CO2應(yīng)用于熱泵熱水器的實驗研究

喬曉光 梁偉釗 曾光明

（廣東美的暖通設(shè)備有限公司，廣東 佛山 528311）

1 引言

熱泵熱水器行業(yè)內(nèi)的人士基本都認(rèn)同這樣一句話：CO2是天生的熱泵熱水器冷媒。

隨著CFCs、HFCs冷媒的淘汰進(jìn)度進(jìn)一步加快，各種替代冷媒紛紛登臺，如R32、R290等等。但是，在熱泵熱水器上，這些冷媒在應(yīng)用上都有一些限制，比如，受冷凝溫度的限制，使用這些冷媒的熱泵熱水器系統(tǒng)都不可能做到足夠高的熱水溫度，一般都在70℃以下，這個溫度范圍的熱水可以滿足一部分生活應(yīng)用。但是，做到這個程度已經(jīng)是極限了，想要更好的使用效果、更高的水溫，就目前來說，只有CO2冷媒能夠做到。

目前CO2冷媒在熱泵熱水器上的應(yīng)用較少，且目前主要的應(yīng)用實例都在國外，如熱泵熱水器主要是日本在做。因為當(dāng)前的CO2系統(tǒng)的成本較高，較難推廣，日本也是在政府的強力補貼下才能順利的推廣CO2熱泵熱水器。

2 CO2冷媒的特性分析

CO2系統(tǒng)都是采用跨臨界循環(huán)，圖1為CO2跨臨界循環(huán)的壓焓圖。

圖1 CO2冷媒跨臨界循環(huán)壓焓圖

這種跨臨界系統(tǒng)的吸熱過程（即蒸發(fā)過程）和放熱過程（即冷卻過程，因為CO2冷媒在冷卻過程一般不會冷凝，所以為何傳統(tǒng)冷媒的冷凝過程區(qū)別，稱作冷卻過程，同理，放熱過程用的換熱器也稱作冷卻器）分別在亞臨界和超臨界區(qū)域進(jìn)行，故稱作跨臨界循環(huán)。在放熱過程中，因為是變溫過程，所以又較大的溫度滑移，這種溫度滑移與冷卻介質(zhì)（水）之間形成良好匹配，近似于洛倫茲循環(huán)，理論上來說，會比定溫放熱過程的換熱效率提高很多。

因為CO2的冷凝壓力非常高，一般不適合做循環(huán)加熱系統(tǒng)。在熱泵熱水器的應(yīng)用中，一般都用于直熱式熱水系統(tǒng)（即一次加熱式）。

3 系統(tǒng)配置

系統(tǒng)圖如圖2。

冷媒系統(tǒng)采用最基本的熱泵系統(tǒng)，水路系統(tǒng)采用一次加熱式方式。整個系統(tǒng)包括壓縮機(jī)、氣體冷卻器、節(jié)流裝置和蒸發(fā)器，其中氣體冷卻器采用自制管束式換熱器。

圖2 系統(tǒng)圖

壓縮機(jī) CO2壓縮機(jī)（美芝）冷卻器 自制電子膨脹閥 日本進(jìn)口蒸發(fā)器 自制翅片管式蒸發(fā)器

4 系統(tǒng)性能測試

第一步，按照國標(biāo)《GB/T 23137-2008家用和類似用途熱泵熱水器》中要求的名義工況和低溫工況對系統(tǒng)進(jìn)行測試，并作了高出水溫度試驗。

名義工況：干球溫度20℃，濕球溫度15℃；進(jìn)水溫度15℃，出水溫度55℃。

低溫工況：干球溫度-7℃，相對濕度78%；進(jìn)水溫度9℃，出水溫度55℃。

進(jìn)過調(diào)試，工況穩(wěn)定后記錄的數(shù)據(jù)如下表1和表2。

表1

表2

從上述結(jié)果分析如下：

1）CO2系統(tǒng)制熱量及能效與傳統(tǒng)氟利昂冷媒系統(tǒng)相差無幾。

2）低溫下的制熱量的衰減遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的氟利昂系統(tǒng)，傳統(tǒng)氟利昂系統(tǒng)大約衰減60%甚至更高，而CO2系統(tǒng)低溫下的衰減只有約43%，這對于熱泵熱水器向北方市場挺進(jìn)來說，是一個很重要的利好。

3）低溫下的能效比也略高于傳統(tǒng)氟利昂冷媒，在節(jié)能方面應(yīng)該會有更出色的表現(xiàn)。

4）系統(tǒng)整體壓力很高，最高超過12MPa，甚至更高，因此整個系統(tǒng)需要重新設(shè)計，包括系統(tǒng)耐壓、控制邏輯等。

5）CO2系統(tǒng)能產(chǎn)生90℃以上的熱水，且整個系統(tǒng)仍處于安全運行范圍。

5 CO2冷媒應(yīng)用的阻礙

在實際應(yīng)用中，仍然有很多因素制約著CO2冷媒的使用，包括：

（1）成本因素，因為要設(shè)計高耐壓的系統(tǒng)，還要使用一些耐高壓的專用零部件，因此CO2系統(tǒng)的成本要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)氟利昂系統(tǒng)。

（2）產(chǎn)業(yè)鏈不完善，目前來說，CO2的應(yīng)用還處于研究階段，整個產(chǎn)業(yè)鏈不完善，比如，現(xiàn)有的售后系統(tǒng)就不適用于CO2系統(tǒng)，日本雖然普及了CO2熱泵熱水器，但是機(jī)組出故障后，也是運回工廠維修，成本高昂。

（3）公眾的認(rèn)知度不足，雖然理論上說CO2冷媒的爆炸能并不比傳統(tǒng)氟利昂高多少，但是要說服公眾接受這種高壓系統(tǒng)，還是要一段時間的。

6 總結(jié)

在初步的實驗中，CO2冷媒的表現(xiàn)非常優(yōu)秀，根據(jù)實驗結(jié)果分析，我們可以得出如下結(jié)論：CO2非常適合于作為熱泵熱水器的冷媒。但是因為實際應(yīng)用的道路上還有比較多的困難和障礙要克服。