CO2空調在軌道交通領域的應用前景分析

王寧 程顯耀 杜慧勇

關鍵詞：CO2、空調、軌道交通

目前，軌道交通空調使用的制冷劑主要為R407C，R134a和R410A，該類型制冷劑屬于過渡制冷劑，ODP為0但是GWP值仍然比較高，加快削減HFCs（氫氟烴類物質）用量，已經(jīng)成為世界的共識，替代制冷劑的研究已經(jīng)刻不容緩。CO2作為天然制冷劑具有環(huán)境友好，無毒、化學性質穩(wěn)定、容積制冷量高等優(yōu)點有望成為下一代空調主力制冷劑。

1 CO2空調技術發(fā)展現(xiàn)狀

隨著材料制造工藝及制冷技術不斷進步，針對CO2制冷系統(tǒng)出現(xiàn)了很多新技術能夠提高其制冷效率。Lorentzen教授首先提出CO2跨臨界循環(huán)制冷概念，系統(tǒng)中設置回熱器，可使系統(tǒng)性能有10-15%的提升。CO2制冷系統(tǒng)性能直接受運行壓力的影響，Ciro Aorea等人發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)性能受排熱壓力大小的影響很明顯，在不同環(huán)境溫度下，通過改變其排熱壓力，可找到使其性能最佳的壓力值。因此在運行過程中對壓力進行實時調節(jié)可使其能效比始終處于最佳值，也可以達到節(jié)能的效果[2]。日本電力工業(yè)中央研究院通過對CO2熱泵性能的計算和循環(huán)特性的理論分析，得出CO2熱泵在熱水供應時性能高于傳統(tǒng)工質熱泵的結論。

在軌道交通領域，CO2空調技術研究近年來進展較快。中車長客公司研制的時速400公里跨國聯(lián)運動車組配備了45kW制冷量的客室空調;中車唐山公司研制的新一代城際列車上配備CO2熱泵客室空調;大眾ID.4配備了CO2熱泵空調，已全面進入市場。

2.CO2性質

CO2無色無毒且不可燃。對比其他HFCs類制冷劑，CO2的流動和傳熱性能優(yōu)良，單位容積制冷量較高。通過與R407C、R134a、R410A幾種在軌道交通空調中常用冷媒在飽和狀態(tài)下蒸汽傳熱系數(shù)的對比，在蒸發(fā)溫度為10℃時，CO2熱系數(shù)高于其它三種冷媒，蒸發(fā)溫度越低，CO2傳熱系數(shù)優(yōu)勢越明顯;在蒸發(fā)溫度為10℃時，CO2黏度明顯低于其它冷媒，在蒸發(fā)器中流動阻力小，流動性能更好。

因此，CO2空調適宜使用小管徑管路，CO2具有較高的單位容積制冷量，不同制冷劑同等制冷量的系統(tǒng)，CO2壓縮機所需的排氣量更小，其壓縮機所需的體積也更小，CO2制冷系統(tǒng)可以設計的更加緊湊。

3. 跨臨界循環(huán)CO2空調系統(tǒng)組成介紹

CO2的臨界壓力為7.38Mpa，臨界溫度為31.1℃，臨界溫度較低，且CO2在超臨界狀態(tài)下物性會發(fā)生較大變化，氣體比熱容會明顯增大[1]。CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)由壓縮機、換熱器、節(jié)流裝置等構成。

3.1 壓縮機

壓縮機為制冷系統(tǒng)核心部件之一。CO2雙轉子變頻壓縮機在壓縮機腔內(nèi)設置中壓腔和高壓腔以實現(xiàn)兩級壓縮，從而在同樣的設計壓力下，雙轉子壓縮機壁厚更薄，減重效果明顯，噪音和振動指標也比較優(yōu)異。目前，谷輪等壓縮機廠家正在研發(fā)CO2渦旋壓縮機，日本三電研制出了鋁制小排量CO2壓縮機，隨著技術的發(fā)展，CO2壓縮機小型化輕量化的優(yōu)勢將日益凸顯。

3.2 換熱器

軌道交通空調主要使用銅管鋁翅片形式的換熱器?？紤]到CO2的運動粘度較低，管內(nèi)壓降較小，CO2換熱器銅管優(yōu)先使用小管徑銅管，鋁制平行流微通道換熱器可使制冷劑側換熱面積增加約3倍.

3.3節(jié)流裝置

CO2系統(tǒng)性能受高壓端壓力影響較大，要實現(xiàn)較為復雜的控制需要精準地調節(jié)節(jié)流裝置，因此，CO2制冷系統(tǒng)節(jié)流裝置通常使用電子膨脹閥，可以通過電子膨脹閥控制器來對閥的開度進行精準控制。

4 ?CO2空調在軌道交通領域的發(fā)展與競爭形勢

4.1 制冷劑發(fā)展的形勢

根據(jù)蒙特利爾協(xié)定基加利修正案，發(fā)達國家自2019年起削減HFCs（氫氟烴）的消費和生產(chǎn);中國等發(fā)展中國家2024年將凍結HFCs （氫氟烴）的消費和生產(chǎn);歐盟致力于通過F-gas法規(guī)在2015年至2030年淘汰79%的HFCs;2015年美國頒布SNAP法規(guī)，在2024年前逐步禁止HFCs的使用。

德國聯(lián)邦鐵路公司（簡稱DB）目標是未來幾年在新車上全部使用自然工質空調，CO2空調是DB最主要的目標，并已經(jīng)在某些軌道列車上進行了裝車應用測試，在西門子的VT642動車上裝載第一臺CO2空調。

從制冷劑的發(fā)展形勢上來說，國際上急需使用第四代制冷劑空調產(chǎn)品走上市場，而CO2是目前最被看好的自然工質。

4.2 CO2空調競爭形勢

環(huán)境友好制冷劑應有以下特點：ODP為0;在大氣中停留時間短;GWP較低;系統(tǒng)性能好;安全性好。

對比氨、水和碳氫化合物，不難發(fā)現(xiàn)CO2具有獨特的優(yōu)勢：環(huán)境友好、安全性（無毒、不燃）;傳熱性能和流動性好;容積制冷量大;與普通潤滑劑和結構材料相兼容;價格便宜，維護成本低等。

目前，國內(nèi)多個廠家已開展了軌道交通CO2空調機組的研發(fā)，通過與常規(guī)制冷劑空調對比，有以下特點：

在結構形式方面，CO2空調也是采用蒸汽壓縮式制冷方式。CO2超臨界狀態(tài)下良好的傳熱和熱力性能使得換熱器的效率提升，氣體冷卻器結構非常的緊湊，可以設計成比現(xiàn)有系統(tǒng)換熱器尺寸更小的換熱器，且能滿足換熱量的需求，這為軌道交通空調的小型化提供了可能。

在性能方面，隨著CO2跨臨界循環(huán)技術的不斷深入研究，部件技術不斷改進革新，采用高效的膨脹機、雙級壓縮技術以及高效換熱等技術，CO2空調的性能也不斷地提高。

在節(jié)能環(huán)保方面，CO2作為天然工質有著綠色環(huán)保（ODP為0，GWP為1），易獲取，成本低等明顯優(yōu)勢。前文提到DB某列車上的CO2空調相比于R134a為制冷劑的空調，其可實現(xiàn)節(jié)能10%左右。

5 總結

CO2系統(tǒng)的優(yōu)勢非常的突出，但是其運行壓力高，運行效率偏低等缺點也是其遲遲未進入主流市場的主要原因。為應對氣候變化，我國提出“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”目標承諾。開發(fā)新型環(huán)保制冷劑及其空調具有積極的意義。在軌道交通領域CO2空調終會成為空調環(huán)保問題的最佳解決方案。

參考文獻：

[1] 丁國良，黃東平. 二氧化碳制冷技術[M]. 化學工業(yè)出版社，2007.