司春強，李佳美，孫志利

（1-華商國際工程有限公司，北京 10069；2-天津市制冷技術重點實驗室，天津 300134）

0 引言

商超制冷指冷鏈、冷庫、超市、展示陳列柜和冷風機等制冷應用，主要用于處理、運輸和貯存魚肉果蔬和飲料等產品[1-2]。商超制冷系統大多采用蒸汽壓縮式，以單級蒸氣壓縮式制冷系統為主，主要采用氟利昂類制冷劑。近年來，在臭氧層破壞和溫室效應的大趨勢影響下，單級蒸氣壓縮式制冷系統中應用的制冷劑替代問題逐漸成為研究熱點，新的環保制冷劑如R290、R32、CO2等逐漸進入商業化應用領域[3-6]。新的制冷劑應用所面臨的共性問題是可燃性高、效率低或運行壓力高等技術問題。因此大量的研究工作聚焦在如何解決或改善這些技術難題，尤其是針對CO2制冷劑在商超制冷系統的應用問題。

目前，國內商超應用的制冷系統大致可分為四種：1）單級蒸氣壓縮式制冷系統；2）采用載冷劑系統的蒸氣壓縮式制冷系統（載冷劑可選擇為常規無相變載冷劑或有相變載冷劑，如CO2）；3）CO2應用于低溫級的復疊式制冷系統；4）CO2跨臨界雙級壓縮制冷系統。

商超制冷系統用單級蒸氣壓縮式制冷系統，一般分成低溫及中溫兩套系統：中溫機組為中溫冷柜/冷庫提供制冷，低溫機組服務于低溫冷柜/冷庫，兩套系統相互獨立，互不影響。中溫系統多采用R22制冷劑，低溫系統則多采用R22/R404A制冷劑。CO2應用于商超制冷系統中的跨臨界循環常為圖1所示的雙級壓縮系統，采用兩臺壓縮機能有效降低壓比，提高循環效率。循環將中、低溫冷柜/冷庫耦合在一個系統中，通過控制進入蒸發器的制冷劑壓力不同，實現不同溫度的制冷。圖2為CO2應用于低溫級的復疊式制冷系統，高溫采用HFC/HFO等環保制冷劑。高溫級工質向外界環境放出熱量，同時為低溫級與中溫冷柜/冷庫提供冷量；低溫級冷凝溫度低于臨界溫度，CO2在低溫級進行亞臨界循環，和高溫級通過冷凝蒸發器進行換熱，為低溫冷柜/冷庫提供冷量[7-8]。

圖1 CO2跨臨界雙級壓縮制冷系統

圖2 HFC/HFO-CO2復疊式制冷系統

在實際商超制冷系統中，CO2跨臨界雙級壓縮系統在制冷劑替代趨勢下有著較大的優勢，但其應用效果還與室外環境有關，歐洲等國夏季溫度不高，使用CO2跨臨界雙級壓縮系統較合適，我國夏季溫度較高，使用CO2跨臨界雙級壓縮可能會出現制冷效果差、制冷效率低等問題[9]。由于建設成本及使用區域的限制，現階段我國已建成CO2制冷系統和計劃建設的使用HFC/HFO-CO2復疊系統[10-15]。

關于市場上出現的CO2商超制冷系統的制冷能力及能效標準，目前還沒有一個標準化的測評方法及流程。因此，本文針對HFC/HFO-CO2復疊系統，提出具體的數據采集、能效測試及評價方法，為超市制冷系統的檢測與評價提供思路。

1 CO2制冷系統能效測試及評價方法

1.1 單級蒸氣壓縮式制冷系統和采用CO2載冷劑的蒸汽壓縮式制冷系統

對于單級蒸氣壓縮式制冷系統和采用載冷劑的蒸汽壓縮式制冷系統，其測量與數據處理方法較為簡單，系統制冷量為系統單位時間內通過末端冷柜的蒸發器從被冷卻物體中吸取的熱量，即單位時間內冷柜中產生的冷量，其計算方法如下：

超聲波流量計測量的制冷劑液體體積流量V和制冷劑液體密度ρ，換算為質量流量：

則制冷量Q為：

式中：

m——低溫機組供低溫末端流量，kg/s；

h4——末端蒸發器出口氣體制冷劑焓值，kJ/kg；

h1——末端蒸發器進口液體制冷劑焓值，kJ/kg。

系統能效比（COP）即為循環產生的冷卻效果與輸入熱量或驅動循環所需的功率之比，是評價商超制冷系統綜合能效的重要指標[16-17]，COP可按式(3)計算：

式中：

P——機組電功率，包括壓縮機組、泵、冷凝器、控制器及所有制冷系統運行必要設備的電功率，kW。

1.2 HFC/HFO-CO2復疊式制冷系統

我國商超CO2制冷系統多為復疊式蒸汽壓縮式制冷系統，高溫級用R134a做制冷劑，低溫級用CO2做制冷劑，圖3為其壓焓圖[16-21]。

CO2商超制冷系統分為低溫級與中溫級，制冷量計算對評價系統而言，只需要計算低溫級冷柜制冷量即可。為驗證數據一致性，多方面對比數據，可分別計算各部分制冷量。具體如下：

低溫級末端冷柜制冷量QL：

式中：

mL——低溫機組供低溫末端流量，kg/s；

hL5——低溫冷柜蒸發器出口制冷劑焓值，kJ/kg；

hL8——低溫冷柜蒸發器進口制冷劑焓值，kJ/kg。

高溫級末端冷柜制冷量Qm：

式中：

mm——高溫末端流量，kg/s；

h4——高溫冷柜蒸發器出口制冷劑焓值，kJ/kg；

h1——高溫冷柜蒸發器進口制冷劑焓值，kJ/kg。

中溫供低溫機組冷凝蒸發器中的換熱量Qhex：

式中：

mhex——中溫供低溫機組冷凝制冷劑流量，kg/s；

hhexo——中溫供低溫機組冷凝蒸發器出口氣體制冷劑焓值，kJ/kg；

hhexi——中溫供低溫機組冷凝蒸發器進口液體制冷劑焓值，kJ/kg。

中溫機組總制冷量Qsum：

式中：

msum——中溫總供液流量，kg/s；

hsumo——中溫機組壓縮機吸氣制冷劑焓值，kJ/kg；

hsumi——中溫供液液體制冷劑焓值，kJ/kg。

因中溫機組總供液管分為供中溫冷柜和低溫機組冷凝蒸發器兩路回路，故msum等于mhex和mL之和。

低溫系統能源消耗由兩部分組成，一部分為低溫機組本身耗電，另一部分為中溫系統中冷凝蒸發器為低溫級提供冷凝冷量所消耗的電量，這部分耗電無法直接測量需要進行折算。計算方法如下：

a）折算系數

式中：

A——中溫級冷凝蒸發器一路制冷劑流量占中溫級總制冷劑流量比例，A＜1；

B——中溫級冷柜制冷劑流量占中溫級總制冷劑流量比例，B＜1，A+B=1。

b）機組耗電

c）低溫機組能效比

d）高溫機組能效比

式中：

P——系統消耗總功率，kW；

PL——低溫機組總消耗電功率，kW；

PLreal——低溫機組直接電功率，即低溫級壓縮機消耗功率，kW；

PLcompr——低溫機組折算電功率，kW；

Pm——中溫機組總消耗電功率，kW。

對于CO2跨臨界雙級壓縮制冷系統的數據處理可參考此思路進行數據處理，但涉及Booster系統的制冷能效測試及評價方法可根據實際情況略作調整。

圖3 CO2商超制冷系統壓焓圖

2 實驗參數的測量及數據處理方法

2.1 參數測量

2.1.1 商超制冷系統能耗測量

商超制冷系統的能耗主要受系統工作環境以及超市室內設計參數影響，能耗測試主要是對制冷系統耗電量、運行電流等電參數的采集測量。檢測時分項測量壓縮機、冷凝器、柜體風機等制冷系統各用電部分的實時電功率和總電能消耗。數據采集連續24 h以上。根據各部分的運行功率結合流量、壓力等參數，綜合分析系統運行工況和運行狀態。通過明確每個單獨設備的供配電情況，安排測量順序。

2.1.2 制冷劑流量測量

制冷量的計算是制冷系統評價的重要組成部分。其中最關鍵的問題是對流量的檢測。因不能斷開原有系統安裝流量計，只能采用超聲波流量計類外置測量設備。考慮到設備本身特性和現場實際情況，流量的采集只有在特定的位置才能得到準確的結果。如必須在滿液管段測量，并避開變徑和管道拐彎位置等。

2.1.3 制冷系統綜合效率測量

每完成一個制冷系統檢測后，及時分析處理檢測數據，計算制冷系統的能效比（COP），并綜合考慮外界環境、顧客活動影響、補貨時間、貨品冷負荷等因素，給出整個制冷系統的綜合評價。

2.2 數據處理方法

2.2.1 外部參數的調查記錄

在進行實際測量之前，需要了解被測系統的相關信息，包括系統基本信息，如系統中所用冷柜的型號、制冷劑類型、有效容積等，如表1所示；以及系統中所用主要設備的參數信息，如表2所示。信息可來源于設備銘牌、廠家提供的資料以及超市技術輔助人員等。

2.2.2 內部工作參數的實際測量

為了綜合分析計算系統制冷量、能耗及能效水平，還需要測量系統正常運行時的關鍵運行參數。

1）單級蒸氣壓縮式制冷系統和采用CO2載冷劑的蒸汽壓縮式制冷系統

對于單一循環管路的傳統商超制冷系統，可參照表3中的參數及測量方法測量，使用焓差法計算系統實際制冷量。

如現場實際情況無法事先確定，在電參數測量時需要根據實際系統配電情況進行。如果電參數采集設備數量限制，優先保證能夠檢測制冷系統各部分總耗電量。條件允許情況下，還需要測量單個壓縮機機頭、冷凝器單個電機或水泵電參數。如果單臺末端設備（冷柜/冷庫）耗電方便測量，還需要選擇性檢測單臺末端設備。

對于不同的超市供電系統，往往需要不同的測量方法，對于以下3種情況，可按參考方法進行測量。

a）壓縮機機頭、冷凝器有一根總供電，末端設備單獨供電。

一組電流互感器接于總供電線路，并檢查供電線路中是否包括其他機組運行必需的用電設備，如控制器、輔助散熱風扇等。所有機組運行的必需耗電設備均應包含在內。如被測線路中還包括其他設備用電，則必須單獨測量與機組運行無關的耗電情況，并在機組耗電量計算中剔除。另外一組接于末端供電總線路，能夠測量所有末端冷柜和冷庫的耗電情況，并注意檢查冷柜融霜供電是否包含在內。

b）壓縮機機組、冷凝器分別各有一根總供電。末端設備單獨供電。

需要至少3套設備同時分別測量這3部分電參數。同時需要注意前述問題。

表1 商超制冷系統基本信息采集

表2 商超制冷系統主要設備參數信息采集

c）壓縮機機組、冷凝器均無總供電線路。

此種情況下，在儀表數量數量足夠情況下，需要同時分別測量各耗電部分，不遺漏每個耗電設備。如冷凝器運行穩定，且同型號冷凝器啟停狀況相同，可選擇每種型號冷凝器中的一臺測量，并推算冷凝器總耗電。對壓縮機，如能保證幾個機頭運行情況相同，也可通過一臺壓縮機推算整個壓縮機組耗電量。此種方法僅為條件不具備情況下的估算，并不能完全準確體現系統結果。

2）HFC/HFO-CO2復疊式制冷系統

對于以CO2做低溫級的復疊式商超制冷系統，參照表4測量中溫及低溫回路運行參數，同樣采用焓差法計算系統實際制冷量。

表3 傳統商超制冷系統測量參數及方法

表4 HFC/HFO-CO2復疊式制冷系統測量參數及方法

2.3 溫度的測點布置及數據處理

2.3.1 測點位置及數量

測量點可根據冷柜實際情況，按照如下原則選擇合適位置。在以下位置中選擇合適位置布置。立式冷柜和臥式冷柜應分別布置，同一型號類型不少于3個：

a）立式冷柜與臥式冷柜均應分別布置測溫點；

b）每組冷柜或同一供冷管路冷柜中需選擇不少于2個冷柜布置測溫點，每組冷柜總測溫點數量不少于4個；

c）測溫點優先布置于冷柜回風處，并保證每組冷柜出風處有測溫點；對冷柜自身測溫點在柜內的，如方便可在旁邊布置一測溫點用于比對；

d）條件允許或柜內溫度明顯異常，可在柜內放置實驗負載包，負載包中插入熱電偶連續采集。

還應采集記錄超市內環境溫濕度，溫度測量點應能反映超市冷柜附近溫度且不受冷柜影響。

2.3.2 儀表及采集周期

在測試溫度時，宜采用下列一種或幾種儀表：

a) 熱電偶；

b) 鉑電阻溫度計；

c) 熱敏電阻溫度計；

d) 干濕表；

e) 其他便于遠傳且滿足測量精度的溫度測量儀表。

在測試濕度時，宜采用下列一種或幾種儀表：

a) 電子濕度傳感器；

b) 通風干濕表；

c) 其他便于遠傳且滿足測量精度的濕度測量儀表。

儀表應需能夠連續采集和記錄溫度數據，記錄周期不長于1 min，且儀表精度應滿足表5要求。

表5 溫度、濕度測量儀表試驗允差和精度要求

2.3.3 溫度數據處理

溫度數據以每組冷柜為單位，如同一組冷柜由不同壓縮機組或2根供液管路供液則分別計算。可參考下列參數和計算方法。

a）平均溫度

同一時刻各點溫度的算術平均值。

式中：

τ——時刻；

n——布置的溫度測點總數。

b）工作溫度

不同時刻平均溫度tc(τ)的算術平均值。

式中：

τ——時刻；

N——試驗時間內按一定時間間隔和順序進行測量的總次數。

c）平均溫度波動值

式中：

tcmax——平均溫度tc(τ)的最大值，℃；

tcmin——平均溫度tc(τ)的最小值，℃。

d）溫度差值

同一時刻，不同測點上溫度tc(i)差值的最大值。

e）溫度不均勻性

不同時刻，溫度差值tc(τ)的最大值。

f）平均溫差

各測點（i個測點）溫度的總平均值的最高值與最低值的差值。

式中：

t(i, τ)——溫度，℃；

τ——時刻；

i——布置的測溫點；

N——試驗時間內按一定時間間隔和順序進行測量的總次數。

其中，工作溫度、平均溫度波動為必需計算參數，其余參數可根據情況計算。實際測試中，由于存在融霜情況，上述部分參數計算周期可選擇融霜間隔穩定運行階段。

除上述參數外，還應繪制測試周期內的平均溫度曲線，以直觀反映柜內溫度變化情況。

2.4 實驗驗證

依據文中的測試方法，在武漢地區對采用R22、R404A和R134a/R744不同工質的制冷系統的超市同時開展測試實驗，結果表明，3種系統的低溫部分制冷綜合效率分別為1.02、1.02和1.09，表明二氧化碳技術在低溫商超制冷領域具有一定優勢，性能高于氟利昂制冷系統7%。

3 結論

對商超制冷系統的主要評價應著眼于系統中末端冷柜內的溫度水平是否達到標準以及系統的綜合能效比。依據本測試評價方法，通過對同一地區采用不同工質R22、R404A和R134a/R744制冷系統的超市進行實測評價。在溫度性能滿足需求的情況下，3種系統的低溫部分制冷綜合效率分別為1.02、1.02和1.09，表明二氧化碳技術在低溫商超制冷領域具有一定優勢。

詳細的檢測方法與評價體系有助于綜合分析商超制冷系統的制冷水平，為進一步優化改進系統、提高經濟效益和挖掘節能效果提供了基礎參考資料。商超用CO2制冷系統能效測試及評價方法的提出，對商超用CO2制冷系統測試評價工作以及相應的提效等節能工作提供理論依據和技術指導。