代寶民，劉圣春*，曹鈺，楊海寧，馮一寧，肖鵬

（1.天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300134；2.天津市丹華宏業(yè)制冷技術(shù)有限公司，天津300131）

1 研究背景

商超制冷主要指超市、便利店等商業(yè)活動(dòng)中涉及的制冷需求。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，超市、便利店等商業(yè)建筑已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)最重要的基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施之一。同時(shí)受到城鎮(zhèn)化等因素的影響，我國大中型超市的總面積在不斷擴(kuò)大，并且食品超市、生鮮超市、社區(qū)超市、便利店已成為我國零售業(yè)的新趨勢［1］。我國2017年冷凍食品市場接近800億元，并保持著10%以上的增長。同時(shí)與其他商業(yè)活動(dòng)相比，商超食品零售部門的能源需求量非常高，超市耗能幾乎占其總用電量的3%［2］，其中制冷設(shè)備的耗電量占總耗電量的35%～50%及以上［3］。

目前商超食品零售制冷領(lǐng)域廣泛采用R22，R404A，R407C 等氫氯氟烴（HCFCs）和氫氟烴（HFCs）作為制冷劑［4］。據(jù)統(tǒng)計(jì)2017 年商超領(lǐng)域R404A 的使用比例為30.88%，其全球變暖潛能值（GWP）高達(dá)3 700［5］，泄漏1 t R404A 造成的溫室效應(yīng)與消耗4 GW·h 電的碳排放大致相當(dāng)，制冷劑泄漏會(huì)對氣候變化有重要影響。隨著全球各個(gè)國家對氣候變化和環(huán)境保護(hù)的日益重視，從20 世紀(jì)90年代開始，以《蒙特利爾議定書》為代表的法律法規(guī)強(qiáng)制逐步淘汰高臭氧層破壞潛能值（ODP）和GWP的制冷劑。2021 年9 月15 日《〈蒙特利爾議定書〉基加利修正案》在我國正式生效［6］，進(jìn)一步加速了制冷劑的替代進(jìn)程。

為了尋求安全環(huán)保的制冷劑，以CO2為代表的自然工質(zhì)由于其零ODP、GWP=1、無毒、不可燃及良好的熱物性等優(yōu)勢越來越受到人們的關(guān)注和期待［7］。對于自然工質(zhì)氨（R717）和丙烷（R290），其毒性和易燃性限制了其在商用制冷行業(yè)的使用。但CO2由于臨界溫度（31.1 ℃）低、臨界壓力（7.38 MPa）高，運(yùn)行時(shí)工作壓力高，導(dǎo)致在溫暖和炎熱氣候條件下跨臨界CO2制冷循環(huán)節(jié)流損失過大，CO2制冷裝置性能顯著衰減。

商超CO2制冷系統(tǒng)已廣泛在歐洲等國家推廣使用，然而在我國的安裝和使用案例較少［8］。CO2制冷系統(tǒng)關(guān)鍵部件在我國的價(jià)格明顯高于常規(guī)人工合成制冷劑系統(tǒng)的價(jià)格，且常規(guī)CO2制冷系統(tǒng)在溫暖和炎熱的氣候條件下，系統(tǒng)能效偏低，以上2個(gè)因素制約了CO2制冷系統(tǒng)在我國商超領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。提高商超CO2制冷系統(tǒng)能效是推廣CO2制冷技術(shù)、落實(shí)《〈蒙特利爾議定書〉基加利修正案》、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的可靠途徑。

本文對商超CO2制冷系統(tǒng)的形式進(jìn)行介紹，對提升能效的技術(shù)方案進(jìn)行總結(jié)，并對不同技術(shù)方案的能效提升情況進(jìn)行比較分析。匯總和梳理國內(nèi)外商超CO2制冷系統(tǒng)的應(yīng)用案例，并進(jìn)一步以國內(nèi)商超正在運(yùn)行的CO2制冷系統(tǒng)為對象，核算其全生命周期碳排放，對CO2制冷系統(tǒng)在商超應(yīng)用場景下的減碳潛力進(jìn)行定量評估。最后對CO2制冷系統(tǒng)在我國的應(yīng)用前景進(jìn)行分析和討論。以期為CO2制冷系統(tǒng)在我國商超領(lǐng)域應(yīng)用的方案優(yōu)化和減排預(yù)測提供參考。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 商超CO2制冷系統(tǒng)介紹

商超CO2制冷系統(tǒng)主要分為跨臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)、CO2復(fù)疊制冷系統(tǒng)和CO2載冷劑制冷系統(tǒng)［9］。文獻(xiàn)［10-11］對通過跨臨界和亞臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在較冷氣候區(qū)域，跨臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)的能效有明顯提高，節(jié)能可達(dá)15%，同時(shí)碳排放總當(dāng)量減少63%。但在較炎熱氣候區(qū)域，亞臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)能效更高，可節(jié)能約5%，碳排放可減少42%。據(jù)此原理，國際上有機(jī)構(gòu)研究在不同氣候帶下CO2制冷系統(tǒng)的效率邊界線，也稱作跨臨界CO2“赤道線”［10-11］，如圖1 中加粗藍(lán)線所示，可以發(fā)現(xiàn)在氣候寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)采用跨臨界和亞臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)，能效有明顯提高，而在氣候溫暖和炎熱地區(qū)，采用亞臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)會(huì)更加節(jié)能。

圖1 跨臨界CO2“赤道線”［10-11］Fig.1 Transcritical CO2“equator”［10-11］

2.1.1 跨臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)

跨臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)技術(shù)成熟，在歐洲地區(qū)已廣泛應(yīng)用，并且在寒冷條件下，其系統(tǒng)能耗低于R404A 系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含2 套蒸發(fā)器：中溫級蒸發(fā)器和低溫級蒸發(fā)器。前者用于冷藏食品的保鮮，維持中溫展示柜1～5 ℃。后者用于商超中的冷凍柜，維持低溫展示柜-18～-23 ℃［12］。為解決2 個(gè)蒸發(fā)壓力之間的壓差問題，系統(tǒng)配備了2組壓縮機(jī)：低壓級壓縮機(jī)和高壓級壓縮機(jī)。低壓級壓縮機(jī)又稱為增壓壓縮機(jī)，可將低溫蒸發(fā)器出口的制冷劑壓縮到中溫蒸發(fā)壓力。氣體冷卻器/冷凝器出口的高壓CO2流體先流經(jīng)高壓膨脹閥，節(jié)流降壓為氣液兩相流體進(jìn)入氣液分離器中實(shí)現(xiàn)氣液分離。氣液分離器起到了閃蒸罐的作用，減小了蒸發(fā)器入口制冷劑的焓值，閃蒸汽與低壓級壓縮機(jī)排氣混合，降低了高壓級壓縮機(jī)的吸氣溫度。跨臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 跨臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic of a transcritical CO2 booster refrigeration system

2.1.2 CO2復(fù)疊制冷系統(tǒng)

CO2復(fù)疊制冷系統(tǒng)分為高溫級制冷系統(tǒng)和低溫級制冷系統(tǒng)。高、低溫級制冷系統(tǒng)通過冷凝蒸發(fā)器關(guān)聯(lián)起來，即低溫級制冷系統(tǒng)的冷凝器也為高溫級制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器。通常高溫級制冷系統(tǒng)采用HFCs 或氫氟烯烴（HFOs）等環(huán)保制冷劑，低溫級制冷系統(tǒng)采用CO2制冷劑。該系統(tǒng)同樣包含低溫級和中溫級2 套蒸發(fā)器，分別用于商超的冷凍柜和冷藏柜。CO2復(fù)疊制冷系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 CO2復(fù)疊制冷系統(tǒng)示意Fig.3 Schematic of a cascade CO2 refrigeration system

2.1.3 CO2載冷劑制冷系統(tǒng)

CO2載冷劑制冷系統(tǒng)中，CO2作為載冷劑用于制冷循環(huán)二次回路中CO2的蒸發(fā)制冷。高壓高溫的制冷劑與外界換熱冷凝后，經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流后至冷凝蒸發(fā)器與CO2換熱，使CO2載冷劑液化。在CO2泵的驅(qū)動(dòng)下，CO2載冷劑為展示柜提供冷量。CO2與其他載冷劑相比有以下優(yōu)勢：黏度低、換熱COP 高、比熱大、流量小。同時(shí)在傳遞同等冷量的前提下，CO2的循環(huán)量遠(yuǎn)小于其他載冷劑。CO2載冷劑制冷系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

圖4 CO2載冷劑制冷系統(tǒng)示意Fig.4 Schematic of a CO2 refrigeration system

表1 對3 種商超CO2制冷系統(tǒng)的優(yōu)劣勢進(jìn)行對比?？梢园l(fā)現(xiàn)跨臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)適用于氣候較低的地區(qū)，亞臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)適用于環(huán)境溫度較高的地區(qū)。從圖1 中也可以看到，受CO2“赤道線”的限制，跨臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)的使用范圍較窄，在低緯度地區(qū)的推廣應(yīng)用受到了制約。

表1 3種商超CO2制冷系統(tǒng)優(yōu)劣勢對比Tab.1 Pros and cons of three types of CO2 refrigeration systems

2.2 商超CO2制冷系統(tǒng)增效技術(shù)

跨臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)由于其制冷劑僅采用CO2，環(huán)保及安全性優(yōu)于亞臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)。從更加長遠(yuǎn)的角度考慮，商超領(lǐng)域使用跨臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)是未來的重點(diǎn)發(fā)展方向。為了弱化跨臨界CO2“赤道線”，提升跨臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)在低緯度地區(qū)的能效，文獻(xiàn)［13-15］提出了多種提升跨臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)的技術(shù)手段，包括回?zé)帷⑵叫袎嚎s、過冷、超倍供液和多聯(lián)引射等，如圖5所示。

圖5 跨臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)增效技術(shù)分類Fig.5 Classification of efficiency enhancing technologies for transcritical CO2 booster refrigeration systems

具體技術(shù)方案見表2。表2 還給出了系統(tǒng)成本復(fù)雜程度及實(shí)際應(yīng)用情況匯總，可以看出回?zé)?、機(jī)械過冷和超倍供液技術(shù)成本和復(fù)雜程度均適中。

表2 跨臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)增效技術(shù)方案、成本、復(fù)雜度及應(yīng)用情況比較［13-15］Tab.2 Comparison of the efficiency enhancement solution，cost，complexity and application of transcritical CO2 booster refrigeration systems［13-15］

采用各種增效技術(shù)的CO2增壓制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)（COP）提升率如圖6所示［13-15］。由圖可知，引入各項(xiàng)增效技術(shù)后，增壓制冷系統(tǒng)COP 都有一定提升，其中多聯(lián)引射技術(shù)的提升率最高，達(dá)21.4%～46.7%，但其邏輯控制復(fù)雜。

圖6 采用各種增效技術(shù)的CO2增壓制冷系統(tǒng)的COP提升率［13-15］Fig.6 Growth rate of CO2 booster refrigeration system COP after taking various efficiency enhancement technologies［13-15］

3 應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 國外應(yīng)用現(xiàn)狀

2020年跨臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)的全球使用分布如圖7所示，使用量如圖8所示。

圖7 2020年跨臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)的全球使用分布［8］Fig.7 Global distribution of transcritical CO2 booster refrigeration systems in 2020［8］

圖8 跨臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)的全球使用量［8，16］Fig.8 Number of transcritical CO2 booster refrigeration systems in the world［8，16］

從圖7—8 可以看出，在世界范圍內(nèi)，自然工質(zhì)CO2在商超制冷領(lǐng)域應(yīng)用逐漸拓寬，尤其是近年來，跨臨界CO2增壓制冷技術(shù)迅速發(fā)展。

截至2020年，全世界有超過35 500家超市或便利店已采用跨臨界CO2增壓制冷設(shè)備，其中歐洲應(yīng)用最為普遍，其次是日本。對于不同國家和地區(qū)，跨臨界CO2增壓制冷設(shè)備的使用情況如下。

（1）歐洲：受歐盟F-gas 條例的限制，HFC 的用量大大縮減。因此，目前歐洲在CO2商業(yè)及工業(yè)應(yīng)用普及方面均顯著領(lǐng)先。2008 年，跨臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)率先在歐洲使用，此時(shí)數(shù)量近200 臺(tái)。經(jīng)過10年的發(fā)展變遷，受全球氣候變化及相關(guān)政策的影響，使用量突破15 000臺(tái)。

截至2020 年，歐洲各國的跨臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)近30 000 臺(tái)，遠(yuǎn)高于其他國家和地區(qū)。這也主要得益于北歐地區(qū)寒冷的氣候條件，使跨臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)在該地區(qū)的性能優(yōu)勢十分突出。

（2）日本：過去幾年日本相較其他國家跨臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)數(shù)量增長尤為突出，截至2020 年共有超過5 000 多家商店使用跨臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)。

雖然日本在使用跨臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)方面僅次于歐洲，但由于對CO2充注量的嚴(yán)格限制，絕大多數(shù)應(yīng)用于小型便利店，大型超市中鮮有見到。

（3）美國：CO2制冷系統(tǒng)應(yīng)用在過去幾年經(jīng)歷了最大的相對增長，最快增速約25%。

（4）加拿大：CO2制冷系統(tǒng)使用量雖增長較緩，但2020 年數(shù)量也達(dá)到近400 臺(tái)。此外，魁北克省的生態(tài)績效項(xiàng)目提供相關(guān)補(bǔ)貼，加速了加拿大制冷系統(tǒng)轉(zhuǎn)型。

（5）南非：非洲各國的環(huán)境溫度普遍較高，一定程度上將限制跨臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。但從圖8 所示的數(shù)據(jù)來看，自2018 年起，南非的CO2制冷系統(tǒng)使用量也以較緩慢的速度在逐年增長。

因此，通過技術(shù)進(jìn)步掃平環(huán)境溫度高導(dǎo)致的CO2系統(tǒng)性能惡化的障礙，是推動(dòng)CO2制冷技術(shù)推廣應(yīng)用的主要手段。

（6）新西蘭：截至2020 年，CO2制冷系統(tǒng)應(yīng)用商超數(shù)量已超過50家。

（7）澳大利亞：緊跟發(fā)展趨勢，截至2020 年，使用CO2制冷系統(tǒng)的商超數(shù)量達(dá)90余家。

③為避免大壩中部面板（受壓區(qū)）破壞，選擇10條面板受壓縫采用瀝青杉板嵌縫充填，以嵌縫瀝青杉板變形吸收擠壓力，防止面板破壞。

CO2作為制冷劑在世界不同國家和地區(qū)應(yīng)用的典型案例見表3。

續(xù)表

Shecco 對歐洲跨臨界CO2增壓制冷設(shè)備市場進(jìn)行了預(yù)估，預(yù)測結(jié)果如圖9所示。受嚴(yán)格的F-gas法規(guī)、CO2制冷技術(shù)進(jìn)步以及認(rèn)可度提升等積極因素影響，也考慮到其他低GWP 制冷劑技術(shù)的競爭，預(yù)計(jì)歐洲跨臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)的安裝數(shù)量將急劇增加，并且呈指數(shù)形式顯著增長。2020—2030 年，預(yù)計(jì)每年將有4 000～6 000 家安裝CO2制冷設(shè)備的門店?duì)I業(yè)。到2030 年歐洲將有65 000～85 000 家門店使用跨臨界CO2增壓制冷技術(shù)。

圖9 預(yù)計(jì)到2030年歐洲使用跨臨界CO2增壓制冷設(shè)備的商超門店量［8，16］Fig.9 Estimated number of supermarkets in Europe transcritical CO2 booster refrigeration equipment by 2030［8，16］

3.2 國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

經(jīng)統(tǒng)計(jì)目前我國的麥德龍北京立水橋商場、北京超市發(fā)、合肥紅府超市和武漢華聯(lián)超市率先使用以CO2作為制冷劑的商超制冷設(shè)備。

中國麥德龍北京立水橋商場于2018 年1 月17日開業(yè)，是中國首個(gè)安裝了跨臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)的批發(fā)與食品零售商場，這也是德國麥德龍全面實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的第1 步。所采用的跨臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)由低溫機(jī)組、中溫機(jī)組、高溫機(jī)組、中低溫平行機(jī)組及高溫平行機(jī)組組成。德國麥德龍計(jì)劃從2025 年開始，為中國所有新店都安裝跨臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)。超市發(fā)北京玉泉路店于2018 年4 月進(jìn)行了升級改造，選擇跨臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)，并且增加熱回收系統(tǒng)。使用CO2系統(tǒng)供冷的有中低溫冷柜、小型冷藏庫、小型冷凍庫。安徽商之都紅府超市合肥中心廣場店于2017 年9 月正式營業(yè)，采用R134a/CO2復(fù)疊制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)由中溫機(jī)組和低溫機(jī)組2部分組成。其中中溫機(jī)組冷負(fù)荷一部分供給超市中溫冷柜，一部分與低溫機(jī)組的冷凝部分換熱，使用R134a 制冷劑。低溫機(jī)組服務(wù)于超市內(nèi)低溫冷柜和低溫冷庫，使用CO2制冷劑。華聯(lián)超市武漢群星城店于2017 年3 月開業(yè)，采用R134a/CO2復(fù)疊制冷系統(tǒng)。其中中溫機(jī)組冷負(fù)荷一部分供給超市中溫冷柜，一部分與低溫機(jī)組的冷凝部分換熱，使用R134a制冷劑。低溫機(jī)組服務(wù)于超市內(nèi)低溫冷柜和低溫冷庫，使用CO2制冷劑。系統(tǒng)原理與合肥紅府超市基本相同。

上述采用CO2制冷系統(tǒng)的4 家商超典型運(yùn)行參數(shù)見表4。

表4 采用CO2制冷系統(tǒng)的4家商超典型運(yùn)行參數(shù)［17］Tab.4 Typical operating parameters of four supermarkets taking CO2 refrigeration systems［17］

3.3 典型案例減碳評估

全生命周期氣候性能（LCCP）是一種評估方法，基于生命周期變暖影響的概念，用于核算制冷熱泵系統(tǒng)從“搖籃”到“墳?zāi)埂钡恼麄€(gè)生命周期過程中產(chǎn)生的直接和間接碳排放量的總和［20］。直接排放量包括系統(tǒng)在生產(chǎn)、使用、報(bào)廢回收整個(gè)生命周期內(nèi)制冷劑釋放到大氣中的所有影響。間接排放量包括設(shè)備和制冷劑制造過程的排放、使用過程中的能源消耗和系統(tǒng)回收過程中對應(yīng)的排放量［21］。

式中：LCCP 為全生命周期氣候性能，t CO2e；LCCPzj為直接碳排放量；LCCPjj為間接碳排放量。

式中：mc為制冷劑充注量，kg；L 為設(shè)備使用壽命，a；ALR 為年泄漏率，%；EOL 為壽命末期排放，%；GWP為全球變暖潛能值，kg CO2e/kg；Adp.GWP 為制冷劑大氣降解產(chǎn)物的GWP，kg CO2e/kg。

根據(jù)國內(nèi)應(yīng)用的4 家典型商超的終端制冷量，年耗電量等資料對各制冷系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用過程的全生命周期（15 a）進(jìn)行綜合性評估，結(jié)果如圖10所示?？梢钥吹? 家商超的CO2制冷系統(tǒng)在全生命周期內(nèi)的碳排放量相較R404A 系統(tǒng)表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，其中以武漢華聯(lián)超市使用的R134a/CO2復(fù)疊制冷系統(tǒng)最為明顯，減排量達(dá)到3 851.36 t CO2e，減排率高達(dá)32.06%。此外，麥德龍超市因較大的制冷量與用電量使得LCCP 達(dá)到43 781.52 t CO2e。北京超市發(fā)超市和合肥紅府超市的LCCP 分別達(dá)到5 987.530 t CO2e 和5 242.79 t CO2e，相較R404A 制冷系統(tǒng)，這2個(gè)超市的碳排放量可減少10.48%和22.79%，使用CO2制冷系統(tǒng)可顯著降低碳排放量。這是由于R404A制冷系統(tǒng)的GWP值較高，而GWP值為1的環(huán)保型制冷劑CO2相較R404A 具有明顯的減排優(yōu)勢。此外，在系統(tǒng)全生命周期碳排放量組成中，能耗造成的系統(tǒng)排碳量占比最高。因此，CO2系統(tǒng)較R404A 系統(tǒng)在節(jié)能方面的優(yōu)勢也在一定程度上有利于系統(tǒng)減排。同時(shí)結(jié)合當(dāng)前中國的商超制冷系統(tǒng)應(yīng)用來看，R404A 雖仍占主要地位，但隨著我國“雙碳”目標(biāo)的提出以及《〈蒙特利爾議定書〉基加利修正案》在我國生效，選擇CO2作為替代制冷劑是非?？尚械慕鉀Q方案。

圖10 使用R404A和CO2制冷系統(tǒng)的中國商超全生命周期氣候性能Fig.10 LCCPs of R404A and CO2 refrigeration systems taken by supermarkets in China

中國5 個(gè)典型城市使用R404A 和CO2制冷系統(tǒng)的全生命周期氣候性能如圖11所示。除昆明外，其他城市的LCCP 隨緯度的降低呈現(xiàn)正增長。其中位于我國嚴(yán)寒地區(qū)的哈爾濱，其制冷系統(tǒng)的LCCP 相較其他城市最低，分別為46 966.7 t CO2e 和36 351.86 t CO2e。同樣位于夏熱冬暖地區(qū)的城市廣州，其R404A 和CO2制冷系統(tǒng)的LCCP 可達(dá)60 534.28 t CO2e 和54 302 443.10 t CO2e。由此可見，系統(tǒng)的全生命周期氣候性能不僅受制冷劑影響，還與系統(tǒng)能耗息息相關(guān)。當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，系統(tǒng)能耗增大，這將導(dǎo)致系統(tǒng)LCCP 的間接排放量增多。此外，LCCP 減排率隨城市緯度的下降呈現(xiàn)負(fù)增長，在所研究的5 個(gè)城市中可達(dá)10.29%～22.60%，其中溫暖和炎熱地區(qū)的減排優(yōu)勢相較寒冷地區(qū)并不明顯，這主要是由于CO2制冷系統(tǒng)在高溫環(huán)境下處于跨臨界狀態(tài)運(yùn)行，此時(shí)若不對其采取措施改善系統(tǒng)性能，將會(huì)使系統(tǒng)能耗大大增加。因此，CO2制冷系統(tǒng)相較R404A 制冷系統(tǒng)在氣候寒冷地區(qū)更有減排優(yōu)勢，若將其應(yīng)用于炎熱地區(qū)還需在系統(tǒng)形式方面進(jìn)行改進(jìn)或創(chuàng)新。

圖11 中國5個(gè)典型城市使用R404A和CO2制冷系統(tǒng)的全生命周期氣候性能Fig.11 LCCPs of R404A and CO2 refrigeration systems in five typical cities in China

4 技術(shù)推廣制約因素及建議

4.1 制約因素

我國一直以來被認(rèn)為是全球暖通空調(diào)和制冷技術(shù)的最大市場，然而我國CO2制冷設(shè)備的普及僅處在起步階段，市場滲透率長期走低，截至2020 年我國商超領(lǐng)域僅有少量臺(tái)套的CO2制冷設(shè)備在使用［22］。因此我國商超領(lǐng)域CO2制冷技術(shù)的推廣和應(yīng)用潛力巨大。影響CO2制冷技術(shù)在商超領(lǐng)域推廣的原因可歸納為以下幾點(diǎn)。

（1）能效偏低。自然工質(zhì)CO2由于其特殊性，排氣壓力高，導(dǎo)致節(jié)流損失大，相比常規(guī)工質(zhì)制冷系統(tǒng)，基本CO2制冷系統(tǒng)能效不高，尤其是在溫暖和炎熱氣候地區(qū)，超臨界CO2增壓制冷系統(tǒng)的能效隨環(huán)境溫度增加顯著衰減，從而導(dǎo)致耗電量大，用戶運(yùn)行費(fèi)用昂貴。

（2）核心部件價(jià)格昂貴。通過市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，商超用CO2壓縮機(jī)大多為國外品牌，其售價(jià)數(shù)倍于常規(guī)制冷劑壓縮機(jī)。雖然《〈蒙特利爾議定書〉基加利修正案》已經(jīng)生效，但預(yù)計(jì)近些年常規(guī)制冷劑還是主流工質(zhì)，并且常規(guī)制冷劑壓縮機(jī)的生產(chǎn)早已形成規(guī)模效應(yīng)，國內(nèi)壓縮機(jī)企業(yè)具有大批量生產(chǎn)制造能力，相比CO2壓縮機(jī)，常規(guī)工質(zhì)壓縮機(jī)具有較強(qiáng)價(jià)格優(yōu)勢。而在歐洲，由于CO2壓縮機(jī)生產(chǎn)企業(yè)較多，促進(jìn)了同質(zhì)產(chǎn)品競爭和技術(shù)進(jìn)步，其價(jià)格比常規(guī)工質(zhì)壓縮機(jī)價(jià)格稍高或相當(dāng)。

（3）零部件配套未及時(shí)跟進(jìn)。CO2制冷系統(tǒng)運(yùn)行壓力高，導(dǎo)致其換熱器（氣體冷卻器/冷凝器、蒸發(fā)器、回?zé)崞鳎┘案綄僭O(shè)備（氣液分離器、油分離器）需承受較高運(yùn)行壓力，常規(guī)制冷系統(tǒng)設(shè)備難以替代使用。因此，這些設(shè)備需重新設(shè)計(jì)制造，而目前國內(nèi)市場CO2制冷系統(tǒng)使用尚未形成規(guī)模效應(yīng)，雖然有些廠家已有部分產(chǎn)品在展會(huì)上展出，但其種類有限，商超用CO2整套制冷系統(tǒng)的設(shè)備選型仍面臨沒有合適附屬設(shè)備匹配的問題。

（4）設(shè)備供應(yīng)商數(shù)量少。國內(nèi)多數(shù)制冷設(shè)備企業(yè)認(rèn)為現(xiàn)有常規(guī)工質(zhì)制冷技術(shù)盈利尚可，對未來制冷劑替代、制冷技術(shù)更迭缺少超前觀念；部分企業(yè)雖有制冷劑更新?lián)Q代的創(chuàng)新意識，但由于研發(fā)費(fèi)用高昂，僅停留在設(shè)想階段；少部分實(shí)例雄厚企業(yè)雖已有CO2制冷技術(shù)儲(chǔ)備，開發(fā)了樣機(jī)并進(jìn)行了測試，但由于利潤較低或負(fù)利潤未推向市場。

（5）缺少政府補(bǔ)貼政策驅(qū)動(dòng)。政府提供相應(yīng)政策補(bǔ)貼是激發(fā)CO2制冷設(shè)備制造商積極性的可行措施之一。參考日本政府針對自然工質(zhì)的補(bǔ)貼計(jì)劃及成效：日本自2014 年制定了豐厚的補(bǔ)貼計(jì)劃，2019 財(cái)年的補(bǔ)貼預(yù)算高達(dá)74 億日元（約4.3 億元人民幣），主要用于食品零售、食品制造和冷藏設(shè)施，補(bǔ)貼直接促進(jìn)了日本跨臨界CO2門店及NH3/CO2冷庫數(shù)量的增加［23-25］。隨著CO2設(shè)備制造商數(shù)量的增加，CO2制冷技術(shù)逐漸普及，預(yù)期其能效會(huì)逐漸提升并且成本逐漸降低，形成良性循環(huán)。

（6）用戶對環(huán)保制冷系統(tǒng)轉(zhuǎn)型主動(dòng)性不強(qiáng)。從商超制冷設(shè)備用戶的角度來說，其核心出發(fā)點(diǎn)即盡量以最少的投資和運(yùn)行成本保證賣場冷凍和冷藏的需求，除少數(shù)權(quán)威客戶外，對制冷系統(tǒng)使用的制冷劑、制冷劑泄漏對氣候的影響關(guān)注較少。而與歐盟等國家和地區(qū)不同，我國尚未開始對使用高GWP制冷劑的制冷用戶收取高額稅費(fèi)，HFCs制冷劑的價(jià)格仍保持較低市場價(jià)格，導(dǎo)致其更傾向于選用全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)成熟、價(jià)格相對低廉的常規(guī)制冷劑系統(tǒng)。

4.2 發(fā)展建議

雖然我國商超CO2制冷系統(tǒng)數(shù)量遠(yuǎn)少于歐美日等發(fā)達(dá)地區(qū)和國家，但增長勢頭明顯［22］。并且CO2制冷技術(shù)在我國其他領(lǐng)域也逐步滲透，如冬奧會(huì)滑冰場、工業(yè)制冷制熱等。為了進(jìn)一步推廣CO2制冷技術(shù)在商超領(lǐng)域的應(yīng)用，提出以下建議。

（1）提高CO2制冷系統(tǒng)能效。參考上述總結(jié)的商超CO2制冷系統(tǒng)增效技術(shù)，根據(jù)商超所在地區(qū)的氣候條件、峰谷電價(jià)差異及周邊場地情況，因地制宜地優(yōu)化系統(tǒng)形式，可考慮是否設(shè)置蓄冷蓄熱裝置，是否引入太陽能、地?zé)崮艿刃履茉?，是否配置空調(diào)、生活熱水及房間供暖等功能。

（2）給予政策補(bǔ)貼和支持。對國內(nèi)CO2壓縮機(jī)、換熱器等配件、整機(jī)裝配等CO2制冷設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)給與相應(yīng)補(bǔ)貼和政策支持，盡快形成完整產(chǎn)業(yè)鏈。

1）激發(fā)國內(nèi)壓縮機(jī)制造商對CO2壓縮機(jī)的生產(chǎn)研發(fā)動(dòng)力，解決CO2壓縮機(jī)的“卡脖子”問題。鼓勵(lì)國外CO2壓縮機(jī)品牌在國內(nèi)設(shè)廠，降低關(guān)稅、運(yùn)輸和人力成本。使國內(nèi)外品牌形成競爭機(jī)制，逐步降低CO2壓縮機(jī)價(jià)格，提升CO2壓縮機(jī)品質(zhì)。

2）鼓勵(lì)企業(yè)開發(fā)換熱器等配件?？梢罁?jù)《JBT 12326—2015 CO2制冷系統(tǒng)用換熱器》等壓力容器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對氣體冷卻器/冷凝器、蒸發(fā)器等換熱器及附屬設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證其在運(yùn)行范圍內(nèi)的承壓能力符合要求。政府可對相應(yīng)CO2換熱器及附屬配件生產(chǎn)企業(yè)提供優(yōu)惠政策，鼓勵(lì)其技術(shù)創(chuàng)新。

3）鼓勵(lì)常規(guī)工質(zhì)制冷設(shè)備生產(chǎn)廠家、供應(yīng)商設(shè)置CO2制冷設(shè)備部門或逐步向CO2制冷裝置生產(chǎn)過渡，提升CO2制冷設(shè)備生產(chǎn)制造企業(yè)數(shù)量，促進(jìn)行業(yè)良性發(fā)展，使CO2制冷行業(yè)逐步呈現(xiàn)規(guī)?；?。

（3）加強(qiáng)環(huán)保制冷劑宣傳。為了調(diào)動(dòng)商超制冷系統(tǒng)用戶對制冷設(shè)備轉(zhuǎn)型的主動(dòng)性，生態(tài)環(huán)境部、連鎖經(jīng)營協(xié)會(huì)、制冷空調(diào)行業(yè)協(xié)會(huì)、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、各級制冷學(xué)會(huì)等社會(huì)組織機(jī)構(gòu)可下沉到基層用戶，基于商超CO2制冷示范項(xiàng)目取得的成效，加大對自然工質(zhì)CO2在商超制冷領(lǐng)域應(yīng)用的宣傳力度，對制冷劑相關(guān)法律法規(guī)進(jìn)行介紹，使用戶對制冷劑替代、“雙碳”目標(biāo)、節(jié)能減排政策有深入認(rèn)識，提升基層用戶對CO2制冷設(shè)備的認(rèn)可度。

5 結(jié)論

使用自然工質(zhì)CO2是實(shí)現(xiàn)商超領(lǐng)域制冷劑替代的可靠措施。本文對商超CO2制冷系統(tǒng)的分類、增效技術(shù)、國內(nèi)外的使用情況進(jìn)行了歸納總結(jié)，并以國內(nèi)使用CO2制冷系統(tǒng)的商超為例，對其減碳潛能進(jìn)行了定量分析，最后對制約我國商超CO2制冷技術(shù)推廣應(yīng)用的原因進(jìn)行分析并提出了相應(yīng)的建議，得出以下結(jié)論。

（1）CO2增壓制冷系統(tǒng)是最有潛力的商超CO2制冷解決方案。其采用單一制冷劑CO2，環(huán)保特性良好，適用于環(huán)境溫度較低的地區(qū)?？赏ㄟ^回?zé)崞鳌⑵叫袎嚎s、過冷、超倍供液等技術(shù)手段提高其系統(tǒng)能效，拓寬其使用范圍，使其在環(huán)境溫度較高的地區(qū)同樣表現(xiàn)出較高的系統(tǒng)能效。

（2）在歐美日等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)已有大量CO2制冷設(shè)備在商超領(lǐng)域應(yīng)用，我國商超CO2制冷系統(tǒng)的應(yīng)用處于起步階段，但其增長勢頭較好，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

（3）通過對我國商超安裝使用的CO2示范性制冷系統(tǒng)的排碳量分析發(fā)現(xiàn)，采用CO2作為商超制冷系統(tǒng)的制冷劑相對常規(guī)R404A 制冷劑，系統(tǒng)全生命周期排碳量可減少10.48%～32.06%。

（4）制約我國商超CO2制冷技術(shù)的主要原因?yàn)槟苄?、設(shè)備造價(jià)昂貴、產(chǎn)業(yè)鏈不完整、缺乏政策驅(qū)動(dòng)及用戶積極性不高。推廣CO2制冷技術(shù)在我國的應(yīng)用可從提高能效、政策傾斜和加強(qiáng)宣傳3 個(gè)角度開展。