng)。隨著環(huán)境溫度的升高，年性能系數(shù)比逐漸增大，3 種優(yōu)化系統(tǒng)最高分別可以提升到8.1%，13.1%和18.7%。其中，由于昆明全年氣候環(huán)境溫度波動較小，所以各系統(tǒng)的APF 波動較為均勻，且年性能系數(shù)增長率相對其他城市來說較低。

圖7 各個(gè)系統(tǒng)在中國典型城市的年性能系數(shù)及年性能系數(shù)增長比Fig.7 Annual COP of each system in typical Chinese cities and growth rate of annual COP

壓縮機(jī)全年總能耗和能耗下降比如圖8所示。

圖8 各個(gè)系統(tǒng)在中國典型城市的壓縮機(jī)全年總能耗及壓縮機(jī)全年總能耗下降比Fig.8 Annual power consumption of compressor of each system in typical Chinese cities and reduction rate of annual power consumption

在6 個(gè)城市中，廈門的全年總耗電量最大，其次是重慶、上海、昆明、北京和哈爾濱。由于哈爾濱氣候寒冷，環(huán)境溫度較低，因此系統(tǒng)總能耗最小。在昆明，由于環(huán)境溫度長時(shí)間保持在15.0～25.0 ℃范圍內(nèi)，且溫度波動較小，導(dǎo)致內(nèi)部熱交換器和并行壓縮機(jī)兩種優(yōu)化形式的系統(tǒng)能耗較為接近，以及采用內(nèi)部熱交換器作為優(yōu)化的系統(tǒng)，全年功耗下降比在所有城市中占據(jù)首位。與常規(guī)雙級節(jié)流系統(tǒng)相比，機(jī)械過冷和并行壓縮可以大大降低全年總耗電量，廈門減少了19.3%，13.9%，昆明減少了10.6%，8.7%，重慶減少16.3%，11.7%，上海減少15.3%，11.3%，北京減少14.2%，10.0%，哈爾濱減少10.0%，7.2%。

通過以上研究，對3 種跨臨界單級壓縮兩級節(jié)流的系統(tǒng)構(gòu)型進(jìn)行了季節(jié)性能分析和年性能分析。從性能角度而言，機(jī)械過冷較其他兩種優(yōu)化系統(tǒng)來說，提升效果較為明顯。雖然內(nèi)部熱交換器的優(yōu)化系統(tǒng)只有環(huán)境溫度在7.0～14.0 ℃時(shí)的優(yōu)化效果明顯，在其他環(huán)境溫度下，性能提升都低于機(jī)械過冷和并行壓縮優(yōu)化系統(tǒng)，但由于內(nèi)部熱交換器部件形式比較簡單，實(shí)際應(yīng)用很方便，所以也具有一定的優(yōu)勢。

4.3 系統(tǒng)LCCP 性能分析

在全球變暖的大背景下，碳排放逐漸成為世界各國關(guān)注的焦點(diǎn)，圖9 示出在6 個(gè)城市使用不同系統(tǒng)構(gòu)型引起的碳排放變化。

圖9 各個(gè)系統(tǒng)在中國典型城市碳排放及碳減排比Fig.9 Carbon emissions of each system in typical Chinese cities and rate of carbon emissions reduction

從圖中可以看出，3 種系統(tǒng)構(gòu)型都能使碳排放降低，與常規(guī)兩級節(jié)流系統(tǒng)相比，帶內(nèi)部熱交換器的系統(tǒng)最高可降低碳排放8.0%，帶并行壓縮系統(tǒng)最高可降低碳排放13.9%。使用機(jī)械過冷系統(tǒng)碳減排效果最顯著，6 個(gè)代表城市分別可減少碳排放10.0%，14.2%，15.3%，15.0%，10.6%和19.3%。由北往南所選取的6 個(gè)代表城市，氣候越炎熱，使用3 種新的系統(tǒng)構(gòu)型所帶來的碳減排效果越明顯，其中由于昆明的特殊氣候，導(dǎo)致碳排放降低比相對其他城市有所下降，但是總體來說還是有所改善，效果最好的是帶機(jī)械過冷的系統(tǒng)，可以看出，在炎熱地區(qū)推廣帶機(jī)械過冷的系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)意義。

5 結(jié)論

（1）當(dāng)環(huán)境溫度低于7 ℃時(shí)，各個(gè)系統(tǒng)的COP都不變，當(dāng)環(huán)境溫度高于7 ℃時(shí)，3 個(gè)系統(tǒng)的系統(tǒng)性能都有所提升，當(dāng)環(huán)境溫度為7.0～14.0 ℃時(shí)，帶內(nèi)部熱交換器的系統(tǒng)性能高于并行壓縮和機(jī)械過冷系統(tǒng)。當(dāng)環(huán)境溫度高于14.0 ℃時(shí)，機(jī)械過冷對系統(tǒng)性能提升最大，COP 最大可提升82.7%。并行壓縮的優(yōu)化系統(tǒng)的性能一直處在2 個(gè)系統(tǒng)之間。

（2）機(jī)械過冷對系統(tǒng)性能提升效果最顯著，其次是并行壓縮系統(tǒng)。內(nèi)部熱交換器系統(tǒng)只有在7.0～14.0 ℃時(shí)的提升較好，其他環(huán)境溫度下，性能提升都低于機(jī)械過冷和并行壓縮優(yōu)化系統(tǒng)。

（3）在炎熱地區(qū)，機(jī)械過冷系統(tǒng)的改善效果最明顯，APF 最大增長比為18.7%，能耗降低19.3%。

（4）在3 種系統(tǒng)構(gòu)型中，帶機(jī)械過冷的系統(tǒng)碳減排效果最明顯，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比每年最大的可減少碳排放19.3%。