跨臨界二氧化碳冷熱一體化技術打造零碳機場

張信榮 卞曉宇 劉佳

1 北京大學工學院 2 北京大學鄂爾多斯能源研究院

為助力國家早日實現“雙碳”目標，減緩全球氣候變暖的趨勢，近年來煤炭、化工、電力、冶金、建筑等行業都在積極探尋節能減碳的有效方法和途徑。我國民航業近年來蓬勃發展，但巨大的能耗也增加了機場的運營成本，造成了大量的溫室氣體排放。目前民航業主要用能涉及煤油、柴油供能、天然氣取暖、氟利昂空調制冷等方面，面臨著傳統化石能源依存度高、冷熱制備分離、制冷取暖能耗高和二氧化碳排放量大的問題。以空調制冷為例，目前空調壓縮機常用的制冷劑R134a，其全球變暖潛值（GWP）為1300，遠高于二氧化碳（GWP 值為1），而且沒有把制冷產生的余熱加以利用，卻要額外燃燒天然氣等能源來供暖，造成極大的能源浪費。

跨臨界二氧化碳冷熱一體化技術采用二氧化碳為工質，二氧化碳具有熱傳導性高、綠色環保、不易燃、無毒等特點，且二氧化碳的GWP 值為1，臭氧損耗潛值（ODP）為零。在2022 年北京冬奧會期間，跨臨界二氧化碳冷熱一體化技術成功應用于國家速滑館制冰取暖，在人類冬奧史上首次用二氧化碳替代氟利昂和氨制冰，且將制冰余熱回收，用于冰場融冰、澆冰、地坪防凍、除濕、供暖等，整體節能50%以上，年節電200 萬kWh,為我國建筑長期冷熱分離造成的高能耗問題提供了良好的示范。

本文針對民航業暖通環節耗能大、效率低等問題，提出了以跨臨界二氧化碳冷熱一體化技術為核心打造零碳機場的方案。

1 機場能源結構情況分析

近些年民航業發展迅速，與此同時機場能耗不斷上升，反映出民航業節能減排潛力巨大。以我國西北地區某國際機場為例，通過對該機場進行前期資料調研，得到該機場的總能耗構成比例，如圖1 所示。

圖1 機場能耗構成比例圖

從圖1 可以看出，該機場目前能耗組成主要由電力、天然氣、航空煤油、汽油和柴油組成。其中電力消耗占總能耗的45%，天然氣消耗占總能耗的35%。該機場夏季空調采用冷水機組制冷，冬季采暖全部采用天然氣鍋爐供熱。冷熱能耗主要是靠電力和天然氣，其中天然氣全部用于制暖。把電力消耗再拆分開來得到電力消耗拆分占比，如圖2 所示。

圖2 機場電力能耗占比圖

從圖2 可知，電力消耗中主要用于暖通空調、電梯、辦公設備、照明和其他方面。其中有40%的電力消耗用于暖通空調制冷，則空調制冷占到總能耗的18%。不難看出，機場在空調制冷和取暖方面的能耗占到了總能耗的53%，也就是說機場目前用于采暖和制冷的能耗已經超過了機場總能耗的一半。因此，在此次零碳機場的技術改造方案中，空調制冷取暖節能是必須要放在首位考量的。通過對該機場較為詳細的能源結構解析，可以看出該機場節能減排的重點在于降低供暖和空調制冷的能耗。

2 零碳機場節能降耗原理

通過對該機場能耗分析，機場用于制冷和取暖方面的能耗占到機場總能耗的一半以上，降低這部分的能耗水平將助力機場降低能耗，節省運營成本，同時降低碳排放。與國家速滑館制冰項目類似，我們提出采用以跨臨界二氧化碳冷熱一體化技術為核心，結合地熱利用、綠電輸入、蓄冷蓄熱技術，打造一個全球首創的零碳機場系統。

二氧化碳冷熱一體化技術由兩點要素組成，一是不再采用天然氣供熱，制冷和采暖只用綠電；二是此技術制冷和取熱均采用天然工質二氧化碳。由此提出將跨臨界二氧化碳冷熱一體化技術應用于零碳機場項目。原理如圖3 所示。

圖3 跨臨界二氧化碳冷熱一體化原理圖

跨臨界二氧化碳冷熱一體化技術是利用環境中的低溫熱源（如地熱、空氣或水）將熱量輸送至高溫熱源（如供暖或制冷系統）的一套設備。通過壓縮和膨脹循環，二氧化碳冷熱一體化機組在吸收低溫熱量的同時，釋放高溫熱量，實現能源轉換和利用。

如圖3 二氧化碳儲存于二氧化碳儲罐中，經過壓縮機等熵壓縮、氣冷器等壓冷凝、膨脹節流裝置絕熱膨脹、蒸發器等壓蒸發完成整個二氧化碳冷熱一體化循環。

3 零碳機場方案概述

傳統的零碳機場概念是指機場用太陽能、風能等可再生能源代替石油、天然氣等化石能源，通過適度地減少二氧化碳排放和其他污染物的排放實現對環境的最大保護。目前絕大多數的零碳機場強調使用太陽能、風能發電等綠電資源，并沒有從根本上解決機場供暖、空調等高耗能問題。因此急需構建一套新型的冷熱能源供應體系，采用天然環保工質，能將冷熱分離的供能方式高效的結合起來，打造一個真正的零碳機場。

以西北地區某機場為例。該機場現有建筑總面積約20 萬m2，其中航站樓面積約10.03萬m2。年均旅客吞吐量為240 多萬人次，貨物吞吐量達到約9984t。

從圖4 可以看出，該機場大體可分為兩部分，一部分是以航站樓為主體建筑的區域一；另外一部分是在航站樓東側分散布置的辦公區，生活區等區域二。

航站樓作為整個機場的核心建筑，因其代表所在城市地方形象，功能復雜，一般采用大型玻璃幕墻鋼結構建筑工藝，而采用此種結構導致航站樓在采暖季不易聚熱，耗費大量能源用于取暖，在夏季也相應需要耗費較多冷量用于制冷，這也間接導致在整個機場運行期間，航站樓能耗最高。除航站樓外，剩余部分為機場辦公樓、宿舍樓、維修區、鍋爐房、停車場等民用建筑，零散分布于航站樓東側，這些建筑布局緊湊，面積較小，能耗相對航站樓較低?；诖?，擬采取以航站樓為主體設計集中供暖供冷系統，辦公區和生活區通過分散式的系統進行設計改造。

經測算，該機場冬季采暖負荷為21MW，據此設計8 套CO2跨臨界冷熱一體化機組，每套制熱量2.7MW，總計21MW，與原有負荷吻合。本次方案系統COP約4.2。由于該地區氣溫較低，設計方案采用二氧化碳地源和二氧化碳空氣源相結合的方式，在冬季室外溫度較低（-25℃至-30℃）時，使用二氧化碳地源系統進行采暖；當環境溫度高于-10℃時，使用二氧化碳空氣源系統。夏季制冷時，二氧化碳冷熱一體化系統可運行制冷工況。只需運行3 臺CO2跨臨界冷熱一體化機組便可滿足空調箱和風機盤管的制冷負荷，夏季制冷需求約6MW。在制冷過程中，二氧化碳冷熱一體化機組會產生熱量，這些熱量通過熱量回灌技術回到地源系統，實現地源熱平衡，不破壞環境并保證系統穩定運行。

4 經濟社會效益

通過對航站樓進行測算和分析，我們對新的跨臨界二氧化碳冷熱一體化系統開展了經濟效益評估，目前該機場燃氣鍋爐年消耗天然氣量為260 萬Nm3，制冷空調年耗電量為228 萬kWh。根據當地電網均價，按照1 kWh 電耗0.8 元計算。在計算二氧化碳排放量時，按照消耗1 Nm3的天然氣約產生2.19kg 的二氧化碳，消耗1kWh 電需要產生0.553kg 二氧化碳，每消耗1 kWh 綠電的二氧化碳生成量約為零來計算。根據以上數據，從天然氣耗量、年運行成本和年碳排放量三方面進行對比估算，發現二氧化碳冷熱一體化技術與傳統燃氣鍋爐加氟利昂空調系統相比，經濟效益顯著提高。

從圖5 可以看出，改造后天然氣耗量直接從原來的260 萬Nm3/年降為零消耗，年運行成本從原來的1350 萬元/a 降為802 萬元/a，年運行費用比例降低40%。特別是每年的二氧化碳排放量從原來的5720t/年降為152t/a，二氧化碳排放比例下降了97.8%，跨臨界二氧化碳冷熱一體化技術將顯著降低該機場對傳統化石能源的依賴。

圖5 經濟效益對比柱狀圖

跨臨界二氧化碳冷熱一體化技術打造零碳機場具有非常顯著的示范意義，這一舉措將在全國民航業首先開創綠色發展的先河，帶動整個民航業提前實現碳中和目標，提升該機場的國內外知名度，同時也將為機場所在城市打造一張節能減碳名片，更是強有力的響應了國家“雙碳”目標與可持續綠色發展的理念。

5 結語

本文通過分析西北某機場的能源結構和經濟效益，發現該機場在制冷和取暖方面能耗高達53%，因此為該機場制定了利用跨臨界二氧化碳冷熱一體化技術代替該機場采用傳統化石能源制冷取暖的零碳機場方案，經測算，使用該方案后年運行費用可下降40%。零碳機場方案打造了綠色、節能的新型機場能源供給系統，將率先在機場樹立零碳、經濟的能源利用典范，并將充分發揮機場對一個城市的窗口作用，通過零碳機場示范項目的成功落地，后續輻射到零碳社區、零碳酒店、零碳工廠等行業。二氧化碳跨臨界冷熱一體化未來將在更多領域發揮其低碳、高效、經濟的潛能，具有廣闊的發展前景。