一種新型高效、環(huán)保熱泵技術(shù)
——跨臨界CO2熱泵

張信榮，劉 勇，李林鳳

(1.北京大學(xué)工學(xué)院能源與資源工程系 北京100084；北京大學(xué)工學(xué)院包頭研究院熱能工程研究所內(nèi)蒙古包頭014030；2.北京大學(xué)工學(xué)院能源與資源工程系 北京100084)

應(yīng)用技術(shù)

一種新型高效、環(huán)保熱泵技術(shù)
——跨臨界CO2熱泵

張信榮1,2，劉 勇1,2，李林鳳1

(1.北京大學(xué)工學(xué)院能源與資源工程系 北京100084；北京大學(xué)工學(xué)院包頭研究院熱能工程研究所內(nèi)蒙古包頭014030；2.北京大學(xué)工學(xué)院能源與資源工程系 北京100084)

隨著我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，采用常規(guī)制冷劑的熱泵機(jī)組面臨著淘汰和替換。采用自然工質(zhì) CO2作為制冷劑的跨臨界CO2熱泵機(jī)組，因其具有高效、節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用和推廣。闡述了跨臨界CO2熱泵技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及工作原理，并介紹了跨臨界CO2熱泵技術(shù)的應(yīng)用情況。

跨臨界CO2熱泵 環(huán)保 節(jié)能

0 引 言

國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的制冷空調(diào)和熱泵系統(tǒng)，由于本身耗能和傳統(tǒng)制冷劑對(duì)環(huán)境的破壞，使系統(tǒng)的節(jié)能和制冷劑的替代研究成為工程熱物理學(xué)科的前沿課題。CFCs、HCFCs等傳統(tǒng)制冷劑對(duì)地球臭氧層的破壞和導(dǎo)致的溫室效應(yīng)危害比較嚴(yán)重，因此尋找高效、綠色環(huán)保制冷工質(zhì)成為當(dāng)前國(guó)際社會(huì)共同關(guān)注的問(wèn)題。采用CO2工質(zhì)作為制冷劑的跨臨界熱泵機(jī)組，因其對(duì)環(huán)境無(wú)污染、無(wú)破壞，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、設(shè)備緊湊并具有較高的系統(tǒng)能效比，已成為一種高效、節(jié)能、環(huán)保的新型技術(shù)被廣泛的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。因此，跨臨界CO2熱泵機(jī)組具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，有著廣闊的市場(chǎng)空間和前景。[1]

1 跨臨界CO2熱泵技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)跨臨界 CO2循環(huán)技術(shù)的研究剛剛起步，基本上都以理論分析為主。如天津大學(xué)馬一太教授獲得國(guó)家自然科學(xué)重點(diǎn)基金的資助，研究分析家用跨臨界CO2空調(diào)系統(tǒng)，并對(duì)水源熱泵、地源熱泵進(jìn)行了理論研究，特別是對(duì)跨臨界CO2膨脹機(jī)進(jìn)行了理論研究，但還處于初級(jí)實(shí)驗(yàn)研究階段，未進(jìn)行工程實(shí)踐應(yīng)用。

我國(guó)上海交通大學(xué)也進(jìn)行了跨臨界 CO2循環(huán)研究工作，研究主要集中在汽車(chē)空調(diào)領(lǐng)域。與上汽集團(tuán)合作投資數(shù)百萬(wàn)元開(kāi)展轎車(chē)用 CO2汽車(chē)空調(diào)的研究，對(duì)系統(tǒng)高壓換熱器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，試制了中國(guó)第一臺(tái)CO2汽車(chē)空調(diào)，樣機(jī)制冷量達(dá)4.5,kW，與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)5,kW接近，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性等有待進(jìn)一步提高。[2]

在國(guó)外，歐美日都在競(jìng)相開(kāi)發(fā)新型的熱泵機(jī)組，以提高空調(diào)機(jī)組在建筑供暖和制冷過(guò)程中的效率，尤其是針對(duì)跨臨界CO2熱泵機(jī)組的研發(fā)和應(yīng)用。

在日本，CO2熱泵以其良好的節(jié)能生態(tài)性能贏得了“生態(tài)精靈”的稱(chēng)號(hào)。2002年，日本“大金”公司、“松下”公司各自推出了自己的跨臨界CO2熱泵機(jī)組系統(tǒng)。投放市場(chǎng)以來(lái)，銷(xiāo)售量穩(wěn)步上升。2003年日本跨臨界 CO2熱泵機(jī)組的產(chǎn)銷(xiāo)量為7萬(wàn)套，到2008年達(dá)到60萬(wàn)套，市場(chǎng)發(fā)展十分迅速。根據(jù)制熱量、水箱容量和地區(qū)適應(yīng)性的不同，現(xiàn)今日本市場(chǎng)上有10家公司共計(jì)16種以上不同類(lèi)型的CO2熱泵機(jī)組。[3]

到目前為止，國(guó)際上對(duì)跨臨界 CO2熱泵及其各部件性能的研究已趨于成熟，并且在日本、挪威、美國(guó)、意大利、巴西等國(guó)家已有為較廣泛的商業(yè)應(yīng)用。兆瓦級(jí)的跨臨界 CO2熱泵機(jī)組在國(guó)際上正處于快速市場(chǎng)化推廣階段，特別是在日本和挪威，“兆瓦級(jí)跨臨界CO2熱泵機(jī)組”已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于民用、工業(yè)和能源資源領(lǐng)域，如超市、商場(chǎng)、酒店、影劇院、學(xué)校、辦公樓、醫(yī)院、游泳池等商用及公共服務(wù)領(lǐng)域的別墅空調(diào)系統(tǒng)。[4]

2 跨臨界CO2熱泵技術(shù)介紹

筆者帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在 15年前即對(duì) CO2超臨界及跨臨界熱力學(xué)循環(huán)進(jìn)行研究，并取得了一系列豐碩的研究成果。

跨臨界 CO2熱泵機(jī)組是一種熱量提升裝置，其作用是從周?chē)h(huán)境中吸取熱量，并把它傳遞給被加熱的對(duì)象(溫度較高的物體)。跨臨界CO2熱泵在工作時(shí)，本身消耗一部分能量，把環(huán)境介質(zhì)中貯存的能量加以挖掘，通過(guò)傳熱工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)提高溫度進(jìn)行利用，而整個(gè)熱泵裝置所消耗的功僅為輸出功中的一小部分，因此，采用跨臨界CO2熱泵技術(shù)可以節(jié)約大量高品位能源。[4]

跨臨界 CO2熱泵工作原理如圖 1所示，低溫氣態(tài)制冷劑CO2由壓縮機(jī)吸氣閥經(jīng)壓縮機(jī)壓縮，變成高溫高壓 CO2氣體進(jìn)入氣體冷卻器，被冷水吸熱冷卻，然后進(jìn)入回?zé)崞鳌Ｔ诨責(zé)崞髦信c來(lái)自氣液分離器的低溫低壓 CO2氣體進(jìn)行熱交換后，再經(jīng)過(guò)毛細(xì)管節(jié)流元件成為氣液兩相流體，進(jìn)入蒸發(fā)器中，經(jīng)過(guò)與循環(huán)水的換熱，進(jìn)入氣液分離器，再進(jìn)入回?zé)崞鳎詈蠡氐綁嚎s機(jī)壓縮，開(kāi)始一個(gè)新的循環(huán)。在循環(huán)中，冷水在氣體冷卻器中被加熱到所需溫度的熱水，而循環(huán)冷卻水在蒸發(fā)器中被冷卻，CO2作為中間介質(zhì)在熱泵中循環(huán)使用。[5]

圖1 跨臨界CO2熱泵工作原理Fig.1 W orking princip le of a transcritical CO2heat pum p

跨臨界CO2熱泵技術(shù)是一種高效節(jié)能、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、安全穩(wěn)定、冷暖兩用、運(yùn)行靈活的新型中央空調(diào)系統(tǒng)。它可以利用火電廠或核電廠的循環(huán)冷卻水、江河水、海水、工業(yè)廢水及生活廢水中的熱量，借助熱泵系統(tǒng)，既能制冷、又能制熱，是一種高效建筑節(jié)能技術(shù)。實(shí)踐證明，采用跨臨界 CO2熱泵機(jī)組供熱，真正實(shí)現(xiàn)了零污染、零排放，高效節(jié)能，投資費(fèi)用與運(yùn)行費(fèi)用較傳統(tǒng)熱泵技術(shù)大大降低。跨臨界 CO2熱泵技術(shù)節(jié)能原理如圖2所示。

圖2 跨臨界CO2熱泵技術(shù)節(jié)能原理圖Fig.2 Schematic diagram of the energy-saving princip le of the transcritical CO2heat pump technology

跨臨界CO2熱泵機(jī)組采用自然工質(zhì)CO2作為機(jī)組內(nèi)部循環(huán)工質(zhì)進(jìn)行冷暖聯(lián)供，具有集熱效率高、供熱性能系數(shù)高、形式多樣、布置靈活、一機(jī)多用、應(yīng)用范圍廣、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。在整個(gè)供暖周期內(nèi)，跨臨界 CO2熱泵機(jī)組的平均 COP值可以達(dá)到4.5，在制冷周期內(nèi)，機(jī)組的EER值可以達(dá)到5，遠(yuǎn)大于普通熱泵機(jī)組的COP值(3)和EER值(2.5)，[6]由此也具有良好的節(jié)能效果和較低的運(yùn)行成本。并且跨臨界 CO2熱泵可以制取高溫高壓的熱水，應(yīng)用范圍廣。傳統(tǒng)熱泵制取的熱水溫度一般不超過(guò) 55,℃，很難達(dá)到城市熱網(wǎng)要求和其他需要高溫?zé)崴墓I(yè)行業(yè)，而跨臨界 CO2熱泵由于跨臨界循環(huán)能制得95,℃的高溫?zé)崴耆梢詽M(mǎn)足城市集中供熱的二次管網(wǎng)對(duì)于供暖熱水的供/回水溫度(65,℃/85,℃)要求，也可以滿(mǎn)足大部分需要高溫?zé)崴墓I(yè)行業(yè)。同時(shí)跨臨界 CO2熱泵具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，且設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性高，使用壽命可以達(dá)到 15年以上，而普通熱泵空調(diào)機(jī)組的壽命一般在10年以?xún)?nèi)，溴化鋰吸收式的壽命更短，一般為5年。[7]此外，跨臨界CO2熱泵環(huán)保性良好，其采用自然工質(zhì)CO2作為機(jī)組內(nèi)部循環(huán)工質(zhì)進(jìn)行冷暖聯(lián)供，與普通熱泵相比可以有效避免氟利昂等傳統(tǒng)有機(jī)制冷劑對(duì)環(huán)境的破壞。

3 跨臨界CO2熱泵技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

跨臨界CO2熱泵機(jī)組可以廣泛應(yīng)用于民用、工業(yè)、農(nóng)林水產(chǎn)、交通和能源資源等領(lǐng)域。[8]在民用領(lǐng)域跨臨界 CO2熱泵機(jī)組主要應(yīng)用于家庭、商業(yè)和公共服務(wù)領(lǐng)域，以熱水供應(yīng)和供暖供冷為主；在工業(yè)領(lǐng)域可用于化工、氯堿、制藥、制鹽、造紙、紡織、橡膠、冶金、玻璃等行業(yè)；在農(nóng)林水產(chǎn)領(lǐng)域可用于種子加工、水產(chǎn)品加工、茶葉加工、水產(chǎn)養(yǎng)殖、木材加工、牛奶加工、啤酒行業(yè)、制糖行業(yè)、制革行業(yè)等；在交通領(lǐng)域可用于港口船運(yùn)、汽車(chē)公路、客車(chē)鐵路等；在能源資源領(lǐng)域可用于油田、沼氣生產(chǎn)、煤礦、電力、水廠、淡化海水、廢水處理等。[9]

隨著國(guó)家節(jié)能減排政策的大力推行，以及能源價(jià)格的節(jié)節(jié)攀升，用熱節(jié)能在工商業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已日益擴(kuò)大。CO2熱泵技術(shù)作為一種節(jié)能技術(shù)，在節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，跨臨界 CO2熱泵機(jī)組供熱出水溫度最高可達(dá)95,℃，大大拓展了應(yīng)用范圍。本文作者帶領(lǐng)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)兆瓦級(jí)跨臨界 CO2熱泵回收利用電廠余熱技術(shù)、跨臨界 CO2熱泵供熱技術(shù)進(jìn)行了大量的研究開(kāi)發(fā)，目前已在國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域得到了實(shí)踐和應(yīng)用，并且與多家企業(yè)達(dá)成了長(zhǎng)期的戰(zhàn)略合作意向。主要成果如下：

3.1 100,kW跨臨界CO2熱泵樣機(jī)

研發(fā)團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)設(shè)計(jì)了1臺(tái)100,kW跨臨界CO2熱泵樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)研究表明機(jī)組可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，平均 COP≥4.5，可制取50～90,℃熱水。

3.2 泉州CaCO3廠跨臨界CO2熱泵余熱利用項(xiàng)目(見(jiàn)圖3)目前已完成泉州CaCO3廠余熱回收熱泵制熱水系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、安全，COP可達(dá)4.5以上。

圖3 泉州CaCO3廠跨臨界CO2熱泵余熱利用技術(shù)Fig.3 Schematic diagram of the waste-heat utilization technology in a CaCO3Plant in Quanzhou，China

3.3 陽(yáng)泉陽(yáng)光電廠CO2熱泵工業(yè)廢熱回收利用技術(shù)項(xiàng)目

回收利用電廠冷卻水作為熱源，系統(tǒng)跨臨界 CO2水源熱泵的COP值達(dá)到4.5以上，運(yùn)行成本低，維護(hù)方便，系統(tǒng)采用自動(dòng)化控制，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，使用壽命可達(dá)15年以上。該電廠每年創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益超過(guò)1,200萬(wàn)元，CO2減排12萬(wàn)t，節(jié)能效果明顯。

3.4 全國(guó)各大型酒店跨臨界CO2熱泵供熱技術(shù)

跨臨界 CO2熱泵供熱技術(shù)在酒店工程的應(yīng)用主要是制取熱水，典型案例為：北京北新橋如家快捷酒店、上海浦江飯店、昆明中玉酒店等，主要用于酒店客房、餐廳、桑拿、洗浴等日常生活熱水供應(yīng)。一年內(nèi)可節(jié)省費(fèi)用上百萬(wàn)元，系統(tǒng) COP達(dá)5以上，一年四季可制取生活熱水，不受環(huán)境影響，節(jié)能效果突出。

其中，上海浦江飯店 CO2熱泵機(jī)組可提供飯店 137間客房、200人餐廳以及桑拿的熱水供應(yīng)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能效比高，COP達(dá)5.4，整個(gè)系統(tǒng)還采用了全自動(dòng)智能控制，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人操作的運(yùn)行方式。實(shí)踐證明，該熱泵機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用是普通電熱水器的1/4，燃油熱水器的1/3，煤氣熱水器的1/2，普通太陽(yáng)能的 2/3。與常規(guī)熱水供應(yīng)設(shè)備相比，跨臨界 CO2熱泵熱水制備全年耗電約為 10萬(wàn)度，與傳統(tǒng)燃油蒸汽鍋爐熱水制備耗電量相比可節(jié)省10倍以上，一年可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用87萬(wàn)元，同比燃油蒸汽鍋爐能耗降幅為 90%左右，兩年即可回收成本，CO2減排670,t，不僅節(jié)約了酒店的成本，并在一定程度上緩解了環(huán)境問(wèn)題。

跨臨界 CO2熱泵研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)前期大量的實(shí)驗(yàn)研究和開(kāi)發(fā)，目前在全國(guó)各大型酒店和電廠余熱廢熱回收中成功應(yīng)用了跨臨界CO2熱泵機(jī)組。跨臨界CO2熱泵機(jī)組在外部水源水溫10～20,℃的情況下，酒店在供/回水溫度為55,℃/50,℃的情況下，COP值可以達(dá)到 5.3，平均每家大型酒店年最低可節(jié)省70萬(wàn)元以上，系統(tǒng)能在熱水供應(yīng)溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行15年。

4 結(jié) 語(yǔ)

跨臨界 CO2熱泵機(jī)組可以減少 CO2和其他有害氣體排放，屬于節(jié)能、環(huán)保、綠色型技術(shù)，這對(duì)實(shí)現(xiàn)國(guó)家節(jié)能減排方針和可持續(xù)發(fā)展具有重要的作用。跨臨界 CO2熱泵機(jī)組系統(tǒng)采用 CO2作為制冷工質(zhì)，對(duì)臭氧層破壞潛能為 0，溫室效應(yīng)潛能較小，COP值可達(dá)4.5以上，具有良好的節(jié)能效果和較低的運(yùn)行成本。隨著我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，采用常規(guī)制冷劑熱泵機(jī)組面臨著淘汰和替換。[10]采用自然工質(zhì) CO2作為制冷劑的跨臨界CO2熱泵機(jī)組，因其具有高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，有著廣闊的市場(chǎng)空間和應(yīng)用前景。■

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Transcritical CO2Heat Pum p：A Novel Highly Efficient and Environmental Friend ly Heat Pump Technology

ZHANG Xinrong1,2，LIU Yong1,2，LI Linfeng1
(1. Department of Energy and Resources Engineering，College of Engineering，Peking University，Beijing 100084，China；2. Thermal Engineering Institute，Baotou Research Institute of College of Engineering，Peking University，Baotou 014030，Inner Mongolia Autonomous Region，China)

Along w ith the advocating for environmental protection in China，heat pump sets adopting conventional cooling agents are becoming obsolete and w ill be replaced in the future. A transcritical heat pump set which adopts CO2，a natural working medium，as the cooling agent was described in this paper. This machine set has been w idely adopted as it has the advantages of high efficiency，energy saving and environmental protection. In the paper，research status of the transcritical CO2heat pump technology both at home and abroad was discussed，its working principle was introduced and its applications were presented.

transcritical CO2heat pump；environmental protection；energy-saving

TB657.5

：A

：1006-8945(2015)03-0025-03

2015-02-11