二氧化碳跨临界制冷的应用

关键词　二氧化碳跨临界R744喷射器自然工质热回收制冷剂替代

一、二氧化碳的性质与跨临界循环

二氧化碳的编号是 R744，消耗臭氧潜能值为零，全球变暖潜能值为 1，无毒不燃，属于 A1 类制冷剂。它的临界温度是 31.1 ℃，临界压力是 7.38 兆帕。

当环境温度高于临界温度时，循环进入跨临界状态。气体冷却器里的二氧化碳不发生相变，靠显热放热，高压侧压力随环境温度变化。排气压力常常超过 120 bar，机组承压结构与控制策略都要按这个压力设计。

跨临界循环的长处是低压侧压力高。在低温工况下，二氧化碳的单位容积制冷量大，压缩机尺寸小，回气密度高，适合做低温供冷。

二、跨临界循环的能效短板

跨临界循环的短板在节流过程。高压流体经节流阀降压时，等焓节流存在较大的不可逆损失，压缩机排气温度高，系统效率被压低。

环境温度直接决定高压侧压力。环境温度升高，气体冷却器出口温度上升，最优高压值上移，压缩机功耗增加。同规模系统在寒冷气候区与炎热气候区的表现差距明显。

压缩机的可靠性也受影响。排气温度高，润滑油容易分解，压缩机寿命缩短，因此跨临界系统多配两级压缩或带中间补气，把排气温度降下来。

图 1　跨临界二氧化碳循环的四个环节

三、喷射器对节流损失的回收

喷射器把节流损失回收一部分。高压二氧化碳经喷嘴高速膨胀，引射蒸发器或闪发罐来的低压蒸汽，混合后经扩压器恢复压力，压缩机压比下降。

回收的效果可以量化。喷射器集成后系统能效比提升 10% 至 25%，部分混合设计达到 40%。两级压缩加中间补气的试验结果是，能效比提升 7.42%，排气温度下降 24.73%。

实验数据来自最优高压工况。带喷射器的两级压缩系统在最优高压下能效比从 0.74 升到 0.87，提高 18.06%；电子膨胀阀开度超过 60% 以后，能效比的最大提升达到 40.79%。

图 2　带喷射器跨临界二氧化碳的温区能效比

四、大型冷库的温区与气候适配

跨临界二氧化碳在大型冷库的适用性取决于温区与气候。《制冷学报》2025 年第 2 期赖坤、田健的研究做了全年逐时能耗分析，集成喷射器的跨临界系统在低温冷库 -32 ℃、中温冷库 -8 ℃、高温冷库 0 ℃ 三档温区，系统能效比最高值分别为 2.45、4.86、5.98，在所有 4 个城市中均优于 R507A 系统。

相对 R507A 的全年节能率在北京为低温 7.9%、中温 10.1%、高温 10.5%。跨临界系统的优势在中高温冷库更明显，氨系统在低温冷库的节能率略高。

气候分区影响节能率。寒冷气候区域的节能率可达 9.3%，优于氨系统；炎热气候区域降至 2.8%，略低于氨系统。温区与气候选得合适，跨临界系统的整体效率可以超过氨系统。

图 3　北京跨临界二氧化碳相对 R507A 的节能率（%）

五、商超与门店的落地

门店是跨临界二氧化碳最早铺开的场景。门店制冷负荷集中、稳定，热回收可以直接用在后场与生活热水，系统利用率高。

沃尔玛中国的做法有代表性。从 2022 年底起，所有新开设的山姆会员商店引进二氧化碳跨临界制冷系统，已有 7 家门店投入使用，服务门店的步入式冷库、冷藏冷冻展示柜与后仓设备，单店年均可减碳约 1900 吨。深圳前海店用系统热回收预计每年节省 9 万千瓦时用电。

香港的零售集团也在推进。DFI 零售集团 2025 年 4 月在北角云景道的 Market Place 门店启用全港首个应用于超市的二氧化碳天然制冷系统，制冷系统年度用电量减少约 13%，减少约 438 吨碳排放；同年 9 月，Oliver’s The Delicatessen 引入次临界二氧化碳系统。

图 4　跨临界二氧化碳应用的三类场景

六、日本市场的门店渗透

日本的门店渗透走在前面。截至 2023 年 12 月，日本使用跨临界二氧化碳系统的门店约 8385 家，其中便利店 7800 家、超市 585 家。这一技术在日本被认定为可以把能耗成本降低至少 20%。

门店渗透的推动力来自政策与门店密度。便利店单店负荷小、数量多，适合模块化机组；商超负荷大，适合集中式系统。两种形态各自配套不同的机组。

与中国市场相比，日本的门店规模与政策节奏决定了替换速度。中国大陆的门店制冷以氟利昂为主，跨临界二氧化碳的比例还处在较低水平。

图 5　日本跨临界二氧化碳门店构成（家）

七、中国市场的项目形态

中国的跨临界与复叠项目以大型冷链园区与食品加工厂为主。福建雪人集团股份有限公司的二氧化碳相关系统在玉湖冷链广州与成都两个交易中心落地，成都库容 11.7 万吨，采用 R744 与 R507A 复叠配置，高低温段分别搭配开启式单级与高压螺杆机组。

冰轮环境技术股份有限公司推广氨与二氧化碳复叠载冷系统，承建的二氧化碳制冷示范项目已经超过 600 个。公司 2006 年完成中国大型二氧化碳螺杆压缩机相关制冷设备，2011 年承担联合国开发计划署冷冻冷藏用氨与二氧化碳复叠制冷系统替代 HCFC-22 示范项目。

渗透率仍受成本约束。制冷行业调研显示，国内商用制冷与低温冷链领域的二氧化碳冷媒整体渗透率突破 30%，大型连锁商超与区域冷链枢纽的标杆项目超过 50%，欧洲零售冷链的二氧化碳系统渗透率 2025 年达到 34%。

八、政策约束与合规方向

制冷剂替代的政策时间表在收紧。生态环境部等部门印发的《中国履行〈关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书〉国家方案（2025—2030 年）》规定，工商制冷空调行业自 2029 年 1 月 1 日起，禁止生产充注全球变暖潜能值大于 750 制冷剂的单元式空气调节机与风管送风式空调机组，额定制冷量或制热量不超过 12 千瓦；禁止生产或新建、扩建充注全球变暖潜能值大于 2500 制冷剂的其他制冷设备或系统，蒸发温度低于 -50 ℃ 的设备除外。

方案同时鼓励工业及冷链物流领域大中型制冷系统和轻型商用制冷设备使用自然工质制冷剂。二氧化碳属于被鼓励的方向。

对二氧化碳系统来说，政策给出的是确定的方向。高全球变暖潜能值的氟利昂在新增设备上受到限制，自然工质在低温与门店两个方向的替换随之加快。

九、跨临界二氧化碳的适用边界

跨临界二氧化碳不是所有工况都合适。环境温度高的地区，高压侧压力上移，能效下降；寒冷气候区与低温工况才是它的强项。

系统造价高于氟利昂。关键部件承压要求高，初投资偏大，需要靠节能与热回收摊薄。门店能回收的热量多，大型冷库要看负荷结构。

适用范围可以按场景分。门店与商超的负荷稳定、热回收有出路，先落地；大型冷库的中高温温区在寒冷气候区更有优势；极低温与高温高湿工况，复叠或氨与二氧化碳组合更稳。

行内实情

相关问题