CO2应用于热泵热水器的实验研究

乔晓光 梁伟钊 曾光明

（广东美的暖通设备有限公司，广东 佛山 528311）

1 引言

热泵热水器行业内的人士基本都认同这样一句话：CO2是天生的热泵热水器冷媒。

随着CFCs、HFCs冷媒的淘汰进度进一步加快，各种替代冷媒纷纷登台，如R32、R290等等。但是，在热泵热水器上，这些冷媒在应用上都有一些限制，比如，受冷凝温度的限制，使用这些冷媒的热泵热水器系统都不可能做到足够高的热水温度，一般都在70℃以下，这个温度范围的热水可以满足一部分生活应用。但是，做到这个程度已经是极限了，想要更好的使用效果、更高的水温，就目前来说，只有CO2冷媒能够做到。

目前CO2冷媒在热泵热水器上的应用较少，且目前主要的应用实例都在国外，如热泵热水器主要是日本在做。因为当前的CO2系统的成本较高，较难推广，日本也是在政府的强力补贴下才能顺利的推广CO2热泵热水器。

2 CO2冷媒的特性分析

CO2系统都是采用跨临界循环，图1为CO2跨临界循环的压焓图。

图1 CO2冷媒跨临界循环压焓图

这种跨临界系统的吸热过程（即蒸发过程）和放热过程（即冷却过程，因为CO2冷媒在冷却过程一般不会冷凝，所以为何传统冷媒的冷凝过程区别，称作冷却过程，同理，放热过程用的换热器也称作冷却器）分别在亚临界和超临界区域进行，故称作跨临界循环。在放热过程中，因为是变温过程，所以又较大的温度滑移，这种温度滑移与冷却介质（水）之间形成良好匹配，近似于洛伦兹循环，理论上来说，会比定温放热过程的换热效率提高很多。

因为CO2的冷凝压力非常高，一般不适合做循环加热系统。在热泵热水器的应用中，一般都用于直热式热水系统（即一次加热式）。

3 系统配置

系统图如图2。

冷媒系统采用最基本的热泵系统，水路系统采用一次加热式方式。整个系统包括压缩机、气体冷却器、节流装置和蒸发器，其中气体冷却器采用自制管束式换热器。

图2 系统图

压缩机 CO2压缩机（美芝）冷却器 自制电子膨胀阀 日本进口蒸发器 自制翅片管式蒸发器

4 系统性能测试

第一步，按照国标《GB/T 23137-2008家用和类似用途热泵热水器》中要求的名义工况和低温工况对系统进行测试，并作了高出水温度试验。

名义工况：干球温度20℃，湿球温度15℃；进水温度15℃，出水温度55℃。

低温工况：干球温度-7℃，相对湿度78%；进水温度9℃，出水温度55℃。

进过调试，工况稳定后记录的数据如下表1和表2。

表1

表2

从上述结果分析如下：

1）CO2系统制热量及能效与传统氟利昂冷媒系统相差无几。

2）低温下的制热量的衰减远远优于传统的氟利昂系统，传统氟利昂系统大约衰减60%甚至更高，而CO2系统低温下的衰减只有约43%，这对于热泵热水器向北方市场挺进来说，是一个很重要的利好。

3）低温下的能效比也略高于传统氟利昂冷媒，在节能方面应该会有更出色的表现。

4）系统整体压力很高，最高超过12MPa，甚至更高，因此整个系统需要重新设计，包括系统耐压、控制逻辑等。

5）CO2系统能产生90℃以上的热水，且整个系统仍处于安全运行范围。

5 CO2冷媒应用的阻碍

在实际应用中，仍然有很多因素制约着CO2冷媒的使用，包括：

（1）成本因素，因为要设计高耐压的系统，还要使用一些耐高压的专用零部件，因此CO2系统的成本要远高于传统氟利昂系统。

（2）产业链不完善，目前来说，CO2的应用还处于研究阶段，整个产业链不完善，比如，现有的售后系统就不适用于CO2系统，日本虽然普及了CO2热泵热水器，但是机组出故障后，也是运回工厂维修，成本高昂。

（3）公众的认知度不足，虽然理论上说CO2冷媒的爆炸能并不比传统氟利昂高多少，但是要说服公众接受这种高压系统，还是要一段时间的。

6 总结

在初步的实验中，CO2冷媒的表现非常优秀，根据实验结果分析，我们可以得出如下结论：CO2非常适合于作为热泵热水器的冷媒。但是因为实际应用的道路上还有比较多的困难和障碍要克服。