2021年3月,全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織在北京舉辦了中國(guó)碳達(dá)峰碳中和成果發(fā)布暨研討會(huì)。會(huì)議在國(guó)內(nèi)首次提出通過(guò)建設(shè)中國(guó)能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)的系統(tǒng)方案,并發(fā)布了中國(guó)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)規(guī)劃。
在這一歷史使命面前,綠色升級(jí)、能源革命勢(shì)在必行。中國(guó)制冷行業(yè)碳的排放,一方面來(lái)自用電、生產(chǎn)過(guò)程中的二氧化碳排放,另一方面來(lái)自于制冷劑等非二氧化碳溫室氣體的排放。國(guó)際能源署等發(fā)布的《能源轉(zhuǎn)型時(shí)代的可再生能源政策——供熱和制冷》指出:“供熱和制冷約占全球能源消耗的一半,而這些能源大多來(lái)自于化石燃料或生物質(zhì)能的低效利用,其碳排量占全球能源碳排放量的40%以上。因此,發(fā)展高效的供熱和制冷技術(shù)已成為各國(guó)需要優(yōu)先落實(shí)的事項(xiàng)。
二氧化碳制冷劑的優(yōu)點(diǎn)
二氧化碳是天然物質(zhì),ODP=0,GWP=1。使用二氧化碳作為制冷工質(zhì),對(duì)大氣臭氧層沒(méi)有破壞作用,可以減少全球溫室效應(yīng),且來(lái)源廣泛、價(jià)格便宜,勿需回收,可以大大降低制冷劑替代成本,節(jié)約能源,從根本上解決化合物對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題,具有良好的經(jīng)濟(jì)性。二氧化碳安全無(wú)毒、不可燃、不爆炸,具有良好的熱穩(wěn)定性,即使在高溫下也不會(huì)分解出有害的氣體,萬(wàn)一泄漏對(duì)人體、食品、生態(tài)都無(wú)損害。
二氧化碳具有與制冷循環(huán)和設(shè)備相適應(yīng)的熱物性。分子量小,制冷能力大,0℃的單位制冷量比常規(guī)制冷劑高5~8倍,因而對(duì)于相同冷負(fù)荷的制冷系統(tǒng),壓縮機(jī)的尺寸可以明顯減小,重量減輕,整個(gè)系統(tǒng)非常緊湊;潤(rùn)滑條件容易滿(mǎn)足,對(duì)制冷系統(tǒng)常見(jiàn)材料無(wú)腐蝕,可以改善開(kāi)啟式壓縮機(jī)的密封性能,減少泄漏。二氧化碳黏度小,0℃時(shí)二氧化碳飽和液體的運(yùn)動(dòng)黏度只是NH3的5.2%、R12的23.8%,流體的流動(dòng)阻力小,傳熱性能比CFC類(lèi)制冷劑更好,可以改善全封閉制冷壓縮機(jī)的散熱。
二氧化碳制冷劑的缺點(diǎn)及分析
二氧化碳臨界壓力較高(7.38MPa),因此其跨臨界制冷循環(huán)的工作壓力較傳統(tǒng)的亞臨界兩相制冷循環(huán)的工作壓力高得多,約為傳統(tǒng)制冷工質(zhì)CFC或HCFC系統(tǒng)壓力的6-8倍。所以,制冷系統(tǒng)中工質(zhì)流經(jīng)的管路系統(tǒng)必須經(jīng)安全性分析。但由于二氧化碳的單位容積制冷量約為常規(guī)制冷劑的5-8倍,系統(tǒng)所需的二氧化碳容積流量很小,而設(shè)備內(nèi)氣體的爆炸能量為壓力與容積乘積的函數(shù),所以雖然系統(tǒng)的工質(zhì)壓力高,但容積較小,其壓力和容積的乘積與常規(guī)工質(zhì)相差不大,設(shè)備內(nèi)氣體的爆炸能量增加的并不多。
以可靠性理論為依據(jù),根據(jù)二氧化碳跨臨界制冷系統(tǒng)管道可靠性的不同影響因素及其變化規(guī)律,對(duì)不同管材情況下的可靠性進(jìn)行深入地研究與分析,得到的結(jié)論是:當(dāng)管路系統(tǒng)的管外徑給定時(shí),只要合理地選擇管材和管壁厚度,就能保證系統(tǒng)在給定壓力下運(yùn)行的可靠性和安全性,二氧化碳跨臨界循環(huán)較高的運(yùn)行壓力是可以得到合理解決的?,F(xiàn)有鋼管基本可以直接應(yīng)用,而現(xiàn)有銅管則需根據(jù)管徑和壁厚經(jīng)安全性分析后選用。因此,二氧化碳運(yùn)行工作壓力較高所引起的安全性問(wèn)題,并不會(huì)影響二氧化碳作為環(huán)保制冷劑推廣應(yīng)用的障礙。
二氧化碳單級(jí)壓縮跨臨界循環(huán)的性能系數(shù)COP比相同溫度條件下的R12、R22、R134a等常規(guī)制冷劑的制冷性能系數(shù)都低。針對(duì)二氧化碳制冷循環(huán)性能系數(shù)低的缺點(diǎn),學(xué)者們經(jīng)研究探索發(fā)現(xiàn),完全可以通過(guò)完善系統(tǒng)循環(huán)方式、優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)備來(lái)解決,如采用雙級(jí)壓縮和采用膨脹機(jī)回收一部分膨脹功的措施加以改善,來(lái)提高制冷循環(huán)效率。有理論分析表明,采用膨脹機(jī)二氧化碳跨臨界循環(huán)的效率要高于常規(guī)制冷工質(zhì)的節(jié)流膨脹循環(huán)。
盾安冷鏈的部分機(jī)型
二氧化碳的應(yīng)用領(lǐng)域
目前,二氧化碳的研究和應(yīng)用主要集中于三個(gè)方面:一方面是汽車(chē)空調(diào)領(lǐng)域,由于制冷劑排放量大,對(duì)環(huán)境的危害也大,必須盡早采用對(duì)環(huán)境無(wú)危害的制冷劑。第二方面是熱泵熱水器,二氧化碳在超臨界條件下放熱存在一個(gè)相當(dāng)大的溫度滑移,有利于在極低的環(huán)境溫度下將熱水加熱到一個(gè)更高的溫度(90℃以上)。第三方面是考慮到二氧化碳良好的低溫流動(dòng)性能和換熱特性,采用它作為復(fù)疊制冷循環(huán)低溫級(jí)制冷劑。
在復(fù)疊式制冷系統(tǒng)中,二氧化碳循環(huán)在亞臨界或跨臨界條件下運(yùn)行。以國(guó)內(nèi)二氧化碳和氟復(fù)疊制冷技術(shù)的先行者盾安冷鏈為例,盾安二氧化碳復(fù)疊制冷系統(tǒng)由低溫二氧化碳桶泵系統(tǒng)和中溫氟利昂制冷系統(tǒng)復(fù)疊而成,中溫氟利昂系統(tǒng)只是給二氧化碳系統(tǒng)的高壓部分做冷卻,確保二氧化碳系統(tǒng)高壓部分不超過(guò)40Bar,氟利昂只在機(jī)器內(nèi)部流動(dòng),因而灌注量很小,這樣的配置既保證了系統(tǒng)壓力在亞臨界的安全范圍內(nèi)又大幅度降低了氟利昂對(duì)環(huán)境的影響。
盾安冷鏈的部分案例
制冷劑替代路徑
當(dāng)前關(guān)于R22制冷劑的替代國(guó)際上主要有兩種技術(shù)方案:一種以北歐國(guó)家和韓國(guó)為代表,其主張采用天然工質(zhì)作為替代物,如純工質(zhì)R290、R1270、R744、R600a、R600、R717等以及HCs類(lèi)的混合物;另一種是以美國(guó)和日本為代表的采用HFCs作為替代物,如美國(guó)聯(lián)合信號(hào)公司的非共沸混合物R410A、杜邦公司和I.C.I公司的混合物R407C,以及R32和R152a等,這些制冷劑的ODP均為0,能夠達(dá)到保護(hù)臭氧層的目的,但是會(huì)產(chǎn)生溫室效應(yīng)。
目前,二氧化碳制冷在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)越來(lái)越受到主流廠(chǎng)家的重視以及業(yè)主的青睞,不過(guò)總體而言,市場(chǎng)占有率仍舊較低。究其原因,業(yè)內(nèi)專(zhuān)家表示:都了解它的好,但真正用的仍然較少。主推二氧化碳復(fù)疊制冷技術(shù)的廠(chǎng)家以盾安、冰輪兩大國(guó)產(chǎn)巨頭為主,其中盾安走二氧化碳與氟復(fù)疊的技術(shù)路線(xiàn),冰輪走二氧化碳與氨復(fù)疊的技術(shù)路線(xiàn)。近兩年陸續(xù)也有國(guó)內(nèi)外企業(yè)加入到二氧化碳復(fù)疊制冷技術(shù)隊(duì)伍中來(lái),如約克、愛(ài)科德等。
盾安冷鏈的部分案例
二氧化碳制冷技術(shù)應(yīng)用前景
自前國(guó)際制冷學(xué)會(huì)主席G.Lorentzen提出采用二氧化碳作為環(huán)保制冷劑及跨臨界循環(huán)理論以來(lái),二氧化碳在環(huán)保和性能上的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越多地吸引了世界各國(guó)學(xué)者研究的注意力,其系統(tǒng)和部件的開(kāi)發(fā)也得到了很大的發(fā)展。目前,二氧化碳跨臨界循環(huán)在汽車(chē)空調(diào)、熱泵、商用制冷裝置、食品冷藏冷凍等方面的應(yīng)用前景都很好,性能都相當(dāng)于甚至好于原來(lái)采用R22或R12或R134a的制冷裝置,特別適用于需要大的溫度變化的場(chǎng)合,而且在較低的蒸發(fā)溫度下性能較好。隨著更多的研究機(jī)構(gòu)、專(zhuān)家、企業(yè)的加入和參與,二氧化碳復(fù)疊制冷技術(shù)在中國(guó)的市場(chǎng)化進(jìn)程已經(jīng)不斷加速,數(shù)據(jù)顯示,盾安冷鏈在近十年的推廣中,在中國(guó)范圍內(nèi)成功建設(shè)并投入運(yùn)行的大型二氧化碳冷庫(kù)數(shù)量超過(guò)50個(gè)。這說(shuō)明,二氧化碳制冷技術(shù)已經(jīng)不斷得到設(shè)計(jì)院和業(yè)主單位的認(rèn)可和接受。
另一方面,尤其在當(dāng)下中國(guó)已經(jīng)提出雙碳目標(biāo)的歷史機(jī)遇之下,以二氧化碳作為制冷劑是直接對(duì)二氧化碳的消耗,某種意義上來(lái)說(shuō),大規(guī)模使用二氧化碳作為制冷劑,是雙碳目標(biāo)下制冷技術(shù)發(fā)展的最優(yōu)路徑。當(dāng)然,這仍然需要整個(gè)行業(yè)、社會(huì),乃至需要全人類(lèi)的持續(xù)共同推動(dòng)。技術(shù)的進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)的更新是永恒的發(fā)展趨勢(shì),二氧化碳作為一種天然制冷工質(zhì),就其物性特征而言,具有其他非天然工質(zhì)不可比擬的優(yōu)勢(shì)??梢韵胂蟮氖牵殡S著二氧化碳制冷系統(tǒng)研究工作的不斷深入,二氧化碳作為新一代制冷工質(zhì)必然會(huì)得到進(jìn)一步推廣,在不久的將來(lái),汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)、商用制冷系統(tǒng)、住宅空調(diào)系統(tǒng)以及各個(gè)生產(chǎn)企業(yè)的熱泵干燥系統(tǒng)將會(huì)大量使用二氧化碳替代現(xiàn)有制冷工質(zhì)。