2026/8/10
来源：中国制冷学会杂志2026年4月 第二期文章编号:ISSN1005-9180(2026)02-0059-04
管孝强
(山东冠安制冷技术有限公司，山东省济南市，250100)
[摘要] 本文聚焦跨临界CO2制冷循环系统，搭建了由压缩机、气体冷却器等组成的实验装置，通过实验研究系统运行特性与能效。分析了CO2的环保及热物理特性，以制冷量、功耗、COP为评价指标，探究高压压力、蒸发温度、气体冷却器出口温度对系统性能的影响。实验表明:存在最优高压压力，本实验中9 MPa为优;蒸发温度升高可提升制冷量与COP;气体冷却器出口温度升高会降低系统性能。研究为跨临界CO2制冷系统的优化运行与能效提升提供了理论与实验依据，对推动环保制冷技术发展具有参考价值。
[关键词] 跨临界CO2;制冷循环;运行特性;能效分析
[文献标志码] B [中图分类号] TB61 doi: 10.3969/J.ISSN.1005-9180.2026.02.0012
Operating Characteristics and Energy Efficiency Analysis of Transcritical CO2 Refrigeration Cycle System
GUAN Xiaoqiang
（Shandong Gu'an Refrigeration Technology Co. , Ltd., Jinan City, Shandong Province, 250100, China)
Abstract: This paper focuses on the transcritical CO2 refrigeration cycle system. An experimental setup consisting of a compressor, a gas cooler, and other components was built to study the system's operating characteristics and energy efficiency through experiments. The environmental and thermophysical properties of CO2 were analyzed. Using cooling capacity, power consumption, and COP as evaluation indicators, the effects of high-side pressure, evaporation temperature, and gas cooler outlet temperature on system performance were investigated. Experimental results show that there exists an optimal high-side pressure (9 MPa in this experiment). Increasing the evaporation temperature improvesboth cooling capacity and COP, while increasing the gas cooler outlet temperature degrades system performance. This study provides theoretical and experimental basis for the optimized operation and energy efficiency improvement of transcritical CO, refrigeration systems, and offers reference value for promoting the development of environmentally friendly refrigeration technologies.
Key words: Transcritical CO2; Refrigeration Cycle; Operating Characteristics; Energy Efficiency Analysis
当前，全球气候变暖与臭氧层破坏问题日益严峻，传统卤代烃类制冷剂因较高的臭氧破坏潜能值(ODP)和全球变暖潜能值(GWP)，已成为生态环境的重要威胁[1]。据国际制冷学会数据，制冷行业碳排放占全球总量的10%以上，制冷剂替代已成为实现“双碳”目标的关键领域[2]。在此背景下，CO2作为ODP为0、GWP仅为1的天然工质，其跨临界制冷循环系统因环保性与高效性，成为替代传统技术的核心方向，研究其运行特性与能效具有极强的紧迫性与必要性[3]。
在理论分析方面，蒋文胜等人[4]对跨临界CO2制冷循环进行了深入的理论研究，分析了系统中各参数对性能的影响规律，提出了一些优化系统性能的方法和措施。在实验研究方面，许多科研机构和高校搭建了跨临界CO2制冷循环实验平台，对系统的性能进行了全面的实验研究。郑州轻工业学院的龚毅等人[5]通过实验研究了跨临界CO2节流阀循环、回热器循环和膨胀机循环三种循环的性能差异，结果表明膨胀机循环能够有效地减少系统功耗，对系统COP的提升更为显著，综合性能更好。在应用研究方面，国内也在积极推动跨临界CO2制冷循环系统的实际应用[6]。在一些大型商业建筑的空调系统中，开始尝试采用CO2制冷技术，以提高系统的能效和环保性能。
本研究搭建跨临界CO2制冷实验系统，以制冷量、功耗及COP为评价指标，重点研究高压压力、蒸发温度、气体冷却器出口温度对系统性能的影响，通过实验数据揭示参数优化规律，为系统高效运行提供理论与实践支撑。
1 跨临界CO2制冷循环系统
本实验搭建的跨临界CO2制冷循环系统实验装置主要由压缩机、气体冷却器、节流装置、蒸发器以及连接管道和阀门等组成，如图一所示。
整个实验装置通过管道和阀门连接成一个完整的循环系统，管道采用耐压性能良好的304不锈钢管，以承受跨临界CO2制冷循环系统的高压运行环境，阀门选用型号为J41W-160P的截止阀和型号H41W-160P的止回阀。压缩机为丹佛斯品牌的CO,专用涡旋式压缩机，型号为MLM021T4LC9，其额定转速为3,000 r/min，额定功率为5.50kW，理论输气量为18.50m2h。气体冷却器采用板式换热器，型号为SWEP B10H，其换热面积为2.50m2，由40个换热板片组成。节流装置选用丹佛斯电子膨胀阀，型号为ETS400。蒸发器采用降膜式蒸发器，型号为V型降膜蒸发器FM-3.0，其换热面积为3.00m2。
图1跨临界CO2制冷循环系统流程图
2跨临界CO2制冷循环系统运行特性分析
2.1 CO2制冷剂特性
CO2作为制冷剂，环保特性卓越:ODP为0, 不破坏臭氧层;GWP仅1，远低于传统制冷剂，对全球变暖影响极小，且来源丰富、泄漏无污染。热物理特性优异:跨临界状态下密度约为R134a的1.5倍，可提升制冷量;粘度约为其0.5倍，减少能耗;传热系数高，能提高换热效率;临界温压特性使其适用温度范围广，可满足多种制冷和供热需求。
2.2 系统能效评价指标
(1)选取制冷量Q0衡量制冷系统能效，制冷量指制冷系统在单位时间内从被冷却物体或空间中吸收的热量，直接反映了系统满足制冷需求的能力。
(2)选取功耗Wtotal衡量制冷系统能效，功耗指制冷系统在运行过程中所消耗的电能，功耗的大小直接关系到制冷系统的运行成本。
(3)选取性能系数(Coefficient of Performance,COP)衡量制冷系统能效，可反映制冷系统在单位功耗下所能提供的制冷量。计算公式如下:
上式中: Q0为制冷量，Wtotal为制冷系统消耗的总功耗，单位均为kW。在跨临界CO2制冷循环系统中，COP是评估系统能效的关键参数，COP值高表示在消耗相同电量的情况下，系统能够产生更多的制冷量，从而实现更高的能源利用效率。
2.3 系统运行参数对性能的影响
高压压力可影响运行参数，系统COP随压力升高先增后减，存在最优值，且受蒸发温度和气体冷却器出口温度影响，二者升高时最优高压压力均增大。蒸发温度升高会增强传热推动力，使制冷量增加、压缩机功耗降低，从而提升COP，需结合工况需求确定最佳范围。气体冷却器出口温度升高则会削弱散热效果，导致压缩机功耗增加、制冷量下降，可通过优化冷却介质流量和换热器结构控制。
3 实验验证与分析
3.1测量仪器
温度测量选用PT100铂电阻温度传感器，精度±0.1°C，测量范围-50~150°C。压力测量采用高精度压力变送器，精度±0.5%。制冷剂质量流量用科里奥利质量流量计测量，冷却介质水的体积流量用电磁流量计测量。另配备功率分析仪测量压缩机输入功率。
3.2工况设置
本次实验分别将蒸发温度固定为-15°C，气体冷却器出口温度固定为35°C，高压压力取值范围8~12MPa研究高压压力对系统性能的影响;高压压力固定为10MPa，气体冷却器出口温度固定为35°C时，蒸发温度取值范围-20~-10°C研究蒸发温度对系统性能的影响;高压压力固定为10 MPa，蒸发温度固定为-15°C时，气体冷却器出口温度取值范围30~40°C研究气体冷却器出口温度对系统性能的影响。具体工况设置如表1所示。
表1工况设置
3.3实验结果与分析
在不同工况下进行实验，每组参数重复测量3次取平均值后得到系统制冷量、功耗及COP的具体数据如表2所示。
表2实验结果
为了直观的观察高压压力、蒸发温度以及气体冷却器出口温度对系统制冷量、功耗及COP的影响，将表2实验结果分别绘制成图2、图3和图4。
由图2可知，在蒸发温度固定为-15°C、气体冷却器出口温度固定为35°C的工况下，制冷量随高压压力从8MPa升高至10MPa，制冷量从20.2kW增至23.7kW，增幅达17.33%;当压力继续升高至12 MPa时，制冷量回落至22.1kW，较峰值下降6.75%，原因可能在于初期压力升高增强了气体冷却器的换热温差，提升了制冷剂单位质量制冷能力;但过高压力导致压缩机排气温度骤升，反而削弱了蒸发器的吸热效率。功耗随高压压力升高持续增加，从8MPa时的9.4kW增至12MPa时的13.3kW，增幅达41.49%。高压压力升高使压缩机压缩比增大，偏离等熵压缩过程更远，导致能耗激增。COP呈现先升后降的趋势，在9MPa时达到最大值2.19，较8MPa时提升1.86%;12 MPa时COP降至1.70，较峰值下降22.37%。实验验证了最优高压压力的存在，本工况下9Mpa为较优压力点，此时制冷量与功耗的匹配性最佳。
图2高压压力对系统性能的影响
由图3可知，在高压压力固定为10MPa、气体冷却器出口温度固定为35°C的工况下，制冷量随蒸发温度从-20 °C升高至-10°C，制冷量从18.0kW稳步增至25.5kW，增幅达41.67%。蒸发温度升高使蒸发器内CO,饱和压力上升，与被冷却介质的温差增大，传热推动力增强，单位时间吸热能力显著提升。功耗从-20°C时的10.1kW降至-10°C时的8.5kW，降幅为15.84%。蒸发温度升高降低了压缩机吸气压力与排气压力的差值，压缩比减小，压缩机耗功降低。COP呈单调递增趋势，从1.78升至3.00，增幅达68.54%。这是制冷量增长与功耗下降共同作用的结果，表明在合理工况范围内提高蒸发温度能有效提升系统能效，尤其当蒸发温度从-16°C升至-10°C时，COP从2.37增至3.00，增幅达26.58%，能效提升效果更为显著。
图3蒸发温度对系统性能的影响
由图4可知，在高压压力固定为10MPa、蒸发温度固定为-15°C的工况下，气体冷却器出口温度对系统性能的影响呈现明显的负相关性。制冷量随出口温度从30°C升高至40°C，制冷量从24.3kW降至19.外kW，降幅为18.11%。出口温度升高导致CO2在气体冷却器中散热不充分，进入蒸发器的制冷剂焓值上升，单位质量制冷量减少。功耗从10.4kW增至12.4kW，增幅达19.23%。出口温度升高使压缩机排气压力被动上升，压缩过程耗功增加，尤其当温度从36°C升至40°C时，功耗从11.1kW增至12.4kW，增幅达11.71%，能耗增长速率加快。COP从2.34降至1.61，降幅达31.20%。由于制冷量下降幅度大于功耗增长幅度，系统能效随出口温度升高显著恶化。实验数据表明，将气体冷却器出口温度控制在30-34°C范围内，COP可维持在2.11以上，能效表现更优。
图4气体冷却器出口温度对系统性能的影响
综上，实验结果与理论分析一致:系统存在最优高压压力，蒸发温度与系统能效正相关，气体冷却器出口温度与系统能效负相关。通过优化高压压力控制、提升蒸发温度及降低气体冷却器出口温度，可显著改善跨临界CO,制冷循环系统的运行性能。
4 结论
本文通过实验与分析，明确跨临界CO,制冷系统性能受高压压力、蒸发温度、气体冷却器出口温度影响，优化这些参数可提升系统能效。具体结论如下:
(1)存在最优高压压力，本实验中蒸发温度-15°C、气体冷却器出口温度35°C时，9MPa为最优值，此时COP达2.19，过高或过低压力均会降低系统能效。
(2)蒸发温度与系统性能正相关，在-20~-10°C范围内，随温度升高，制冷量增幅41.67%，功耗降幅15.84%，COP从1.78升至3.00，合理提升蒸发温度可显著增效。
气体冷却器出口温度与系统性能负相关，30~40°C范围内，温度升高使制冷量降18.11%，功耗增19.23%，COP降31.20%，控制出口温度在30-34°C能效更优。
参考文献:
[1]刘慕云.多联机空调系统制冷剂泄漏安全性探讨[J].制冷与空调,2021,21(11):46-51.
[2]张朝晖等.“双碳”目标下制冷空调行业技术发展的思考[J].制冷与空调,2022,22(01):1-10.
[3]张川，马进.跨临界CO,制冷系统在冷库工程应用的可行性探讨[J].冷藏技术,2025,48(01):9-13.
[4]蒋文胜.二氧化碳跨临界制冷循环系统能效分析[J].河池学院学报,2013,33(05):49-53.
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[6]马松，赵李曼.CO,跨临界平行压缩与闪气旁通能效及应用浅析[J].制冷与空调,2023,23(06):1-5.
