二氧化碳制冷劑在軌道交通列車空調機組中的應用研究

張海濤

（鐵科院（北京）工程咨詢有限公司，北京 100081）

早在19 世紀50 年代，世界上就出現了使用二氧化碳實現制冷的專利，在后來的幾十年里，又由美國、德國和英國開發出了相應的制冷設備。在20 世紀初，二氧化碳就已經作為制冷劑被廣泛應用于海運冷藏系統。由于早期技術水平的限制，特別是二氧化碳存在高溫環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良、能效水平高、系統壓力中等的優點，但最近幾十年人們對其環保特性有了更深入的認識，比如其存在對臭氧層的破壞、較強溫室效應等弊端。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入人們的視野。

軌道交通作為空調技術的重要應用場合，其列車空調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機組中的應用進行系統的分析。

1 現有軌道交通列車空調機組制冷劑的應用

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

在我國，現有的列車空調大部分使用R407C 制冷劑，干線鐵路還保有部分使用R22 制冷劑的空調機組。在歐洲，絕大多數列車空調使用R134a 作為制冷劑，已有部分線路列車使用了R513A 等環保型人工合成制冷劑，并已開始嘗試使用二氧化碳。在北美，大多數使用了R407C 制冷劑，也有線路的列車使用R410A。

R407C、R134a、R410A 等傳統制冷劑具有性能好、能效水平高等優點，且價格適中，制冷系統也有比較成熟的部件供應鏈。比如，對于使用R407C 的A 型地鐵列車空調機組：

1）每臺空調機組的制冷量約40 kW，整機的能效比（COP）可達2.4～2.6。

2）每臺空調機組的制冷劑充注量大約9 kg，成本僅幾百元。

3）空調機組的核心部件——制冷壓縮機的可選品牌較多，每臺壓縮機的重量僅50 kg 左右；類似的壓縮機已經在我國軌道交通行業應用多年，具有充足的可靠性和運用數據。

4）制冷系統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：具有很強的溫室效應。即使對于溫室效應最弱的R134a，其全球變暖潛能值（GWP）仍達到1 300，是二氧化碳排放的1 300 倍，不能滿足長期的環保要求。因此，全球各國對其應用提出限制，特別是《關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書（基加利修正案）》的生效，使得上述制冷劑逐漸進入淘汰進程。

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峰碳中和成果發布暨研討會上發布了中國2030 年前實現碳達峰、2060 年前實現碳中和的目標規劃。中國制冷行業碳的排放，一方面來自用電、生產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，制冷壓縮機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），運行環境溫度對二氧化碳制冷劑空調性能影響大。隨著運行環境溫度升高，空調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

二氧化碳制冷劑在超臨界區，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，遠小于液體黏度；擴散系數接近于氣體，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的性質主要表現為：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，導熱系數也很大。

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點

和傳統的鹵代烴類制冷劑相比，二氧化碳具有如下優點。

1）其環保特性良好，消耗臭氧潛能值ODP 是0，溫室效應潛能值是1。溫室效應強度是R134a 等制冷劑的千分之一。

2）其運動粘滯系數低；相同的應用條件下系統的壓縮比低，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）。相對應的，R134a 的臨界溫度高達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應用時，制冷系統將處于跨臨界循環。這時，系統在高壓側沒有相變、換熱全部通過顯熱的方式完成，且運行壓力非常高；系統的性能也決定于高壓側換熱器出口的制冷劑溫度及其壓力，系統的控制策略也較復雜。

圖4 二氧化碳制冷劑跨臨界循環壓焓圖

二氧化碳跨臨界循環的主要缺點是循環效率較低，特別是在高溫環境時其能效水平衰減較嚴重。對于軌道交通列車空調應用來說，設計工況的環境溫度一般均在35 ℃左右，而高溫工況環境溫度達到了45～48 ℃，由此帶來的系統能耗偏高可能是二氧化碳制冷劑技術急需提高的關鍵點。與此同時，系統的超高壓運行（達到了傳統制冷管路壓力的5 倍以上，如圖5所示）也為管路系統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開發的關鍵點分析

與其他應用場景的空調產品相比，列車空調有其固有的特點。總結來說，列車空調應做到如下幾點。

1）能耗低，對供電設備的需求小。

2）輕量化、減少整車牽引系統能耗。

3）成本可控。

4）應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研發時的關鍵點。

3.1 盡可能低的空調機組能耗

列車空調作為列車輔助用電設備的主要耗電者，其全年耗電占到了全部輔助設備的80%以上。同時列車空調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備的選型設計。

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

該循環的關鍵環節是制冷劑氣體壓縮、氣體換熱器中的冷卻、節流、蒸發器中的蒸發吸熱及回熱器中的二次換熱；相對應的關鍵部件分別是壓縮機、氣體換熱器、節流閥、蒸發器及回熱器，系統原理圖如圖6 所示。

圖6 二氧化碳制冷劑跨臨界循環原理圖

通過理論分析，二氧化碳制冷系統具有如下性能特點。

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；而相應的壓縮機功率也越高，即存在一個最優的壓力值（稱為“最優高壓值”），使得該溫度下的系統能效比最高。

2）回熱設計可以提升二氧化碳跨臨界循環的能效比。但回熱設計將導致壓縮機吸氣過熱度大，造成排氣溫度偏高。

以40 kW 的二氧化碳制冷劑空調機組為例，根據仿真結果，得出了系統設計的最優方案，見表2。

表2 40 kW 二氧化碳制冷劑空調機組的系統配置

同時，為了優化空調機組的制冷季節性能的負荷調節，制冷循環采用了電子膨脹閥作為節流裝置。電子膨脹閥的開度調節范圍是12.5%～100%，根據實際環境溫度的變化，實時對系統過熱度和高壓壓力值進行控制。再配合壓縮機的轉速調節，盡可能提升空調機組的季節能效水平。

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

表3 仿真設計工況 ℃

3.1.1 二氧化碳制冷系統仿真計算

二氧化碳制冷系統仿真計算如圖7、表4 所示。

圖7 二氧化碳制冷系統仿真計算界面

表4 二氧化碳制冷系統仿真計算結果

3.1.2 二氧化碳制冷劑專用壓縮機仿真計算

通過壓縮機能力仿真計算，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能力仿真結果

3.2 輕量化的空調機組設計

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

1）由于二氧化碳跨臨界循環的運行壓力很高，達到了傳統制冷劑的5 倍以上，其壓縮機需要具備更高的強度，最高運行壓力達到14.5 MPa，其重量增加較多。對于40 kW 的空調機組，傳統R407C 制冷劑的單臺壓縮機約50kg，而二氧化碳壓縮機（活塞壓縮機）達到了85～115 kg；相應的雙系統空調機組重量增加至少70 kg/臺機組。

2）換熱器、管路、閥件的設計壓力同樣應不低于14.5 MPa，銅管應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。預計換熱器和整個管路系統的重量將增加40 kg/臺機組。

綜上，該空調機組預計比傳統的R407C 空調增重約110 kg。按照原R407C 空調機組700 kg 計算，增重約15.7%。

為了滿足列車組裝的需求，應該在殼體設計中做到減重設計，比如使用鋁合金材質替代傳統的不銹鋼。經理論計算，該設計改進將使得殼體減輕約60 kg。壓縮機、換熱器等設備重量的大幅度增加，為殼體的局部強度和剛性設計也帶來了更大的挑戰。需要借助CAE數值仿真技術對空調結構強度進行分析和優化，對強度過度設計的結構使用較薄的板材或者減少加強結構來降低空調整體強度，補足由于壓縮機、換熱器等增重而帶來的結構需求。

3.3 低成本的空調機組設計

空調產品的直接成本構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在空調領域的成熟應用并不廣泛，造成壓縮機、管路閥件、傳感器的成本居高不下；而由于系統高壓運行帶來的工藝提升的需要，管路的加工成本也大幅度增加。

據統計，某型二氧化碳制冷劑空調機組的直接成本將高出原R407C 制冷劑一倍以上。

為了盡可能減少產品成本、增強產品的競爭力，有如下幾點將是可行的方向。

1）通過各種設計提升，推動二氧化碳技術的產業化，從供應鏈整體降低主要部件（特別是制冷壓縮機）和原材料的成本。

2）通過設計優化，盡量減少系統部件的數量，比如使用單制冷系統替代傳統的雙制冷系統，從而降低材料成本。

3）通過材料優選，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系統應用時，需要重點關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不高于3 500 ppm，否則可能帶來窒息的風險。因此，為了滿足安全性的要求，需要在車廂內部、空調內部布置二氧化碳濃度傳感器，避免由于泄漏導致的窒息風險，這些將成為二氧化碳列車空調機組的必備部件。

系統高壓安全是另外一個需要關注的問題。二氧化碳制冷系統運行時以及高溫環境存儲時系統壓力較高，除了保證系統密封防止制冷劑泄漏，需要采取高壓防爆設計，設置機械泄壓閥，當系統壓力超過泄壓閥設定值時，二氧化碳制冷劑將自動泄放到大氣環境中，保證安全。

4 結束語

制冷劑的更新迭代是人們關注的熱點，其排放帶來的環保問題也越來越受到重視。二氧化碳作為環保的天然制冷劑，其在軌道交通列車空調中的推廣應用具有積極的價值；但二氧化碳制冷系統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機組的制冷系統進行設計優化。

隨著相關研究工作開展越來越多，相信二氧化碳制冷系統及其配件也將有長足的進展，使得軌道交通列車二氧化碳制冷劑空調在其性能、成本、重量等方面具備更大的整體優勢，從而使得該新型環保空調產品得以逐步廣泛進入市場。