跨臨界CO2蒸氣壓縮式制冷與熱泵技術綜述

宋昱龍 王海丹 殷 翔 曹 鋒

(西安交通大學能源與動力工程學院 西安 710049)

隨著現代化進程的不斷加速，中國已躍居全球最大的能源消耗國[1]。其中，交通、工業、商業、民用領域內冷、熱能源供應總量逐年增加，建筑能耗約占全國終端總能耗的31.4%，而由建筑能耗引發的碳排放量約占全國碳排放量的30%～40%[2-3]，其中建筑物內的生活熱水需求約占建筑能耗的40%以上[4]。由此可見，現代生活中工業、商業及民用領域內對于制冷、制熱的技術進步、產業變革提出了強烈需求。傳統一次能源燃燒式供熱方法以及氟利昂制冷技術多年來廣泛普及，該技術能源利用效率低、環境友好性差，引發了能源危機、臭氧層空洞、溫室效應、霧霾、冰川消融、海平面上升、干旱和洪水等問題[5-6]。

繼CFC、HCFC之后，《蒙提利爾議定書》基加利修正案正式明確了各國對HFC類制冷劑的限控義務，在臭氧層保護初見成效之后，強溫室效應氣體的管控成為制冷行業技術轉型的主要目標[7]。在該背景下，CO2作為純天然工質，無毒、不可燃、ODP(臭氧破壞指數)為0、GWP(溫室效應指數)極低、低溫流動性、換熱性與高溫制熱性能俱佳，能夠兼顧工業、商業及民用范圍內的絕大多數制冷、制熱需求的制冷劑替代方案[8]。前國際制冷學會主席G.Lorentzen教授提出CO2跨臨界循環模式后[9]，CO2在全球范圍內得到了充分的發展，甚至被廣泛認可為制冷劑替代工作的最終路線。

除了環保效益外，CO2具有很好的低環境溫度適應性與高溫制熱能力，因此，CO2制冷或熱泵系統逐漸深入到車輛空調、建筑采暖與熱水供應、烘干產業、商超冷鏈、冰雪運動及其他冷熱綜合供應領域中。早期研究中，歐洲、日本和美國學者引領了該行業中的主要風潮；而在近十多年的研究中，國內各高校如天津大學、西安交通大學、上海交通大學、天津商業大學等紛紛對跨臨界CO2循環進行了大量深入研究，得到了一系列重要成果。有關CO2制冷劑的研究現狀的綜述性文章大多針對跨臨界CO2循環的理論發展[10-12]，或專注于理論基礎[13-15]、系統設計[16]、車輛行業[17]、換熱性能[18]、壓力能回收方法[19]、商超應用[20]、熱泵熱水應用[21]、熱泵系統及部件的結構優化[22]、過冷技術[23]等具體性能提升方法，并未結合實際應用背景詳細論述跨臨界CO2制冷制熱技術在不同行業中的研究現狀與發展趨勢，對工程化或產業化的指導性相對較弱。因此，本文將分別討論跨臨界CO2制冷制熱技術在車輛空調、建筑采暖與熱水供應、烘干產業、商超冷鏈等領域中的應用與研究現狀，并總結最新的研究成果，為跨臨界CO2技術在多個行業內的工程化及產業化提供參考。

1 跨臨界CO2蒸氣壓縮式制冷循環

在跨臨界CO2循環中，高壓放熱過程在臨界點之上的超臨界區域內，低壓吸熱過程在亞臨界區域內，因此被稱為跨臨界循環，其壓焓圖如圖1所示。在循環中，高壓側CO2換熱過程中不出現冷凝(相變)過程，稱之為類顯熱交換；而低壓側CO2換熱過程中仍然出現蒸發(相變)過程，為潛熱交換。

圖1 典型跨臨界CO2循環p-h圖

典型跨臨界CO2熱泵熱水器系統流程圖如圖2所示，系統由壓縮機、氣體冷卻器、中間換熱器、膨脹閥或膨脹設備、蒸發器及氣液分離器6部分組成。與典型亞臨界循環相比，由于不存在相變，因此跨臨界CO2循環中的高壓側換熱器由冷凝器變為氣體冷卻器。超臨界換熱過程不同于一般的顯熱換熱，在超臨界區，CO2的大多數物性均隨著溫度和壓力的變化而發生改變，且在假臨界點[24]附近發生劇烈變化。因此，在氣體冷卻器內，CO2的換熱被定義為類顯熱換熱，其熱物性被考慮為溫度、壓力的雙值函數。

圖2 典型跨臨界CO2熱泵熱水器系統流程圖[25]

跨臨界CO2循環中，低溫低壓的CO2被壓縮機壓縮后進入超臨界區，與外部介質發生類顯熱放熱；冷卻后的高壓CO2進入中間換熱器與蒸發器出口的低溫低壓的CO2換熱，從而進一步實現降溫并提高吸氣側過熱度；經過中間換熱器后的CO2進入膨脹裝置節流至低溫低壓兩相狀態，之后進入蒸發器吸收熱量并蒸發后，經氣液分離器、中間換熱器，之后重新進入壓縮機，完成一個循環。

基于典型跨臨界CO2系統的結構特點與循環方式，其基本特征總結如下：

1)高壓側類顯熱放熱過程中CO2溫度持續降低，因而可將換熱介質持續加熱至很高的溫度；

2)排氣壓力要高于7.377 MPa[24]，且系統的運行壓力相比于常規制冷系統顯著提高；

3)跨臨界CO2循環的高、低壓壓差遠大于常規制冷劑循環的壓差[24]，但壓比較小；

4)CO2的單位容積制冷量遠大于常規制冷劑，因此跨臨界CO2循環內壓縮機體積、系統管路尺寸、換熱器及相關部件體積均大幅降低；

5)由于CO2具有較好的流動物性[26]和傳熱物性，跨臨界CO2系統換熱器的體積和流通管道尺寸相比傳統制冷劑系統大幅降低。

2 跨臨界CO2車輛熱泵空調技術

由于發動機余熱的缺失，新能源汽車只能依靠輔助電加熱實現制熱，造成冬季續航里程急速衰減。跨臨界CO2循環以其優異的制熱特性和環保特性，成為車用空調領域熱泵空調的替代方案之一。

2.1 乘用車跨臨界CO2技術

2.1.1 CO2空調與R134a的對比

1990年，G.Lorentzen等[27]首次提出跨臨界CO2循環，就是針對乘用車空調系統，隨后其研究團隊搭建了世界上首臺CO2汽車空調系統，驗證了其可行性[28]。在性能對比方面，伊利諾伊大學[29]、馬里蘭大學[30]等科研單位和三電[31]、尼桑[32]等企業，在全環境溫度和不同行駛工況下對比研究了CO2與R134a的制冷能力，驗證了CO2汽車空調可以獲得與R134a相當的制冷量，但在怠速、城市工況、高溫工況下能效略低；在打冷效果方面，2000年日本卡索尼克公司在國際汽車工業替代制冷劑大會上發表結果表明，CO2乘用車空調系統的降溫能力不低于R134a系統，隨后，戴姆勒公司指出CO2系統能夠提供更低的車廂溫度和更短的快速打冷時間[33]。S.Memory等[34]進行了寶馬328i型轎車的打冷實驗，結果表明跨臨界CO2空調系統的快速打冷時間比R134a縮短近15 min。同時，A.Dragi[35]的實驗結果表明，快速打冷后，CO2系統蒸發器側空氣送風溫度比R134a低6 ℃。跨臨界CO2循環的制熱特性明顯優于R134a系統[36]。

2.1.2 實現形式

乘用車熱泵空調具備制冷、制熱、除濕除霧、化霜等功能。圖3所示為直接式CO2熱泵空調實現形式，采用四通換向閥實現制冷制熱兩大基本功能的切換，該系統簡潔緊湊，管路連接簡單；采用直接換熱避免二次換熱損失；執行部件少，控制易實現。在該基本形式下，衍生如圖4所示的實現形式，即帶除濕除霧功能的直接式CO2熱泵空調實現形式。在空調箱內增加一個換熱器，制冷模式下，打開空調箱風門，便可實現先除濕后加熱，達到對擋風玻璃除霧的目的。隨著CO2空調的發展，四通閥、雙向節流閥等主要部件逐漸成熟，該方案也將成為較為主流的實現形式。

圖3 直接式CO2熱泵空調實現形式[37]

圖4 帶除濕除霧功能的直接式CO2熱泵空調實現形式

受四通換向閥、雙向節流閥等部件成熟度限制，另一種CO2熱泵空調將空調箱內的制熱和制冷換熱器分開，即閥件組合直接式CO2熱泵空調實現形式，如圖5所示。系統含兩個節流閥、兩個旁通閥、一個車外換熱器、一個車內制冷換熱器、一個車內制熱換熱器等。該方案避開使用四通換向閥，提升了系統可靠性，但額外增加了換熱器、節流閥和旁通閥，使系統成本增加。

圖5 閥件組合直接式CO2熱泵空調實現形式[38]

由于跨臨界CO2循環的高壓特性，運行高壓可達10 MPa以上，存在安全隱患。圖6所示為間接式CO2熱泵空調實現形式，正是應對上述缺點，將高壓部件全部放在乘員艙外，通過二次回路實現熱和冷的傳遞。但二次回熱導致CO2循環氣體冷卻器出口溫度升高，引發性能惡化，尤其在高溫下十分顯著。綜合直接式和間接式的優缺點，Valeo的半間接式循環如圖7所示[39]，車外換熱器采用直接換熱，車內換熱器為間接換熱，克服了高溫制冷條件下二次換熱導致性能衰減的問題，同時成員艙內沒有高壓部件，但系統復雜程度大大增加。

圖6 間接式CO2熱泵空調實現形式[39]

圖7 半間接式CO2熱泵空調實現形式[39]

上海交通大學陳江平團隊對比研究了CO2直接式和間接式系統性能，與傳統系統相比，間接系統使系統加熱能力下降6%，壓縮機功耗增加15%，COP降低19%。與直接系統相比，間接系統的氣體冷卻器出口溫度從34.3 ℃升至40.5 ℃，壓力從9.2 MPa增至10.8 MPa，性能惡化顯著[40]。

2.1.3 性能研究

乘用車跨臨界CO2熱泵空調性能參數及其影響的研究較多。最優排氣壓力方面，S.C.Kim等[41]通過實驗給出了與氣體冷卻器出口溫度相關的最優高壓經驗關聯式，上海交通大學的Wang Dandong等[42]在對跨臨界CO2汽車空調的制熱性能研究基礎上，也提出了最優壓力的預測公式，其預測值比S.C.Kim等[41]的預測值低，但比Yang W.W.等[43]的預測值高。此外，M.S.Kim等[44]也通過添加高壓擾動的方法，試圖實時尋找系統的最優壓力，但實驗結果運行參數存在明顯振蕩，也并未應用于乘用車熱泵空調。系統影響參數方面，S.C.Kim等[45-47]針對環境溫度、風量、進/出風溫度、壓縮機轉速等變量對跨臨界CO2熱泵空調性能的影響進行了充分研究。

性能提升方面，中科院理化所田長青研究團隊采用兩級轉子壓縮機搭建了跨臨界CO2熱泵空調系統，分別在-20～0 ℃和35、45 ℃下研究了制熱和制冷特性，并與跨臨界CO2基本循環進行了對比，結果顯示，制熱條件下帶中間冷卻的系統制熱量和能效分別提升50%～132%和18.9%～61.9%，制冷條件下帶中間冷卻系統制冷量和能效分別提升19.8%和12.8%[48-49]。此外，H.Cho等[50]研究指出CO2熱泵空調存在最優的充注量，Wang Dandong等[51]實驗研究了跨臨界CO2熱泵空調的充注量影響特性，將充注量分為欠充區、平臺期、過充區。在此基礎上，Yin Xiang等[52]使用無量綱數表征充注量，全面闡述了隨著環境溫度、壓縮機轉速等變化，跨臨界CO2熱泵空調欠充區、平臺期、過充區的轉變分界。CO2為高壓工質，適當降低充注量可增加系統的安全性，在保證性能的前提下，需綜合考慮設計運行范圍，通過極限工況充注量平臺期的差值給予氣液分離器容積設計參考，盡可能降低系統的總充注量。

乘用車熱泵空調一般采用快速接頭、軟管等形式連接，其壓降對系統總體性能有較大影響，C.Subei等[53]通過CFD和一維模型，分別研究了跨臨界CO2熱泵空調的管路壓降，并指出管路壓降在系統仿真研究中不應被簡單忽略。

2.2 客車及軌道車輛跨臨界CO2技術

在氟化烴制冷劑替代的大背景下，客車及軌道車輛行業也在積極尋求下一代制冷劑。西安交通大學曹鋒研究團隊在2019年制冷年會上展示了其研發的客車跨臨界CO2熱泵空調樣機，并搭建了完整的制冷制熱動態仿真模型進行了深入研究。上海交通大學陳江平研究團隊研發了跨臨界CO2軌道車輛空調樣機，在45 ℃環境溫度下，制冷量達到16.2 kW，系統能效為1.5[54]。C.Luger等[55]采用多目標優化設計方法，對軌道車輛跨臨界CO2熱泵空調系統進行建模優化，通過人工神經元方法獲得了體積更緊湊、質量更輕、功耗更低的軌道車輛跨臨界CO2熱泵空調設計方案。客車及軌道車輛的跨臨界CO2熱泵空調尚處于起步階段，但其結構形式更接近商用跨臨界CO2熱泵采暖及熱水器機組，充注量相對較多，系統所需功能也更為簡單，因此熱泵方面的相關經驗較為充足。此外，客車運行地理區域和氣候類型相對固定，在較為寒冷地區推廣客車跨臨界CO2熱泵空調，更能發揮其優異的制熱特性。

3 跨臨界CO2熱泵熱水器技術

工業、商業及民用領域中，熱水供應一般是能耗最大的產業之一。研究顯示，采用熱泵系統進行熱水供應可以每年節省相當于500 MW的基礎能源消耗率[56-57]，節能空間十分廣闊。考慮到跨臨界CO2循環優異的高溫制熱性能，該技術在熱水或供暖領域已得到充分發展，能夠在幾乎所有環境條件下穩定制備80 ℃以上的生活熱水[58]及55～75 ℃的供暖熱水[59-60]。本節基于直熱式熱泵(自來水一次加熱至高溫狀態供給用戶，用戶使用并排放)和循環式熱泵(用戶僅使用熱量，降溫后的熱水回到熱泵中循環加熱)兩方面對跨臨界CO2技術的發展現狀進行描述。

3.1 直熱式熱泵熱水技術

由于優異的一次加熱式高溫出水特性，跨臨界CO2循環適宜被用作直熱式熱泵熱水器，該循環以及p-h圖如圖8所示[61]。由圖8可知，隨著排氣壓力上升，制熱量呈現出先快速上升，后緩慢上升的趨勢，而壓縮功率的上升幾乎保持線性。因此，循環COP也將呈現出先增大后減小的趨勢，衍生了最優排氣壓力的概念。同時，由于循環中高低壓差巨大，節流過程中存在顯著的不可逆損失，因此一般性能較差，如何在不同應用場合下提升跨臨界CO2循環性能，是過去數年間該領域的研究熱點，眾多學者針對不同性能提升方法進行了大量研究。

圖8 典型跨臨界CO2系統最優排壓示意圖[61]

3.1.1 回熱器的引入

增加吸氣過熱度雖然能夠增加循環制冷/制熱焓差，但同時減小了吸氣密度和制冷劑流量，因此跨臨界CO2循環引入回熱器后，性能提升與否仍需結合物性進一步討論。

帶與不帶回熱器的跨臨界CO2循環的性能對比如圖9所示，發現循環內存在一個臨界效應，主要體現在排氣壓力和氣體冷卻器出口溫度兩個參數上。當跨臨界CO2循環的排氣壓力低于某一臨界壓力值，且氣體冷卻器出口溫度高于某一臨界溫度值時，循環引入回熱器具有正面效果；反之則會使系統性能出現衰減[62]。S.G.Kim等[63]的研究證明了該結論。除了這兩個主要參數外，蒸發溫度同樣應作為一個重要的獨立變量[64]。然而，若從火用效率的角度考慮，跨臨界CO2循環中引入回熱器必然會增大系統內各個位置的不可逆損失，因此整個系統的火用效率必然降低[65]。

圖9 帶與不帶回熱器的跨臨界CO2循環[62]

上述研究中，回熱器的引入可使跨臨界CO2循環性能提升約10%～15%[62,66]。然而，考慮到多數制熱工況下熱流媒介的進口溫度較低而循環的排氣壓力較高，回熱器一般不適用于制熱工況。

3.1.2 雙級壓縮

跨臨界CO2循環中實現雙級壓縮有兩種方式：閃發器與經濟器，如圖10所示[67-69]。帶閃發器的雙級壓縮跨臨界CO2循環較為簡單，只需將膨脹過程和壓縮過程各自分為兩級，兩級膨脹裝置之間放置閃發器，一級膨脹后產生的氣相部分被引入二級壓縮機吸氣口即可。這樣不僅能夠大幅增加制熱量，還可以有效降低循環的最優排氣壓力及相應排氣溫度，為系統安全性提供了保障，適宜在較低環境溫度下使用[67]。由雙級壓縮的固有屬性可以推斷，除最優排氣壓力外，雙級壓縮系統中還必定存在另一個可優化量，即最優中間壓力，上述兩個可優化量均受到氣體冷卻器出口溫度、蒸發溫度、系統部件幾何特性等工況參數的影響[67]。

圖10 帶閃發器或經濟器的雙級壓縮跨臨界CO2循環[67-69]

除閃發器外，引入經濟器的雙級壓縮跨臨界CO2循環同樣可以大幅提升性能，不僅在-23.3～7.2 ℃蒸發溫度范圍內使COP增加30%以上，且系統內最優排氣壓力及相應排氣溫度均有效降低[68]。C.Baek等[70-72]針對閃發器、經濟器、閃發器加回熱器等3種雙級壓縮跨臨界CO2循環的實現方式進行了深入的研究，結果表明，雖然上述3種循環實現方式均能有效提升循環整體性能，但經濟器方式的提升效果最好、工況適應性最強，是最為值得推廣的性能提升方式。

3.2 循環式熱泵熱水技術

戶用型跨臨界CO2熱泵熱水器在日本等國家發展迅速。類似的，國內市場冬季供暖領域對于熱水的需求量十分巨大，溫度需求一般在55～75 ℃，分別對應地暖工況和散熱片工況[73]，為跨臨界CO2循環的使用和推廣提供了很大空間。典型的跨臨界CO2供暖系統如圖11所示。

圖11 跨臨界CO2技術用于供暖領域的系統圖

供暖應用條件下熱泵系統的進水溫度可達40～50 ℃，而跨臨界CO2循環的性能嚴重受制于氣體冷卻器出口溫度，若該溫度過高，循環高壓放熱過程的焓差將會急劇下降，因此供暖工況對跨臨界CO2循環的性能提出了挑戰。為了使該技術能夠更好地適用于供暖等循環加熱式熱泵熱水器領域，眾多學者紛紛提出了不同的性能提升方法。

3.2.1 平行壓縮解決方案

類似于直接加熱式的熱泵熱水器中的雙級壓縮系統(圖10)，循環加熱式跨臨界CO2熱泵中首先引入了平行壓縮的概念。兩種平行壓縮解決方案如圖12所示，氣體冷卻器出口溫度(即可反映循環進水溫度)被固定在30～60 ℃范圍內。研究顯示，兩種循環的理論性能十分接近，而圖12(a)中所示的閃發器平行壓縮循環在某些條件下具有十分微小的性能優勢。此外，除了性能稍有提升，系統的最優排氣壓力及相應排氣溫度也有顯著的下降趨勢[74]。

圖12 兩種跨臨界CO2循環的實現方式[74]

研究指出，雖然平行壓縮跨臨界CO2循環的制熱性能有了進一步的提升，但系統內除了最優排氣壓力外，還多了另一個可優化量，即最優中間壓力，或最優壓縮機理論容積比。實際運行中的平行壓縮循環往往不具備理論計算的性能提升強度，因為現實中閃發器的氣液分離存在一定效率[70]。因此，理論模型的完善程度也是制約平行壓縮循環推廣的難題。

雖然平行壓縮可以有效提升跨臨界CO2循環在循環加熱工況下的性能，但為了克服高回水溫度對氣體冷卻器出口溫度的影響，循環的排氣壓力仍普遍高于12 MPa[74-75]，其安全性、穩定性仍存在一定隱患。因此，其他更好的性能提升方案仍需進一步開發。

3.2.2 外部過冷解決方案

針對高回水溫度的特點，J.Sarkar[76]提出了一種外部過冷的循環方法，如圖13(a)所示。通過在氣體冷卻器出口處附加一個熱電制冷模塊，消耗部分電能將氣體冷卻器出口較高溫度的CO2直接強制冷卻至較低溫度，再進行下一步流程。同時熱電模塊的熱能產出被轉移至熱水中，有效提升跨臨界CO2循環性能的同時也充分利用了所有的能量。研究顯示，帶熱電模塊的跨臨界CO2循環制熱能效比可提升25.6%，最優排氣壓力可下降約15.4%[76]。天津商業大學劉圣春及代寶民團隊提出一種熱電過冷器與膨脹機耦合的跨臨界CO2循環形式，并從能量轉化效率及火用效率兩方面對系統進行了深入分析，結果顯示，不僅熱電過冷能夠顯著提升循環效率，且膨脹機應該使用在中壓位置回收跨臨界CO2循環中的兩相段膨脹功[77-78]。

圖13 過冷式跨臨界CO2循環[76-79]

由于熱電模塊本身的屬性制約，學者們更傾向于采用壓縮式制冷循環為跨臨界CO2循環提供過冷，或對循環水進水提供預冷，典型的系統結構如圖13(b)所示。該系統中，附加制冷系統的制冷量用來實現CO2的過冷，其制熱量也被使用于熱水加熱。研究指出，在供暖工況下，過冷系統的制熱COP總是高于基本循環，并且系統進水溫度越高，過冷技術對性能的提升比例越大[79-80]。

近年來，國內學者將過冷技術引入供暖應用領域，并進行了一系列理論和實驗研究，輔助循環為R134a制冷循環。在其預冷作用下，循環水進水溫度可從50 ℃冷卻至30 ℃再進入跨臨界CO2氣體冷卻器[81]。輔助制冷循環的引入，不僅會改變跨臨界CO2循環的最優排氣壓力值，而且會引入一個新的可優化量，即最優中間溫度(被預冷的循環水進入氣體冷卻器前的溫度)，而上述兩個可優化量會跟隨環境溫度、進水溫度與循環水供水溫度等工況參數的改變而發生顯著變化[82-84]。

4 跨臨界CO2熱泵烘干技術

干燥工業是工農業生產中廣泛應用且能耗巨大的加工工藝之一，我國干燥工業能耗約占全國總加工產業能耗的10%，能耗節省空間巨大。烘干及除濕行業是熱泵技術理想的應用行業，跨臨界CO2熱泵烘干系統流程圖如圖14所示，空氣經熱泵冷凝器后被加熱至高溫狀態進入干燥箱對物料進行加熱并吸收水分，之后濕空氣經過熱泵蒸發器降溫析濕，排出水分后回到冷凝器，周而復始完成循環。烘干行業對熱泵的熱量與冷量分別進行利用，循環效率較高。考慮到跨臨界CO2循環超高的供熱溫度，該技術可引入到更多、更高溫度的烘干工藝需求中，提供更加高效的除濕能力及系統能效[85]。由于我國工業、商業及民用烘干市場一般均較為分散，且傳統一次能源燃燒式的供熱方法應用過于普遍，因此熱泵技術，尤其是跨臨界CO2熱泵技術在烘干領域的推廣或研究均并不十分廣泛。

圖14 跨臨界CO2熱泵烘干系統流程圖[86]

4.1 家用烘干中的跨臨界CO2技術

由于跨臨界CO2技術在家用領域的推廣十分有限，有學者首先針對CO2與R134a的熱泵干衣機系統進行了性能對比，結果表明，跨臨界CO2干衣機能夠輕易提供更高的溫度，因此干衣過程總時間大幅縮減，熱泵系統COP及整個干衣機的單位能耗除水率(SMER)也會顯著提升。同時，R.A.Rian等[87]開發了家用滾筒式干衣機仿真模型并對比了CO2與R134a的干燥效果，結果發現，CO2干燥系統的出風溫度及桶內溫度均更高，使單位能耗除水率提升13%，干衣時間縮短15%。

程同[88]研究了帶回熱器的跨臨界CO2熱泵烘干系統的性能，通過干燥曲線、干燥速率曲線等參數方法鑒定了該系統的穩態與瞬態性能，并研發了樣機，且樣機的性能較好。除了研究熱力學循環部分外，王帥等[89]針對封閉式干燥循環中濕空氣的加熱、吸水、冷卻析濕過程進行了細致的研究，對干燥室內空氣的溫度、濕度分布等提出了新的要求。在此基礎上，曾憲陽等[90]進行了跨臨界CO2熱泵烘干系統的火用分析，結果表明，該系統的火用損失主要發生在壓縮、除濕、空氣加熱和節流的過程中，占系統總火用損失的75%以上，對于提升系統性能意義重大。N.Brandt等[91]研究了家用滾筒烘干機中跨臨界CO2循環的系統結構提升方案，結果發現，采用噴射器和回熱器部件能夠有效提升烘干機效率，在相同烘干時長條件下大幅縮小能耗。

4.2 工商業烘干中的跨臨界CO2技術

干燥技術常被應用于污泥、農作物、中藥材、煙草、茶葉等產品的烘干及制造工藝中，約占該行業總能源消耗量的35%以上。干燥工藝和方法的選擇直接影響產品的質量，導致工業大型化、規模化生產對熱泵烘干技術需求日益增加，因此，能夠提供較高烘干溫度(70～110 ℃)的跨臨界CO2熱泵烘干技術近年來得到了長足發展。

熱泵干燥技術的快速發展始于20世紀50年代，歐美地區的科技與行業人員首先將熱泵技術應用于糧食及木材干燥[92]，但由于成本原因，熱泵干燥技術一直發展緩慢。直至20世紀90年代，德國學者才開始最早討論將跨臨界CO2技術引入工商業干燥，并根據理論對比證明跨臨界CO2技術在干燥領域將會比傳統R134a等熱泵系統性能更佳。近年來，國內學者也紛紛開始針對跨臨界CO2烘干技術進行深入研究，也逐漸論證了跨臨界CO2烘干技術在農作物烘干、中藥材干燥等傳統應用領域中的節能、環保、高效、穩定等優勢[93-95]。Dai Baomin等[96]研究了CO2及不同低溫室效應氣體組成的混和制冷劑在熱泵烘干領域的應用前景，結果表明，混和制冷劑熱泵系統除了能量利用效率比傳統熱泵更高之外，其全年運行環境效應、氮氧化物排放量、可吸入顆粒物排放等指標均比一次能源燃燒式烘干系統具有大幅改善。雖然跨臨界CO2技術在烘干領域的研究已經相對豐富，但由于烘干產業大多仍停留在農戶、個體等小型、分布化應用狀態，大規模的熱泵烘干設備在行業內的推廣仍舊十分有限，該領域的持續發展依然任重道遠。

5 跨臨界CO2商用制冷技術

5.1 商超制冷中CO2制冷技術的應用

與其他商業活動相比，超市是能源消耗大戶，占工業化國家年用電量的3%～4%[97-98]。2010年由于制冷劑原因造成的溫室氣體排放約有40%來自于食品零售行業，2015年數據表明，商超制冷行業是最大的HFC類制冷劑的銷售市場。在節能環保的大趨勢下，CO2等自然工質的應用已成為行業發展的主流趨勢。目前，CO2在商超制冷領域的應用主要為：1)載冷劑。由于CO2在載冷回路中存在相變過程，換熱效率明顯高于乙二醇等，載冷量更大，可有效提升能源利用效率；2)復疊制冷系統的低溫級。CO2子循環一般為亞臨界循環，該類系統在冷庫中應用極為廣泛；3)跨臨界CO2系統。近年來在歐洲的商場、超市及便利店中已得到了極大的推廣和應用。本節將主要介紹CO2跨臨界制冷系統在商超中的應用。

商超制冷一般需要中低溫兩個蒸發溫度，對于CO2而言，兩個蒸發溫度所對應的蒸發壓力壓差較大，采用中溫壓力節流至低溫壓力后混合壓縮的方式會造成大量的能量損失。針對該情況，歐洲開始在商超制冷設備中采用新型增壓制冷系統，如圖15所示[99]。

圖15 跨臨界CO2增壓制冷系統[99]

跨臨界CO2增壓制冷系統是在跨臨界CO2基礎循環的基礎上，增設低溫壓縮機(即增壓器)、儲液器及氣體旁通閥，低溫壓縮機將低溫蒸發器出口的制冷劑增壓至中溫蒸發壓力；氣體冷卻器出口的超臨界制冷劑先經高壓膨脹閥節流為氣液兩相進入儲液器實現氣液分離，液相流向用冷設備，氣相節流旁通到中溫壓縮機的吸氣管路，與中溫蒸發器出口以及增壓器出口的制冷劑一起混合。相比于不帶儲液器的增壓系統，其能效比最多可提高35%～40%[100]。

選擇合適的中間壓力對CO2跨臨界增壓制冷系統的設計極其重要[101]，而中間壓力主要取決于兩臺壓縮機排氣量之比[102]。對于帶有回熱器的跨臨界CO2增壓系統而言，其最優排氣壓力與回熱器效率、壓縮機效率及環境溫度密切相關，而受蒸發器出口過熱度等其他熱力學參數的影響較小[103]。

5.1.1 平行壓縮CO2增壓技術

當室外環境溫度較高導致氣體冷卻器出口制冷劑節流產生的閃蒸氣量較大時，閃蒸氣體在旁通路的節流現象造成的能量損失占比較大。為解決這一問題，P.Gullo等[104]提出采用平行壓縮提高系統的性能。且在較低的蒸發溫度下，采用平行壓縮對提升系統能效更為有利[105-106]，平行壓縮跨臨界CO2增壓系統原理如圖16所示。

圖16 平行壓縮跨臨界CO2增壓系統原理[105-106]

P.Gullo等[107]認為相比于傳統火用分析方法，先進能量分析方法更適用于平行系統，應重點減少節流裝置及各個換熱器的不可逆損失，由此便可大幅提高壓縮機的能源利用效率。

平行壓縮跨臨界CO2增壓系統中存在3臺壓縮機，最優中間壓力不僅取決于壓縮機的輸氣量之比，與氣冷器出口溫度也密切相關[108]。由于該系統存在兩個中間壓力值，系統準確穩定的設計與最優控制是影響其推廣的關鍵。B.Bella等[109]指出，采用蒸氣噴射技術理論上也可以起到與平行壓縮相同的效果，可作為輔助壓縮機的替代品，但相比于平行壓縮而言，蒸氣噴射的控制更為困難，在變工況運行過程中可靠性較差，在實際應用中不具有優勢。

5.1.2 提升增壓系統制冷能效的主要方案

1)機械式過冷循環

在跨臨界CO2增壓系統中，額外提供節流閥前過冷度仍然是提升系統能效的主要方法[110-111]。帶有機械式過冷循環的CO2增壓系統如圖17所示，在氣體冷卻器后加入過冷模塊，可有效降低閥前CO2溫度并提升循環能效。

圖17 帶有機械式過冷循環的CO2增壓系統

環境溫度為39 ℃時，帶過冷裝置的CO2平行壓縮增壓系統的COP和熱力學完善度比傳統CO2增壓系統分別升高了48.8%和30.0%，節能優勢顯著[105]。天津商業大學劉圣春團隊對該類系統進行了深入研究，詳細對比了平行壓縮增壓系統、過冷系統、回熱器系統對于商超應用模式的適用情況，結果證明，在環境溫度較低條件下(≤10 ℃)平行壓縮增壓系統能夠展現出較好的性能；但在環境溫度較高條件下(>10 ℃)仍應采用過冷技術進行性能提升；此外，回熱器對于商超跨臨界CO2循環的性能提升有限[112]。該團隊還將太陽能驅動溴化鋰吸收式熱泵技術與跨臨界CO2循環聯合組成部分復疊制冷系統，結果顯示該系統對制冷性能系數及熱力學完善度的提升均在10%以上[113-114]。但該類機組在傳統增壓系統的基礎上增加了平行壓縮及小型制冷循環，增加了系統復雜度，對系統的控制提出了較高要求。

2)回收節流損失

回收節流損失永遠是提高跨臨界CO2循環運行效率的有效方案之一。近年來，學者們主要關注噴射器或膨脹機兩種方法。噴射器可利用高壓或中壓流體引射低壓流體來增加壓縮機吸氣壓力，從而降低功耗。在設計工況下，帶噴射器的增壓制冷系統能效存在大幅提升。但當環境溫度偏離設計值時，噴射器系統性能可能低于常規系統[115]。采用膨脹機代替節流裝置是另一種回收節流損失的方式，主要優勢在于在跨臨界運行壓差大，膨脹機可有效提高COP并降低排氣壓力[116]，在寒冷地區和溫暖地區節能率分別高達25%和30%[117-118]。

5.1.3 商超冷熱聯供技術

相比于HFCs和HCFCs，CO2在制熱能力方面優勢顯著，因此商超制冷行業中回收部分熱量用于供暖與清潔需求同樣具有重要意義。

A.Polzot等[119]建立了CO2跨臨界平行壓縮增壓系統的水循環熱泵機組模型，其原理如圖18所示，適用于寒冷氣候時同時滿足商超制冷與建筑供熱需求，與HFC系統相比，可減少約9.4%的能量消耗。與搭配燃氣鍋爐制熱的相同制冷系統相比，除了可額外提供大量加熱需求外，還可節省投資成本[120-121]。CO2跨臨界循環中回收熱量已成為商超制冷中最具吸引力的技術之一。

圖18 CO2跨臨界平行壓縮增壓系統的水循環熱泵機組原理[119]

5.2 跨臨界CO2系統在冰雪制冷場館的應用

2016年，國家體育總局印發的《冰雪運動發展規劃(2016—2025年)》提出“帶動3億人參與冰雪運動”的目標，同時2022年冬奧會落戶北京，推動了我國冰雪運動的發展[122]。2019年，為了全面踐行《奧林匹克2020議程》和“新規范”，努力實踐“節儉、綠色、智慧”的主導方針，北京冬奧會決定首次采用CO2跨臨界循環作為國家速滑館的主要制冷系統。國家速滑館冰面面積約為12 000 m2，是全球最大的CO2跨臨界制冷系統之一，冷負荷達3 000 kW。相比于常規乙二醇載冷系統其冰面溫差更小，冰面整體效果有所提升。由于跨臨界CO2系統優異的制熱性能，該系統設置余熱回收裝置，回收熱用于冰場融冰、淋浴、餐飲及除濕再生熱，極大地減少了能源消耗及碳排放，相比于傳統冰場能效提升可達30%以上。相比于R507制冷乙二醇載冷的傳統冰場制冷系統，采用CO2作為制冷劑其初投資可達1.5倍，但由于不存在蒸發側的二次換熱，CO2系統蒸發溫度高，且有大量高品質余熱可供回收。此外，采用純天然制冷劑CO2替代傳統R507等制冷劑作為冰雪運動場館的主制冷設備后，將大幅度降低強溫室效應氣體的使用和排放，其當量碳排放削減數額已經超過了額外種植120萬棵樹木[123]。從長遠角度看，跨臨界CO2技術的環保性與節能性帶來極大的社會效益、環境效益與經濟效益。“冰絲帶”國家速滑館將成為未來中國乃至全球同類項目的標桿，刺激了我國的冰雪產業發展，讓更多年輕人看到了冰雪運動以及節能環保體育運動的無限可能，為整個行業給出了發展方向。由此可知，采用天然制冷劑CO2及其跨臨界循環技術作為冰雪運動行業的主要制冷劑及技術路線替代方案將成為大勢所趨。

6 跨臨界CO2制冷制熱技術未來發展

雖然跨臨界CO2技術前景可觀，但仍存在性能短板，如汽車、客車、高鐵額定工況下，該循環制冷能效僅約為R134a、R407C系統的80%[124]，嚴重掣肘了該技術的廣泛普及。為此，全球學者至今仍在尋求循環的性能提升與實時優化控制的新方法。本節主要介紹噴射器、渦流管與膨脹機等3種循環結構改造方法以及較為先進的系統優化方法，反映該技術的未來發展方向。

6.1 帶噴射器的跨臨界CO2循環

利用噴射器內壓力能與動能的相互轉化回收膨脹功[125]，已成為制冷領域內一種較為普遍的性能提升方法。而跨臨界CO2循環高低壓差大，可回收膨脹功上限高，非常適宜噴射器發揮效果。

噴射器內部結構、噴射式跨臨界CO2循環及p-h圖如圖19所示，氣體冷卻器后的高壓CO2進入主噴嘴進行膨脹加速，在噴嘴出口以較低壓力(狀態點4)引射蒸發器出口的低壓CO2，被引射流體經副噴嘴輕微加速膨脹后與主流體充分混合，以一定速度進入擴壓段后，動能幾乎被完全轉化為壓力能，以中壓兩相狀態進入氣液分離器，其中氣相部分進入壓縮機，液相部分節流后進入蒸發器。

圖19 噴射器內部結構、噴射式跨臨界CO2循環及p-h圖

由于超臨界CO2流體進入噴射器后所經歷的流動及相變過程極其復雜，因此CO2噴射器的性能模擬方法一直是學術界探討的熱點話題。在研究初期，學者們一般采取零維模擬的方法，回避噴射器內復雜流動過程的數學刻畫，采用經驗系數來假設噴射器的主要性能指標，如引射率、等熵效率等，然后從系統層面計算整個循環性能[126-129]。在設計工況下，噴射式跨臨界CO2循環的性能比基礎循環提升了16%以上[126]。然而，噴射器結構的具體設計等還有待進一步研究。

隨后，學者嘗試利用質量、動量與能量守恒方程來代替經驗公式，此后噴射器的三維CFD模擬逐漸成為主流。該方法可以呈現出噴射器內部流場的所有細節，從根本原理層面展示噴射器具體結構尺寸與噴射器內熱力學參數之間的對應關系，更加真實的反映出實際應用過程中噴射器的熱力學性能[130-133]。近年的研究中，CO2噴射器的三維CFD模擬通常分為兩種類型：一種是帶相變模型(VOP相變模型、歐拉相變模型等)仿真方法，即當流體進入兩相區域后，由于溫度與壓力成為相互耦合的一對參數，因此，在基于溫度的能量守恒方程中引入相變源項，來解析流體相變過程中的能量轉移問題[134-138]；另一種是不帶相變模型仿真方法，通過UDS將Fluent軟件內嵌能量方程改寫為基于焓值的形式，之后便可以通過單相方法求解CO2在噴射器內的流動及相變[139]。

由于CO2噴射器仿真模擬具有一定難度，因此該循環的實驗研究也較為豐富。考慮到單只固定噴射器的不可調節性，循環在變工況條件下難以實現隨動控制，G.Boccardi等[140-142]專門提出了可調閥針式、伸縮管式噴射器或多噴射器并聯的方式，成功將噴射器推廣至更多的跨臨界CO2循環中。3只不同的噴射器可以組成7種流量搭配方式[136]，而4只噴射器可以組成15種流量搭配方式，這從根本原理上解決了噴射器系統變工況跟隨性能較差的問題。

6.2 帶渦流管的跨臨界CO2循環

K.I.Matveev等[143-144]提出采用渦流管能量分離效果回收制冷循環中的壓力能，轉變為附加制冷/制熱量的技術方案，可使系統性能提升10%以上。渦流管的內部結構及典型循環方式如圖20所示，高壓CO2進入渦流管噴嘴后膨脹、加速形成高速渦流，沿軸向通道近壁側區域流向熱端出口，其中一部分直接從熱端出口流出，另一部分在分離孔板作用下反向旋轉，沿軸向通道中心區域流向冷端出口。上述兩股高速渦流方向相反，經過傳熱傳質作用后，外環主流溫度升高，內環逆流分量溫度降低，實現熱(溫度)質(流量)分離。跨臨界CO2循環引入渦流管后，冷端出口兩相流體中的飽和液相(狀態點4)及飽和氣相(狀態點C)一般被分別收集，然后混合進入蒸發器[144]。混合狀態(3′)相比傳統等焓節流結束狀態的焓值更低，為系統帶來附加制冷量。同時，熱端出口(狀態點H)的溫度很高，可在附加換熱器中提供附加制熱量，顯著提升整個循環的冷熱綜合利用效率。

圖20 渦流管內部結構及典型渦流管跨臨界CO2制冷循環

針對超臨界CO2流體進入渦流管后的流動與分離，各國學者紛紛開展了深入研究，證明了CO2的物理性質與渦流管分離效應十分契合[145-148]。然而，目前研究大多停留在理論仿真階段，實驗主要依靠高壓罐中的壓縮CO2為工質源進行開式實驗，仍未將渦流管真正引入跨臨界CO2循環中。

6.3 帶膨脹機的跨臨界CO2循環

通過膨脹機回收膨脹功可以有效減少系統功耗，顯著提升跨臨界CO2系統COP。帶膨脹機的跨臨界CO2循環系統T-s圖如圖21所示，1-2s-3-4s-1為理想膨脹機循環，1-2-3-4-1為實際膨脹機循環，1-2-3-4h-1為實際節流循環。使用膨脹機替代節流閥可以回收膨脹功同時增大制冷量，是提升跨臨界CO2循環效率最有效的途徑之一。

圖21 帶膨脹機的跨臨界CO2循環系統T-s圖

目前研究中的膨脹機大多根據現有壓縮機形式開發，如自由活塞式膨脹機結構[149-151]及熱力學特性[152-154]、旋葉式膨脹機理論[155-157]及實驗[158-160]、雙螺桿膨脹機[161-163]、渦旋膨脹機結構[164-166]及性能特點[167-168]、滾動活塞膨脹機的結構[169-172]及性能特點[172-175]、擺動轉子膨脹機[176-177]等。同時，各結構形式的CO2膨脹機均改進并舍棄了進排氣閥的設計，增強了穩定性與可靠性。

除了材料機械強度等技術問題外，CO2膨脹機的應用還需要考慮使用成本高、適用工況范圍窄、系統性能和制造成本不可兼得等問題，故進行商業推廣仍存在困難，近十年間跨臨界CO2膨脹機的相關研究幾乎處于停滯狀態。未來的CO2膨脹機結構優化改進設計應使泄漏損失和摩擦損失盡可能小，同時擴大適用工況范圍，降低制造成本，這樣才能將CO2膨脹機從實驗室推向市場。

6.4 跨臨界CO2循環的控制與優化方法

由上述論述可知，跨臨界CO2循環及其各種改進形式中均至少存在一個可優化量，實時預測并保證系統維持在最優狀態下，在一定程度上比形式改造獲得較高能效更為重要。

跨臨界CO2循環中最重要的可優化量是最優排氣壓力，在某些特定工況下，是否運行在最優排氣壓力狀態下可能為系統帶來20%以上的能效差距，因此多年來關于最優排氣壓力的預測與控制方法的研究從未間斷[178-179]。之前的研究中，學者們一般基于窮舉法的理念，通過大量的理論模擬或實驗研究找尋最優排氣壓力值與主要工況參數的量化對應關系，然后擬合量化對應關聯式推廣至實際應用中。氣體冷卻器出口溫度和蒸發溫度/蒸發側換熱介質溫度通常被選擇為最重要的自變量，而這些關聯式也被局限于某些適用范圍內[180-184]。在以上跨臨界CO2循環改進形式中，即便最優值的數量、種類、具體賦值等各不相同，但根據大量理論模擬或實驗研究尋找經驗關聯式的方法被沿用至今[59-60]。

由于尋找關聯式需耗費大量前期投入，有些學者開始轉投實時優化控制策略。I.PeArrocha等[185]提出采用多項式對應方法將制冷劑物性參數擬合進跨臨界CO2系統的控制單元內，通過純數學運算方法計算該系統實時最佳COP對應的排氣壓力。實時計算系統COP的數學偏導，偏導為零的狀態即對應最優排氣壓力[186]。基于類似方法，Zhang Weijiang等[187]提出了無需基于模型或關聯式的控制理論，使系統在運行過程中可以自行計算并找到最優值。雖然類似的實時建模和計算方法種類繁多，但一般均需要配備一個強大的計算核心從而快速完成大量計算，同時匹配一個制冷劑物性數據庫，以便實時完成性能預測[188-190]。這樣的方法在實際應用中一般是不現實或不經濟的。

在此技術上，有學者將一種名為“極值搜索”的先進算法引入跨臨界CO2循環，通過給被控制變量附加一個高頻低幅的正弦擾動，捕捉待優化性能參數的隨動效應，通過一系列解調和濾波算法，直接通過簡單的數學計算找到待優化參數隨被控制變量的偏導數，通過將此數值解積分為零，最終找到最優參數[191-193]。該算法無需大量計算，無需知曉制冷劑熱物性或制冷系統內部工作原理，只需要監測待優化性能參數的隨動效應即可，是一種值得廣泛推廣的優化控制算法。

7 結論與展望

本文詳細論述了跨臨界CO2制冷制熱技術在車輛空調、建筑采暖與熱水、烘干產業、商超冷鏈等行業中的技術現狀，并分析討論了目前備受關注的幾種性能提升方案，得到主要結論如下：

1)考慮到CO2制冷劑的環保性、經濟性、安全性、高溫制熱能力、低環境溫度適應性、高容積制冷量及全工況范圍高能效比等特性，純天然制冷劑CO2及其跨臨界制冷制熱技術十分有望成為眾多工、商、農、及民用領域內的理想制冷劑及技術路線替代方案。

2)隨著新能源車輛(乘用車、客車、軌道車輛)的日益發展，冬季熱泵制熱成為剛需，而跨臨界CO2循環以優異的制熱特性和環保特性，成為車用熱泵空調最有效的替代方案之一。各國學者在車內熱管理實現方式、性能提升方法、全范圍控制策略制定等方面均提出了一系列重要結論，為跨臨界CO2技術在交通領域的推廣提供了重要助力。跨臨界CO2技術在兼顧乘員艙舒適性的同時，針對電池、電機、其他電氣設備的一體化熱管理系統仍在廣泛研究之中，產業化供應鏈條也尚不完善。

3)由于跨臨界CO2循環的高溫出水能力與低環境溫度適應性，熱泵熱水器行業仍是跨臨界CO2技術應用最成熟的領域之一，無論是一次加熱式熱泵熱水器，還是供暖領域采用的循環式熱泵熱水器，學者們都已提出眾多性能提升方法，為該產業的節能減排做出了巨大貢獻。受制于國內熱水及供暖市場對于傳統一次能源燃燒式供能的依賴，跨臨界CO2技術需要進一步解決成本問題并依靠相應環保政策的扶持，才能迎來爆發式的發展。

4)目前跨臨界CO2技術在烘干領域的研究與應用推進程度仍不高，學者們針對具體烘干工藝而展開的跨臨界CO2循環結構改進等研究尚不充分，大多基于理論模擬或理想型模型，缺少實驗佐證。但考慮到跨臨界CO2技術的高溫制熱性能，該技術必將向烘干領域集成化、工業化的方向發展。

5)由于歐洲國家對于天然制冷劑的鐘愛，跨臨界CO2技術被廣泛應用于歐洲的商超陳列柜，以Booster系統循環方式提供兩級蒸發溫度；除商超領域外，跨臨界CO2技術也正在快速向冰雪領域進軍，包括2022年北京冬奧會主場館在內的眾多室內冰場均開始采用跨臨界CO2技術。考慮到該技術制冷性能較差，制冰/制冷、供暖、制熱水等能源綜合利用形式可能成為主要發展方向。

6)跨臨界CO2技術目前仍存在瓶頸，國內外學者仍在進行深入研究，未來發展方向主要以性能提升、關鍵零部件技術開發與實時優化控制邏輯開發為主：一方面，噴射器、渦流管、膨脹機等能量回收方法均具有各自的可行性，但仍需大量論證才能推向市場；另一方面，考慮到循環內較多的可優化量，智能控制與尋優技術也將持續作為跨臨界CO2技術領域的研究熱點。