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碳達峰碳中和成果發(fā)布暨研討會(huì )。會(huì )議在國內首次提出通過(guò)建設中國能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現碳減排目標的系統方案，并發(fā)布了中國2030年前實(shí)現碳達峰、2060年前實(shí)現碳中和的目標規劃。

在這一歷史使命面前，綠色升級、能源革命勢在必行。中國制冷行業(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。國際能源署等發(fā)布的《能源轉型時(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)已成為各國需要優(yōu)先落實(shí)的事項。

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)，對大氣臭氧層沒(méi)有破壞作用，可以減少全球溫室效應，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，節約能源，從根本上解決化合物對環(huán)境的污染問(wèn)題，具有良好的經(jīng)濟性。二氧化碳安全無(wú)毒、不可燃、不爆炸，具有良好的熱穩定性，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)和設備相適應的熱物性。分子量小，制冷能力大，0℃的單位制冷量比常規制冷劑高5～8倍，因而對于相同冷負荷的制冷系統，壓縮機的尺寸可以明顯減小，重量減輕，整個(gè)系統非常緊湊；潤滑條件容易滿(mǎn)足，對制冷系統常見(jiàn)材料無(wú)腐蝕，可以改善開(kāi)啟式壓縮機的密封性能，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)的工作壓力較傳統的亞臨界兩相制冷循環(huán)的工作壓力高得多，約為傳統制冷工質(zhì)CFC或HCFC系統壓力的６-８倍。所以，制冷系統中工質(zhì)流經(jīng)的管路系統必須經(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制冷劑的5-8倍，系統所需的二氧化碳容積流量很小，而設備內氣體的爆炸能量為壓力與容積乘積的函數，所以雖然系統的工質(zhì)壓力高，但容積較小，其壓力和容積的乘積與常規工質(zhì)相差不大，設備內氣體的爆炸能量增加的并不多。

以可靠性理論為依據，根據二氧化碳跨臨界制冷系統管道可靠性的不同影響因素及其變化規律，對不同管材情況下的可靠性進(jìn)行深入地研究與分析，得到的結論是：當管路系統的管外徑給定時(shí)，只要合理地選擇管材和管壁厚度，就能保證系統在給定壓力下運行的可靠性和安全性，二氧化碳跨臨界循環(huán)較高的運行壓力是可以得到合理解決的?，F有鋼管基本可以直接應用，而現有銅管則需根據管徑和壁厚經(jīng)安全性分析后選用。因此，二氧化碳運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)保制冷劑推廣應用的障礙。

二氧化碳單級壓縮跨臨界循環(huán)的性能系數COP比相同溫度條件下的R12、R22、R134a等常規制冷劑的制冷性能系數都低。針對二氧化碳制冷循環(huán)性能系數低的缺點(diǎn)，學(xué)者們經(jīng)研究探索發(fā)現，完全可以通過(guò)完善系統循環(huán)方式、優(yōu)化系統設備來(lái)解決，如采用雙級壓縮和采用膨脹機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，采用膨脹機二氧化碳跨臨界循環(huán)的效率要高于常規制冷工質(zhì)的節流膨脹循環(huán)。

盾安冷鏈的部分機型

二氧化碳的應用領(lǐng)域

目前，二氧化碳的研究和應用主要集中于三個(gè)方面：一方面是汽車(chē)空調領(lǐng)域，由于制冷劑排放量大，對環(huán)境的危害也大，必須盡早采用對環(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，采用它作為復疊制冷循環(huán)低溫級制冷劑。

在復疊式制冷系統中，二氧化碳循環(huán)在亞臨界或跨臨界條件下運行。以國內二氧化碳和氟復疊制冷技術(shù)的先行者盾安冷鏈為例，盾安二氧化碳復疊制冷系統由低溫二氧化碳桶泵系統和中溫氟利昂制冷系統復疊而成，中溫氟利昂系統只是給二氧化碳系統的高壓部分做冷卻，確保二氧化碳系統高壓部分不超過(guò)40Bar，氟利昂只在機器內部流動(dòng)，因而灌注量很小，這樣的配置既保證了系統壓力在亞臨界的安全范圍內又大幅度降低了氟利昂對環(huán)境的影響。

盾安冷鏈的部分案例

制冷劑替代路徑

當前關(guān)于R22制冷劑的替代國際上主要有兩種技術(shù)方案：一種以北歐國家和韓國為代表，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；另一種是以美國和日本為代表的采用HFCs作為替代物，如美國聯(lián)合信號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，能夠達到保護臭氧層的目的，但是會(huì )產(chǎn)生溫室效應。

目前，二氧化碳制冷在國內市場(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。主推二氧化碳復疊制冷技術(shù)的廠(chǎng)家以盾安、冰輪兩大國產(chǎn)巨頭為主，其中盾安走二氧化碳與氟復疊的技術(shù)路線(xiàn)，冰輪走二氧化碳與氨復疊的技術(shù)路線(xiàn)。近兩年陸續也有國內外企業(yè)加入到二氧化碳復疊制冷技術(shù)隊伍中來(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)應用前景

自前國際制冷學(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)勢越來(lái)越多地吸引了世界各國學(xué)者研究的注意力，其系統和部件的開(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、熱泵、商用制冷裝置、食品冷藏冷凍等方面的應用前景都很好，性能都相當于甚至好于原來(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(zhù)更多的研究機構、專(zhuān)家、企業(yè)的加入和參與，二氧化碳復疊制冷技術(shù)在中國的市場(chǎng)化進(jìn)程已經(jīng)不斷加速，數據顯示，盾安冷鏈在近十年的推廣中，在中國范圍內成功建設并投入運行的大型二氧化碳冷庫數量超過(guò)50個(gè)。這說(shuō)明，二氧化碳制冷技術(shù)已經(jīng)不斷得到設計院和業(yè)主單位的認可和接受。

另一方面，尤其在當下中國已經(jīng)提出雙碳目標的歷史機遇之下，以二氧化碳作為制冷劑是直接對二氧化碳的消耗，某種意義上來(lái)說(shuō)，大規模使用二氧化碳作為制冷劑，是雙碳目標下制冷技術(shù)發(fā)展的最優(yōu)路徑。當然，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，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?？梢韵胂蟮氖?，伴隨著(zhù)二氧化碳制冷系統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)空調系統、商用制冷系統、住宅空調系統以及各個(gè)生產(chǎn)企業(yè)的熱泵干燥系統將會(huì )大量使用二氧化碳替代現有制冷工質(zhì)。