We recognize environmental issues as a high corporate priority”
Francesco Nalini
Managing Director, CAREL Group
背景：CO2 与零售
有关二氧化碳 (CO2, R744) 在制冷系统中的应用的兴趣来自人们对减少环境污染的需求，尤其是在涉及臭氧层空洞的形成及温室效应时。
这些问题之所以重要也是因为160多个国家共同签署了环保国际条约 —《京都议定书》的结果。
该条约强制规定，上述所有工业化国家应在2008至2012年间将污染排放物（二氧化碳和其它五种温室气体）的浓度降低到比1990年（被看作基准年）水平的5,2%以下。除了《京都议定书》之外，各国还制定了一系列指令和法规，规定在未来几年内逐步淘汰所有环境影响较大的制冷剂产品。
从这一点来看，需要考虑两种形式的污染：
1. 直接污染，主要因泄漏到大气中的制冷剂引起；
2. 间接污染，是由系统运行所产生的能量引起。 因此，后者与上述系统的能源效率有关。
直接污染涉及两方面内容： 对臭氧层的潜在破坏和使温室效应加剧。 能最大限度降低这种直接污染，也值得重视的制冷剂是天然流体（即自然界中已经存在）： 烃、氨和二氧化碳。
使用烃的主要问题就是其易燃性以及与之相关的安全问题。 因此，到目前为止烃只用在非常有限的需要特殊制冷剂应用场合。
使用氨的主要问题是其毒性与某些材料（尤其是铜）的兼容性。
作为流体的CO2的属性有：
• 天然；
• 无毒；
• 不易燃；
• 适合与大多数常用材料共同使用。 这些属性使二氧化碳成为市场上现有的各种制冷剂的良好替代品。的确，零售业及相关行业的许多领先企业（ASDA、M&S、Sainsbury’s、Somerfield、特易购、麦当劳、可口可乐、 联合利华、嘉士伯、宜家和百事可乐等）已经提出计划，要尽快逐步淘汰常规的合成制冷剂产品。因此，对这些市场需求做出响应并加快提供能够降低直接（以 CO2 为制冷剂）和间接排放（保证较高的能源效率）的解决方案就显得尤为重要。CO2的一个特点就是其临界点（从液态变为气态的点）为31 °C。这意味着当温度高于28 °C左右时，要能够向外部环境传热，就要进行跨临界循环（无冷凝阶段），并且是在比商用或工业制冷通常所涉及到的压力高得多的 压力下进行。为了避免因没有充分利用CO2而使间接污染（温室效应）增加，需要格外注意制冷装置的设计和优化。 事实上，虽然直接污染几乎不存在，但如果带有CO2的制冷循环比传统循环效率低，即能源效率较低，间接污染也会增加。
可能的解决方案
将CO2用于制冷系统主要有四种可能的解决方案：
1. 跨临界CO2;
2. 亚临界CO2 ;
3. 泵供 CO2 ;
4. 混合系统
1. 跨临界CO2
将热量直接传递到环境中的直接膨胀系统，用于低温(LT)和中高温(MT)系统。这是概念上最简单的解决方案。 其复杂性在于压力高和需要装置效率的最优化.该解决方案需要使用气体冷却器代替冷凝器：这也是一种制冷剂气体换热器，只不过可以承受120bar设计压力的高压。 由于CO2在跨临界状态下换热性能较佳，使用这种换热器可以确保温差ΔT(Tout_GC – Tamb)低于使用普通冷凝器时的水平。跨临界状态下，每个气体冷却器出口温度，都对应一个制冷系统效率达到最佳的压力值（见图1）。
因此，气体冷却器段（对应传统循环中的冷凝器）的最优压力设定值是气体冷却器出口温度的变量。使上述系统效率最优的某个解决方案如图所示。
压缩机组、气体冷却器、背压阀(VBP1/VBP2)和控制器（图2中第1、2和3点），这些部分的解决方案目前正在论证当中。
展示柜和冷藏室 (CO2)（图2中第4点）
•CAREL MPXPRO或CAREL MasterCase，带CAREL EEV电子膨胀阀；
• 其它带CAREL EVD和EEV的控制器。
该区域所用传感器与R404a的应用相同，但控制EEV的压力传感器例外（其操作压力相差较大，检查传感器的设计压力是否在常用范围内）。
2. 亚临界CO2
复叠系统，用于将CO2循环的压力保持在传统系统的典型压力下：大约26,5到35 barg冷凝，相应饱和温度约为-10到0 °C。
通常用于低温（LT）装置。
要使冷凝段压力更低，需要一个有传统制冷剂（如R404a）或在任何情况下都低压工作的辅助循环。
例如，该辅助管路可以与销售点终端的中高温装置使用相同的制冷剂管路（大约-15 °C饱和时蒸发）。
如图所示，这是通过一个或更多换热器彼此相连的两个制冷系统。对于中高温系统，它们作为与其它制冷装置并联的普通蒸发器；而对于低温系统（使用CO2），它们则作为冷凝器。
它们通常是板式换热器，其中的中高温流体（如R404a）经EEV（如E2V + EVD）注入并膨胀，而在另一端由压缩机排放的CO2被冷凝（典型设定点为-8 °C左右时28 barg）。
上图功能性参考。
中高温压缩机组（如R404a）（图3中第1点）
CAREL μrack；
CAREL pCO 机组控制器。
传统应用下的标准解决方案和传感器。
中高温压缩展示柜和冷藏室（如R404a）（图3中第2点）
CAREL MPXPRO 或CAREL MasterCase，带CAREL EEV电子膨胀阀；
其它带CAREL EVD和EEV的控制器。
传统应用下的标准解决方案和传感器。
低温系统 (CO2) 中的冷凝器（图3中的第3点）
从功能角度来看，这些装置对应于传统并联压缩机组中的冷凝器/风扇。通常配备CAREL EVD电子膨胀阀驱动器 + EEV电子膨胀阀，由来自CO2并联压缩机组控制器的开关量输入信号。
此部分的CAREL EEV电子膨胀阀必须由工程设计师仔细确定规格。
在中大型系统中，会需要使用很多除E2V以外的阀门。
低温并联压缩机组(CO2)（图3中的第4点）
CAREL μrack；
CAREL pCO机组控制器。
该区域将使用的传感器与R404a应用中使用的相同，但不包括排放压力传感器（操作压力约28barg，建议使用最大压力超出40 barg的传感器）和吸入压力传感器（操作压力约15 barg，建议使用最大压力超出20barg的传感器）。
低温展示柜和冷藏库(CO2)（图3中第5点）
CAREL MPXPRO或CAREL MasterCase，带CAREL EEV电子膨胀阀；
其它带CAREL EVD电子膨胀阀驱动器和EEV电子膨胀阀的控制器。
该区域将使用的传感器与R404a应用中使用的相同，但不包括控制EEV的压力传感器（操作压力约15 barg，建议使用最大压力超出20 barg的传感器）。
3. 泵供CO2
类似水/甘醇系统，CO2作为其中携带冷却能量的载冷剂。通常用于中高温（MT）装置。 液态二氧
化碳由辅助制冷系统中的蒸发器冷凝，并供应到装置上的蒸发器中。
CO2使用泵来循环。
该解决方案有两大优点：
• 制冷循环发生在远离装置的维修室，因此可以使用有毒或易燃但不产生温室效应的流体，如氨或烃；
• 与其它液态载冷剂相比，CO2 循环泵需要较小的功率和较小直径的管路，并且还有换热性能更佳和更经济的优点。
CO2的温度始终处于蒸发温度附近，因此压力不是很高（约30 bar）。
低温盐水机组（蒸发温度约-15 °C）（图4中第1和2点）
适合低温过程冷却器（如水/甘醇混合物）的标准CAREL解决方案，带有EVD模块控制的电子膨胀阀。
中高温压缩展示柜和冷藏室（图4中第4点）
CAREL MPXPRO (无EEV);
其它控制器（如ir33）。
传统水/甘醇应用场合下的标准解决方案和传感器。
4. 混合系统
上述几种解决方案可以在同一使用终端一起使用，视其是否支持低温或中高温装置而定。
优点与亚临界循环相同（低压高效），并结合了与中高温装置中的泵供循环相关的优点（流体对环境的影响降低）。
例如，在经过发展的亚临界系统中两个系统的CO2仅需要一个冷却器来冷凝：
• 适合中高温（MT）装置的泵送R744；
• 与低温（LT）装置复叠的R744。
另一个解决方案中盐水机组使用冷却的甘醇溶液通过泵供至中高温（MT）装置。为低温（LT）装置冷凝复叠系统中的CO2时使用同样的载冷剂。
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