“科创中国”先进制冷技术 产学融合会议，青岛 “双碳目标”背景下制冷核心技术发展路线展望 邢子文 2022-1-8 一、引言 二、制冷剂替代及应用 内容提要 CONTENTS 三、关键部件与制冷系统能效提升 四、冷热耦合及可再生能源利用 五、大数据分析与智慧运维 六、总结与展望 一、引 言  双碳目标：2030年前，CO2排放达到峰值；2060年前，实现碳中和  电力生产侧：  大力发展可再生能源：光电、风电、水电、生物质发电、绿色氢能  安全高效发展核电，控制和减少煤电  能源消费侧：  绿色建筑：低碳建筑（超低能耗、净零能耗）  低碳交通：新能源车热管理（电劢、氢燃料）  工业节能减排  负碳技术、碳汇：  自然碳汇：森林、陆地、海洋  CCUS：物理、化学 氢能：  制备：绿氢、蓝氢、灰氢  储运：气态、液态  利用：燃料电池、燃料、原料 储能：  物理储能：抽水蓄能、压缩空气储能、蓄热、蓄冷 解振华：实现碳中和，大体需136万亿投入；“1+N”政策体系  化学储能：劢力电池、电劢车、氢储能 3/38 一、引 言  双碳目标：  能源消费侧：  工业节能减排： • 产品碳排放：直接排放：材料获取、制造、运输、报废回收） 间接排放：运行维护（能效） • 节能优先：成本最低的低碳路径，在全过程、各领域强化 • 优化能源结构：化石能源→电力（热泵）、绿氢燃料、绿氨燃料 • 调整原料结构：绿氢原料、绿氨原料 • 调整产业结构：冶金、化工、建材、矿山、食品 • 非二排放：甲烷、HFCs（基加利修正案） 能耗双控（总量、强度）  2019年，国外发达国家每万元GDP能 耗是0.26吨标煤，我国是0.6吨标煤， 是国外发达国家的2.6倍  我国十四五节能目标：单位GDP能耗 下陈13.5%、二氧化碳排放下陈18% 实现双碳目标，必须坚定不移地把节能放在首位，以较低峰值实现碳达峰，并为最终实现碳中和奠定基础 4/38 一、引 言  绿色高效制冷行劢方案（发改环资[2019]1054号）：  重大意义：年产值达8000亿元，全社会用电量15%以上；年均增速近20%  主要目标：到2030年，制冷总体能效提升20%以上  主要仸务：强化标准引领；提升绿色高效制冷产品供给；促进绿色高效制冷消费 ； 推进节能改造 ；深化国际合作  提升绿色高效制冷产品供给：  加大对变频控制、 高效压缩机、 紧凑轻量化高效传热…等关键共性技术研发；  鼓励生产企业为工商用户提供按需定制、 精准适配的绿色高效制冷系统。  基加利修正案：  效果：履行HFCs管控要求，可为巴黎协定的2℃目标，贡献0.4℃ 制冷空调设备还可通过提升能效，使气候效益加倍  受控HFCs：R32、R134a、R143a、R245fa等共18种  基线年：2020-2022  冻结：自2024年起，将HFCs的生产及使用冻结在基线水平  削减：从2029年开始，到2045年累计削减80％以上（我国各类细分场景明确的GWP降低目标值与时间表？） 制冷技术应用广泛，相关产品未来仍将快速增长，对实现双碳目标具有十分重要的作用和贡献 5/38 一、引 言  “双碳目标”背景下制冷核心技术发展路线  制冷剂替代及应用  自然制冷剂及低GWP合成制冷剂  基于制冷剂的关键部件与制冷系统开发  超低充注量及安全防御  关键部件不制冷系统能效提升  关键部件：压缩机、换热器、控制阀  机组及系统：精准匹配、评价标准  冷热耦合及可再生能源利用  制冷供热集成系统及余热利用  直流驱动与氢能利用  大数据分析不智慧运维  基于知识和数据驱动模型的节能控制  制冷系统智慧运维专家系统 6/38 二、制冷剂替代及应用  自然制冷剂及低GWP合成制冷剂  自然制冷剂扩大应用领域：NH3、CO2、R290、 R600a、R718  合成制冷剂研发、润滑油及材料兼容、回收再 利用：R1234yf、R1234ze、R1233zd、…?  空调（需求占比80%以上）：R32、R410A； R1234yf、R1234ze、R1233zd、R515B、 R513A  冷冻冷藏 ① 中大型：NH3/CO2、R290，螺杆压缩机 ② 中小型：R134a、R22、R404A、CO2； R513A、R449A、R452A；R454A，R454C， 螺杆、涡旋压缩机 ③ 轻商：R134a、R32、R410A、R290、R513A、 R454B，涡旋、滚劢转子、活塞压缩机 ④ 冰箱：R600a，活塞压缩机 7/38 二、制冷剂替代及应用  关键部件与制冷系统  基于制冷剂的关键部件及系统研发 ① R600a活塞压缩机及冰箱 ② R290滚劢活塞压缩机及轻商系统 ③ 跨临界CO2活塞、涡旋压缩机及其系统 ④ NH3/CO2复叠螺杆压缩机及其系统  替代制冷剂应用技术 ① 减小充注量：小管径、微通道换热器 ② 缺陷应管理：安全、能效、高转速 ③ 材料替代：铝代铜（换热器、连接管）、 钢代铜、非金属材料、新材料  非蒸气压缩制冷：吸收吸附、固态制冷 8/38 二、制冷剂替代及应用  自然制冷剂应用  空气制冷机 ① 压缩空气膨胀制冷，-60℃不传统系统性能相当？ ② 用于低温储运、生物医药、石油化工、冷冻干燥、血液/器官保存等领域 新一代高速气浮离心压缩-膨胀机 9/38 三、关键部件与制冷系统能效提升  制冷设备节能潜力  关键部件：10%  压缩机（电机）  换热器、控制阀（节流阀、四通阀）  控制器、传感器、……..  冷热源机组： 20% ？  制冷系统：机组+输配+末端： 30%~50% ？  国务院《2030年前碳达峰行劢方案》：  以电机、风机、泵、压缩机、变压器、换热器、工业锅炉等设备为重点，全面提升能效标准。建立以能 效为导向的激励约束机制，推广先进高效产品设备，加快淘汰落后低效设备。  加强重点用能设备节能审查和日常监管，强化生产、经营、销售、使用、报废全链条管理，严厉打击违 法违规行为，确保能效标准和节能要求全面落实。 10/38 三、关键部件与制冷系统能效提升  变频驱劢：高速小型化、轻量化，减低直接碳排放  活塞压缩机：高端冰箱  转子压缩机：家用空调、轻商  涡旋压缩机：多联机、轻商  螺杆压缩机：中央空调、热泵、冷冻冷藏  离心压缩机：中央空调、热泵 11/38 三、关键部件与制冷系统能效提升  双级压缩  替代大压比单级压缩  替代压缩过程中补气的单级压缩  三缸双级变容积比滚劢转子式压缩机 ① 双级压缩、级间补气 ② 工作缸数选择、双级容积比控制 ③ -35℃超低温制热、60℃高出水温度 12/38 三、关键部件与制冷系统能效提升  无油压缩  效率高、运维费用低  磁浮离心机 ① 高速电机直联驱劢 ② 磁浮控制器、传感器、保护轴承等核 心部件  气浮离心机（劢压、静压） ① 箔片材料及工艺 ② 箔片受力及变形 径向箔片轴承  线性活塞压缩机  LNG等BOG压缩机（接收站、运输船） 轴向箔片轴承 13/38 三、关键部件与制冷系统能效提升  变容积比  涡旋压缩机：卸载阀（中间压力排气阀）  变频变容积比螺杆压缩机 ① 变频调节容量、滑阀调节内压比 ② 容量、内压比各自独立调节 ③ 运行调节适应性强 14/38 三、关键部件与制冷系统能效提升  特定工况订制  小压比 ① 利用自然冷源的空调系统、数据中心冷却、设施农 业、立体养殖 ② 低成本、低碳：无滑阀等冗余功能、国产轴承 ③ 小压比NH3螺杆压缩机参数优化： 15/38 三、关键部件与制冷系统能效提升  压缩机结构参数优化  转子型线设计新方法：用贝塞尔曲线、NURBS等替代常规曲线作为组成齿曲线，型线优化更灵活 16/38 三、关键部件与制冷系统能效提升  压缩机结构参数优化  变导程 ① 更大的排气孔口面积、 更小的流劢损失 ② 更低的压缩多方指数、 更高的效率 恒导程 多段导程 渐变导程 17/38 三、关键部件与制冷系统能效提升  轻商压缩机及其机组  制冷陇列柜、厨房冰箱、饮料柜、葡萄酒 储藏柜、自劢售货机、制冰机、冰激凌机、 医用冷柜等  生鲜电商、新零售、无人零售市场  压缩机：小型轻量化、高能效、变频化  轻商设备类型多、生产厂家，技术水平存 在明显差异  压缩机及制冷机组匹配、运转率优化等综 合解决方案：压缩机用电占60~70%、其 它部件30~40%  制冷剂：R134a、R404A、R22；R1234yf、 R513A、R452A；CO2、R290 18/38 三、关键部件与制冷系统能效提升  机组及系统  个性定制、精准匹配 ① 用户负荷准确核算 ② 基于解决方案的产品 ③ 分布式机组：工业制冷、大型冷库  标准驱劢 ① 能效标准：家用、轻商、冷冻冷藏；部件、机组、系统 ② 产品分区标准、中国特色IPLV标准 ③ 现场检测标准 19/38 四、冷热耦合及可再生能源利用  制冷供热集成系统  宽温区高效制冷供热耦合集成系统 ① 制冷、制热、蓄热 ② 冷热负荷匹配、模块化系统集成  冬奥会国家速滑馆大型跨临界CO2制冷供热系统 ① 冰面：跨临界CO2直接蒸发制冷，较传统技术能效提升20%以上 ② 全部余热可实现回收再利用，多个模块化跨临界CO 2机组幵联运行 生猪屠宰用冷热联供系统 20/38