淺析CO2空氣源熱泵技術

【摘要】分析了CO2空氣源熱泵機組的工作原理，優(yōu)越性以及在國內的發(fā)展現(xiàn)狀，并分析了其面臨的問題及發(fā)展對策。

【關鍵詞】熱泵；單位容積制冷量；跨臨界循環(huán)

隨著節(jié)能和綠色環(huán)保問題日益成為世界關注的焦點，安全環(huán)保的采暖設備和熱水器更能迎合市場的需要。CO2空氣源熱泵機組采用天然工質CO2作為制冷劑，兼具制暖和提供熱水的雙重功效，消耗電能，將儲存在空氣中的無法直接利用的低品位能源變成了可以直接利用的高品位能源，因此，是一項極具前途和值得推廣的技術。

1、CO2空氣源熱泵機組原理

空氣源，又稱空氣能，即空氣中所蘊含的低品位熱能?？諝庠礋岜脽崴鲗嵸|上是利用逆卡諾循環(huán)的制冷原理工作原理，它通過從周圍環(huán)境中獲取低品位熱能，經過電力做工提升溫度后輸出到冷凝端，產生可被人們所用的較高品位熱能的設備。采用制冷劑的能量傳遞特點，讓制冷劑壓縮機的作用下循環(huán)工作，不斷地在蒸發(fā)器中被蒸發(fā)而吸收空氣（或水）中的熱能，同時又不斷地在冷凝器中釋放熱量從而使制冷劑循環(huán)工作，最大程度地減少熱傳遞所需的用電量，達到高效節(jié)能的目的。

空氣源熱泵機組也是由蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器和膨脹閥四大制冷部分組成，通過讓工質不斷完成蒸發(fā)（吸取環(huán)境中的熱量）→壓縮→冷凝（放出熱量）→節(jié)流→再蒸發(fā)的熱力循環(huán)過程，從而將環(huán)境里的熱量轉移到水中。工作原理如下圖1所示，工作過程如下：在設定的時間內，當儲熱水箱的水溫低于溫度控制器設定值時，熱泵、風機及循環(huán)水泵自動開啟，風機將空氣吸（吹）響蒸發(fā)器，蒸發(fā)器內的熱媒吸收空氣中的熱能后，經熱泵（壓縮機）加壓后產生高溫，在通過熱交換器將熱泵釋放給水使水溫升高 ，熱媒降溫后經節(jié)流閥流回蒸發(fā)器，如此反復進行吸熱和放熱，知道被加熱 水的水溫達到設定溫度時，熱泵和風扇停止工作

CO2熱泵，又稱R744熱泵，就是采用CO2作為制冷劑的熱泵或空調，普通熱泵一般采用氟利昂作為制冷劑，兩者的工作原理基本是一樣的，都屬于蒸汽壓縮式，但也稍有不同，CO2熱泵屬于超臨界循環(huán)，即在冷凝器端，CO2是不會被冷凝成液體的，而氟利昂冷媒在冷凝器端是被冷凝成液體再節(jié)流的。

圖1 CO2空氣源熱泵機組工作原理

2、CO2空氣源熱泵技術的優(yōu)越性

為了比較直觀得出結論，將 CO2與其他制冷劑做比較，如下表1所示。從表1不難得出 CO2作為制冷工質具有一些以下獨特的優(yōu)勢：1）CO2單位容積制冷量是其他制冷劑的數(shù)倍，其優(yōu)良的流動和傳熱特性，可顯著減小壓縮機與系統(tǒng)的尺寸，使整個系統(tǒng)非常緊湊；2）CO2冷媒，對臭氧層的破壞幾乎無破壞作用，GWP也低；3）高熱效率的CO2冷媒配合夜間離峰電費將大大降低操作成本；4）良好的性和化學穩(wěn)定性，CO2安全無毒，不可燃，適應各種潤滑油及常用機械零部件材料，即便在高溫下也不分解產生有害氣體；5）具有與制冷循環(huán)和設備相適應的熱力學性質，CO2的蒸發(fā)潛熱較大； 6）與常規(guī)制冷劑相比，CO2跨臨界循環(huán)的壓縮比較小，約為2.5～3.0，可以提高壓縮機的運行效率，從而提高系統(tǒng)的性能系數(shù)。7）采用CO2還有一個優(yōu)點就是其排氣溫度較高，可以得到更高溫度的熱水，55-90℃范圍內可調，用戶可以通過機組的控制器自行設定；傳統(tǒng)的熱泵在冬季時，需加裝輔助系統(tǒng)（電熱管）或改用鍋爐制熱水，而CO2熱泵機組可以在零下20℃工作，也就是即使在-20℃的嚴寒環(huán)境也可供應90℃熱水。

另外， CO2跨臨界系統(tǒng)氣體冷卻器端的溫度滑移可以與變溫熱源較好的匹配，它在熱泵熱水器方面的應用具有其它供熱方式無法比擬的優(yōu)越性。CO2作為一種天然冷媒工質，憑借其環(huán)保、無毒以及優(yōu)良的跨臨界循環(huán)等特點，被看作是氟氯碳化物冷媒的最佳替代物。應用了CO2冷媒技術的空氣源熱水器不僅在節(jié)能、環(huán)保層面有進一步的提升，同時在噪音、使用地區(qū)、出熱水量等多個方面有突破性的進展。

3、CO?熱泵熱泵技術的國內研發(fā)現(xiàn)狀

目前，世界上掌控著CO2熱泵最先進技術的是日本和歐盟。而中國CO2熱泵市場還處于起步階段。

麥克爾公司于2010年與中國科學院廣州能源研究所聯(lián)合研究CO2熱泵跨臨界循環(huán)技術的應用，經過一年多研究于2011年3月推出應用性強的商用機組，所有零部件均自主研發(fā)、設計、制造，采用其他國家研究機構均未使用的全新技術方案，在全球范圍內導入新的技術理念，使CO2熱泵跨臨界循環(huán)技術的應用及性能方面得到了質的飛躍，植入7大創(chuàng)新點：1）采用即熱補水、浸泡式加熱，使系統(tǒng)穩(wěn)定高效；2）多級蓄能技術，杜絕混水，出熱水率高；3）利用CO2作為熱泵系統(tǒng)的工質，安全、節(jié)能、環(huán)保；4）利用噴射循環(huán)大幅度提高吸氣壓力，減少節(jié)流損失，提升COP值；5）采用廢余熱回收系統(tǒng)，提升COP值、降低化霜概率和次數(shù)；6）采用換熱式化霜系統(tǒng)，高效、節(jié)能；7）利用人工智能控制系統(tǒng)，穩(wěn)定、高效、節(jié)能、人性化、便捷方便。并對該機組進行了環(huán)境溫度從低溫（-30℃）到高溫（53℃）及高水溫（93℃以上）段的一系列嚴酷的測試，各項技術參數(shù)均處于國際一流水平。

中國現(xiàn)已有3家壓縮機生產企業(yè)正在進行CO2跨臨界循環(huán)熱泵系統(tǒng)專用壓縮機的開發(fā)工作。上海日立、西安慶安和廣東美芝目前均具備向用戶提供樣機的能力，可喜的是這幾家企業(yè)都是立足于自有知識產權進行研究和開發(fā)，并掌握了相關核心技術。

2012年9月26日，科技部高新司在廣東順德組織召開了由廣東省科技廳組織實施的“十一五”國家科技支撐計劃項目“CO2熱泵關鍵技術及產業(yè)化”驗收會。項目于2009年批復立項。3年多來，項目牽頭單位美的集團有限公司會同廣東萬和新電氣股份有限公司、廣東美芝制冷設備有限公司等國內知名家電企業(yè)以及西安交通大學、廣東華南家電研究院等單位聯(lián)合攻關，研究并掌握了CO2熱泵一系列關鍵技術，成功研制出滿足熱泵熱水器整機應用要求的CO2旋轉式壓縮機及專用換熱器，開發(fā)了適應國內市場環(huán)境的CO2熱泵熱水器及商用制冷系統(tǒng)，并形成每年10萬臺CO2熱泵熱水器的生產能力。項目的實施為CO2熱泵在全國范圍內的推廣應用奠定了良好的技術基礎，對于促進廣東乃至全國白色家電行業(yè)的技術升級具有重要意義。

目前，由昆明東啟科技股份有限公司自主研發(fā)生產的CO2熱泵“生態(tài)新星”系列產品是國內首家通過合肥通用機電檢測院檢測的CO2熱泵產品，且產品性能與國際水平同步，自主知識產權專利技術達11項。而類似于昆明東啟科技這樣具備生產CO2熱泵機組的大型公司國內已有數(shù)家。

4、CO?熱泵機組的問題與對策

CO2作為制冷劑的主要缺點是其具有較低的臨界溫度（31.1℃）和較高的臨界壓力（7.37MPa）。特別是后者，若采用跨臨界循環(huán)，CO2制冷系統(tǒng)的工作壓力最高可達10 MPa，這對系統(tǒng)的材料強度、密封和管道連接等方面的要求更苛刻，無疑，其生產成本也是其他空氣源熱泵機組的好幾倍。CO2熱泵系統(tǒng)能否安全可靠的運行，與其基本材料的選擇，以及零件、儀表等承壓能力是否足夠強等也都有著莫大的關聯(lián)。一般的配件和材料承受不了CO2熱泵的壓力要求，而因為在國內沒有市場需求，CO2熱泵需要的一些材料和配件，國內廠家?guī)缀鯖]有生產，致使相關零部件的研發(fā)比較滯后。可見，CO2熱泵壓縮機和零部件的問題還需全方面的研發(fā)跟進。

CO2熱泵機組所面臨的問題主要在于繼續(xù)提高效率和不斷降低成本。技術進步與工業(yè)化批量生產是降低成本的主要動力，而效率的提高則只能依賴于技術的進步。

目前來說，CO2熱泵機組提高效率的主要途徑有以下幾條：

1）新型高效CO2壓縮機的開發(fā)與改進。例如，以日本三洋公司開發(fā)的雙級滾動活塞壓縮機為代表的雙級壓縮機使結構更緊湊，系統(tǒng)布置更靈活，而且雙級壓縮會減小壓差，減小泄露和機械損失，能夠顯著地提高系統(tǒng)效率和壓縮機的效率，將是未來壓縮機發(fā)展的一個方向。

2）膨脹壓縮機的研制。在CO2跨臨界循環(huán)中，降低膨脹部分的損失，是解決效率的有效途徑。利用膨脹機的輸出功率驅動壓縮機完成壓縮過程，使膨脹機與壓縮機組成一體而形成膨脹壓縮機，這種膨脹壓縮機將成為CO2循環(huán)中特有的組成部分。

3）高效CO2跨臨界循環(huán)換熱器的研制。例如日本三洋公司開發(fā)的防止重結冰的新型換熱器。

4）合理利用低品味能源或可再生能源并探討熱水供應與其它供熱方式的耦合問題。玉溪警官學校利用了CO2熱泵和太能能的結合應用，極大地降低了運營成本，每噸熱水加熱費僅約3元。

5）CO2熱泵機組先進控制方式的研究。

結 語

二氧化碳熱泵機組，具有供暖、制冷、提供生活熱水三種功能。熱泵系統(tǒng)能夠在北方地區(qū)-25℃的低溫下運行，給不同環(huán)境下的單體建筑提供供暖、制冷和生活熱水的方便，且機組設備結構緊湊、體積小，不需要專用機房，不需要專人值守。無論從節(jié)能、環(huán)保和能源利用效率等都是建筑采暖方式的最優(yōu)擇。

二氧化碳這一天然的制冷工質，以它多重節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢，開啟了綠色低碳技術的大門。開發(fā)適于CO2熱泵機組的高效壓縮機和耐用高壓的高效換熱器以及完善的控制策略將是以后CO2熱泵機組研究的重點。相信隨著技術的不斷進步，CO2熱泵將會以其特有的優(yōu)勢成為21世紀采暖市場上最為耀眼的明星。