CO2制冷技術在人工冰場中的應用現(xiàn)狀

張振雯, 宇文怡旋，張振迎

（華北理工大學建筑工程學院，河北 唐山，063210）

北京和河北張家口成功申辦2022 年冬奧會。北京也將成為奧林匹克歷史上首個“雙奧城市”。此次申報冬季奧運會的三大理念是“以運動員為中心、可持續(xù)發(fā)展、節(jié)儉辦賽”，本著落實國際奧委會可持續(xù)發(fā)展理念和國家“綠色辦奧”理念的精神，各項準備工作也在緊鑼密鼓地進行著。其中，場館建設是重頭戲之一，由于中國是首次舉辦冬奧會，場館的制冷方案成了關鍵的課題。

傳統(tǒng)人工冰場制冷系統(tǒng)采用氨或鹵代烴類制冷劑的液態(tài)冷卻機組并以乙二醇或鹽水作為載冷劑來冷卻人工冰場的混凝土地板。但是《蒙特利爾議定書基加利修正案》對高GWP的鹵代烴類制冷劑將實行淘汰和限制，為了將北京冬奧會辦成綠色、環(huán)保和節(jié)能的體育盛會，2022北京冬奧會場館建設中決定大量采用自然工質(zhì)［1］。

CO2作為一種環(huán)保節(jié)能的自然工質(zhì)，在汽車空調(diào)、熱泵熱水器、超市制冷系統(tǒng)等商業(yè)制冷領域均取得了良好效果。20世紀90年代末期，CO2在人工冰場制冷系統(tǒng)成功應用，取得了顯著的節(jié)能效果和環(huán)保效益。但是目前在冬奧會場館中還沒有采用CO2技術制冰的先例，2022年冬奧會將是第一次在冬奧場館中采用CO2制冰技術［2］。

1 CO2作為冷劑的特點

與其他天然制冷劑相比，CO2具有非常好的安全特性——它不易燃、不爆炸、毒性低。這使得它特別適合大量使用冷劑的系統(tǒng)。此外，CO2是許多工業(yè)過程中的副產(chǎn)品，因此價格低廉。CO2作為冷劑的獨特性是它的臨界點溫度只有31.06℃，而壓力為7.38MPa。在臨界溫度和壓力以上，排熱發(fā)生在超臨界區(qū)域。在超臨界模式下，溫度和壓力之間不是一一對應關系，兩者都可以獨立控制。這種模式下的二氧化碳被稱為超臨界流體，因為它既不是兩相流體，也不是單相流體。

如圖1所示，CO2的獨特性之一是高工作壓力，在0℃時，它的工作壓力是NH3的6到7倍。在飽和溫度-10℃時，CO2的工作壓力在2.5MPa左右，所以在-10℃左右蒸發(fā)時，CO2的工作壓力往往在2.5MPa左右，在循環(huán)高壓側(cè)可達到12MPa。由高工作壓力引起的CO2的其他重要特性是比其他制冷劑具有更高的單位容積制冷量和更低的蒸汽壓降。圖2顯示了CO2與其他制冷劑的單位容積制冷量。在0℃時，它比R22和NH3高出5倍。這些特性使得CO2系統(tǒng)的壓縮機、熱交換器和管材的尺寸大大減小。

圖1 不同制冷劑之間的工作壓力對比

圖2 不同制冷劑之間的容積制冷量對比

2 人工冰場CO2制冷系統(tǒng)分析

人工冰場CO2制冷系統(tǒng)可分為第一代冰場CO2制冷系統(tǒng)和第二代冰場CO2制冷系統(tǒng)［3］，［4］，其中人工冰場制冷系統(tǒng)又可分為直接制冷系統(tǒng)和間接制冷系統(tǒng)。將其他工質(zhì)作主要制冷劑，CO2用作載冷劑的人工冰場制冷系統(tǒng)稱為“第一代制冷系統(tǒng)”，將使用CO2作為主要制冷劑的人工冰場稱為“第二代制冷系統(tǒng)”。

2.1 第一代冰場CO2制冷系統(tǒng)

第一代冰場CO2制冷系統(tǒng)如圖3所示［5］，［6］，該系統(tǒng)為間接式系統(tǒng)，采用CO2作為載冷劑，NH3或其他工質(zhì)作為制冷劑的方式，CO2液體經(jīng)CO2泵到達冰場分配管路系統(tǒng)，吸取冰場表面熱量后以CO2氣液混合物形式回到CO2罐，其中CO2蒸氣進入制冷循環(huán)的蒸發(fā)器，放熱給NH3制冷劑后液化，重回到CO2罐。制冷劑經(jīng)冷凝器，將熱散發(fā)到周圍環(huán)境中，整個系統(tǒng)完成制冷循環(huán)。此系統(tǒng)的節(jié)能方式主要體現(xiàn)在制冰循環(huán)中的泵節(jié)能，二氧化碳壓力高，壓降小，降低了泵的能耗［6］，［7］。

圖3 第一代冰場CO2制冷系統(tǒng)

相比于制冰循環(huán)為CaCl2鹽溶液的間接制冷系統(tǒng)，CaCl2具有諸如腐蝕之類的實際挑戰(zhàn)，而當CO2用作載冷劑時，由于二氧化碳的非腐蝕性，可以降低維護成本。從能源角度來看，由于其較低的泵送功率，它具有明顯的優(yōu)勢。2005年，Rogstam將CO2與CaCl2進行了比較，得出的結論是二氧化碳所需的泵送功率不到10%［8］，但其也有需要改善的地方，系統(tǒng)的工作壓力很高，因此人工冰場管道系統(tǒng)需要由金屬制成以承受其壓力，金屬管道則需要巨大的成本，這也在一定程度上阻礙了二氧化碳制冷系統(tǒng)的推廣應用。

2.2 第二代冰場CO2制冷系統(tǒng)

將使用CO2作為主要制冷劑的人工冰場稱為“第二代制冷系統(tǒng)”。由于CO2的臨界點溫度約為31℃，在第二代制冷系統(tǒng)中，如果環(huán)境溫度高于31℃，循環(huán)躍遷到跨臨界運行，則排熱過程將在超臨界條件下進行，會造成壓縮機制冷量的損失和更高的功率消耗，因此會使COP降低［9］。

2.2.1 直接式第二代冰場CO2制冷系統(tǒng)

直接式第二代冰場CO2制冷系統(tǒng)如圖4所示［5］，［6］，該系統(tǒng)又稱完全CO2制冷系統(tǒng)，整個系統(tǒng)中只有CO2制冷劑，冰場管路系統(tǒng)相當于蒸發(fā)器，該系統(tǒng)多在跨臨界條件下運行。CO2罐起著氣液分離器的作用，從冰場管路返回的CO2氣液混合物，進入CO2罐，實現(xiàn)氣液分離，低壓飽和氣態(tài)CO2進入CO2壓縮機，變成高溫高壓的超臨界氣體，經(jīng)氣體冷卻器冷卻及節(jié)流后再次回到CO2罐，罐內(nèi)液態(tài)CO2經(jīng)CO2泵分配到冰場管路中。

圖4 直接式第二代CO2冰場制冷系統(tǒng)

對于CO2直接制冷系統(tǒng)CO2冷盤管直接蒸發(fā)換熱制冰，沒有蒸發(fā)器，無中間換熱環(huán)節(jié)，相比于間接制冷系統(tǒng)，蒸發(fā)溫度可提高，同時從壓縮機出來的CO2氣體溫度高、單位體積制熱量高，具有較高的熱回收潛力，人工冰場系統(tǒng)能耗除了制冷系統(tǒng)能耗外，還包括生活熱水系統(tǒng)、供熱通風系統(tǒng)能耗等，這些能量可通過CO2排熱回收獲得。若恰當回收利用，熱能利用率高，冷熱綜合利用效能比高［6］，［10］。

2.2.2 間接式第二代冰場CO2制冷系統(tǒng)

間接式第二代冰場CO2制冷系統(tǒng)如圖5 所示［5］，［6］，該系統(tǒng)中CO2作為制冷循環(huán)的制冷劑，制冰循環(huán)中的載冷劑采用CaCl2溶液、乙二醇等。

圖5 間接式第二代冰場CO2制冷系統(tǒng)

和CO2在制冰循環(huán)的系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)有很多缺陷：首先制冰循環(huán)泵能耗沒有降低；其次當周圍環(huán)境溫度高于CO2的臨界溫度時，制冷循環(huán)為CO2跨臨界循環(huán)，循環(huán)性能可能會低于NH3制冷劑的制冷循環(huán)運行性能［6］。此外，CO2在制冷循環(huán)中體現(xiàn)了熱回收性能良好的優(yōu)勢［7］。因此CO2在制冷循環(huán)里的間接系統(tǒng)有可能在冰場制冷系統(tǒng)中得到很好地應用。

3 冰場CO2制冷技術的發(fā)展歷史

Matin記載了人工冰場的歷史和演變［11］，據(jù)記載最早的人工冰場是1876年在倫敦的Glaciarium冰場。該冰場采用間接式系統(tǒng)，采用乙醚為制冷劑，甘油和水的混合物為載冷劑。通過鋪設的銅管將載冷劑在冰場和制冷系統(tǒng)之間進行循環(huán)。大多數(shù)現(xiàn)代的人工冰場多采用類似的方式。19世紀80年代，冰球運動迅速普及，增加了公眾對建設溜冰場的需求。1879年美國第一個機械冷藏人工冰場建成，并且安裝在麥迪遜廣場花園中。

1999年奧地利的Dornbirn人工冰場首次采用了第一代冰場CO2制冷系統(tǒng)，此系統(tǒng)中，NH3作為制冷循環(huán)制冷劑，CO2作為制冰循環(huán)載冷劑。此后，第一代冰場CO2制冷系統(tǒng)相繼在德國、瑞士以及荷蘭等地使用［3］，［12］。針對CO2的工作壓力較高的問題，2006年在瑞典建造的Backavallen冰場創(chuàng)新性的采用銅管代替塑料管，雖然銅管的安裝和材料成本比塑料管要高，但銅管可以減少制冰系統(tǒng)與冰層之間的熱阻，長期來看回報較高［7］，能量分析結果表明，與CaCl2系統(tǒng)相比，泵的輸運功率降低到75%-80%，在8個月的季節(jié)內(nèi)可節(jié)約75-80MWh的電量。2015年，全球共有56個已知的冰場以CO2作為載冷劑。

2002年，國際冰球聯(lián)合會首次公開提出將CO2用作主要制冷劑的第二代冰場CO2制冷系統(tǒng)［4］，［13］，但由于當時CO2壓縮機的單臺制冷量有限，制約了第二代冰場CO2制冷系統(tǒng)的發(fā)展。例如在相同制冷能力下，CO2人工冰場制冷系統(tǒng)需要約15臺壓縮機來滿足容量需求，而通常的NH3系統(tǒng)僅使用2臺壓縮機，這使CO2系統(tǒng)顯得昂貴且不切實際。2006年，在瑞典的Katrineholm城市冰場招標中，Larsson首次提出了CO2跨臨界冰場設計方案［14］，為滿足規(guī)定的300 kW制冷量需求，采用了12臺壓縮機。然而，由于壓縮機數(shù)量過多，導致投資成本高昂和運行操作非常復雜，最終方案并未采用此跨臨界方案，而是選擇了第一代冰場CO2制冷系統(tǒng)。2009年，丹麥的Gentofte冰場擴建項目中，其中一個改造招標方案采用了直接式第二代跨臨界CO2制冷系統(tǒng)。然而，該冰場擴建項目被推遲，最終選擇了傳統(tǒng)的間接式氨制冷系統(tǒng)。直到2010年，在加拿大魁北克省的Marcel Dutil 體育館中建成了第一個采用直接式第二代跨臨界CO2制冷系統(tǒng)的人工冰場［15］，［16］，它使用了7臺壓縮機，總制冷量為317 kW。系統(tǒng)中安裝了兩個熱回收裝置，壓縮機出口設置換熱器用于加熱儲熱水箱中的熱水，該水箱可為建筑提供75℃熱水，較低溫度的熱量則通過設置另一熱回收器用于將乙二醇由45℃加熱至55℃，然后輸送到通風系統(tǒng)、更衣室和中央空調(diào)等需要加熱的場合。在載冷劑的輸送方面，相比于采用氯化鈣溶液作為載冷劑，CO2的流量是氯化鈣溶液的5%左右，使得載冷劑的輸送泵的功率下降90%。系統(tǒng)的年均制冷COP 可達 3.35，相對傳統(tǒng)NH3/鹽水系統(tǒng)，總的能源花費減少了25%。

2012年，加拿大魁北克省Dollar des Ormeaux體育館建成了第一個采用間接式第二代跨臨界CO2制冷系統(tǒng)的人工冰場［17］，該冰場通過間接制冷系統(tǒng)以鹽水作為載冷劑，降低了冰面下管路的成本，還通過回收CO2制冷系統(tǒng)的高壓排熱量來加熱游泳池。

2014 年，瑞典的GIMO冰場改造中采用了直接式第二代跨臨界CO2制冷系統(tǒng)［18］，［19］，并設計了一套熱回收系統(tǒng)，同時在熱回收系統(tǒng)中加入了一套地埋管裝置，該裝置在炎熱的氣候條件下用作散熱裝置，寒冷條件下用作熱泵的熱源，有效得提高了制冷系統(tǒng)的能效。

2015年，Rogstam and Bolteau［20］在瑞典的CO2溜冰場項目使用間接式第二代跨臨界CO2制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)中采用了4臺壓縮機，制冷量為250 kW。

據(jù)統(tǒng)計，截至2018 年，世界上至少有100 個冰場使用了CO2制冷技術，其中約60個使用第二代跨臨界CO2制冷系統(tǒng)，其中約20個位于歐洲，約40個位于北美［4］，［21］。對不同使用CO2作為制冷劑的冰場的研究表明，較大的冰場利用CO2系統(tǒng)的余熱可節(jié)約總熱需求的80-90%，較小的冰場通過良好的熱回收系統(tǒng)設計使用，可以完全自給自足［21］。

國內(nèi)關于CO2人工冰場制冷技術的研究前期多是介紹國外的應用實例［6］，［16］。2015年，哈爾濱工業(yè)大學王斌［19］以北京市一典型冰球競賽場地作為研究對象，對主要制冷劑分別為R22和NH3，載冷劑分別為乙二醇溶液、CaCl2溶液間接式系統(tǒng)和CO2的五種間接式制冷系統(tǒng)與CO2直接式系統(tǒng)進行了對比分析，結果表明NH3/ CO2間接式系統(tǒng)的耗電量最低，CO2直接式系統(tǒng)的耗電量最高，經(jīng)濟性分析結果表明，兩種采用CO2作為冷劑的系統(tǒng)動態(tài)費用年值最低。2022 年冬奧會國家冰雪運動訓練科研基地改建項目速滑館項目于2019 年9 月正式開館運行，該項目采用第一代冰場CO2制冷系統(tǒng)，冰面面積總計9800m2，冰面溫差小于0.5℃，比乙二醇溶液載冷冰場綜合節(jié)能40%［10］。2022 年冬奧會首都體育館比賽館和訓練館將采用直接式第二代冰場CO2制冷系統(tǒng)，預計2020 年年中開始陸續(xù)將全部投入運行［1］，［10］。2019年5月，國家速滑館公司召開國家速滑館CO2制冷系統(tǒng)初步設計方案專家評審會，對初步設計方案進行了討論和咨詢后認為該方案技術路線可行，COP較高，安全可靠性滿足要求，速滑館冰面面積約1.2萬m2，可滿足速度滑冰、短道速滑、花樣滑冰、冰壺和冰球一共五類冰上運動，將成為全球男人首個使用CO2作為制冷劑的大型速滑館，也是奧運會級別場館的首次應用［1］。2022冬奧會采用CO2新型環(huán)保制冰技術對我國實現(xiàn)“三億人上冰雪”的號召有重要意義，對促進我國的制冷劑替代、制冷空調(diào)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和應對全球氣候變化將產(chǎn)生深遠的影響。

表1中總結了人工冰場CO2制冷技術的發(fā)展歷程，可以看出CO2技術近年來的快速發(fā)展，近年來第二代冰場CO2制冷系統(tǒng)，尤其是直接式系統(tǒng)，逐漸成為主要的發(fā)展趨勢。

表1 人工冰場CO2制冷技術發(fā)展歷程［1，4，10，22］

4 結論與展望

CO2作為載冷劑已在冰場中使用始于1999年，稱為第一代冰場CO2制冷系統(tǒng)；第二代冰場CO2制冷系統(tǒng)從2002年提出，并于2010年首次成功應用；目前，人們對在冰場中使用CO2作為制冷劑越來越感興趣，CO2冰場的數(shù)量正在迅速增長，其原因一是CO2為自然工質(zhì)，雖然低充注量的氨系統(tǒng)是一個很好的方案，但由于安全問題很多時候使其難以使用。其次，CO2制冷系統(tǒng)的使用，產(chǎn)生了一個額外的好處，可以回收大量的氣體冷卻器排放熱量，這可以使冬季運動設施的熱量幾乎自給自足，同時還回收的熱量用于冰場空氣加熱及通風、生活熱水、冰場管路防凍等場合。CO2制冷系統(tǒng)實現(xiàn)能源系統(tǒng)的集成將是一項非常有意義的工作。