商超用CO2制冷系统能效测试及评价方法

司春强，李佳美，孙志利

（1-华商国际工程有限公司，北京 10069；2-天津市制冷技术重点实验室，天津 300134）

0 引言

商超制冷指冷链、冷库、超市、展示陈列柜和冷风机等制冷应用，主要用于处理、运输和贮存鱼肉果蔬和饮料等产品[1-2]。商超制冷系统大多采用蒸汽压缩式，以单级蒸气压缩式制冷系统为主，主要采用氟利昂类制冷剂。近年来，在臭氧层破坏和温室效应的大趋势影响下，单级蒸气压缩式制冷系统中应用的制冷剂替代问题逐渐成为研究热点，新的环保制冷剂如R290、R32、CO2等逐渐进入商业化应用领域[3-6]。新的制冷剂应用所面临的共性问题是可燃性高、效率低或运行压力高等技术问题。因此大量的研究工作聚焦在如何解决或改善这些技术难题，尤其是针对CO2制冷剂在商超制冷系统的应用问题。

目前，国内商超应用的制冷系统大致可分为四种：1）单级蒸气压缩式制冷系统；2）采用载冷剂系统的蒸气压缩式制冷系统（载冷剂可选择为常规无相变载冷剂或有相变载冷剂，如CO2）；3）CO2应用于低温级的复叠式制冷系统；4）CO2跨临界双级压缩制冷系统。

商超制冷系统用单级蒸气压缩式制冷系统，一般分成低温及中温两套系统：中温机组为中温冷柜/冷库提供制冷，低温机组服务于低温冷柜/冷库，两套系统相互独立，互不影响。中温系统多采用R22制冷剂，低温系统则多采用R22/R404A制冷剂。CO2应用于商超制冷系统中的跨临界循环常为图1所示的双级压缩系统，采用两台压缩机能有效降低压比，提高循环效率。循环将中、低温冷柜/冷库耦合在一个系统中，通过控制进入蒸发器的制冷剂压力不同，实现不同温度的制冷。图2为CO2应用于低温级的复叠式制冷系统，高温采用HFC/HFO等环保制冷剂。高温级工质向外界环境放出热量，同时为低温级与中温冷柜/冷库提供冷量；低温级冷凝温度低于临界温度，CO2在低温级进行亚临界循环，和高温级通过冷凝蒸发器进行换热，为低温冷柜/冷库提供冷量[7-8]。

图1 CO2跨临界双级压缩制冷系统

图2 HFC/HFO-CO2复叠式制冷系统

在实际商超制冷系统中，CO2跨临界双级压缩系统在制冷剂替代趋势下有着较大的优势，但其应用效果还与室外环境有关，欧洲等国夏季温度不高，使用CO2跨临界双级压缩系统较合适，我国夏季温度较高，使用CO2跨临界双级压缩可能会出现制冷效果差、制冷效率低等问题[9]。由于建设成本及使用区域的限制，现阶段我国已建成CO2制冷系统和计划建设的使用HFC/HFO-CO2复叠系统[10-15]。

关于市场上出现的CO2商超制冷系统的制冷能力及能效标准，目前还没有一个标准化的测评方法及流程。因此，本文针对HFC/HFO-CO2复叠系统，提出具体的数据采集、能效测试及评价方法，为超市制冷系统的检测与评价提供思路。

1 CO2制冷系统能效测试及评价方法

1.1 单级蒸气压缩式制冷系统和采用CO2载冷剂的蒸汽压缩式制冷系统

对于单级蒸气压缩式制冷系统和采用载冷剂的蒸汽压缩式制冷系统，其测量与数据处理方法较为简单，系统制冷量为系统单位时间内通过末端冷柜的蒸发器从被冷却物体中吸取的热量，即单位时间内冷柜中产生的冷量，其计算方法如下：

超声波流量计测量的制冷剂液体体积流量V和制冷剂液体密度ρ，换算为质量流量：

则制冷量Q为：

式中：

m——低温机组供低温末端流量，kg/s；

h4——末端蒸发器出口气体制冷剂焓值，kJ/kg；

h1——末端蒸发器进口液体制冷剂焓值，kJ/kg。

系统能效比（COP）即为循环产生的冷却效果与输入热量或驱动循环所需的功率之比，是评价商超制冷系统综合能效的重要指标[16-17]，COP可按式(3)计算：

式中：

P——机组电功率，包括压缩机组、泵、冷凝器、控制器及所有制冷系统运行必要设备的电功率，kW。

1.2 HFC/HFO-CO2复叠式制冷系统

我国商超CO2制冷系统多为复叠式蒸汽压缩式制冷系统，高温级用R134a做制冷剂，低温级用CO2做制冷剂，图3为其压焓图[16-21]。

CO2商超制冷系统分为低温级与中温级，制冷量计算对评价系统而言，只需要计算低温级冷柜制冷量即可。为验证数据一致性，多方面对比数据，可分别计算各部分制冷量。具体如下：

低温级末端冷柜制冷量QL：

式中：

mL——低温机组供低温末端流量，kg/s；

hL5——低温冷柜蒸发器出口制冷剂焓值，kJ/kg；

hL8——低温冷柜蒸发器进口制冷剂焓值，kJ/kg。

高温级末端冷柜制冷量Qm：

式中：

mm——高温末端流量，kg/s；

h4——高温冷柜蒸发器出口制冷剂焓值，kJ/kg；

h1——高温冷柜蒸发器进口制冷剂焓值，kJ/kg。

中温供低温机组冷凝蒸发器中的换热量Qhex：

式中：

mhex——中温供低温机组冷凝制冷剂流量，kg/s；

hhexo——中温供低温机组冷凝蒸发器出口气体制冷剂焓值，kJ/kg；

hhexi——中温供低温机组冷凝蒸发器进口液体制冷剂焓值，kJ/kg。

中温机组总制冷量Qsum：

式中：

msum——中温总供液流量，kg/s；

hsumo——中温机组压缩机吸气制冷剂焓值，kJ/kg；

hsumi——中温供液液体制冷剂焓值，kJ/kg。

因中温机组总供液管分为供中温冷柜和低温机组冷凝蒸发器两路回路，故msum等于mhex和mL之和。

低温系统能源消耗由两部分组成，一部分为低温机组本身耗电，另一部分为中温系统中冷凝蒸发器为低温级提供冷凝冷量所消耗的电量，这部分耗电无法直接测量需要进行折算。计算方法如下：

a）折算系数

式中：

A——中温级冷凝蒸发器一路制冷剂流量占中温级总制冷剂流量比例，A＜1；

B——中温级冷柜制冷剂流量占中温级总制冷剂流量比例，B＜1，A+B=1。

b）机组耗电

c）低温机组能效比

d）高温机组能效比

式中：

P——系统消耗总功率，kW；

PL——低温机组总消耗电功率，kW；

PLreal——低温机组直接电功率，即低温级压缩机消耗功率，kW；

PLcompr——低温机组折算电功率，kW；

Pm——中温机组总消耗电功率，kW。

对于CO2跨临界双级压缩制冷系统的数据处理可参考此思路进行数据处理，但涉及Booster系统的制冷能效测试及评价方法可根据实际情况略作调整。

图3 CO2商超制冷系统压焓图

2 实验参数的测量及数据处理方法

2.1 参数测量

2.1.1 商超制冷系统能耗测量

商超制冷系统的能耗主要受系统工作环境以及超市室内设计参数影响，能耗测试主要是对制冷系统耗电量、运行电流等电参数的采集测量。检测时分项测量压缩机、冷凝器、柜体风机等制冷系统各用电部分的实时电功率和总电能消耗。数据采集连续24 h以上。根据各部分的运行功率结合流量、压力等参数，综合分析系统运行工况和运行状态。通过明确每个单独设备的供配电情况，安排测量顺序。

2.1.2 制冷剂流量测量

制冷量的计算是制冷系统评价的重要组成部分。其中最关键的问题是对流量的检测。因不能断开原有系统安装流量计，只能采用超声波流量计类外置测量设备。考虑到设备本身特性和现场实际情况，流量的采集只有在特定的位置才能得到准确的结果。如必须在满液管段测量，并避开变径和管道拐弯位置等。

2.1.3 制冷系统综合效率测量

每完成一个制冷系统检测后，及时分析处理检测数据，计算制冷系统的能效比（COP），并综合考虑外界环境、顾客活动影响、补货时间、货品冷负荷等因素，给出整个制冷系统的综合评价。

2.2 数据处理方法

2.2.1 外部参数的调查记录

在进行实际测量之前，需要了解被测系统的相关信息，包括系统基本信息，如系统中所用冷柜的型号、制冷剂类型、有效容积等，如表1所示；以及系统中所用主要设备的参数信息，如表2所示。信息可来源于设备铭牌、厂家提供的资料以及超市技术辅助人员等。

2.2.2 内部工作参数的实际测量

为了综合分析计算系统制冷量、能耗及能效水平，还需要测量系统正常运行时的关键运行参数。

1）单级蒸气压缩式制冷系统和采用CO2载冷剂的蒸汽压缩式制冷系统

对于单一循环管路的传统商超制冷系统，可参照表3中的参数及测量方法测量，使用焓差法计算系统实际制冷量。

如现场实际情况无法事先确定，在电参数测量时需要根据实际系统配电情况进行。如果电参数采集设备数量限制，优先保证能够检测制冷系统各部分总耗电量。条件允许情况下，还需要测量单个压缩机机头、冷凝器单个电机或水泵电参数。如果单台末端设备（冷柜/冷库）耗电方便测量，还需要选择性检测单台末端设备。

对于不同的超市供电系统，往往需要不同的测量方法，对于以下3种情况，可按参考方法进行测量。

a）压缩机机头、冷凝器有一根总供电，末端设备单独供电。

一组电流互感器接于总供电线路，并检查供电线路中是否包括其他机组运行必需的用电设备，如控制器、辅助散热风扇等。所有机组运行的必需耗电设备均应包含在内。如被测线路中还包括其他设备用电，则必须单独测量与机组运行无关的耗电情况，并在机组耗电量计算中剔除。另外一组接于末端供电总线路，能够测量所有末端冷柜和冷库的耗电情况，并注意检查冷柜融霜供电是否包含在内。

b）压缩机机组、冷凝器分别各有一根总供电。末端设备单独供电。

需要至少3套设备同时分别测量这3部分电参数。同时需要注意前述问题。

表1 商超制冷系统基本信息采集

表2 商超制冷系统主要设备参数信息采集

c）压缩机机组、冷凝器均无总供电线路。

此种情况下，在仪表数量数量足够情况下，需要同时分别测量各耗电部分，不遗漏每个耗电设备。如冷凝器运行稳定，且同型号冷凝器启停状况相同，可选择每种型号冷凝器中的一台测量，并推算冷凝器总耗电。对压缩机，如能保证几个机头运行情况相同，也可通过一台压缩机推算整个压缩机组耗电量。此种方法仅为条件不具备情况下的估算，并不能完全准确体现系统结果。

2）HFC/HFO-CO2复叠式制冷系统

对于以CO2做低温级的复叠式商超制冷系统，参照表4测量中温及低温回路运行参数，同样采用焓差法计算系统实际制冷量。

表3 传统商超制冷系统测量参数及方法

表4 HFC/HFO-CO2复叠式制冷系统测量参数及方法

2.3 温度的测点布置及数据处理

2.3.1 测点位置及数量

测量点可根据冷柜实际情况，按照如下原则选择合适位置。在以下位置中选择合适位置布置。立式冷柜和卧式冷柜应分别布置，同一型号类型不少于3个：

a）立式冷柜与卧式冷柜均应分别布置测温点；

b）每组冷柜或同一供冷管路冷柜中需选择不少于2个冷柜布置测温点，每组冷柜总测温点数量不少于4个；

c）测温点优先布置于冷柜回风处，并保证每组冷柜出风处有测温点；对冷柜自身测温点在柜内的，如方便可在旁边布置一测温点用于比对；

d）条件允许或柜内温度明显异常，可在柜内放置实验负载包，负载包中插入热电偶连续采集。

还应采集记录超市内环境温湿度，温度测量点应能反映超市冷柜附近温度且不受冷柜影响。

2.3.2 仪表及采集周期

在测试温度时，宜采用下列一种或几种仪表：

a) 热电偶；

b) 铂电阻温度计；

c) 热敏电阻温度计；

d) 干湿表；

e) 其他便于远传且满足测量精度的温度测量仪表。

在测试湿度时，宜采用下列一种或几种仪表：

a) 电子湿度传感器；

b) 通风干湿表；

c) 其他便于远传且满足测量精度的湿度测量仪表。

仪表应需能够连续采集和记录温度数据，记录周期不长于1 min，且仪表精度应满足表5要求。

表5 温度、湿度测量仪表试验允差和精度要求

2.3.3 温度数据处理

温度数据以每组冷柜为单位，如同一组冷柜由不同压缩机组或2根供液管路供液则分别计算。可参考下列参数和计算方法。

a）平均温度

同一时刻各点温度的算术平均值。

式中：

τ——时刻；

n——布置的温度测点总数。

b）工作温度

不同时刻平均温度tc(τ)的算术平均值。

式中：

τ——时刻；

N——试验时间内按一定时间间隔和顺序进行测量的总次数。

c）平均温度波动值

式中：

tcmax——平均温度tc(τ)的最大值，℃；

tcmin——平均温度tc(τ)的最小值，℃。

d）温度差值

同一时刻，不同测点上温度tc(i)差值的最大值。

e）温度不均匀性

不同时刻，温度差值tc(τ)的最大值。

f）平均温差

各测点（i个测点）温度的总平均值的最高值与最低值的差值。

式中：

t(i, τ)——温度，℃；

τ——时刻；

i——布置的测温点；

N——试验时间内按一定时间间隔和顺序进行测量的总次数。

其中，工作温度、平均温度波动为必需计算参数，其余参数可根据情况计算。实际测试中，由于存在融霜情况，上述部分参数计算周期可选择融霜间隔稳定运行阶段。

除上述参数外，还应绘制测试周期内的平均温度曲线，以直观反映柜内温度变化情况。

2.4 实验验证

依据文中的测试方法，在武汉地区对采用R22、R404A和R134a/R744不同工质的制冷系统的超市同时开展测试实验，结果表明，3种系统的低温部分制冷综合效率分别为1.02、1.02和1.09，表明二氧化碳技术在低温商超制冷领域具有一定优势，性能高于氟利昂制冷系统7%。

3 结论

对商超制冷系统的主要评价应着眼于系统中末端冷柜内的温度水平是否达到标准以及系统的综合能效比。依据本测试评价方法，通过对同一地区采用不同工质R22、R404A和R134a/R744制冷系统的超市进行实测评价。在温度性能满足需求的情况下，3种系统的低温部分制冷综合效率分别为1.02、1.02和1.09，表明二氧化碳技术在低温商超制冷领域具有一定优势。

详细的检测方法与评价体系有助于综合分析商超制冷系统的制冷水平，为进一步优化改进系统、提高经济效益和挖掘节能效果提供了基础参考资料。商超用CO2制冷系统能效测试及评价方法的提出，对商超用CO2制冷系统测试评价工作以及相应的提效等节能工作提供理论依据和技术指导。