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，已經成為世界的共識，替代制冷劑的研究已經刻不容緩。CO2作為天然制冷劑具有環境友好，無毒、化學性質穩定、容積制冷量高等優點有望成為下一代空調主力制冷劑。

1 CO2空調技術發展現狀

隨著材料制造工藝及制冷技術不斷進步，針對CO2制冷系統出現了很多新技術能夠提高其制冷效率。Lorentzen教授首先提出CO2跨臨界循環制冷概念，系統中設置回熱器，可使系統性能有10-15%的提升。CO2制冷系統性能直接受運行壓力的影響，Ciro Aorea等人發現，系統性能受排熱壓力大小的影響很明顯，在不同環境溫度下，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可使其能效比始終處于最佳值，也可以達到節能的效果[2]。日本電力工業中央研究院通過對CO2熱泵性能的計算和循環特性的理論分析，得出CO2熱泵在熱水供應時性能高于傳統工質熱泵的結論。

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下蒸汽傳熱系數的對比，在蒸發溫度為10℃時，CO2熱系數高于其它三種冷媒，蒸發溫度越低，CO2傳熱系數優勢越明顯;在蒸發溫度為10℃時，CO2黏度明顯低于其它冷媒，在蒸發器中流動阻力小，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，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制冷系統可以設計的更加緊湊。

3. 跨臨界循環CO2空調系統組成介紹

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

3.1 壓縮機

壓縮機為制冷系統核心部件之一。CO2雙轉子變頻壓縮機在壓縮機腔內設置中壓腔和高壓腔以實現兩級壓縮，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異。目前，谷輪等壓縮機廠家正在研發CO2渦旋壓縮機，日本三電研制出了鋁制小排量CO2壓縮機，隨著技術的發展，CO2壓縮機小型化輕量化的優勢將日益凸顯。

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。考慮到CO2的運動粘度較低，管內壓降較小，CO2換熱器銅管優先使用小管徑銅管，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節流裝置

CO2系統性能受高壓端壓力影響較大，要實現較為復雜的控制需要精準地調節節流裝置，因此，CO2制冷系統節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展與競爭形勢

4.1 制冷劑發展的形勢

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

德國聯邦鐵路公司（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。

從制冷劑的發展形勢上來說，國際上急需使用第四代制冷劑空調產品走上市場，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;系統性能好;安全性好。

對比氨、水和碳氫化合物，不難發現CO2具有獨特的優勢：環境友好、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，國內多個廠家已開展了軌道交通CO2空調機組的研發，通過與常規制冷劑空調對比，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，可以設計成比現有系統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。

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

5 總結

CO2系統的優勢非常的突出，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年前實現碳中和”目標承諾。開發新型環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]. 化學工業出版社，2007.