跨临界二氧化碳冷热一体化技术打造零碳机场

张信荣 卞晓宇 刘佳

1 北京大学工学院 2 北京大学鄂尔多斯能源研究院

为助力国家早日实现“双碳”目标，减缓全球气候变暖的趋势，近年来煤炭、化工、电力、冶金、建筑等行业都在积极探寻节能减碳的有效方法和途径。我国民航业近年来蓬勃发展，但巨大的能耗也增加了机场的运营成本，造成了大量的温室气体排放。目前民航业主要用能涉及煤油、柴油供能、天然气取暖、氟利昂空调制冷等方面，面临着传统化石能源依存度高、冷热制备分离、制冷取暖能耗高和二氧化碳排放量大的问题。以空调制冷为例，目前空调压缩机常用的制冷剂R134a，其全球变暖潜值（GWP）为1300，远高于二氧化碳（GWP 值为1），而且没有把制冷产生的余热加以利用，却要额外燃烧天然气等能源来供暖，造成极大的能源浪费。

跨临界二氧化碳冷热一体化技术采用二氧化碳为工质，二氧化碳具有热传导性高、绿色环保、不易燃、无毒等特点，且二氧化碳的GWP 值为1，臭氧损耗潜值（ODP）为零。在2022 年北京冬奥会期间，跨临界二氧化碳冷热一体化技术成功应用于国家速滑馆制冰取暖，在人类冬奥史上首次用二氧化碳替代氟利昂和氨制冰，且将制冰余热回收，用于冰场融冰、浇冰、地坪防冻、除湿、供暖等，整体节能50%以上，年节电200 万kWh,为我国建筑长期冷热分离造成的高能耗问题提供了良好的示范。

本文针对民航业暖通环节耗能大、效率低等问题，提出了以跨临界二氧化碳冷热一体化技术为核心打造零碳机场的方案。

1 机场能源结构情况分析

近些年民航业发展迅速，与此同时机场能耗不断上升，反映出民航业节能减排潜力巨大。以我国西北地区某国际机场为例，通过对该机场进行前期资料调研，得到该机场的总能耗构成比例，如图1 所示。

图1 机场能耗构成比例图

从图1 可以看出，该机场目前能耗组成主要由电力、天然气、航空煤油、汽油和柴油组成。其中电力消耗占总能耗的45%，天然气消耗占总能耗的35%。该机场夏季空调采用冷水机组制冷，冬季采暖全部采用天然气锅炉供热。冷热能耗主要是靠电力和天然气，其中天然气全部用于制暖。把电力消耗再拆分开来得到电力消耗拆分占比，如图2 所示。

图2 机场电力能耗占比图

从图2 可知，电力消耗中主要用于暖通空调、电梯、办公设备、照明和其他方面。其中有40%的电力消耗用于暖通空调制冷，则空调制冷占到总能耗的18%。不难看出，机场在空调制冷和取暖方面的能耗占到了总能耗的53%，也就是说机场目前用于采暖和制冷的能耗已经超过了机场总能耗的一半。因此，在此次零碳机场的技术改造方案中，空调制冷取暖节能是必须要放在首位考量的。通过对该机场较为详细的能源结构解析，可以看出该机场节能减排的重点在于降低供暖和空调制冷的能耗。

2 零碳机场节能降耗原理

通过对该机场能耗分析，机场用于制冷和取暖方面的能耗占到机场总能耗的一半以上，降低这部分的能耗水平将助力机场降低能耗，节省运营成本，同时降低碳排放。与国家速滑馆制冰项目类似，我们提出采用以跨临界二氧化碳冷热一体化技术为核心，结合地热利用、绿电输入、蓄冷蓄热技术，打造一个全球首创的零碳机场系统。

二氧化碳冷热一体化技术由两点要素组成，一是不再采用天然气供热，制冷和采暖只用绿电；二是此技术制冷和取热均采用天然工质二氧化碳。由此提出将跨临界二氧化碳冷热一体化技术应用于零碳机场项目。原理如图3 所示。

图3 跨临界二氧化碳冷热一体化原理图

跨临界二氧化碳冷热一体化技术是利用环境中的低温热源（如地热、空气或水）将热量输送至高温热源（如供暖或制冷系统）的一套设备。通过压缩和膨胀循环，二氧化碳冷热一体化机组在吸收低温热量的同时，释放高温热量，实现能源转换和利用。

如图3 二氧化碳储存于二氧化碳储罐中，经过压缩机等熵压缩、气冷器等压冷凝、膨胀节流装置绝热膨胀、蒸发器等压蒸发完成整个二氧化碳冷热一体化循环。

3 零碳机场方案概述

传统的零碳机场概念是指机场用太阳能、风能等可再生能源代替石油、天然气等化石能源，通过适度地减少二氧化碳排放和其他污染物的排放实现对环境的最大保护。目前绝大多数的零碳机场强调使用太阳能、风能发电等绿电资源，并没有从根本上解决机场供暖、空调等高耗能问题。因此急需构建一套新型的冷热能源供应体系，采用天然环保工质，能将冷热分离的供能方式高效的结合起来，打造一个真正的零碳机场。

以西北地区某机场为例。该机场现有建筑总面积约20 万m2，其中航站楼面积约10.03万m2。年均旅客吞吐量为240 多万人次，货物吞吐量达到约9984t。

从图4 可以看出，该机场大体可分为两部分，一部分是以航站楼为主体建筑的区域一；另外一部分是在航站楼东侧分散布置的办公区，生活区等区域二。

航站楼作为整个机场的核心建筑，因其代表所在城市地方形象，功能复杂，一般采用大型玻璃幕墙钢结构建筑工艺，而采用此种结构导致航站楼在采暖季不易聚热，耗费大量能源用于取暖，在夏季也相应需要耗费较多冷量用于制冷，这也间接导致在整个机场运行期间，航站楼能耗最高。除航站楼外，剩余部分为机场办公楼、宿舍楼、维修区、锅炉房、停车场等民用建筑，零散分布于航站楼东侧，这些建筑布局紧凑，面积较小，能耗相对航站楼较低。基于此，拟采取以航站楼为主体设计集中供暖供冷系统，办公区和生活区通过分散式的系统进行设计改造。

经测算，该机场冬季采暖负荷为21MW，据此设计8 套CO2跨临界冷热一体化机组，每套制热量2.7MW，总计21MW，与原有负荷吻合。本次方案系统COP约4.2。由于该地区气温较低，设计方案采用二氧化碳地源和二氧化碳空气源相结合的方式，在冬季室外温度较低（-25℃至-30℃）时，使用二氧化碳地源系统进行采暖；当环境温度高于-10℃时，使用二氧化碳空气源系统。夏季制冷时，二氧化碳冷热一体化系统可运行制冷工况。只需运行3 台CO2跨临界冷热一体化机组便可满足空调箱和风机盘管的制冷负荷，夏季制冷需求约6MW。在制冷过程中，二氧化碳冷热一体化机组会产生热量，这些热量通过热量回灌技术回到地源系统，实现地源热平衡，不破坏环境并保证系统稳定运行。

4 经济社会效益

通过对航站楼进行测算和分析，我们对新的跨临界二氧化碳冷热一体化系统开展了经济效益评估，目前该机场燃气锅炉年消耗天然气量为260 万Nm³，制冷空调年耗电量为228 万kWh。根据当地电网均价，按照1 kWh 电耗0.8 元计算。在计算二氧化碳排放量时，按照消耗1 Nm³的天然气约产生2.19kg 的二氧化碳，消耗1kWh 电需要产生0.553kg 二氧化碳，每消耗1 kWh 绿电的二氧化碳生成量约为零来计算。根据以上数据，从天然气耗量、年运行成本和年碳排放量三方面进行对比估算，发现二氧化碳冷热一体化技术与传统燃气锅炉加氟利昂空调系统相比，经济效益显著提高。

从图5 可以看出，改造后天然气耗量直接从原来的260 万Nm³/年降为零消耗，年运行成本从原来的1350 万元/a 降为802 万元/a，年运行费用比例降低40%。特别是每年的二氧化碳排放量从原来的5720t/年降为152t/a，二氧化碳排放比例下降了97.8%，跨临界二氧化碳冷热一体化技术将显著降低该机场对传统化石能源的依赖。

图5 经济效益对比柱状图

跨临界二氧化碳冷热一体化技术打造零碳机场具有非常显著的示范意义，这一举措将在全国民航业首先开创绿色发展的先河，带动整个民航业提前实现碳中和目标，提升该机场的国内外知名度，同时也将为机场所在城市打造一张节能减碳名片，更是强有力的响应了国家“双碳”目标与可持续绿色发展的理念。

5 结语

本文通过分析西北某机场的能源结构和经济效益，发现该机场在制冷和取暖方面能耗高达53%，因此为该机场制定了利用跨临界二氧化碳冷热一体化技术代替该机场采用传统化石能源制冷取暖的零碳机场方案，经测算，使用该方案后年运行费用可下降40%。零碳机场方案打造了绿色、节能的新型机场能源供给系统，将率先在机场树立零碳、经济的能源利用典范，并将充分发挥机场对一个城市的窗口作用，通过零碳机场示范项目的成功落地，后续辐射到零碳社区、零碳酒店、零碳工厂等行业。二氧化碳跨临界冷热一体化未来将在更多领域发挥其低碳、高效、经济的潜能，具有广阔的发展前景。