冷热组合型超市系统的
设计与经济性分析
天津商业大学制冷系 宁静红 李惠宇 彭苗
摘 要：设计了冷热组合型超市系统，利用 CO。跨临界循环对空间夏季供冷和冬季供热，采用
R290／CO，复叠式制冷循环对食品冷冻冷藏 ，同时回收 CO。跨临界循环高温气体散发的热量和
R290／CO，复叠式制冷循环 R290高温循环气体的冷凝热，实现夏季空间供冷、食品制冷的同时供
应生活热水，冬季空间供暖、食品制冷的同时供应生活热水，及春秋季节食品制冷同时供应生活热
水 并与供冷、供暖、食品制冷和供应生活热水分别进行的常规R404A超市系统的能效相比较，得
出冷热组合型超市系统的能耗大大降低，能效明显增加，不仅节约能源，而且保护环境，是很有发展
前景的绿 色环保 系统。
关键词 ：组合 系统 ；超市；CO。跨临界循环 ；R290／CO 复叠式制冷循环；热回收
Design and economics analysis on CCHHR system in supermarket
By Ning Jinghong Li Huiyu Peng Miao
Abstract：In this paper，a combined space cooling，space heating，water heating and food
refrigeration fCCHHR)system used in supermarket is designed．This system provides cooling for
space in summer and provides heating for space in winter by using C02 transcritical cycle．A
R290／CO2 cascaded refrigeration cycle using R290 as the refrigerant for the higher temperature
cvc1e and CO2 as the refrigerant for the lower temperature cycle is used for food refrigeration．
The cooling heat emitted from hot CO2 gas of CO2 transcritical cycle and condensation heat
emi tted from R290 cycle is recovered by heat recovery system． It not only reduces the heat—
DoUution but a1so provides hot water、 So this system have three running mode，provides cooling
sPace．hot water and food refrigeration in summer，provides heating space， hot water and food
refrigeration in winter，provides hot water and food refrigeration in spring as well as autumn．
M oreover，this system is compared with typical conventional supermarket technology that provides
cooling space，heating space，hot water and food refrigeration respectively-It is obtained that the
energy COnsumption in the CCHHR system is reduced largely and energy efficiency is increased
obviously．It can be concluded that the CCHHR system in superm arket has a good future for
protecting environment and saving energy ．
Keywords： CCHHR system； supermarket； CO2 transcritical cycle； R290／CO2 cascaded
refrigeration cycle；heat recovery
1 6 J墨豳 Shanghai Energy Conservation 2007．No．4
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1引言
现有的超市中一般设有夏季供冷空调 系统
(space cooling system)、冬季供热采暖系统 (space
headng system) 和 食 品 储 存 制 冷 系 统 (store
refrigeration system)，通常用冷水机组提供冷源，锅
炉提供热源，单独的制冷系统用于食品保鲜储存。
冷水机组和制冷系统在运行时排出大量的冷凝热 ，
冷凝热可达制冷量的 1．25倍左右，如果这部分热量
通过冷却水系统排向大气，或是通过风冷排向大气，
会造成室外大气的热污染，加剧“城市热岛效应”，另
外，环境温度的升高，将恶化空调系统和制冷系统的
工作环境，能耗S~Dl：i，COP值降低。因此，应充分回
收利用这部分宝贵的冷凝热，减少热污染、保护环
境，节约能源。
Maidment l1J对超市冷热电组合系统的性能进
行研究，得出组合系统的能耗下降，运行费用明显降
低，如果充分利用废热为超市供热或提供热水 ，则年
运行消耗 的能量 较传统 的超 市系统要减 少近
500，000 kwh D1。 瑞典的Iaime AriasI41研究表明
利用热回收可以提高超市制冷系统的能效。
为保护人类生态环境，给人类的子孙后代留下
一 个可供生存 、可持续发展的环境，超市中的供
冷、供热和制冷系统，应采用自然工质_引。意大利的
Sergio GirottoI61对超市制冷系统中用 CO2与R404A
的全年能耗情况进行了分析对比，随着技术的不断
改进 ，CO 超市制冷系统的能耗将 等于或低于
R404A系统。2004年荷兰 的 Bunschoten一超市开
始应用NH ／CO 制冷系统。Davies~提出 CO 超市
制冷系统。在荷兰、丹麦的超市中已开始使用 R290／
CO，复叠式制冷系统[81 [91，在欧洲其它各国也在大力
开发应用自然工质超市制冷系统。本文对冷暖空调、
制冷和提供热水的超市组合型冷热系统进行研究，
并与常规的超市冷热系统进行经济性分析对比，得
出具有多种功能的超市组合型冷热系统，不仅节约
能源、而且保护环境，有着很好的发展前景。
2 系统设计
某超市总面积为 750m ，要求夏季供冷、冬季供
暖 、食品储存制冷和供应热水 。冷暖空调系统
(space cooling／heating system)以 CO2为制冷工
质，采用 CO 跨临界循环，系统的夏季供冷负荷为
75 kW ，冬季供暖负荷为 60 kW。制冷系统(store
re向geration system )采用R290／CO2复叠式制冷循
环系统 ，高温循环用 R290制冷工质，低温循环以
CO 为制冷剂和载冷剂，冷却负荷为 21 kW，冷冻
负荷为 10 kW。送风系统耗功 3 kW。各种泵的耗功
为 1．2 kW ．热水用量平均每人每天 200L计，热水水
温 65~C，水源为 20'：C的自来水。
3运行模式
如图 1所示，将冷暖空调和制冷系统设计为冷
热组合型系统，可以为夏季供冷、冬季供暖、制冷和
供应热水。
3．1模式 1
夏季空间供冷、食品制冷同时供应生活热水。
CO 跨临界制冷循环在夏季供冷同时供应生活热
水 ．如图中黑色箭头所示，从压缩机出来的 CO 制
冷工质流经阀 C，热回收换热器 2和阀a，热交 器
1，与室内空气热交换后，经阀e回到压缩机。循环中
阀 b、d、f、g关闭。
CO 跨临界制冷循环的蒸发温度为 7℃，排气
温度从 75~C冷却到 4O℃，热回收换热器的最大散热
量为 107．8kW ，将水温从 20~(2升至 65~C，可以加热
2．06ms／h的生活热水，每天可提供 49．44m。／d的生活
热水 ，如果每人每天 的生活热水 用量为 200L，则可
供 247人的生活热水 。
R290／CO 复叠式制冷循环系统，在食品制冷
的同时供应生活热水。R290的冷凝温度为 30~(2，蒸
发温度一14~C；CO 低温冷冻循环的冷凝温度为一
12~C，蒸发温度为一30~(2，CO 低温冷却循环的供液
温度为一8℃，回液温度为一2℃，热回收换热器的最
大散热量为 41．5 kW，将水温从 20'：C升至 65~(2，可
以加热 O．8m ／h的生活热水，每天可提供 19．2m ／d
的生 活热 水 ，如 果每人 每天 的生 活热 水 用量 为
200L，则可供 96人的生活热水。夏季超市中空间供
冷和食品制冷，回收余热可以提供 343人的生活热
Shanghai Energy c。nservati。n 2。。7_N。_4 l：ll翻 l’7
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图 1超市冷热组合型 系统
1一热交换 器 2一热回收换热器 3一辅助热 交换器 4一热交换器 5一热回收换热 器
6-R290／CO，冷凝 蒸发 器 7一Co，压缩机 8一四通阀 9一R290压缩机 10一CO，压缩机
11一蓄热水箱 12一补 水箱 13一送风 系统
水，这部分热水包含超市中人员的洗浴、食品的加工
处理、洗衣和餐厅用水等。
3．2模式 2
冬季空间供暖、食品制冷同时供应生活热水。
CO：跨临界制冷循环在冬季供暖同时供应生活热
水，如图中灰色箭头所示，从压缩机出来的 CO：流
经阀d，热回收换热器 2和阀b，与室内空气热交换
后，流经热交换器 1和阀f，回到压缩机。循环中阀
a-,C、e和 g关闭。CO：跨iN界制冷循环的蒸发温度
为一10℃，超市内部空间的温度设定为20~(2，排气温
度从 75~(2冷却到40~(2，在热回收换热器中温度从
75~(2冷却到 60~(2，在室内热交换器中温度从 60~(2冷
却到 40~(2，则热回收换热器提供的热量为 34．09
kW ，将水温从 20~(2升至 65~(2，可以加热 0．65m。／h
的生活热水，每天可提供 15．6m ／d的生活热水，如果
每人每天的生活热水用量为200L，则可供 78人的
生活热水
1L290／CO：复叠式制冷循环系统，在食品制冷
的同时供应生活热水，供应热水量同模式 1。如果保
持与夏季相同的热水供应量，可以使用辅助的加热
1 8』臣豳 Shanghai Energy ConseⅣat_0n 2oo7．N。．4
器，提供其余的73．81 kW 的热量。
3．3模式 3
春秋季超市中不需供冷和供热，只需要提供生
活热水食品制冷，CO 跨临界制冷循环如图中白色
箭头所示，从压缩机出来的CO：工质流经阀C，热回
收换热器 2，经阀 d和 g，经热交换器 1和阀 f回到
压缩机。循环中阀 a-,b和 e关闭。 取室外平均温度
为 12~(2，CO。跨临界制冷循环的蒸发温度为2℃，排
气温度从 75~(2冷却到 40~(2，保持与夏季相同的热水
供应量，即热回收换热器的热量为 107．8 kW。
R．290／CO：制冷循环系统，在食品制冷的同时
供应生活热水，供应热水量同模式 1。
4经济性分析
表 1所示是几种运行模式的性能比较，计算中
取压缩机的效率为 70％，模式2中考虑了附加热交
换器的耗能和提供的热量。
将超市冷热组合型系统与传统的超市空间供
冷、供热、食品制冷和供应生活热水(简称传统型)的
形式相比较，得到表 2所示的结果。为便于比较选
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表 1几种运行模式的性能比较
运行模式 能耗(kW) 供应热水量(m。／h) CoP
模式 1 49．70 2．86 5．14
模式 2 103．42+82．01 1．45+1．41 1．29
模式 3 64．42 2．86 2．80
表 2超市冷热组合型 系统与传统型比较
系统形式 传统型 组合型
供冷方式 R404A制冷循环 CO 跨临界制冷循环
供热方式 R404A热泵循环 CO 跨临界热泵循环
食品制冷 R404A制冷循环 R290／CO 复叠式制冷循环
供应热水 电锅炉加热 热回收+电锅炉加热
耗电量(kWb／a) 864 365 403 248
耗资(元／a) 605 055 282 273
l 平均能效 1．16 2．48
表3组合型和传统型系统对环境的影响比较
系统 直接影响 (kg co2) 间接影响(kg co2) 温室效应f kg co2)
组合型 151 3 931 668 3 931 819
传统型 397 394 8 427 558 8 824 952
择，采用消耗电能的方式，电价为0．7元／kWh，电锅
炉的效率取 0．9，冬季按 102天计算，夏季为 153天，
春秋季 110天，对运行一年的情况进行比较。从表 2
可以看出，与传统型相比，组合型系统的运行费用明
显减少，性能系数是传统型的1．32倍。随着设计、安
装、控制技术的不断改进．超市组合型系统的性能会
得到进一步的提高。
5温室效应
将超市组合型和传统型系统对环境的影响进行
分析比较．温室效应中不仅考虑直接影响同时考虑
间接影响。直接影响为制冷剂的泄漏造成的温室效
应．间接影响为系统的能效和系统运行耗能引起的
CO：排放造成的温室效应 [1Ol。
TEWI=GWP×m{Ln+(1一f)}+nEe (1)
式中：m为制冷剂的充灌量(kg)，组合型系统中
R290的充灌量是 10．5kg，CO2的充灌量是 lOOkg，
传统型系统中R404A的充灌量是 106kg；E是能量
消耗 (kWh)；制冷剂的年泄漏率为
L=0．5％；运行时间 n=15(年)；f--0．6；
e=0．65 (kg CO2／kW h)。 R404A 的
GWP值是 3260．R290的GWP值是
3，CO 的 GWP值是 1。
从表3可以看出，组合型系统的
温室效应较传统型系统减少 55％，采
用自然工质可以明显减少温室效应。
随着技术的不断改进．组合型系统的
性能不断提高，组合型系统的能耗降
低，可以显著地减小温室效应。
6 结论
通过对 自然工质组合型超市系
统的设计和与传统的超市系统的性
能比较 ，得出组合型超市系统能耗
少、性能高、运行费用低和温室效应
小。自然工质组合型超市系统节约能
源 、保护环境．有着很好的开发和应
用前景。
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国外节能已成风尚
美国一家大学曾设计建造了一种四居室的生
态房。它的热能来源于人工散热、阳光及使用家电
设备所产生的热量：用电依靠风力发电机和太阳能
电池；用水是从屋檐流下来经过处理的雨水；粪便和
污水则流入一个堆肥坑里，经发酵后供花园施肥
用。美国一家建筑公司用回收的垃圾建筑房屋，墙
壁是用回收的轮胎和铝合金废料建造的；屋架所用
的大部分钢料是从建筑工地上回收来的；所用的板
材为锯末和碎木料加上20％的聚乙烯制成；而旧报
纸、纸板箱则成了屋面的主要原料 ，并作为墙面的
绝缘体。美国国立资源保护委员会总部则是以废旧
回收物品的再生材料为主要材料建筑的绿色办公
室。它的墙壁由麦秸秆压制并经过高科技加工而
成，地板由废玻璃制成，办公桌由废旧报纸与黄豆渣
制成。另外，它还设有很大的窗户，这样办公室内非
常明亮，从而可节约电力30％。日本 1997年建成了
一 栋实验型“健康住宅”。除了整个住宅尽可能选对
人体无害的建筑材料外，墙体还被设计成双重结构，
每个房间建有通风口，整个房屋系统的空气采用全
热交换器和除湿机进行循环。全热交换器能够有效
地回收热量并加以再次利用，其过滤器可有效地收
集空气中细小的尘埃，从而能够抑制霉菌等过敏生
物繁殖。这种资源的回收利用，不仅变废为宝，而且
减少了环境污源，节约了能源。 (文 武)
绿色建筑—一纸建筑
用纸做结构材料不仅可以减小建筑物的重量。
加快施工速度，降低成本；而且建筑物拆除后，纸可
以重复利用，对节约资源、环境保护亦有好处。世界
上目前已有一些用纸结构建造的临时性和半临时性
的建筑。位于瑞士某地的纸塔是轻型建筑中一个有
意义的例子，该纸塔外径 13m，高 33m，1992年建
成，已成为瑞士当地的标志性建筑物。整个塔所用的
材料纸板占79．26％，木材占2022％，钢材占0．52％。
为建筑使用可降解性材料开辟了一条“绿色”通道，
因此，它们被人们誉为“绿色建筑”典范。2000年世
博会，日本馆是一座世博会期间使用的临时性纸建
筑，会后其大部分材料可以回收利用。它以材料和结
构的特性为主题，关注资源和环保问题。它采用回收
加工的纸建成拱筒形的结构，由 12．5cm粗的纸管网
状交叉而成，弧形屋面和墙身材料也是织物和纸膜。
该馆长72m，宽32m，最高处达 15．5m，面积 3600m2。
白天．自然光经过半透明纸窗的过滤构成柔和、宜人
的室内光环境；夜晚，纸窗又是神奇光影的“屏幕”。
在世博会展馆里，自然光透过防水的织物和纸膜构
成的屋顶照射到室内，造成一片富有日本风情的空
间环境。日本馆反映了日本人普遍具有的生态与环
境意识，这种纸品构筑物的意义不仅仅在于环保、节
能，更重要的是为解决人类居住问题提供了一条快
捷的途径。 (文 武)
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