华电技术 ›› 2021, Vol. 43 ›› Issue (11): 74-84.doi: 10.3969/j.issn.1674-1951.2021.11.009
代宝民1(), 刘圣春1,*(), 曹钰1, 杨海宁1, 冯一宁1, 肖鹏2
收稿日期:
2021-08-23
修回日期:
2021-10-11
出版日期:
2021-11-25
发布日期:
2021-11-16
通讯作者:
刘圣春
作者简介:
代宝民(1987—),男,河北承德人,讲师,博士,从事制冷热泵系统优化节能、自然工质替代、非共沸工质相变传热传质等方面的研究工作(E-mail: dbm@tjcu.edu.cn)。
基金资助:
DAI Baomin1(), LIU Shengchun1,*(), CAO Yu1, YANG Haining1, FENG Yining1, XIAO Peng2
Received:
2021-08-23
Revised:
2021-10-11
Online:
2021-11-25
Published:
2021-11-16
Contact:
LIU Shengchun
摘要:
《〈蒙特利尔议定书〉基加利修正案》于2021年9月15日对我国生效。商超冷冻冷藏领域使用CO2替代常规人工合成制冷剂是可靠解决方案,然而CO2制冷系统高压运行导致较大的节流损失造成其能效偏低。对商超CO2制冷系统形式,提升能效的最新技术手段,国内、外应用现状进行了总结。我国目前仅有少数示范商超使用CO2制冷设备用于冷冻冷藏,根据其实际运行能耗,核算其全生命周期气候性能(LCCP),对其采用新技术后的碳减排量进行预测,与现有R404A系统的碳排放量进行对比。对制约我国商超CO2技术推广的因素进行分析,建议根据超市所在地区的气候条件、峰谷电价差异及周边场地情况改进系统形式以提高制冷系统能效。针对设备价格昂贵问题,建议相关部门给予政策补贴和支持。此外,可通过加强宣传,加深用户对制冷剂替代、“双碳”目标、节能减排政策的了解,提高市场认可度,同时为设备优化设计及低碳高效运行提供参考。
中图分类号:
代宝民, 刘圣春, 曹钰, 杨海宁, 冯一宁, 肖鹏. 商超自然工质CO2制冷系统增效技术及碳减排预测[J]. 华电技术, 2021, 43(11): 74-84.
DAI Baomin, LIU Shengchun, CAO Yu, YANG Haining, FENG Yining, XIAO Peng. Efficiency enhancement technology and carbon emission prediction of refrigeration system taking CO2 natural refrigerant in supermarkets[J]. Huadian Technology, 2021, 43(11): 74-84.
表1
3种商超CO2制冷系统优劣势对比
系统形式 | 优势 | 劣势 |
---|---|---|
跨临界CO2增压制冷系统 | 制冷剂仅纯自然工质CO2;换热效率高,蒸发器小;技术不断革新、创新性高;在气候凉爽及严寒气候区域应用时,其系统能效高 | 系统压力高,零部件成本高;低温应用需要双级系统;在温暖及炎热气候区域应用时,其系统能效较低 |
CO2复叠制冷系统 | 高温级和低温级制冷系统的形式较简单;低温级制冷系统压力不高,部分部件可与HFC系统通用,成本较低;高温级制冷系统可采用HFC、HFO、碳氢化合物(HC)等制冷剂,在温暖及炎热气候区域,系统能效高 | 高、低温级制冷系统需采用2种制冷剂;冷凝蒸发器存在换热温差,低温级制冷系统的能效稍低;高、低温级制冷系统相互关联,如有故障会影响系统整体运行 |
CO2载冷剂制冷系统 | 高效利用CO2潜热;主回路可以是简单的制冷机组系统;可采用HFC,HFO,HC,氨(NH3)等制冷剂;系统运行压力基本无波动 | 额外的换热器及换热温差导致性能略微下降;需要专门的CO2液体泵,安装费较高;制冷技术人员对CO2液体泵的知识了解较少 |
表2
跨临界CO2增压制冷系统增效技术方案、成本、复杂度及应用情况比较[13,14,15]
增效技术 | 方案 | 成本 | 复杂度 | 应用情况 |
---|---|---|---|---|
回热 | 在低压级压缩机和气体冷却器/冷凝器之间加入回热器,高压CO2流体从气体冷却器排出后进入回热器,与进入高压级压缩机前的CO2流体进行热交换,实现对气冷器出口CO2冷却,并能保证高压级压缩机入口的制冷剂全部蒸发 | 中等 | 中等 | 较多 |
平行压缩 | 在常规CO2增压系统中引入辅助压缩机,可实现将气液分离器中的饱和蒸汽直接压缩至排气压力,后被高压级压缩机吸入压缩,减小不可逆损失 | 中等 | 复杂 | 较多 |
机械过冷 | 机械过冷技术通过在气体冷却器/冷凝器出口和节流阀之间引入蒸气压缩制冷系统实现,该系统为辅助过冷系统或机械过冷系统。通过辅助过冷系统的蒸发过程可实现CO2流体的进一步冷却,CO2过冷度可通过调节辅助过冷系统的蒸发温度进行调节。辅助过冷系统的制冷剂可选HFCs,HCs等低GWP制冷剂 | 中等 | 中等 | 试验阶段 |
热电过冷 | 在气体冷却器/冷凝器出口和节流阀前加装由若干对热电偶组成的热电过冷器,实现对CO2流体的冷却,称为热电过冷。根据帕尔贴效应,热电过冷器的冷端与气体冷却器出口的CO2发生热量交换,降低了气体冷却器的出口温度,提高系统效率 | 较高 | 中等 | 较多 |
吸收式过冷 | CO2过冷也可通过吸收式制冷技术实现,以太阳能驱动的吸收式过冷CO2增压系统为例,太阳能集热器将入射的太阳辐射转化为热能,为发生器提供高温热源 | 高 | 复杂 | 理论阶段 |
超倍供液 | 超倍供液技术分为基于引射器和基于工质泵2种解决方案。中温级蒸发器出口的气液两相CO2流体与低温级压缩机排气混合首先进入次高压级气液分离器。对于液体引射器方案,气体冷却器出口的高压CO2流体作为液体引射器的一次流,中压气液分离器中的饱和CO2液体为二次流被一次流引射,混合后的流体进入次高压级气液分离器;采用工质泵的超倍供液方案,通过工质泵将中压级气液分离器中的液态CO2泵送至次高压级气液分离器 | 中等 | 中等 | 较多 |
多联引射 | 多联引射器包括2组CO2引射器,分别为液体引射器和气体引射器。液体引射器原理与超倍供液一致,气体引射器可将中压级气液分离器中的饱和气态CO2升压,实现高压CO2降压过程中的膨胀功回收,并且避免了这部分气体再经过高压级压缩机压缩。引射器的最优运行工况范围较窄,偏离最优工况后其性能显著恶化,实际引射器技术需引入多个不同最优工况范围引射器,使得系统在较宽运行范围内均取得较高能效 | 中等 | 复杂 | 较多 |
系统集成 | 可将生活热水、供暖、空调功能与CO2增压制冷系统相集成。将气体冷却器余热回收用于满足商超建筑的生活热水和供暖需求,温度较高段用于生产生活热水,温度较低段用于供暖,最低温度段能量品位较低,通过气体冷却器/冷凝器排至环境。在气液分离器前和节流阀后加装空调蒸发器,通过CO2流体蒸发为商超建筑提供空调供冷 | 较高 | 复杂 | 较多 |
表3
世界各国商超CO2制冷系统应用情况[8,14-19]
分布 | 国家城市 | 企业 | 系统形式 | 项目详情 |
---|---|---|---|---|
欧洲 | 意大利,米兰 | — | 跨临界CO2增压制冷系统 | 地下水代替空气作为冷却流体来冷却跨临界状态的CO2:在夏季,使系统仍能处于亚临界运行状态,且可极大地降低能耗;在冬季,系统设计为跨临界模式运行,以满足超市对热水的需求 |
瑞士,里亚齐诺 | 米格罗提契诺 | 跨临界CO2增压制冷系统 | 安装第1个完全集成的CO2系统,可满足商店的制冷、冬季供暖和夏季空调需求。跨临界CO2压缩机系统具有过冷、热泵和冷水机组部分,并与2个独立的水箱一起工作,为空调提供冷冻水 | |
保加利亚,鲁塞 | 麦德龙 | 配有喷射器的跨临界CO2增压制冷系统 | 通过在冰箱上增加玻璃门,减少开口,达到节约能源的目的,同时新系统将实现至少20%的制冷省电和35%以上的供暖省电。系统的更换升级,极大地提高了其整体效率 | |
法国,多尔多涅 | Biocoop | CO2制冷系统 | 大金在法国市场的第1个CO2制冷系统于2018年12月5日在多尔多涅的食品分销商Biocoop肉类加工实验室安装完成 | |
英国,斯旺西 | 乐购超市 | CO2制冷系统 | 2006年安装了第1台跨临界CO2制冷系统后,装机量稳步增长 | |
丹麦,哥本哈根 | 航运公司DFDS | CO2冷藏集装箱 | 一家航运公司DFDS物流已开始使用50个由承运人制造的CO2冷藏集装箱来提供航运服务 | |
挪威,特隆赫姆 | EMA1000超市 | 带热回收的跨临界CO2增压制冷系统 | 应用带热回收的跨临界CO2增压制冷系统,可实现30%的节能效果 | |
瑞典 | Nordby超市 | 跨临界CO2增压制冷系统 | 应用跨临界CO2增压制冷系统实现了20%~30%的节能,同时提供了冷藏冷冻所需的制冷量和冬季供暖所需热量 | |
波兰 | 家乐福 | — | 46家门店将现有的制冷系统改造为CO2制冷系统 | |
芬兰 | Kesco零售商 | CO2制冷系统 | 使用CO2作为制冷剂的商店比使用其他制冷剂的商店节能30% | |
西班牙,加那利群岛 | SCM Frigo | 用于冷藏的跨临界CO2增压制冷装置 | 系统设计包括-2 ℃蒸发温度和38 ℃气体冷却器输出温度。2019年2月首次安装 | |
西班牙,阿利坎特 | EPTA公司 | 跨临界CO2增压制冷装置 | 一家商店安装了1个具有完全跨临界效率的跨临界CO2增压制冷装置 | |
克罗地亚 | 麦德龙 | 跨临界CO2增压制冷系统,亚临界CO2增压制冷系统 | 到2030年,在所有麦德龙商超中逐步淘汰氟利昂制冷剂,并用Natrefs替代。在保加利亚的11家商超中,2家有跨临界CO2增压制冷系统,3家有亚临界CO2增压制冷系统 | |
比利时,布鲁塞尔 | 德尔海兹 | CO2制冷装置 | 与当地承包商SABCOBEL合作,在德尔海兹商店安装了2个CO2制冷装置。超市于2018年6月开业,占地面积250 m2 | |
亚洲 | 中国,北京 | 麦德龙北京立水桥商场 | 跨临界CO2增压制冷系统 | 作为中国首家使用跨临界CO2增压制冷系统的商场,于2018年1月17日开业。相比R22制冷剂使用,跨临界CO2增压制冷系统可有效减少臭氧层的破坏,估算每天平均能耗下降约190 kW |
中国,北京 | 超市发 | 跨临界CO2增压制冷系统 | 整个店面的66台冷柜和4个冷藏库组成的制冷系统全部采用跨临界CO2平行压缩冷热一体化集成技术,制冷效率提高10倍,减少能耗约20% | |
中国,合肥 | 红府超市 | R134a/CO2 复叠制冷系统 | 通过引用CO2绿色冷媒技术,门店制冷设备不仅可实现15%左右的能效提升,同时可消除原系统制冷剂对大气臭氧层的破坏作用 | |
中国,武汉 | 华联超市 | R134a/CO2 复叠制冷系统 | — | |
泰国 | Tesco Lotus | CO2复叠制冷系统 | 亚洲第1家安装CO2复叠制冷系统的超市,由澳大利亚Frigrite公司建造,由Carrier公司安装 | |
日本,福冈 | 吉雄冰 | 跨临界CO2增压制冷系统 | 3个跨临界CO2增压制冷系统分别服务于1个4 700 m3(-25 ℃)的冷冻储藏室、1个3 700m3(5 ℃)的冷藏室和1个4 700 m3(5 ℃)的装载区 | |
日本 | 罗森 | CO2制冷系统 | 20%的节能,一半归功于CO2系统,另一半归功于新型CO2展柜(即滑动玻璃门)的节能功能 | |
北美洲 | 美国,加利福尼亚州 | 约塞米蒂食品公司 | 世界上最大的CO2制冷系统 | 该设施于2019年在加州安装。5个制冷设备为18 580 m2的设施提供冷量 |
美国,明尼阿波利斯 | Lunds & Byerlys store | 跨临界CO2增压制冷系统 | 在Lunds & Byerlys的一个处理设备上安装了1个跨临界CO2增压制冷系统 | |
美国,那不勒斯 | — | 跨临界CO2增压制冷系统 | 该系统包括3个屋顶绝热气体冷却器,有助于该系统在佛罗里达州西南部温暖的气候中有效运行。经大致评估得出其能耗与传统系统相比一致或高些许 | |
美国 | 阿尔迪 | 跨临界CO2增压制冷系统 | 2017年8月11日,阿尔迪的69家门店采用了跨临界CO2增压制冷系统 | |
加拿大 | 零售商巨头Sobeys | 跨临界CO2增压制冷系统 | 2015年时拥有1 778家商店,其中78家已经使用了跨临界CO2增压制冷系统,且每年新开设的15~20家商店也将使用CO2作为制冷剂 | |
南美洲 | 哥伦比亚,卡利 | Valle del Lili | 跨临界CO2增压制冷系统 | 该系统与平行压缩相结合,使中温侧制冷量达到130 kW,低温侧制冷量达到4 kW。该装置还包括1个气体冷却器、电子膨胀阀和自动门,所有这些都是为最大限度地提高能源效率,减少商店的碳足迹 |
非洲 | 南非,约翰内斯堡 | Food Lovers Market | CO2增压制冷系统 | 安装了1套CO2增压制冷系统,中温侧制冷量为177 kW,低温侧制冷量为58 kW |
南非,开普敦 | Pick n Pay(PnP) | 平行压缩CO2增压制冷系统 | 在当地制造的制冷系统上装有10台压缩机,其中4台为高压级压缩机,2台为平行压缩机,3台为低压机压缩机,1台卫星压缩机。系统中包含1个板式热交换器,用于回收热量 | |
大洋洲 | 澳大利亚,墨尔本 | 沃尔沃斯伯伍德 | 跨临界CO2增压制冷系统 | 使用了3个跨临界CO2增压制冷系统,2个用于超市的冷却器和冰柜,1个用于位于购物中心内的丹·墨菲酒店。2个系统都包括并行压缩机。此外,所有肉类和奶制品箱都装有门,防止冷空气从箱中溢出,使能源消耗减少约30% |
澳大利亚,克莱斯韦克 | IGA Supa | CO2制冷系统 | 采用CO2制冷系统使碳足迹减少47%,年排放量减少6 209 t。此外该系统具有储热功能,可利用CO2制冷系统产生的余热生产热水,进一步降低成本和排放 | |
新西兰 | Fresh Choice Papamoa和Countdown 食品零售店 | 跨临界CO2增压制冷系统 | 2019年开业,均采用节能跨临界CO2增压制冷系统。据估计2家商店比新的设计良好的等效HFC系统在能源使用方面节省5%~8% |
表4
采用CO2制冷系统的4家商超典型运行参数[17]
商超 | 系统 | 低温制冷量/kW | 中温制冷量/kW | 总功率/kW | 商超运营信息 |
---|---|---|---|---|---|
中国麦德龙北京立水桥商场 | 跨临界CO2增压制冷系统 | 74.08 | 370.42 | 333.55 | 2018年1月17日开业 |
北京超市发玉泉路店 | 跨临界CO2增压制冷系统 | 21.90 | 54.34 | 45.59 | 2018年4月升级改造,10月开店,CO2制冷超市应用示范项目之一 |
安徽商之都红府超市合肥中心广场店 | R134a/CO2 复叠制冷系统 | 13.89 | 68.85 | 37.10 | 2017年9月正式营业,CO2制冷超市应用示范项目之一 |
华联超市武汉群星城店 | R134a/CO2 复叠制冷系统 | 35.18 | 118.29 | 57.69 | 2017年3月开业 |
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