浅谈二氧化碳热泵技术的发展

河南 李阳

浅谈二氧化碳热泵技术的发展

河南 李阳

当前环境问题已备受关注，其中臭氧层破坏和温室效应问题已经影响到人们的健康生活。在热泵系统中，CFCs对臭氧层和大气变暖有很大影响，而CO2作为大气成分之一，其ODP为零，GWP相对较小，作为制冷工质有其独特的优势，成为世界各国学者和企业所研究的重点。

二氧化碳；热泵技术；发展

引言

热泵热水器相对于燃气热水器、电热水器和太阳能热水器，具有安全、节能和安装适用范围广的特点，因此，被称为第四代热水器。而热泵热水器所用的工质中，R11和R114最高可获得100℃以上的高温热水或蒸汽，R12可获得80℃左右的热水，R22可获得60℃左右的热水。但是，R11、R114和R12属于CFCs类工质，R22属于HCFCs类工质，对自然环境有很大的危害作用。自从世界各国签订《蒙特利尔议定书》和《京都议定书》以来，臭氧层破坏和温室效应等环境问题越来越受到人们的重视，广泛应用于制冷、空调和热泵系统的氟利昂受到了限制及禁用，各国展开了氟利昂替代物质的研究工作。普遍的观点认为，自然工质将是最终的替代方案，而自然工质CO2以其对臭氧层不产生任何破坏，且温室效应很小，无毒，价格低廉等优势，受到人们的关注。

一、二氧化碳工质的优点

表1-1几种常用制冷剂主要性能的比较

从表中可以看出，与其他常用工质相比，CO2工质具有以下优势：

1.ODP为零，GWP值远远小于CFCs和HFCSs，符合环保要求。

2.CO2的分子量比较小，相同蒸发温度下气化潜热大，因此单位容积制冷量也较大。

3.CO2工质的绝热指数达到1.33，在几种潜在替代工质中是最高的。因此压缩机的排气温度较高，可满足制取高温热水的需要。

二、二氧化碳工质循环系统

CO2工质的循环有两种形式，一种为亚临界循环，一种为跨临界循环。

1.亚临界循环

图1 CO2亚临界循环

1850年，美国人Alexander Twining提出将CO2作为制冷剂应用于蒸汽压缩系统中。19世纪末，CO2制冷系统大部分应用于船舶领域。到1919年，CO2制冷系统才开始应用于舒适性空调系统中，并逐渐应用于商业建筑和公共设施。

虽然CO2具有一定的优势，但在亚临界循环中，相对于其他普通制冷剂，CO2制冷剂暴露出了临界温度低、临界压力高、制冷能力较差的弱点，导致其应用范围小，难以推广。20世纪30年代，以R12为代表的氟利昂制冷剂以其无毒、无可燃性、无刺激性、适中的压力和高的制冷效率，取代了CO2在制冷方面的应用。

2.跨临界循环

近年来，由于氟利昂制冷剂的温室效应和对臭氧层破坏问题日益受到人们的关注。前国际制冷学会主席G.Lorentzen提出了跨临界CO2循环系统。与亚临界循环相比，其容积效率较高、单位容积制冷量大、工作压力高，能够使系统结构紧凑，提高换热效果，扩大了其应用范围。因此，CO2工质再一次受到人们的重视。目前，CO2作为工质主要应用于汽车空调系统、热泵系统和复叠式制冷系统。

三、国内外CO2热泵技术的研究现状

1.国外的研究现状

跨临界CO2循环最早是由挪威NTNU/SINTEF能源研究所的Gustav Lorentzen教授提出，并对其在热泵领域的应用进行了理论分析和试验研究。研究结果表明在蒸发温度为0℃，把9℃的水加热到60℃时，CO2热泵系统比电热水器和燃气热水器节能75%以上，最高水温可加热到90℃。

德国在CO2应用于热泵领域的研究最为广泛深入。Dresden大学的H.Quack教授搭建了跨临界CO2热泵系统试验台，通过试验分析了系统的热力学性能和各种循环方式的计算方法，并对系统部件的设计、选取和组装进行了研究，且研制了CO2膨胀机以降低系统的节流损失，提高系统的COP。美国Richer等人开发了家用热泵空调器，与R410a相比，当室外温度较高时，跨临界CO2热泵的供热系数稍低；当室外温度较低时，两个系统的换热系数几乎相等。日本成功的将CO2热泵热水器推向了市场。2000年，日本的Denso公司制造了第一台CO2热泵热水器。大金公司采用了滚动转子式压缩机，使CO2热泵系统COP最高可达4.02；日本三洋公司采用了滚动活塞式压缩机，COP提高了25%；松下电器采用了涡旋式压缩机,COP比以前开发的两级压缩系统提高了102%～109%。目前，日本的CO2热泵热水器累计销售量已达到几百万台。

2.国内的研究现状

目前，国内多集中于CO2工质的热力学循环分析和跨临界CO2热泵系统试验台的搭建和系统分析，大多处于试验阶段。

国内对CO2热泵热水器进行研究的主要单位有天津大学、上海交通大学、浙江大学和清华大学。1998年，天津大学热能研究所首先对跨临界CO2循环的机理进行分析，研制出了效率将近50%的第3代膨胀机，申请了十余项技术专利。他们还开展了跨临界CO2热泵采暖系统的设计、可行性分析、单级与双级热水系统运行参数对比分析等理论研究。

四、二氧化碳热泵热水器的研究方向

目前，CO2热泵热水器的研究主要是跨临界CO2热泵系统，以降低成本和提高系统效率为目的。

1.开发高效率CO2压缩机。跨临界CO2热泵系统所用的压缩机与常规压缩机不同，它的工作压力高，对制造压缩机材料的强度、韧性要求更高。

2.开发高效跨临界CO2热泵系统换热器。应根据自然工质CO2的流动和传热特点，开发出高效的跨临界CO2热泵系统的换热器，增加换热器的换热系数，进而提高系统的COP。

3.开发高效CO2膨胀机。由于CO2热泵系统压缩机的吸排气压差很大，节流过程中有很大的热动力损失，所以应降低节流损失。可采用CO2膨胀机的输出功驱动压缩机完成压缩过程。

结语

环保、节能的CO2热泵热水器代表着空调和热水器行业的高端技术产品,将是行业发展的新趋势。随着国际上对HCFCs和HFCs物质限制日期的临近，跨临界CO2热泵系统必将代替传统的热泵系统。

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[4]刘圣春,马一太,管海清.CO2空气源热泵热水器的研究现状及展望[J].制冷与空调,2008,8(2):4-12.

（作者单位：河南省轻工业学校）

（编辑 王旸）