二氧化碳制冷劑在軌道交通列車空調(diào)機(jī)組中的應(yīng)用研究

張海濤

（鐵科院（北京）工程咨詢有限公司，北京 100081）

早在19 世紀(jì)50 年代，世界上就出現(xiàn)了使用二氧化碳實現(xiàn)制冷的專利，在后來的幾十年里，又由美國、德國和英國開發(fā)出了相應(yīng)的制冷設(shè)備。在20 世紀(jì)初，二氧化碳就已經(jīng)作為制冷劑被廣泛應(yīng)用于海運(yùn)冷藏系統(tǒng)。由于早期技術(shù)水平的限制，特別是二氧化碳存在高溫環(huán)境下制冷性能的損失等缺點，二氧化碳后來逐漸被鹵代烴類的制冷劑替代。

鹵代烴類的制冷劑具有性能優(yōu)良、能效水平高、系統(tǒng)壓力中等的優(yōu)點，但最近幾十年人們對其環(huán)保特性有了更深入的認(rèn)識，比如其存在對臭氧層的破壞、較強(qiáng)溫室效應(yīng)等弊端。特別是隨著我國“雙碳”政策的提出和逐步實施，二氧化碳作為天然制冷劑又開始進(jìn)入人們的視野。

軌道交通作為空調(diào)技術(shù)的重要應(yīng)用場合，其列車空調(diào)制冷劑的更新迭代也是重要研究熱點之一。因此，本文對二氧化碳制冷劑在軌道交通列車空調(diào)機(jī)組中的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)的分析。

1 現(xiàn)有軌道交通列車空調(diào)機(jī)組制冷劑的應(yīng)用

軌道交通列車空調(diào)機(jī)組按照列車的類型一般分為高速列車空調(diào)機(jī)組、城際列車空調(diào)機(jī)組、地鐵列車空調(diào)機(jī)組和鐵路機(jī)車空調(diào)機(jī)組等；按照空調(diào)機(jī)組的制冷容量，可大致劃分為客室車廂空調(diào)機(jī)組（一般29～45 kW）和司機(jī)室空調(diào)機(jī)組（一般3～6 kW）。按照制冷和制熱的功能區(qū)分，一般包含單冷型機(jī)組、電熱型冷暖機(jī)組和熱泵型冷暖機(jī)組。

在我國，現(xiàn)有的列車空調(diào)大部分使用R407C 制冷劑，干線鐵路還保有部分使用R22 制冷劑的空調(diào)機(jī)組。在歐洲，絕大多數(shù)列車空調(diào)使用R134a 作為制冷劑，已有部分線路列車使用了R513A 等環(huán)保型人工合成制冷劑，并已開始嘗試使用二氧化碳。在北美，大多數(shù)使用了R407C 制冷劑，也有線路的列車使用R410A。

R407C、R134a、R410A 等傳統(tǒng)制冷劑具有性能好、能效水平高等優(yōu)點，且價格適中，制冷系統(tǒng)也有比較成熟的部件供應(yīng)鏈。比如，對于使用R407C 的A 型地鐵列車空調(diào)機(jī)組：

1）每臺空調(diào)機(jī)組的制冷量約40 kW，整機(jī)的能效比（COP）可達(dá)2.4～2.6。

2）每臺空調(diào)機(jī)組的制冷劑充注量大約9 kg，成本僅幾百元。

3）空調(diào)機(jī)組的核心部件——制冷壓縮機(jī)的可選品牌較多，每臺壓縮機(jī)的重量僅50 kg 左右；類似的壓縮機(jī)已經(jīng)在我國軌道交通行業(yè)應(yīng)用多年，具有充足的可靠性和運(yùn)用數(shù)據(jù)。

4）制冷系統(tǒng)配件的可選品牌較多，成本低且可靠性高。

上述制冷劑的缺點：具有很強(qiáng)的溫室效應(yīng)。即使對于溫室效應(yīng)最弱的R134a，其全球變暖潛能值（GWP）仍達(dá)到1 300，是二氧化碳排放的1 300 倍，不能滿足長期的環(huán)保要求。因此，全球各國對其應(yīng)用提出限制，特別是《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書（基加利修正案）》的生效，使得上述制冷劑逐漸進(jìn)入淘汰進(jìn)程。

2 二氧化碳制冷劑的特性

2021 年3 月，在北京舉辦的中國碳達(dá)峰碳中和成果發(fā)布暨研討會上發(fā)布了中國2030 年前實現(xiàn)碳達(dá)峰、2060 年前實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)規(guī)劃。中國制冷行業(yè)碳的排放，一方面來自用電、生產(chǎn)過程中的二氧化碳排放，另一方面來自制冷劑等非二氧化碳溫室氣體的排放。從全球來看，商用制冷是制冷的主體，其制冷劑排放量最大（按CO2當(dāng)量計算），占制冷劑總排放量的30%以上，如果用CO2做制冷劑（二氧化碳制冷劑，代號為R744），可以將商用制冷系統(tǒng)碳足跡減少到幾乎為零。

2.1 市場主流制冷劑特性對比

表1 將目前市場上主流制冷劑的特性進(jìn)行了對比說明。

表1 市場主流制冷劑主要特性比較說明表

2.2 二氧化碳制冷劑優(yōu)異性分析

2.2.1 容積制冷量更大

容積制冷量指在同一時間內(nèi)，制冷壓縮機(jī)的制冷量與其容積輸氣量之比。二氧化碳制冷劑具有單位容積制冷量大、壓縮機(jī)排量小的特點。圖1 為不同制冷劑容積制冷量對比。

圖1 市場主流制冷劑容積制冷量對比圖

2.2.2 飽和氣體壓力更高

圖2 為制冷劑飽和壓力隨蒸發(fā)溫度的變化曲線，不難看出二氧化碳制冷劑飽和壓力比其他制冷劑高很多（工作壓力為常用制冷劑的3～5 倍）。

圖2 市場主流制冷劑飽和氣體壓力對比圖

2.2.3 定壓比熱容特性好

二氧化碳制冷劑定壓比熱容隨壓力變化差異明顯（如圖3 所示），運(yùn)行環(huán)境溫度對二氧化碳制冷劑空調(diào)性能影響大。隨著運(yùn)行環(huán)境溫度升高，空調(diào)制冷量和能效比降低。

圖3 市場主流制冷劑定壓比熱容對比圖

2.2.4 流動換熱特性強(qiáng)

二氧化碳制冷劑在超臨界區(qū)，其溫度與壓力是獨立變量，其物性變化劇烈。超臨界二氧化碳制冷劑流體是一種高密度氣體，兼有氣體和液體雙重特性，即密度高于氣體，接近液體；黏度與氣體相似，遠(yuǎn)小于液體黏度；擴(kuò)散系數(shù)接近于氣體，約為液體的10～100 倍，因而具有良好的流動性和傳輸特性。

二氧化碳制冷劑在亞臨界區(qū)的性質(zhì)主要表現(xiàn)為：較高的飽和壓力，較低的表面張力；較高的蒸氣密度，較低的飽和液體和飽和氣體的密度比；另外，二氧化碳制冷劑的飽和液體黏度相對較小，比熱容較高，導(dǎo)熱系數(shù)也很大。

2.3 二氧化碳制冷劑自身特性分析

2.3.1 二氧化碳制冷劑的優(yōu)點

和傳統(tǒng)的鹵代烴類制冷劑相比，二氧化碳具有如下優(yōu)點。

1）其環(huán)保特性良好，消耗臭氧潛能值ODP 是0，溫室效應(yīng)潛能值是1。溫室效應(yīng)強(qiáng)度是R134a 等制冷劑的千分之一。

2）其運(yùn)動粘滯系數(shù)低；相同的應(yīng)用條件下系統(tǒng)的壓縮比低，單位容積制冷量大，且具有很好的傳熱性能。

3）來源廣泛，二氧化碳原料價格低廉。

4）其安全性等級是A1，無毒、不可燃，且對于常用材料不具有腐蝕性。

2.3.2 二氧化碳制冷劑的缺點

其缺點也很明顯，二氧化碳制冷劑臨界溫度很低，僅31.1 ℃；且臨界壓力高，約7 MPa（如圖4 所示）。相對應(yīng)的，R134a 的臨界溫度高達(dá)101.1 ℃，臨界壓力僅4.07 MPa。二氧化碳制冷劑的該特性意味著在軌道交通列車空調(diào)應(yīng)用時，制冷系統(tǒng)將處于跨臨界循環(huán)。這時，系統(tǒng)在高壓側(cè)沒有相變、換熱全部通過顯熱的方式完成，且運(yùn)行壓力非常高；系統(tǒng)的性能也決定于高壓側(cè)換熱器出口的制冷劑溫度及其壓力，系統(tǒng)的控制策略也較復(fù)雜。

圖4 二氧化碳制冷劑跨臨界循環(huán)壓焓圖

二氧化碳跨臨界循環(huán)的主要缺點是循環(huán)效率較低，特別是在高溫環(huán)境時其能效水平衰減較嚴(yán)重。對于軌道交通列車空調(diào)應(yīng)用來說，設(shè)計工況的環(huán)境溫度一般均在35 ℃左右，而高溫工況環(huán)境溫度達(dá)到了45～48 ℃，由此帶來的系統(tǒng)能耗偏高可能是二氧化碳制冷劑技術(shù)急需提高的關(guān)鍵點。與此同時，系統(tǒng)的超高壓運(yùn)行（達(dá)到了傳統(tǒng)制冷管路壓力的5 倍以上，如圖5所示）也為管路系統(tǒng)的選型和加工工藝提出了更高的要求。

圖5 二氧化碳制冷劑臨界溫度和臨界壓力圖

3 二氧化碳制冷劑列車空調(diào)開發(fā)的關(guān)鍵點分析

與其他應(yīng)用場景的空調(diào)產(chǎn)品相比，列車空調(diào)有其固有的特點?？偨Y(jié)來說，列車空調(diào)應(yīng)做到如下幾點。

1）能耗低，對供電設(shè)備的需求小。

2）輕量化、減少整車牽引系統(tǒng)能耗。

3）成本可控。

4）應(yīng)滿足其他安全性方面的需要。

下面分別針對上述幾點，提出二氧化碳制冷劑列車空調(diào)研發(fā)時的關(guān)鍵點。

3.1 盡可能低的空調(diào)機(jī)組能耗

列車空調(diào)作為列車輔助用電設(shè)備的主要耗電者，其全年耗電占到了全部輔助設(shè)備的80%以上。同時列車空調(diào)的能耗需求決定了列車輔助逆變器的容量，間接影響列車其他設(shè)備的選型設(shè)計。

如前面所述，二氧化碳制冷循環(huán)在原理上的缺點導(dǎo)致其能效水平較低，特別是高溫環(huán)境下能效衰減較嚴(yán)重。因此需要有針對性的設(shè)計，提升二氧化碳系統(tǒng)的能效比（COP）。

該循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是制冷劑氣體壓縮、氣體換熱器中的冷卻、節(jié)流、蒸發(fā)器中的蒸發(fā)吸熱及回?zé)崞髦械亩螕Q熱；相對應(yīng)的關(guān)鍵部件分別是壓縮機(jī)、氣體換熱器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器及回?zé)崞?，系統(tǒng)原理圖如圖6 所示。

圖6 二氧化碳制冷劑跨臨界循環(huán)原理圖

通過理論分析，二氧化碳制冷系統(tǒng)具有如下性能特點。

1）其制冷量和能效比取決于氣體換熱器出口的制冷劑溫度和壓力：氣體換熱器出口的制冷劑溫度越低，系統(tǒng)的能效水平越高。該溫度恒定時，壓力越高，制冷量越大；而相應(yīng)的壓縮機(jī)功率也越高，即存在一個最優(yōu)的壓力值（稱為“最優(yōu)高壓值”），使得該溫度下的系統(tǒng)能效比最高。

2）回?zé)嵩O(shè)計可以提升二氧化碳跨臨界循環(huán)的能效比。但回?zé)嵩O(shè)計將導(dǎo)致壓縮機(jī)吸氣過熱度大，造成排氣溫度偏高。

以40 kW 的二氧化碳制冷劑空調(diào)機(jī)組為例，根據(jù)仿真結(jié)果，得出了系統(tǒng)設(shè)計的最優(yōu)方案，見表2。

表2 40 kW 二氧化碳制冷劑空調(diào)機(jī)組的系統(tǒng)配置

同時，為了優(yōu)化空調(diào)機(jī)組的制冷季節(jié)性能的負(fù)荷調(diào)節(jié)，制冷循環(huán)采用了電子膨脹閥作為節(jié)流裝置。電子膨脹閥的開度調(diào)節(jié)范圍是12.5%～100%，根據(jù)實際環(huán)境溫度的變化，實時對系統(tǒng)過熱度和高壓壓力值進(jìn)行控制。再配合壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，盡可能提升空調(diào)機(jī)組的季節(jié)能效水平。

對空調(diào)制冷系統(tǒng)進(jìn)行仿真計算（其工況見表3），采用二氧化碳制冷劑專用壓縮機(jī)，每臺空調(diào)采用相同的2 套制冷系統(tǒng)。

表3 仿真設(shè)計工況 ℃

3.1.1 二氧化碳制冷系統(tǒng)仿真計算

二氧化碳制冷系統(tǒng)仿真計算如圖7、表4 所示。

圖7 二氧化碳制冷系統(tǒng)仿真計算界面

表4 二氧化碳制冷系統(tǒng)仿真計算結(jié)果

3.1.2 二氧化碳制冷劑專用壓縮機(jī)仿真計算

通過壓縮機(jī)能力仿真計算，工作在45 Hz 時制冷量即可滿足要求，見表5。

表5 二氧化碳制冷劑專用壓縮機(jī)能力仿真結(jié)果

3.2 輕量化的空調(diào)機(jī)組設(shè)計

空調(diào)機(jī)組的主要重量來自壓縮機(jī)、換熱器、管路和機(jī)組殼體等部分。對于使用二氧化碳制冷劑的機(jī)組來說，壓縮機(jī)、換熱器、管路將帶來主要的重量增加。仍以40 kW 的二氧化碳空調(diào)機(jī)組為例說明如下。

1）由于二氧化碳跨臨界循環(huán)的運(yùn)行壓力很高，達(dá)到了傳統(tǒng)制冷劑的5 倍以上，其壓縮機(jī)需要具備更高的強(qiáng)度，最高運(yùn)行壓力達(dá)到14.5 MPa，其重量增加較多。對于40 kW 的空調(diào)機(jī)組，傳統(tǒng)R407C 制冷劑的單臺壓縮機(jī)約50kg，而二氧化碳壓縮機(jī)（活塞壓縮機(jī)）達(dá)到了85～115 kg；相應(yīng)的雙系統(tǒng)空調(diào)機(jī)組重量增加至少70 kg/臺機(jī)組。

2）換熱器、管路、閥件的設(shè)計壓力同樣應(yīng)不低于14.5 MPa，銅管應(yīng)盡可能選取較小管徑、較大壁厚；而由于換熱器面積增大，其重量也大幅度增加。預(yù)計換熱器和整個管路系統(tǒng)的重量將增加40 kg/臺機(jī)組。

綜上，該空調(diào)機(jī)組預(yù)計比傳統(tǒng)的R407C 空調(diào)增重約110 kg。按照原R407C 空調(diào)機(jī)組700 kg 計算，增重約15.7%。

為了滿足列車組裝的需求，應(yīng)該在殼體設(shè)計中做到減重設(shè)計，比如使用鋁合金材質(zhì)替代傳統(tǒng)的不銹鋼。經(jīng)理論計算，該設(shè)計改進(jìn)將使得殼體減輕約60 kg。壓縮機(jī)、換熱器等設(shè)備重量的大幅度增加，為殼體的局部強(qiáng)度和剛性設(shè)計也帶來了更大的挑戰(zhàn)。需要借助CAE數(shù)值仿真技術(shù)對空調(diào)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析和優(yōu)化，對強(qiáng)度過度設(shè)計的結(jié)構(gòu)使用較薄的板材或者減少加強(qiáng)結(jié)構(gòu)來降低空調(diào)整體強(qiáng)度，補(bǔ)足由于壓縮機(jī)、換熱器等增重而帶來的結(jié)構(gòu)需求。

3.3 低成本的空調(diào)機(jī)組設(shè)計

空調(diào)產(chǎn)品的直接成本構(gòu)成來自兩個主要方面：材料成本和加工成本。由于目前二氧化碳制冷循環(huán)在空調(diào)領(lǐng)域的成熟應(yīng)用并不廣泛，造成壓縮機(jī)、管路閥件、傳感器的成本居高不下；而由于系統(tǒng)高壓運(yùn)行帶來的工藝提升的需要，管路的加工成本也大幅度增加。

據(jù)統(tǒng)計，某型二氧化碳制冷劑空調(diào)機(jī)組的直接成本將高出原R407C 制冷劑一倍以上。

為了盡可能減少產(chǎn)品成本、增強(qiáng)產(chǎn)品的競爭力，有如下幾點將是可行的方向。

1）通過各種設(shè)計提升，推動二氧化碳技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，從供應(yīng)鏈整體降低主要部件（特別是制冷壓縮機(jī)）和原材料的成本。

2）通過設(shè)計優(yōu)化，盡量減少系統(tǒng)部件的數(shù)量，比如使用單制冷系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的雙制冷系統(tǒng)，從而降低材料成本。

3）通過材料優(yōu)選，使用快速連接工藝替代釬焊工藝，縮短加工工時。

3.4 安全性方面的考慮

二氧化碳的密度高于空氣，在軌道交通列車空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用時，需要重點關(guān)注其泄漏帶來的安全性問題。一般來說乘客車廂的二氧化碳濃度應(yīng)不高于3 500 ppm，否則可能帶來窒息的風(fēng)險。因此，為了滿足安全性的要求，需要在車廂內(nèi)部、空調(diào)內(nèi)部布置二氧化碳濃度傳感器，避免由于泄漏導(dǎo)致的窒息風(fēng)險，這些將成為二氧化碳列車空調(diào)機(jī)組的必備部件。

系統(tǒng)高壓安全是另外一個需要關(guān)注的問題。二氧化碳制冷系統(tǒng)運(yùn)行時以及高溫環(huán)境存儲時系統(tǒng)壓力較高，除了保證系統(tǒng)密封防止制冷劑泄漏，需要采取高壓防爆設(shè)計，設(shè)置機(jī)械泄壓閥，當(dāng)系統(tǒng)壓力超過泄壓閥設(shè)定值時，二氧化碳制冷劑將自動泄放到大氣環(huán)境中，保證安全。

4 結(jié)束語

制冷劑的更新迭代是人們關(guān)注的熱點，其排放帶來的環(huán)保問題也越來越受到重視。二氧化碳作為環(huán)保的天然制冷劑，其在軌道交通列車空調(diào)中的推廣應(yīng)用具有積極的價值；但二氧化碳制冷系統(tǒng)存在其原理上的劣勢，需要有針對性地對軌道交通列車空調(diào)機(jī)組的制冷系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。

隨著相關(guān)研究工作開展越來越多，相信二氧化碳制冷系統(tǒng)及其配件也將有長足的進(jìn)展，使得軌道交通列車二氧化碳制冷劑空調(diào)在其性能、成本、重量等方面具備更大的整體優(yōu)勢，從而使得該新型環(huán)保空調(diào)產(chǎn)品得以逐步廣泛進(jìn)入市場。