CO2制冷技术在人工冰场中的应用现状

张振雯, 宇文怡旋，张振迎

（华北理工大学建筑工程学院，河北 唐山，063210）

北京和河北张家口成功申办2022 年冬奥会。北京也将成为奥林匹克历史上首个“双奥城市”。此次申报冬季奥运会的三大理念是“以运动员为中心、可持续发展、节俭办赛”，本着落实国际奥委会可持续发展理念和国家“绿色办奥”理念的精神，各项准备工作也在紧锣密鼓地进行着。其中，场馆建设是重头戏之一，由于中国是首次举办冬奥会，场馆的制冷方案成了关键的课题。

传统人工冰场制冷系统采用氨或卤代烃类制冷剂的液态冷却机组并以乙二醇或盐水作为载冷剂来冷却人工冰场的混凝土地板。但是《蒙特利尔议定书基加利修正案》对高GWP的卤代烃类制冷剂将实行淘汰和限制，为了将北京冬奥会办成绿色、环保和节能的体育盛会，2022北京冬奥会场馆建设中决定大量采用自然工质［1］。

CO2作为一种环保节能的自然工质，在汽车空调、热泵热水器、超市制冷系统等商业制冷领域均取得了良好效果。20世纪90年代末期，CO2在人工冰场制冷系统成功应用，取得了显著的节能效果和环保效益。但是目前在冬奥会场馆中还没有采用CO2技术制冰的先例，2022年冬奥会将是第一次在冬奥场馆中采用CO2制冰技术［2］。

1 CO2作为冷剂的特点

与其他天然制冷剂相比，CO2具有非常好的安全特性——它不易燃、不爆炸、毒性低。这使得它特别适合大量使用冷剂的系统。此外，CO2是许多工业过程中的副产品，因此价格低廉。CO2作为冷剂的独特性是它的临界点温度只有31.06℃，而压力为7.38MPa。在临界温度和压力以上，排热发生在超临界区域。在超临界模式下，温度和压力之间不是一一对应关系，两者都可以独立控制。这种模式下的二氧化碳被称为超临界流体，因为它既不是两相流体，也不是单相流体。

如图1所示，CO2的独特性之一是高工作压力，在0℃时，它的工作压力是NH3的6到7倍。在饱和温度-10℃时，CO2的工作压力在2.5MPa左右，所以在-10℃左右蒸发时，CO2的工作压力往往在2.5MPa左右，在循环高压侧可达到12MPa。由高工作压力引起的CO2的其他重要特性是比其他制冷剂具有更高的单位容积制冷量和更低的蒸汽压降。图2显示了CO2与其他制冷剂的单位容积制冷量。在0℃时，它比R22和NH3高出5倍。这些特性使得CO2系统的压缩机、热交换器和管材的尺寸大大减小。

图1 不同制冷剂之间的工作压力对比

图2 不同制冷剂之间的容积制冷量对比

2 人工冰场CO2制冷系统分析

人工冰场CO2制冷系统可分为第一代冰场CO2制冷系统和第二代冰场CO2制冷系统［3］，［4］，其中人工冰场制冷系统又可分为直接制冷系统和间接制冷系统。将其他工质作主要制冷剂，CO2用作载冷剂的人工冰场制冷系统称为“第一代制冷系统”，将使用CO2作为主要制冷剂的人工冰场称为“第二代制冷系统”。

2.1 第一代冰场CO2制冷系统

第一代冰场CO2制冷系统如图3所示［5］，［6］，该系统为间接式系统，采用CO2作为载冷剂，NH3或其他工质作为制冷剂的方式，CO2液体经CO2泵到达冰场分配管路系统，吸取冰场表面热量后以CO2气液混合物形式回到CO2罐，其中CO2蒸气进入制冷循环的蒸发器，放热给NH3制冷剂后液化，重回到CO2罐。制冷剂经冷凝器，将热散发到周围环境中，整个系统完成制冷循环。此系统的节能方式主要体现在制冰循环中的泵节能，二氧化碳压力高，压降小，降低了泵的能耗［6］，［7］。

图3 第一代冰场CO2制冷系统

相比于制冰循环为CaCl2盐溶液的间接制冷系统，CaCl2具有诸如腐蚀之类的实际挑战，而当CO2用作载冷剂时，由于二氧化碳的非腐蚀性，可以降低维护成本。从能源角度来看，由于其较低的泵送功率，它具有明显的优势。2005年，Rogstam将CO2与CaCl2进行了比较，得出的结论是二氧化碳所需的泵送功率不到10%［8］，但其也有需要改善的地方，系统的工作压力很高，因此人工冰场管道系统需要由金属制成以承受其压力，金属管道则需要巨大的成本，这也在一定程度上阻碍了二氧化碳制冷系统的推广应用。

2.2 第二代冰场CO2制冷系统

将使用CO2作为主要制冷剂的人工冰场称为“第二代制冷系统”。由于CO2的临界点温度约为31℃，在第二代制冷系统中，如果环境温度高于31℃，循环跃迁到跨临界运行，则排热过程将在超临界条件下进行，会造成压缩机制冷量的损失和更高的功率消耗，因此会使COP降低［9］。

2.2.1 直接式第二代冰场CO2制冷系统

直接式第二代冰场CO2制冷系统如图4所示［5］，［6］，该系统又称完全CO2制冷系统，整个系统中只有CO2制冷剂，冰场管路系统相当于蒸发器，该系统多在跨临界条件下运行。CO2罐起着气液分离器的作用，从冰场管路返回的CO2气液混合物，进入CO2罐，实现气液分离，低压饱和气态CO2进入CO2压缩机，变成高温高压的超临界气体，经气体冷却器冷却及节流后再次回到CO2罐，罐内液态CO2经CO2泵分配到冰场管路中。

图4 直接式第二代CO2冰场制冷系统

对于CO2直接制冷系统CO2冷盘管直接蒸发换热制冰，没有蒸发器，无中间换热环节，相比于间接制冷系统，蒸发温度可提高，同时从压缩机出来的CO2气体温度高、单位体积制热量高，具有较高的热回收潜力，人工冰场系统能耗除了制冷系统能耗外，还包括生活热水系统、供热通风系统能耗等，这些能量可通过CO2排热回收获得。若恰当回收利用，热能利用率高，冷热综合利用效能比高［6］，［10］。

2.2.2 间接式第二代冰场CO2制冷系统

间接式第二代冰场CO2制冷系统如图5 所示［5］，［6］，该系统中CO2作为制冷循环的制冷剂，制冰循环中的载冷剂采用CaCl2溶液、乙二醇等。

图5 间接式第二代冰场CO2制冷系统

和CO2在制冰循环的系统相比，该系统有很多缺陷：首先制冰循环泵能耗没有降低；其次当周围环境温度高于CO2的临界温度时，制冷循环为CO2跨临界循环，循环性能可能会低于NH3制冷剂的制冷循环运行性能［6］。此外，CO2在制冷循环中体现了热回收性能良好的优势［7］。因此CO2在制冷循环里的间接系统有可能在冰场制冷系统中得到很好地应用。

3 冰场CO2制冷技术的发展历史

Matin记载了人工冰场的历史和演变［11］，据记载最早的人工冰场是1876年在伦敦的Glaciarium冰场。该冰场采用间接式系统，采用乙醚为制冷剂，甘油和水的混合物为载冷剂。通过铺设的铜管将载冷剂在冰场和制冷系统之间进行循环。大多数现代的人工冰场多采用类似的方式。19世纪80年代，冰球运动迅速普及，增加了公众对建设溜冰场的需求。1879年美国第一个机械冷藏人工冰场建成，并且安装在麦迪逊广场花园中。

1999年奥地利的Dornbirn人工冰场首次采用了第一代冰场CO2制冷系统，此系统中，NH3作为制冷循环制冷剂，CO2作为制冰循环载冷剂。此后，第一代冰场CO2制冷系统相继在德国、瑞士以及荷兰等地使用［3］，［12］。针对CO2的工作压力较高的问题，2006年在瑞典建造的Backavallen冰场创新性的采用铜管代替塑料管，虽然铜管的安装和材料成本比塑料管要高，但铜管可以减少制冰系统与冰层之间的热阻，长期来看回报较高［7］，能量分析结果表明，与CaCl2系统相比，泵的输运功率降低到75%-80%，在8个月的季节内可节约75-80MWh的电量。2015年，全球共有56个已知的冰场以CO2作为载冷剂。

2002年，国际冰球联合会首次公开提出将CO2用作主要制冷剂的第二代冰场CO2制冷系统［4］，［13］，但由于当时CO2压缩机的单台制冷量有限，制约了第二代冰场CO2制冷系统的发展。例如在相同制冷能力下，CO2人工冰场制冷系统需要约15台压缩机来满足容量需求，而通常的NH3系统仅使用2台压缩机，这使CO2系统显得昂贵且不切实际。2006年，在瑞典的Katrineholm城市冰场招标中，Larsson首次提出了CO2跨临界冰场设计方案［14］，为满足规定的300 kW制冷量需求，采用了12台压缩机。然而，由于压缩机数量过多，导致投资成本高昂和运行操作非常复杂，最终方案并未采用此跨临界方案，而是选择了第一代冰场CO2制冷系统。2009年，丹麦的Gentofte冰场扩建项目中，其中一个改造招标方案采用了直接式第二代跨临界CO2制冷系统。然而，该冰场扩建项目被推迟，最终选择了传统的间接式氨制冷系统。直到2010年，在加拿大魁北克省的Marcel Dutil 体育馆中建成了第一个采用直接式第二代跨临界CO2制冷系统的人工冰场［15］，［16］，它使用了7台压缩机，总制冷量为317 kW。系统中安装了两个热回收装置，压缩机出口设置换热器用于加热储热水箱中的热水，该水箱可为建筑提供75℃热水，较低温度的热量则通过设置另一热回收器用于将乙二醇由45℃加热至55℃，然后输送到通风系统、更衣室和中央空调等需要加热的场合。在载冷剂的输送方面，相比于采用氯化钙溶液作为载冷剂，CO2的流量是氯化钙溶液的5%左右，使得载冷剂的输送泵的功率下降90%。系统的年均制冷COP 可达 3.35，相对传统NH3/盐水系统，总的能源花费减少了25%。

2012年，加拿大魁北克省Dollar des Ormeaux体育馆建成了第一个采用间接式第二代跨临界CO2制冷系统的人工冰场［17］，该冰场通过间接制冷系统以盐水作为载冷剂，降低了冰面下管路的成本，还通过回收CO2制冷系统的高压排热量来加热游泳池。

2014 年，瑞典的GIMO冰场改造中采用了直接式第二代跨临界CO2制冷系统［18］，［19］，并设计了一套热回收系统，同时在热回收系统中加入了一套地埋管装置，该装置在炎热的气候条件下用作散热装置，寒冷条件下用作热泵的热源，有效得提高了制冷系统的能效。

2015年，Rogstam and Bolteau［20］在瑞典的CO2溜冰场项目使用间接式第二代跨临界CO2制冷系统，该系统中采用了4台压缩机，制冷量为250 kW。

据统计，截至2018 年，世界上至少有100 个冰场使用了CO2制冷技术，其中约60个使用第二代跨临界CO2制冷系统，其中约20个位于欧洲，约40个位于北美［4］，［21］。对不同使用CO2作为制冷剂的冰场的研究表明，较大的冰场利用CO2系统的余热可节约总热需求的80-90%，较小的冰场通过良好的热回收系统设计使用，可以完全自给自足［21］。

国内关于CO2人工冰场制冷技术的研究前期多是介绍国外的应用实例［6］，［16］。2015年，哈尔滨工业大学王斌［19］以北京市一典型冰球竞赛场地作为研究对象，对主要制冷剂分别为R22和NH3，载冷剂分别为乙二醇溶液、CaCl2溶液间接式系统和CO2的五种间接式制冷系统与CO2直接式系统进行了对比分析，结果表明NH3/ CO2间接式系统的耗电量最低，CO2直接式系统的耗电量最高，经济性分析结果表明，两种采用CO2作为冷剂的系统动态费用年值最低。2022 年冬奥会国家冰雪运动训练科研基地改建项目速滑馆项目于2019 年9 月正式开馆运行，该项目采用第一代冰场CO2制冷系统，冰面面积总计9800m2，冰面温差小于0.5℃，比乙二醇溶液载冷冰场综合节能40%［10］。2022 年冬奥会首都体育馆比赛馆和训练馆将采用直接式第二代冰场CO2制冷系统，预计2020 年年中开始陆续将全部投入运行［1］，［10］。2019年5月，国家速滑馆公司召开国家速滑馆CO2制冷系统初步设计方案专家评审会，对初步设计方案进行了讨论和咨询后认为该方案技术路线可行，COP较高，安全可靠性满足要求，速滑馆冰面面积约1.2万m2，可满足速度滑冰、短道速滑、花样滑冰、冰壶和冰球一共五类冰上运动，将成为全球男人首个使用CO2作为制冷剂的大型速滑馆，也是奥运会级别场馆的首次应用［1］。2022冬奥会采用CO2新型环保制冰技术对我国实现“三亿人上冰雪”的号召有重要意义，对促进我国的制冷剂替代、制冷空调产业发展和应对全球气候变化将产生深远的影响。

表1中总结了人工冰场CO2制冷技术的发展历程，可以看出CO2技术近年来的快速发展，近年来第二代冰场CO2制冷系统，尤其是直接式系统，逐渐成为主要的发展趋势。

表1 人工冰场CO2制冷技术发展历程［1，4，10，22］

4 结论与展望

CO2作为载冷剂已在冰场中使用始于1999年，称为第一代冰场CO2制冷系统；第二代冰场CO2制冷系统从2002年提出，并于2010年首次成功应用；目前，人们对在冰场中使用CO2作为制冷剂越来越感兴趣，CO2冰场的数量正在迅速增长，其原因一是CO2为自然工质，虽然低充注量的氨系统是一个很好的方案，但由于安全问题很多时候使其难以使用。其次，CO2制冷系统的使用，产生了一个额外的好处，可以回收大量的气体冷却器排放热量，这可以使冬季运动设施的热量几乎自给自足，同时还回收的热量用于冰场空气加热及通风、生活热水、冰场管路防冻等场合。CO2制冷系统实现能源系统的集成将是一项非常有意义的工作。