R507A/R744载冷系统与乙二醇水溶液系统的能效对比

王 赫

(华商国际工程有限公司，北京 100069)

0 引 言

近年来，制冷行业飞速发展，冷链物流已成为人们日常生活中必不可少的一部分。在制冷行业迅速发展的同时，安全和环保两大问题始终伴随着人们。冷链人也从未间断过对制冷行业安全和环保问题的关注和优化。我国作为世界上最大的发展中国家，更是有责任与义务在这方面做出表率。因此，我国制定了一系列的法律法规，同时，国际社会上也出台了一些国际条约，制冷行业在这些条文规范中向前发展[1]。

对于安全问题方面，图1所示为我国制冷行业的安监政策，这些政策主要是针对制冷工程的氨制冷剂、压力容器、压力管道等特种设备的生产和使用的严格要求。

图1 我国制冷行业安监政策

对于环保问题方面，联合国为了避免工业产品中的氟氯碳化物对地球臭氧层继续造成恶化及损害，承续1985年保护臭氧层维也纳公约的大原则，于1987年9月16日邀请所属26个会员国在加拿大蒙特利尔签署《蒙特利尔议定书》。全球目前已完成CFCs(氯氟烃)的全面淘汰，HCFCs(氢氯氟烃)在未来也会被逐步淘汰[2]。对于温室气体排放方面，基加利修正案划定了R134a，R245fa，R32等18种HFCs受控制冷剂[3]。2021年4月16日，国家主席习近平在北京同法国总统马克龙、德国总理默克尔举行中法德领导人视频峰会。在会上，习近平表示：中国已决定接受《〈蒙特利尔议定书〉基加利修正案》，加强HFCs(氢氟烃类)等非二氧化碳温室气体管控。2021年6月17日，我国向联合国正式交存了《基加利修正案》接受文书，修正案于9月15日对我国生效，我国成为修正案第122个缔约方。我国制冷行业环保政策如图2。

图2 我国制冷行业环保政策

通过以上分析可以看出，安全和环保问题始终是制冷行业面临的最重大的两大议题，也是全社会最关注的问题。与传统制冷方式相比，间接冷却系统有效地减少了氨或氟利昂制冷剂的充注量，且能够把制冷剂限制在机房，提高了系统运行的安全性[4-5]。而CO2(R744)又是一种天然环保载冷剂，GDP=0，GWP=1，易于获得，价格低廉，蒸发潜热较大，单位容积制冷量高，具有优良的流动、传热特性和良好的化学稳定性，并且具有良好的安全性、无毒、不可燃。其在载冷剂循环系统中是通过气液相变来实现热量的传递过程的，在传递相同冷量的前提下，其循环量远远小于其他液相载冷剂，所以十分适合用于载冷系统。与传统的载冷剂乙二醇相比有哪些优势及劣势是间接冷却系统需要重点研究的内容。

间接制冷是载冷剂与制冷剂进行低温传热，低温的载冷剂被泵加压输送到冷库间内循环，从而达到冷冻冷藏的目的。在直接制冷剂不易应用的位置或者不可运用直接制冷剂的特殊环境中，常常用载冷剂替代直接制冷剂来冷却被冷却物体(如：中央空调系统、冰蓄冷系统等)。目前，常被用作载冷剂的物质有水、乙二醇水溶液、盐水、冰河冷媒等。冷库的高温库(主要用于存储水果蔬菜等)通常为0～8℃，有些控温穿堂兼有暂存功能也会设置为0～8℃，此时，冷源选用一体化双冷高效低温冷水机组，机组设置在制冷机房屋面上。载冷剂采用质量分数为35%的乙二醇水溶液。乙二醇水溶液的供液温度为-10℃，回液温度为-5℃。R744载冷系统在此工况下蒸发温度/冷凝温度为-7～-8℃，R507A与R744有4℃传热温差，蒸发温度一般为-11～-12℃。以R507A/R744载冷剂制冷系统为例，与乙二醇水溶液系统在0～8℃库温工况进行能效对比。

1 R507A/R744载冷剂制冷系统

图3所示是R507A/R744载冷剂制冷系统的原理图[6]，从图中可以看出，高温高压的R507A通过冷凝器与外界环境换热冷凝后经过节流阀节流降压进入冷凝蒸发器与CO2换热，使CO2载冷剂液化，在CO2泵的驱动下，进入冷库为冷库降温，气化后进入下一个循环。R507A/R744载冷剂制冷系统的p-h图与T-s图如图4与图5所示[7]。

图3 R507A/R744载冷剂制冷系统原理图

图4 R507A/R744载冷剂制冷系统p-h图

图5 R507A/R744载冷剂制冷系统T-s图

2 乙二醇水溶液系统

图6所示为乙二醇水溶液载冷剂系统的原理图，从图中可以看出，高温高压的氟利昂制冷剂通过冷凝器与外界环境换热冷凝后经过节流阀节流降压进入高效换热器与乙二醇水溶液换热，乙二醇水溶液载冷剂降温，在泵的驱动下，进入冷库为冷库降温(无相变)，温度升高后进入换热器进入下一个循环。

图6 乙二醇水溶液系统原理图

3 性能评价指标

在CO2载冷系统中，Q为系统制冷量，假定W1为制冷系统单元的能耗(主要为R507A压缩机及蒸发冷的能耗)(kW)，W2为载冷系统单元的能耗(主要为CO2泵和冷风机的能耗)(kW)，CO2载冷系统的COP1为：

COP1=Q/W1+W2

在乙二醇水溶液载冷系统中，Q为系统制冷量，假定W3为制冷系统单元的能耗(主要为氟利昂压缩机及蒸发冷的能耗)(kW)，W4为载冷系统单元的能耗(主要为乙二醇水溶液泵和冷风机的能耗)(kW)，乙二醇水溶液载冷系统的COP2为：

COP2=Q/W3+W4

4 影响两种系统能耗的主要因素

若采用乙二醇水溶液载冷剂系统，乙二醇水溶液的质量流量如式(1)[8]：

m1=Q/cpΔt

(1)

式中，Q为制冷量，kW；cp为定压比热容，kJ·(kg·K)-1；Δt为传热温差，取5℃。假定1000 kW单位制冷量，在库温为0℃时，乙二醇水溶液的供液温度为-10℃，回液温度为-5℃。由此算得，m1为56 kg/s。

二氧化碳载冷系统的质量流量如式(2)：

m2=Q/γ

(2)

式中，γ为CO2液体的汽化潜热，J/kg。同样假定1000 kW单位制冷量，在库温为0℃时，CO2的蒸发温度取-7℃。由此算得m2为8 kg/s。(循环倍率为2)。

此外，CO2作为载冷剂与乙二醇水溶液作为载冷剂相比，在相同工作温度下，其动力黏度小很多，如表1所示，当同样在-10℃工况时，其粘度是乙二醇水溶液的1/62。动力黏度越小，泵的耗功越小，既可以节省初投资，也可以节省能量消耗。同时，由上文分析可知，CO2的汽化潜热远大于乙二醇水溶液的比热容[9]，通过CO2的相变吸收热量，大大减少CO2的充注量及流量，这样在载冷系统中，CO2的管径也要远小于乙二醇水溶液，节省了钢材用量及管道占用空间。相变过程中温度不变，冷风机进出口的温度极为接近，整个载冷循环中CO2的温差很小。

表1 两种载冷剂物理性质

图7所示为乙二醇水溶液系统在0～8℃库温，1000 kW单位制冷量下使用某品牌水泵的选型结果，该型号水泵单台耗电量为45 kW(一用一备)。由于CO2的汽化潜热比乙二醇水溶液的比热容高很多，同样温度下CO2的动力粘度比乙二醇水溶液小很多，所以，同样工况下，CO2水泵的耗电量大概仅为17 kW左右(两用一备)。

图7 某品牌乙二醇水溶液系统水泵选型结果

表2所示为某品牌冷风机以100 kW为单位制冷量，在库温为0～8℃时分别将乙二醇水溶液和CO2作为载冷剂时的选型结果。从表中可以看出，由于乙二醇水溶液的比热容远小于CO2的汽化潜热，所以在给冷库降温时，乙二醇水溶液与环境的换热温差要比CO2大，在同一库温、同一制冷量下，乙二醇冷风机的面积及风量比CO2冷风机大，面积越大，冷风机占用的空间也会越大，初投资也会越多。两种冷风机单台用电量基本一致，但乙二醇冷风机用电量稍大，如果冷风机数量增多，这部分用电量的浪费也很明显。

表2 100 kW制冷量某品牌冷风机选型结果

5 能效比较

表3所示是在1000 kW左右单位制冷量下R507A/R744载冷系统与乙二醇水溶液系统能效比较情况，从表格中可以看出，无论从压缩机COP，还是系统总COP方面，R507A/R744载冷系统都是优于乙二醇水溶液系统的。压缩机的电机功率及液泵总功率是导致能效差异的主要原因。虽然CO2载冷系统的初投资高于乙二醇水溶液系统，但是在一定的时间内，CO2载冷系统节省的用电费用是可以抵消其初投资的超出部分的。

表3 R507A/R744载冷系统与乙二醇水溶液系统能效比较

6 结 论

1.由于相同温度下，乙二醇水溶液的动力黏度远大于液态CO2，在常用的高温库工况下(0～8℃)，乙二醇水溶液的比热容远小于液态CO2的汽化潜热，导致乙二醇水溶液的流量远大于CO2，增大了泵的耗能，所以从能效角度来看，R507A/R744载冷系统的能效是优于乙二醇水溶液系统的。

2.乙二醇水溶液的流量远大于CO2的流量也导致了乙二醇水溶液系统管道的管径大于CO2载冷系统，增大了钢材用量及管道占用空间。

3.乙二醇水溶液系统的冷风面积也大于CO2载冷系统，不仅会增加末端设备的初投资，也会占用更多的存货空间。

4.乙二醇水溶液虽然性质稳定，热力学性能较好，但其对设备及管道也有一定的腐蚀性。乙二醇水溶液黏度受温度影响较大，随着温度降低，黏度会逐渐增大，泵耗功增加，系统性能逐渐降低。与乙二醇水溶液系统相比，CO2载冷系统更适用于低温工况。

5.CO2作为载冷剂使用时，也存在一定缺点，CO2载冷系统的管道压力较乙二醇水溶液系统高，载冷循环与制冷循环单元的换热设计难度较大等。当冬季高温库室外温度低于库内温度，有加热需求时，乙二醇水溶液系统更具优势。