寒冷氣候使用的CO2熱泵熱水器

周子成

1 引 言

眾所周知，天然制冷劑CO2是一種不破壞大氣臭氧層 （ODP=0）和全球氣候變暖指數(shù)很小（GWP=1）的環(huán)境友好型制冷劑。

CO2具有特別低的臨界溫度 （31.1℃）和高的臨界壓力 （7.38MPa）。因此，通常CO2熱泵系統(tǒng)的工作壓力比常規(guī)熱泵高5至10倍以上，即在蒸發(fā)器吸熱時(shí) 2.0至 4.0MPa，冷卻器放熱時(shí) 8.0至13MPa。由于低的臨界溫度，大多數(shù)CO2熱泵是在跨臨界循環(huán)運(yùn)作，在超臨界壓力 （P＞7.38MPa）以上放熱和在亞臨界壓力下蒸發(fā)。與常規(guī)的亞臨界熱泵循環(huán)不同，熱量不是在冷凝器中工質(zhì)凝結(jié)時(shí)放出，而是在換熱器 （氣體冷卻器）中高壓CO2氣體被冷卻時(shí)放出。

20世紀(jì)80年代末期，挪威科學(xué)家勞倫曾（Gustav Loerentzen）教授及其合作者發(fā)明了用于熱泵熱水器的CO2熱泵技術(shù)，并獲得了跨臨界CO2循環(huán)專利。后來被稱為Shecco技術(shù)。2001年日本電裝（Denso）公司第一個(gè)制造出基于Shecco技術(shù)的熱泵熱水器產(chǎn)品?，F(xiàn)在采用這類CO2跨臨界熱泵循環(huán)的產(chǎn)品 （商標(biāo)為 “Eco Cute”）已被許多日本公司推向國內(nèi)市場(chǎng)，其中有：三洋 （Sanyo）、前川 （Mycom）、依托密克 （Itomic）、日立 （Hitachi）、大金（Daikin）、松下 （Panasonic）、三菱電機(jī) （Mitsubishi Electric，即Melco）、柯羅那 （Corona）、和東芝開利（Toshiba Carrier）等公司。部分公司已將產(chǎn)品推向國際市場(chǎng)，如德國、法國、英國等。

圖1表示了日本生產(chǎn)的家用CO2熱泵熱水器的逐年產(chǎn)量和累計(jì)產(chǎn)量。

從圖可看出，到2007年已累計(jì)產(chǎn)量超過100萬臺(tái)，2009年已超過200萬臺(tái)，到2010年累計(jì)產(chǎn)量已達(dá)到280萬臺(tái)。日本電力公司聯(lián)合會(huì)的計(jì)劃目標(biāo)是到2020年實(shí)現(xiàn)累計(jì)產(chǎn)量達(dá)到1000萬臺(tái)。

近年來，極大多數(shù)日本生產(chǎn)的空氣源熱泵熱水器，使用的最低環(huán)境溫度都在-15℃到-25℃。表1列出了日本主要的空氣源熱泵熱水器性能參數(shù)。這些機(jī)組適用于地板供暖和家用熱水，其中的中、高溫?zé)崴鬟m用于輻射供暖 （取代舊式建筑的暖氣片）和家用熱水。

圖1 2001年至2010年日本家用CO2熱泵熱水器的當(dāng)年產(chǎn)量和累計(jì)產(chǎn)量

表1 日本主要的空氣源熱泵熱水器性能參數(shù)

在我國，空氣源熱泵在北方有廣闊的使用市場(chǎng)，除了在酒店賓館、醫(yī)院等服務(wù)行業(yè)、高溫烘干等工業(yè)應(yīng)用外，很重要的一大部分就是家庭住宅采暖。

我國長江以北的大部分地區(qū)，在冬天的低氣溫都達(dá)到了零下10℃，然而，有集中供暖的地區(qū)只有少數(shù)，比如，人口超過1億的河南省，每年能享受到集中供暖的只有極少一部分，大部分城鎮(zhèn)居民，以及幾乎全部的農(nóng)村居民都采用燃煤鍋爐采暖或者忍受零下十幾度的寒冷氣候。遼闊的北方采暖市場(chǎng)對(duì)于空氣源熱泵行業(yè)來說，是大有用武之地。

我國在 “十二五”期間，公共建筑被確定為節(jié)能降耗的主要領(lǐng)域。國家將啟動(dòng)一批公共建筑節(jié)能改造重點(diǎn)城市。預(yù)計(jì)2015年，這些城市公共建筑單位面積能耗將下降20%以上。國家出臺(tái)政策中的建筑節(jié)能改造的重點(diǎn)城市只占40個(gè)，這40個(gè)重點(diǎn)城市的建筑節(jié)能改造最少也有200億的采暖市場(chǎng)，還有廣大的北方農(nóng)村地區(qū)與40個(gè)重點(diǎn)城市之外的城市，都是空氣源熱泵采暖未來的發(fā)展領(lǐng)域。

在國外，除日本外，歐洲許多國家和北美的美國和加拿大也開始逐步推廣同時(shí)供暖和供給生活熱水的CO2熱泵熱水器。

例如，在愛爾蘭，2011至2012財(cái)政年度將有40臺(tái)CO2熱泵系安裝在酒店、護(hù)理室等場(chǎng)所，預(yù)計(jì)運(yùn)行成本將節(jié)約70%。在西科克酒店，安裝了一臺(tái)25kW的跨臨屆CO2熱泵，更換原來的一臺(tái)結(jié)合太陽能和燃油鍋爐系統(tǒng)，在環(huán)境空氣溫度9.4℃和進(jìn)水溫度10℃時(shí)提供75℃的熱水，季節(jié)性能系數(shù)達(dá)到3.2。

2 氣體冷卻器優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 不同的氣體冷卻器布置方案

對(duì)于提供供暖熱水和生活熱水的CO2熱泵熱水器，氣體冷卻器可以有不同的布置方案，優(yōu)化設(shè)計(jì)氣體冷卻器是提高CO2熱泵熱水器節(jié)能性能的重要途徑之一。

挪威SINTEF能源研究所對(duì)一臺(tái)6.5kW載冷劑—水的CO2空間采暖和生活熱水加熱的熱泵系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)試和分析，對(duì)不同的氣體冷卻器配置方案進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由外置的預(yù)熱、低溫供暖和熱水再加熱三部分組成的熱水逆流氣體冷卻器，能提供從60℃到85℃的熱水，使熱泵機(jī)組獲得最高的COP。圖2表示了結(jié)合成一體化的CO2熱泵系統(tǒng)的流程。

圖2 載熱劑-水結(jié)合成一體化的二氧化碳熱泵系統(tǒng)樣機(jī)的流程圖

CO2熱泵機(jī)組樣機(jī)由一個(gè)全封閉滾動(dòng)活塞式壓縮機(jī)、三部分組成的一體化逆流管-管式的氣體冷卻器和逆流管-管式吸氣熱交換器、一個(gè)膨脹閥（回氣壓力調(diào)節(jié)閥）和一個(gè)低壓貯液器 （LPR）組成。氣體冷卻器機(jī)組A和C連接到一個(gè)單殼熱水儲(chǔ)水箱和一個(gè)變頻器控制的封閉回路的水泵。氣體冷卻器機(jī)組B連接到一個(gè)低溫度水力熱量分配系統(tǒng)。

2.2 不同氣體冷卻器運(yùn)行下測(cè)試的COP值

在下列的三種不同運(yùn)行模式下對(duì)集成的CO2熱泵機(jī)組進(jìn)行了測(cè)試：

模式1：同時(shí)具有空間熱水供暖SH和生活熱水加熱GHW的模式 （DHW預(yù)熱、DHW再加熱和SH加熱三部分組合成的一體化模式）；

模式2：生活熱水加熱模式 （DHW模式）；

模式3：空間供暖模式 （SH模式）。

熱水被送到DHW的熱水管，而冷的城市自來水進(jìn)入到貯水箱的底部。在貯水箱充水期間，在三部分組合成的一體化模式和DHW生活熱水模式中，冷的城市自來水從貯水箱的底部被氣體冷卻器A和C加熱到設(shè)定的溫度值，并從貯水箱頂部流出。測(cè)試的溫度分別是：對(duì)于SH的CO2系統(tǒng)，供水/回水的溫度在35/40℃、35/30℃或33/28℃，對(duì)DHW熱水系統(tǒng)，供水/回水的溫度在60℃、70℃或80℃。

圖3至圖5表示了在三個(gè)不同的操作模式下的放熱程的溫度-比焓圖。在一體化模式地板采暖系統(tǒng)的供/回水溫度分別為35/30℃，而城市自來水的溫度和設(shè)定點(diǎn)的生活熱水的供水溫度分別為6.5℃和70℃。生活用水加熱量占總加熱量的比率為45%左右，這意味著三部分組成的一體化氣體冷卻器中總供熱量的45%用于DHW熱水加熱。

圖6表示了CO2熱泵機(jī)組樣機(jī)在60℃生活熱水溫度和空間加熱系統(tǒng) （SH）不同供水/回水溫度下測(cè)量得到的最大COP值。由圖可以看出，在三種不同的空間加熱供水/回水溫度下，一體化模式的COP均是最大。

表2表示了對(duì)三種載熱劑-水熱泵系統(tǒng)在不同模式下測(cè)量的COP值。

第一種是CO2實(shí)驗(yàn)樣機(jī)；

第二種是改進(jìn)后的CO2熱泵。改進(jìn)的部分主要有：（1）采用高效的變頻CO2壓縮機(jī)；（2）優(yōu)化三部分組成的氣體冷卻器；（3）用CO2噴射器代替節(jié)流機(jī)構(gòu)回收一部分膨脹功；

第三種是市場(chǎng)上流行的效率最高的HFC熱泵熱水器機(jī)組。

2.3 季節(jié)性能系數(shù)的比較

對(duì)CO2熱泵機(jī)組樣機(jī)、改進(jìn)機(jī)及市場(chǎng)上的高效HFC熱泵機(jī)組的季節(jié)性能系數(shù)（SPF）作了比較。假設(shè)蒸發(fā)器載熱劑進(jìn)入溫度（0℃）、空間加熱系統(tǒng)（35/30℃）和熱水系統(tǒng)（10/60℃）的溫度恒定不變。

表2 三種載熱劑-水熱泵系統(tǒng)測(cè)量的COP值

由于生活熱水 （DHW模式）的供水溫度和空間供暖 （SH模式）的供水溫度不同，因此，對(duì)于同一臺(tái)熱泵機(jī)組，當(dāng)運(yùn)行在DHW模式不同的制熱量時(shí)，具有不同的SPF值。定義DHW制熱量占熱泵總制熱量的百分比稱為 “DHW加熱需求比”。

圖7表示了不同DHW加熱需求比時(shí)，CO2樣機(jī)、改進(jìn)機(jī)和HFC熱泵的SPF隨DHW加熱需求比的變化曲線。

圖7 一個(gè)高效HFC熱泵、CO2熱泵樣機(jī)和改進(jìn)的CO2熱泵的季節(jié)性能系數(shù)SPF與DHW供熱需求比的關(guān)系

由圖7可以看出，CO2改進(jìn)機(jī)的SPF值始終大于CO2樣機(jī)。當(dāng)DHW加熱需求比在50%以下時(shí)，HFC高效熱泵的SPF值大于CO2改進(jìn)機(jī)，當(dāng)DHW加熱需求比在50%以上時(shí)，CO2改進(jìn)機(jī)熱泵的SPF值大于HFC高效熱泵。

對(duì)于有良好隔熱性能的被動(dòng)式住宅，DHW加熱需求比通常在50%到80%，這時(shí)，CO2改進(jìn)熱泵機(jī)組的SPF是最高的。

3 用于寒冷地區(qū)的CO2熱泵熱水器產(chǎn)品實(shí)例

圖8示出了日本三洋公司專門為出口歐洲設(shè)計(jì)的用于寒冷地區(qū)的CO2熱泵熱水器的熱水貯水箱結(jié)構(gòu)的實(shí)例。該CO2熱泵熱水器可以提供住宅供暖和65℃的家用生活熱水。熱泵機(jī)組的性能規(guī)格參數(shù)見表3，水箱機(jī)組的性能規(guī)格參數(shù)見表4。

圖8 日本三洋公司用于寒冷地區(qū)的CO2熱泵熱水器的熱水貯水箱結(jié)構(gòu)

表3 熱泵機(jī)組性能規(guī)格參數(shù)

表4 熱泵水箱機(jī)組性能規(guī)格參數(shù)

由表3和表4可以看出：

（1）當(dāng)室外溫度在2℃、-7℃、-15℃和-20℃時(shí)，熱泵的制熱性能系數(shù)分別是2.0、1.9、1.8、1.6～1.7。因此，證明了CO2熱泵熱水器在寒冷氣候地區(qū)作為空間空暖和提供生活熱水是節(jié)能的。

（2）由于在冬季室外氣溫低，蒸發(fā)器的壓力低，壓縮機(jī)的壓比大，因此宜采用直流變頻兩級(jí)壓縮帶中間補(bǔ)氣的熱泵循環(huán)。

（3）由于冬季最低氣溫的時(shí)間有限，從整機(jī)的制造和運(yùn)行成本出發(fā)，在貯水箱內(nèi)設(shè)置輔助電加熱器是合理的。

4 結(jié)論

寒冷氣候地區(qū)使用的CO2熱泵熱水器有廣闊的市場(chǎng)，是發(fā)展方向。

由三部分換熱器組成的一體化CO2氣體冷卻器具有最高的COP。

同時(shí)提供空間供暖熱水和生活熱水的CO2熱泵熱水器的SPF隨DHW加熱需求比而變化。

[1] Tetsuji OkadaDevelopment of CO2heatpump water heater.Mitsubishi Electric Advance Vol 120 03

[2] J.STENE，INTEGRATED CO2HEAT PUMP SYSTEMS FOR SPACEHEATING AND HOT WATERHEATING IN LOWENER GY HOUSES AND PASSIVE HOUSESInternational Energy Agency（IEA）Heat Pump Programme-Annex32-Workshop in Kyoto，Japan-December 6th，2007

[3] Sanyo CO2ECO Heating System，catalogue