二氧化碳制冷剂在轨道交通列车空调机组中的应用研究

张海涛

（铁科院（北京）工程咨询有限公司，北京 100081）

早在19 世纪50 年代，世界上就出现了使用二氧化碳实现制冷的专利，在后来的几十年里，又由美国、德国和英国开发出了相应的制冷设备。在20 世纪初，二氧化碳就已经作为制冷剂被广泛应用于海运冷藏系统。由于早期技术水平的限制，特别是二氧化碳存在高温环境下制冷性能的损失等缺点，二氧化碳后来逐渐被卤代烃类的制冷剂替代。

卤代烃类的制冷剂具有性能优良、能效水平高、系统压力中等的优点，但最近几十年人们对其环保特性有了更深入的认识，比如其存在对臭氧层的破坏、较强温室效应等弊端。特别是随着我国“双碳”政策的提出和逐步实施，二氧化碳作为天然制冷剂又开始进入人们的视野。

轨道交通作为空调技术的重要应用场合，其列车空调制冷剂的更新迭代也是重要研究热点之一。因此，本文对二氧化碳制冷剂在轨道交通列车空调机组中的应用进行系统的分析。

1 现有轨道交通列车空调机组制冷剂的应用

轨道交通列车空调机组按照列车的类型一般分为高速列车空调机组、城际列车空调机组、地铁列车空调机组和铁路机车空调机组等；按照空调机组的制冷容量，可大致划分为客室车厢空调机组（一般29～45 kW）和司机室空调机组（一般3～6 kW）。按照制冷和制热的功能区分，一般包含单冷型机组、电热型冷暖机组和热泵型冷暖机组。

在我国，现有的列车空调大部分使用R407C 制冷剂，干线铁路还保有部分使用R22 制冷剂的空调机组。在欧洲，绝大多数列车空调使用R134a 作为制冷剂，已有部分线路列车使用了R513A 等环保型人工合成制冷剂，并已开始尝试使用二氧化碳。在北美，大多数使用了R407C 制冷剂，也有线路的列车使用R410A。

R407C、R134a、R410A 等传统制冷剂具有性能好、能效水平高等优点，且价格适中，制冷系统也有比较成熟的部件供应链。比如，对于使用R407C 的A 型地铁列车空调机组：

1）每台空调机组的制冷量约40 kW，整机的能效比（COP）可达2.4～2.6。

2）每台空调机组的制冷剂充注量大约9 kg，成本仅几百元。

3）空调机组的核心部件——制冷压缩机的可选品牌较多，每台压缩机的重量仅50 kg 左右；类似的压缩机已经在我国轨道交通行业应用多年，具有充足的可靠性和运用数据。

4）制冷系统配件的可选品牌较多，成本低且可靠性高。

上述制冷剂的缺点：具有很强的温室效应。即使对于温室效应最弱的R134a，其全球变暖潜能值（GWP）仍达到1 300，是二氧化碳排放的1 300 倍，不能满足长期的环保要求。因此，全球各国对其应用提出限制，特别是《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书（基加利修正案）》的生效，使得上述制冷剂逐渐进入淘汰进程。

2 二氧化碳制冷剂的特性

2021 年3 月，在北京举办的中国碳达峰碳中和成果发布暨研讨会上发布了中国2030 年前实现碳达峰、2060 年前实现碳中和的目标规划。中国制冷行业碳的排放，一方面来自用电、生产过程中的二氧化碳排放，另一方面来自制冷剂等非二氧化碳温室气体的排放。从全球来看，商用制冷是制冷的主体，其制冷剂排放量最大（按CO2当量计算），占制冷剂总排放量的30%以上，如果用CO2做制冷剂（二氧化碳制冷剂，代号为R744），可以将商用制冷系统碳足迹减少到几乎为零。

2.1 市场主流制冷剂特性对比

表1 将目前市场上主流制冷剂的特性进行了对比说明。

表1 市场主流制冷剂主要特性比较说明表

2.2 二氧化碳制冷剂优异性分析

2.2.1 容积制冷量更大

容积制冷量指在同一时间内，制冷压缩机的制冷量与其容积输气量之比。二氧化碳制冷剂具有单位容积制冷量大、压缩机排量小的特点。图1 为不同制冷剂容积制冷量对比。

图1 市场主流制冷剂容积制冷量对比图

2.2.2 饱和气体压力更高

图2 为制冷剂饱和压力随蒸发温度的变化曲线，不难看出二氧化碳制冷剂饱和压力比其他制冷剂高很多（工作压力为常用制冷剂的3～5 倍）。

图2 市场主流制冷剂饱和气体压力对比图

2.2.3 定压比热容特性好

二氧化碳制冷剂定压比热容随压力变化差异明显（如图3 所示），运行环境温度对二氧化碳制冷剂空调性能影响大。随着运行环境温度升高，空调制冷量和能效比降低。

图3 市场主流制冷剂定压比热容对比图

2.2.4 流动换热特性强

二氧化碳制冷剂在超临界区，其温度与压力是独立变量，其物性变化剧烈。超临界二氧化碳制冷剂流体是一种高密度气体，兼有气体和液体双重特性，即密度高于气体，接近液体；黏度与气体相似，远小于液体黏度；扩散系数接近于气体，约为液体的10～100 倍，因而具有良好的流动性和传输特性。

二氧化碳制冷剂在亚临界区的性质主要表现为：较高的饱和压力，较低的表面张力；较高的蒸气密度，较低的饱和液体和饱和气体的密度比；另外，二氧化碳制冷剂的饱和液体黏度相对较小，比热容较高，导热系数也很大。

2.3 二氧化碳制冷剂自身特性分析

2.3.1 二氧化碳制冷剂的优点

和传统的卤代烃类制冷剂相比，二氧化碳具有如下优点。

1）其环保特性良好，消耗臭氧潜能值ODP 是0，温室效应潜能值是1。温室效应强度是R134a 等制冷剂的千分之一。

2）其运动粘滞系数低；相同的应用条件下系统的压缩比低，单位容积制冷量大，且具有很好的传热性能。

3）来源广泛，二氧化碳原料价格低廉。

4）其安全性等级是A1，无毒、不可燃，且对于常用材料不具有腐蚀性。

2.3.2 二氧化碳制冷剂的缺点

其缺点也很明显，二氧化碳制冷剂临界温度很低，仅31.1 ℃；且临界压力高，约7 MPa（如图4 所示）。相对应的，R134a 的临界温度高达101.1 ℃，临界压力仅4.07 MPa。二氧化碳制冷剂的该特性意味着在轨道交通列车空调应用时，制冷系统将处于跨临界循环。这时，系统在高压侧没有相变、换热全部通过显热的方式完成，且运行压力非常高；系统的性能也决定于高压侧换热器出口的制冷剂温度及其压力，系统的控制策略也较复杂。

图4 二氧化碳制冷剂跨临界循环压焓图

二氧化碳跨临界循环的主要缺点是循环效率较低，特别是在高温环境时其能效水平衰减较严重。对于轨道交通列车空调应用来说，设计工况的环境温度一般均在35 ℃左右，而高温工况环境温度达到了45～48 ℃，由此带来的系统能耗偏高可能是二氧化碳制冷剂技术急需提高的关键点。与此同时，系统的超高压运行（达到了传统制冷管路压力的5 倍以上，如图5所示）也为管路系统的选型和加工工艺提出了更高的要求。

图5 二氧化碳制冷剂临界温度和临界压力图

3 二氧化碳制冷剂列车空调开发的关键点分析

与其他应用场景的空调产品相比，列车空调有其固有的特点。总结来说，列车空调应做到如下几点。

1）能耗低，对供电设备的需求小。

2）轻量化、减少整车牵引系统能耗。

3）成本可控。

4）应满足其他安全性方面的需要。

下面分别针对上述几点，提出二氧化碳制冷剂列车空调研发时的关键点。

3.1 尽可能低的空调机组能耗

列车空调作为列车辅助用电设备的主要耗电者，其全年耗电占到了全部辅助设备的80%以上。同时列车空调的能耗需求决定了列车辅助逆变器的容量，间接影响列车其他设备的选型设计。

如前面所述，二氧化碳制冷循环在原理上的缺点导致其能效水平较低，特别是高温环境下能效衰减较严重。因此需要有针对性的设计，提升二氧化碳系统的能效比（COP）。

该循环的关键环节是制冷剂气体压缩、气体换热器中的冷却、节流、蒸发器中的蒸发吸热及回热器中的二次换热；相对应的关键部件分别是压缩机、气体换热器、节流阀、蒸发器及回热器，系统原理图如图6 所示。

图6 二氧化碳制冷剂跨临界循环原理图

通过理论分析，二氧化碳制冷系统具有如下性能特点。

1）其制冷量和能效比取决于气体换热器出口的制冷剂温度和压力：气体换热器出口的制冷剂温度越低，系统的能效水平越高。该温度恒定时，压力越高，制冷量越大；而相应的压缩机功率也越高，即存在一个最优的压力值（称为“最优高压值”），使得该温度下的系统能效比最高。

2）回热设计可以提升二氧化碳跨临界循环的能效比。但回热设计将导致压缩机吸气过热度大，造成排气温度偏高。

以40 kW 的二氧化碳制冷剂空调机组为例，根据仿真结果，得出了系统设计的最优方案，见表2。

表2 40 kW 二氧化碳制冷剂空调机组的系统配置

同时，为了优化空调机组的制冷季节性能的负荷调节，制冷循环采用了电子膨胀阀作为节流装置。电子膨胀阀的开度调节范围是12.5%～100%，根据实际环境温度的变化，实时对系统过热度和高压压力值进行控制。再配合压缩机的转速调节，尽可能提升空调机组的季节能效水平。

对空调制冷系统进行仿真计算（其工况见表3），采用二氧化碳制冷剂专用压缩机，每台空调采用相同的2 套制冷系统。

表3 仿真设计工况 ℃

3.1.1 二氧化碳制冷系统仿真计算

二氧化碳制冷系统仿真计算如图7、表4 所示。

图7 二氧化碳制冷系统仿真计算界面

表4 二氧化碳制冷系统仿真计算结果

3.1.2 二氧化碳制冷剂专用压缩机仿真计算

通过压缩机能力仿真计算，工作在45 Hz 时制冷量即可满足要求，见表5。

表5 二氧化碳制冷剂专用压缩机能力仿真结果

3.2 轻量化的空调机组设计

空调机组的主要重量来自压缩机、换热器、管路和机组壳体等部分。对于使用二氧化碳制冷剂的机组来说，压缩机、换热器、管路将带来主要的重量增加。仍以40 kW 的二氧化碳空调机组为例说明如下。

1）由于二氧化碳跨临界循环的运行压力很高，达到了传统制冷剂的5 倍以上，其压缩机需要具备更高的强度，最高运行压力达到14.5 MPa，其重量增加较多。对于40 kW 的空调机组，传统R407C 制冷剂的单台压缩机约50kg，而二氧化碳压缩机（活塞压缩机）达到了85～115 kg；相应的双系统空调机组重量增加至少70 kg/台机组。

2）换热器、管路、阀件的设计压力同样应不低于14.5 MPa，铜管应尽可能选取较小管径、较大壁厚；而由于换热器面积增大，其重量也大幅度增加。预计换热器和整个管路系统的重量将增加40 kg/台机组。

综上，该空调机组预计比传统的R407C 空调增重约110 kg。按照原R407C 空调机组700 kg 计算，增重约15.7%。

为了满足列车组装的需求，应该在壳体设计中做到减重设计，比如使用铝合金材质替代传统的不锈钢。经理论计算，该设计改进将使得壳体减轻约60 kg。压缩机、换热器等设备重量的大幅度增加，为壳体的局部强度和刚性设计也带来了更大的挑战。需要借助CAE数值仿真技术对空调结构强度进行分析和优化，对强度过度设计的结构使用较薄的板材或者减少加强结构来降低空调整体强度，补足由于压缩机、换热器等增重而带来的结构需求。

3.3 低成本的空调机组设计

空调产品的直接成本构成来自两个主要方面：材料成本和加工成本。由于目前二氧化碳制冷循环在空调领域的成熟应用并不广泛，造成压缩机、管路阀件、传感器的成本居高不下；而由于系统高压运行带来的工艺提升的需要，管路的加工成本也大幅度增加。

据统计，某型二氧化碳制冷剂空调机组的直接成本将高出原R407C 制冷剂一倍以上。

为了尽可能减少产品成本、增强产品的竞争力，有如下几点将是可行的方向。

1）通过各种设计提升，推动二氧化碳技术的产业化，从供应链整体降低主要部件（特别是制冷压缩机）和原材料的成本。

2）通过设计优化，尽量减少系统部件的数量，比如使用单制冷系统替代传统的双制冷系统，从而降低材料成本。

3）通过材料优选，使用快速连接工艺替代钎焊工艺，缩短加工工时。

3.4 安全性方面的考虑

二氧化碳的密度高于空气，在轨道交通列车空调系统应用时，需要重点关注其泄漏带来的安全性问题。一般来说乘客车厢的二氧化碳浓度应不高于3 500 ppm，否则可能带来窒息的风险。因此，为了满足安全性的要求，需要在车厢内部、空调内部布置二氧化碳浓度传感器，避免由于泄漏导致的窒息风险，这些将成为二氧化碳列车空调机组的必备部件。

系统高压安全是另外一个需要关注的问题。二氧化碳制冷系统运行时以及高温环境存储时系统压力较高，除了保证系统密封防止制冷剂泄漏，需要采取高压防爆设计，设置机械泄压阀，当系统压力超过泄压阀设定值时，二氧化碳制冷剂将自动泄放到大气环境中，保证安全。

4 结束语

制冷剂的更新迭代是人们关注的热点，其排放带来的环保问题也越来越受到重视。二氧化碳作为环保的天然制冷剂，其在轨道交通列车空调中的推广应用具有积极的价值；但二氧化碳制冷系统存在其原理上的劣势，需要有针对性地对轨道交通列车空调机组的制冷系统进行设计优化。

随着相关研究工作开展越来越多，相信二氧化碳制冷系统及其配件也将有长足的进展，使得轨道交通列车二氧化碳制冷剂空调在其性能、成本、重量等方面具备更大的整体优势，从而使得该新型环保空调产品得以逐步广泛进入市场。