大型二氧化碳制冷及其跨临界

全热回收关键技术与应用

2022年冬奥会期间，二氧化碳跨临界直冷制冰技术为国家速滑馆、冬奥国家冰上训练中心的制冰需求，提供了极具特色的“中国方案”,这项技术是目前最先进、最环保、最高效的制冰技术之一，在服务冬奥会的基础上，还可以应用于大型商超、大型冷库和大型食品加工厂等，为提升我国安全、环保、低碳冷热一体化技术水平发挥了重要的作用。

2022年2月4日晚，第24届冬季奥林匹克运动会在北京开幕。被誉为“冰丝带”的国家速滑馆是冬奥会的标志性场馆之一，它拥有全球最大的采用二氧化碳跨临界直膨式制冷系统的冰面，也是全球首个采用“二氧化碳跨临界直接蒸发制冷”的冬奥速滑场馆。

二氧化碳跨临界直冷制冰技术，被视为目前最先进、最环保、最高效的制冰技术之一。二氧化碳虽是一种常见的温室气体，却具有环保、不可燃且无毒、易达到超临界状态等特点。有研究表明，二氧化碳跨临界制冷循环的性能，可以比传统制冷剂制冷热力学循环效率更高，且带热回收时性能更加优异。

为针对性解决传统氟利昂及氨工质制冷能耗高、安全性差、对环境破坏性较强等问题，北京大学张信荣教授带领团队在“大型二氧化碳制冷及其跨临界全热回收关键技术与应用”项目中不断深耕，并与设计、制造、应用等各相关团队密切合作，克服实际场景运用中存在的种种难关，建立了二氧化碳流动、传热特性、跨临界热力学循环优化设计的基础理论，研制了喷射器、油分离器等关键部件，构建了跨临界二氧化碳直膨制冷及全热回收和新型二氧化碳复叠式大型制冷系统。项目成果已发表论文120篇，获发明专利33项，出版英文专著2部，并获得2021年度北京市科学技术奖科学技术进步奖一等奖。

二氧化碳跨临界直冷制冰技术为冬奥会制冰需求提供了“中国方案”

二氧化碳制冷又供热

二氧化碳是众所周知的温室气体，人们多将全球气候变暖的原因归结于温室气体排放过多。那么,研究人员怎么会用二氧化碳来制冷呢?其实，二氧化碳作为制冷剂已有百年历史，在19世纪末至20世纪30年代前就被广泛应用，随着氨、氟利昂制冷剂开始应用，二氧化碳制冷剂便迅速地退出历史舞台。

二氧化碳制冷有其天然优势。首先二氧化碳是天然物质，用其作为制冷工质，对大气臭氧层没有破坏作用，与现有制冷剂相比，可以大大减少全球温室效应。数据显示，二氧化碳制冷剂破坏臭氧层潜能值(ODP)为0,全球变暖潜能值(GWP)为1。而且，二氧化碳的运动黏度低，压缩比较低，单位容积制冷量大，且无异味、无污染、不可燃、不助燃，对常用材料没有腐蚀性，具有良好的热力性能和环保特性，是可持续性最好的冷媒之一。

2015年北京冬奥会申办成功后，国家高度重视绿色办奥。往届冬奥会大多使用氟利昂、氨等作为制冰剂来制冰，但是氟利昂等会破坏臭氧层，造成严重的地球温暖化；氨则是有毒可燃物。这些传统的制冷方法对环境有着不小的破坏性。项目团队不断呼吁，也是吹哨人，建议采用环保工质天然物质二氧化碳来制冰，扩大天然工质的使用范围。

项目团队研发的二氧化碳跨临界制冷循环技术，是通过二氧化碳压缩机、气体冷却器、节流阀件、蒸发器等主要部件实现的。二氧化碳制冷剂通过低压蒸发器吸收热量后，直接蒸发变为过热蒸气进入跨临界二氧化碳压缩机实现压力提升，之后在超临界状态下进入气体冷却器对外放热，实现高压制冷剂的降温，进入节流阀件进行膨胀，降温降压后重新回流到蒸发器实现一个循环。

采用该技术的国家速滑馆智能能源管理系统，还通过高效回收制冷系统产生的余热，以回收的能量代替传统的锅炉供热，提供70℃的热水用于运动员生活热水、冰面维护浇水、场馆除湿等。全冰面模式下每年仅制冰部分就能节省200多万度电，相当于120万棵树实现的二氧化碳减排量，整个制冷系统的碳排放趋近于零。

前沿技术的运用并不是一帆风顺

“二氧化碳是一种天然的流体，它能很好地承载和搬运能量，非常符合自然界的规律。”项目团队负责人表示，团队在进行大量的基础研究过程中还发现了二氧化碳的一个奇异现象。

一般热传递主要存在三种基本形式：热传导、热辐射和热对流。只要在物体内部或物体间有温度差存在，热能就必然以前述三种方式中的一种或多种从高温处到低温处传递。而项目团队在研究过程中，发现了二氧化碳活塞效应，也是第四类传热方式。

令人惊奇的是，二氧化碳在开放环境中能量的输运速度能够超过声速，在微小槽道里面也存在着这种现象。当通道尺度降到微米以下，尺度的减小将对对流产生抑制作用。但是，项目团队在国际上第一次发现了当二氧化碳处于超临界、近临界状态下，在微米尺度的通道里面，它的能量输运不仅没有被抑制，甚至可以超过声速。

项目团队针对二氧化碳制冷的一系列相关成果，引起了国际奥组委和中国奥组委的关注。从2017年起，项目团队负责人先后受邀成为“北京市2022年冬奥会工程建设领域专家”“国家速滑馆二氧化碳跨临界制冷系统专家”和“国家速滑馆智慧场馆建设和应用关键技术研究与示范应用专家”等。

2019年，经过多轮技术磋商和专家研究，国家速滑馆最终选择二氧化碳作为制冷剂并采用跨临界制冷方式。彼时，国内的二氧化碳制冷技术尚未成熟，还停留在理论和实验层面。放眼全球，即便是最早探索二氧化碳制冰的北欧国家，也是近年来才在相对较小的1800平方米的标准冰场上使用这项技术。二氧化碳作为制冷剂应用于1.2万平方米的“冰丝带”冰面之上，绝非易事。

大型二氧化碳制冷及其跨临界

全热回收关键技术与应用

2022年冬奥会期间，二氧化碳跨临界直冷制冰技术为国家速滑馆、冬奥国家冰上训练中心的制冰需求，提供了极具特色的“中国方案”,这项技术是目前最先进、最环保、最高效的制冰技术之一，在服务冬奥会的基础上，还可以应用于大型商超、大型冷库和大型食品加工厂等，为提升我国安全、环保、低碳冷热一体化技术水平发挥了重要的作用。

2022年2月4日晚，第24届冬季奥林匹克运动会在北京开幕。被誉为“冰丝带”的国家速滑馆是冬奥会的标志性场馆之一，它拥有全球最大的采用二氧化碳跨临界直膨式制冷系统的冰面，也是全球首个采用“二氧化碳跨临界直接蒸发制冷”的冬奥速滑场馆。

二氧化碳跨临界直冷制冰技术，被视为目前最先进、最环保、最高效的制冰技术之一。二氧化碳虽是一种常见的温室气体，却具有环保、不可燃且无毒、易达到超临界状态等特点。有研究表明，二氧化碳跨临界制冷循环的性能，可以比传统制冷剂制冷热力学循环效率更高，且带热回收时性能更加优异。

为针对性解决传统氟利昂及氨工质制冷能耗高、安全性差、对环境破坏性较强等问题，北京大学张信荣教授带领团队在“大型二氧化碳制冷及其跨临界全热回收关键技术与应用”项目中不断深耕，并与设计、制造、应用等各相关团队密切合作，克服实际场景运用中存在的种种难关，建立了二氧化碳流动、传热特性、跨临界热力学循环优化设计的基础理论，研制了喷射器、油分离器等关键部件，构建了跨临界二氧化碳直膨制冷及全热回收和新型二氧化碳复叠式大型制冷系统。项目成果已发表论文120篇，获发明专利33项，出版英文专著2部，并获得2021年度北京市科学技术奖科学技术进步奖一等奖。

二氧化碳跨临界直冷制冰技术为冬奥会制冰需求提供了“中国方案”

二氧化碳制冷又供热

二氧化碳是众所周知的温室气体，人们多将全球气候变暖的原因归结于温室气体排放过多。那么,研究人员怎么会用二氧化碳来制冷呢?其实，二氧化碳作为制冷剂已有百年历史，在19世纪末至20世纪30年代前就被广泛应用，随着氨、氟利昂制冷剂开始应用，二氧化碳制冷剂便迅速地退出历史舞台。

二氧化碳制冷有其天然优势。首先二氧化碳是天然物质，用其作为制冷工质，对大气臭氧层没有破坏作用，与现有制冷剂相比，可以大大减少全球温室效应。数据显示，二氧化碳制冷剂破坏臭氧层潜能值(ODP)为0,全球变暖潜能值(GWP)为1。而且，二氧化碳的运动黏度低，压缩比较低，单位容积制冷量大，且无异味、无污染、不可燃、不助燃，对常用材料没有腐蚀性，具有良好的热力性能和环保特性，是可持续性最好的冷媒之一。

2015年北京冬奥会申办成功后，国家高度重视绿色办奥。往届冬奥会大多使用氟利昂、氨等作为制冰剂来制冰，但是氟利昂等会破坏臭氧层，造成严重的地球温暖化；氨则是有毒可燃物。这些传统的制冷方法对环境有着不小的破坏性。项目团队不断呼吁，也是吹哨人，建议采用环保工质天然物质二氧化碳来制冰，扩大天然工质的使用范围。

项目团队研发的二氧化碳跨临界制冷循环技术，是通过二氧化碳压缩机、气体冷却器、节流阀件、蒸发器等主要部件实现的。二氧化碳制冷剂通过低压蒸发器吸收热量后，直接蒸发变为过热蒸气进入跨临界二氧化碳压缩机实现压力提升，之后在超临界状态下进入气体冷却器对外放热，实现高压制冷剂的降温，进入节流阀件进行膨胀，降温降压后重新回流到蒸发器实现一个循环。

采用该技术的国家速滑馆智能能源管理系统，还通过高效回收制冷系统产生的余热，以回收的能量代替传统的锅炉供热，提供70℃的热水用于运动员生活热水、冰面维护浇水、场馆除湿等。全冰面模式下每年仅制冰部分就能节省200多万度电，相当于120万棵树实现的二氧化碳减排量，整个制冷系统的碳排放趋近于零。

前沿技术的运用并不是一帆风顺

“二氧化碳是一种天然的流体，它能很好地承载和搬运能量，非常符合自然界的规律。”项目团队负责人表示，团队在进行大量的基础研究过程中还发现了二氧化碳的一个奇异现象。

一般热传递主要存在三种基本形式：热传导、热辐射和热对流。只要在物体内部或物体间有温度差存在，热能就必然以前述三种方式中的一种或多种从高温处到低温处传递。而项目团队在研究过程中，发现了二氧化碳活塞效应，也是第四类传热方式。

令人惊奇的是，二氧化碳在开放环境中能量的输运速度能够超过声速，在微小槽道里面也存在着这种现象。当通道尺度降到微米以下，尺度的减小将对对流产生抑制作用。但是，项目团队在国际上第一次发现了当二氧化碳处于超临界、近临界状态下，在微米尺度的通道里面，它的能量输运不仅没有被抑制，甚至可以超过声速。

项目团队针对二氧化碳制冷的一系列相关成果，引起了国际奥组委和中国奥组委的关注。从2017年起，项目团队负责人先后受邀成为“北京市2022年冬奥会工程建设领域专家”“国家速滑馆二氧化碳跨临界制冷系统专家”和“国家速滑馆智慧场馆建设和应用关键技术研究与示范应用专家”等。

2019年，经过多轮技术磋商和专家研究，国家速滑馆最终选择二氧化碳作为制冷剂并采用跨临界制冷方式。彼时，国内的二氧化碳制冷技术尚未成熟，还停留在理论和实验层面。放眼全球，即便是最早探索二氧化碳制冰的北欧国家，也是近年来才在相对较小的1800平方米的标准冰场上使用这项技术。二氧化碳作为制冷剂应用于1.2万平方米的“冰丝带”冰面之上，绝非易事。

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虽然作为制冷剂的优点众多，但是二氧化碳在临界状态下十分不稳定，仍然存在排气温度较高、温暖环境下性能低、节流损失大等问题。“因为物质的状态就是气、固、液三项，而气、固、液到了超临界状态就是第四种状态了，超过临界点就是相对未知的状态了，二氧化碳有时表现像气态，有时表现像液态，非常不稳定。”项目团队负责人解释说。而且，跨临界二氧化碳压缩过程目前还离不开润滑油。润滑油会一直随着二氧化碳在系统里流动，特别是压缩完之后，超临界二氧化碳和油完全互溶，较难分离。“这么大的冰面，回油成了一个大问题。如何能够确保将二氧化碳和润滑油完美地分离开，不让油流动到冰面下面，更是项目工程中的一大难点。”

经过不断探索，项目团队改进了二氧化碳制冷系统设计，研制出新型高效二氧化碳直膨式制冷及全热回收系统，开发了中间压力供液以及平行压缩技术、半满液式二氧化碳平行压缩引射、桶泵供液的二氧化碳制冷技术，解决大型制冷效率低、“赤道线”制冷能耗高、冰面温度不均等问题，成功将国家速滑馆这条“冰丝带”的冰面温差控制在±0.5℃,远高于奥组委提出的±1.5℃标准。

针对二氧化碳和润滑油的分离难题，项目团队投入到低压端分油技术的研发中，不仅可以实现分油，还可以将二氧化碳的气态和液态分离。在这一过程中，项目团队研制出油气液分离器，开发了物理法三级油分离技术，为机组长期稳定运行提供了保障。

充分考虑到复杂工况下冰面质量保障以及冰面的可持续使用问题，项目团队负责人也在不断思考“二氧化碳跨临界制冷机组在多边的环境状态波动下如何保持最优性能”的问题，解决这一问题，就能让国家速滑馆在夏季也一样“丝带飘扬”。最终，项目团队研制出高效二氧化碳可调节喷射器，以及喷射器系统模式转换技术，彻底解决了传统喷射器适应性差、效率低等问题，将系统制冷效率提升达20%以上。

二氧化碳制冷技术的未来展望

除了在冬奥赛场上的贡献，二氧化碳制冷在其他领域也有着不小的发展前景。只要涉及冷、热、电、动力的应用场景，二氧化碳都能在各行各业的能源替代上发挥很好的作用。

随着我国经济高速发展，矿产资源的需要越来越大。然而，煤矿挖掘存在着一个很大的问题，即许多矿井生产的深度远在恒温带的深度之下，大多要达到地下数百米，甚至上千米。在这个深度上，地温随即增高，当地温超过某一温度时，不可避免地会产生矿井的热害问题。在高温条件下劳动，矿工们会遭遇人体温度调节系统失衡，在失水、心功能不健全、过度出汗后汗腺功能衰竭的情况下，可能进一步促使热量在体内的蓄积，并导致大汗不止、体温升高、头昏、呕吐等中暑症状，甚至造成死亡。

为此，项目团队率先提出了“二氧化碳下井”的想法。过去矿井开采都是利用冷水来制冷，但是把地表5℃的冷水送到地下几千米的深处，水温一下就变成20~30℃,根本实现不了真正的降温目的。相对而言，用二氧化碳代替水实现降温和除湿，不仅效率高还对环境更友好，它能将地下的热能量运送到地面上，还可以取代地面上的锅炉。“热害其实只是放错了地方的资源，二氧化碳制冷技术能够让它变害为宝。”项目团队负责人感慨道。

此外，二氧化碳制冷技术也在助力前沿科技的发展。

2020年3月，中共中央政治局常务委员会明确提出加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度，党中央、国务院关于碳达峰、碳中和的战略决策对信息通信业数字化和绿色化协同发展提出了更高要求。数据中心内放置的都是电子产品，它们需要随时降温维持正常运行。数据中心规模越建越大，能耗也越来越高。为满足冷却的需求，大部分的数据中心选择建在海边或者江边、湖边。它们24小时不间断地释放热量，每天都有数百兆瓦的热量“灌输”入江河湖泊，不仅对湖泊的生态环境影响极大，同时也影响着湖泊的资源及使用。

几年前，项目团队开始研究二氧化碳制冷对数据中心的资源化高效利用，通过持续性地打造二氧化碳能源站，一方面给数据中心提供冷量，极大减少其耗电量，有效降低机房温度，另一方面，能源站也为冬季供暖提供热量，实现了一举两得。二氧化碳制冷技术的应用，大大降低了数据中心的电能利用效率(PUE),PUE值可以降到1.1以下。

除此之外，二氧化碳制冷技术还能助力我国新农村建设。

我国农产品种类非常丰富，但是农产品的储藏物流却存在一些问题。依靠越建越多的冷库会使得能耗越来越高。与此同时，冷库保存的农产品的品质却并不高，对农产品的运输、加工也会造成影响。

传统建造的冷库通常使用氨制冷方式，因温差太大被诟病。因为温差大，导致食品中的水分易于散失，造成产品品质的劣变。然而，用二氧化碳制冷则更有助于实现产品的恒温、恒湿，同时冷库能耗可降到氨制冷方式的约十分之一，更容易实现零碳排，打造超低能耗冷库。对于实现“双碳”目标、带动“一带一路”建设、实现乡村振兴均有较大的促进作用。

起始于冬奥赛场，惠及社会的方方面面，作为与能源相关的关键技术，二氧化碳制冷技术正在为推动经济社会发展全面绿色转型、实现碳达峰碳中和作出越来越多的新贡献。

来源: 北京科技报社

内容资源由项目单位提供