CO2熱泵熱水器的研究現狀與展望

崔夏菁 李崢杰

摘要：分析了CO2作為制冷劑的優良特性及其跨臨界循環的特點，詳細介紹了世界范圍內對CO2熱泵熱水器跨臨界循環系統的研究，分析了CO2壓縮機的三種常見類型，即活塞式、擺動活塞式和渦旋式壓縮機的結構及其特點。介紹了蒸發器及氣體冷卻器的研發現狀，并提出了提高CO2熱泵熱水器效率的建議，即研發耐高壓、高效能壓縮機，研究高效能換熱器，尤其是如何提高氣體冷卻器的換熱效能，膨脹壓縮機的研發以及如何在高壓負荷運轉的條件下降低噪音和振動。

Abstract： This paper analyzes the excellent characteristics CO2 as refrigerant and its characteristics of the critical cycle， introduces the worldwide studies of the trans-critical cycle system of CO2 heat-pump water heater and analyzes the structure and characteristics of three common types of piston compressor， oscillating piston compressor and vortex compressor of CO2 compressor. This paper introduces the present research and development situation of evaporator and gas cooler， puts forward the suggestions for the efficiency improvement of CO2 heat-pump water heater， the suggestions are to research and develop the high efficiency compressor that can resistance to high pressure and research the highly efficient heat exchanger， especially to research how to enhance heat transfer efficiency of the gas cooler， research and develop expansion compressor and how to reduce the noise and vibration under the condition of high load operation.

關鍵詞：CO2；熱泵熱水器；跨臨界循環；特性

Key words：CO2；heat-pump water heater；trans-critical cycle；characteristic

中圖分類號：TM925.32 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）05-0135-02

0 引言

眾所周知，R12、R22等氯氟烴、氫氯氟烴類制冷工質雖然具有優良的熱力性質，但由于其含有氯原子，會破壞臭氧層，造成臭氧層空洞，已經逐漸被各國所淘汰。所以，新型環保制冷劑的研究工作已經成為各國研究人員的重點。包括R134a在內的若干HFC及其混合物常用來替代R12和R22等，已經廣泛應用于各類制冷設備中。即使是這些新工質，仍然會有其它較大的副作用，比如大部分都有較高的溫室效應，或分解產生其它對環境不友好的物質。隨著《蒙特利爾議定書》的簽訂，CO2作為制冷劑再次進入了人們的視線，CO2對臭氧層無任何破壞作用，不產生溫室效應，無毒無臭，而且具有良好的熱力學性能。經各國專家研究，CO2非常適合作為熱泵熱水器的工質。

1 CO2特性及CO2跨臨界循環的系統流程

1.1 CO2特性

①CO2極易獲得，方便得到，價格低廉。②CO2在常溫下以氣體形式存在，無色、無嗅、無毒、不可燃，具有很好的安全性。③CO2的ODP=0，GWP=1，不破壞臭氧層，不污染大氣，不破壞環境。④CO2物理化學性能穩定，能與潤滑油很好地相溶。有較低的粘度和較高的導熱系數，所以熱傳導性能良好，各個部件換熱性能得到顯著提高，大大縮小了部件的尺寸和重量。⑤CO2低壓側工作壓力很高，所以壓縮機的壓縮比較低，壓縮機效率得到了提高。⑥CO2在高壓側始終以氣態形式在設備中流動，不會冷凝為液態，導致高壓側工作壓力很高。

1.2 CO2跨臨界循環系統

如圖1所示，低溫低壓的CO2氣體在壓縮機中升溫升壓，被壓縮至超臨界后排入氣體冷卻器，在氣體冷卻器中，CO2被冷卻介質冷卻后放熱，壓力不變溫度下降，狀態仍為氣態。離開氣體冷卻器后的高壓氣體進入回熱器，在其中跟儲液器出口的蒸汽進行熱量交換后溫度進一步降低，之后進入節流閥，在節流閥中高溫高壓的CO2氣體溫度壓力急劇下降，形成的濕蒸汽進入蒸發器中汽化后進入儲液器。儲液器出來的低壓飽和蒸汽進入回熱器吸熱，溫度升高后成為過熱蒸汽進入壓縮機，周而復始重復這一循環。

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由于在CO2跨臨界熱泵循環系統中，超臨界壓力區內溫度和壓力間是彼此獨立的，不存在兩相區，所以高壓側壓力對COP值會產生影響。經試驗研究可得，最優高壓與氣體冷卻器的出口溫度及蒸發溫度有關，在該壓力下，循環的性能系數COP可達到最大。

2 跨臨界CO2制冷系統及核心部件的研究進展

2.1 跨臨界CO2制冷系統研究進展

自有人提出氟利昂因其優良的熱力性能作為制冷劑后，制冷工業曾發生了重大變革，但隨著人們環境保護意識的提高，逐漸意識到鹵代烴中的氯原子會使臭氧產生不可逆轉的破壞，新型替代制冷劑的研究工作成為各國專家的研究熱點。跨臨界制冷循環的概念由前國際制冷學會主席G. Lorentzen教授首先提出，1990年，挪威的工業組織Norsk Hydro收購了該技術的所有商業權利，對生產廠商實行有償技術轉讓。在日本，CO2熱泵熱水器被稱作Eco Cute（生態精靈），已經廣泛被使用，具有很強的實用性，然而現在也面臨一些亟待解決的問題，比如如何盡量縮小水箱及絕熱層的厚度來減小外形尺寸，便于節省空間等。另外，美國、挪威等國家也在積極開展這方面的研究。在我國，天津大學、西安交通大學、清華大學等高校分別建立了CO2熱泵熱水器的試驗臺進行研究，天津大學主要對壓縮機、膨脹機等進行計算機仿真研究，提出了可旋轉窗式熱泵系統，給出了CO2空調熱水器兩用機的設計，上海交通大學主要研究其在汽車空調上的應用，包括汽車空調用二氧化碳壓縮機的理論研究和樣機的研發。

2.2 CO2熱泵熱水器核心部件研究進展

壓縮機：制冷壓縮機對整個系統的效率和可靠性影響最大。由于CO2在氣體冷卻器中不冷凝，高壓側壓力很高，所以壓縮機設計中存在一定的難度，特別是在氣密性方面有很高的要求，盡量減少磨損和泄漏。在二氧化碳壓縮機方面，處于比較領先的國家是日本、美國和歐洲一些國家。目前最常用的三種形式是活塞式、渦旋式和搖擺式。

①活塞壓縮機。

目前批量生產并投放國際市場的活塞壓縮機只有意大利都靈公司開發的半封閉式壓縮機，包括雙缸單級和兩級活塞壓縮機，額定轉速有兩檔，分別為1450r/min和2900r/min。由于CO2輸氣量小且殼體厚，所以即使在較高的轉速下，此種壓縮機仍具有較小的噪聲和振動特性，這都是別的壓縮機不可比擬的優勢。雙級壓縮機跟單級壓縮機相比，可以減小壓差和機械損失，使系統有更高的效率，還可以在兩個壓縮機之間設置中間換熱器，使整個系統的性能比得到提高。

②擺動活塞壓縮機。

由于二氧化碳的工作壓力比其它氟利昂制冷劑高好幾倍，所以若普通滾動活塞式壓縮機，則滑片部分的磨損很嚴重，日本大金公司首先研制出一種DLH-SI涂層，覆蓋在滑片上，有效降低了滑片與滾動活塞表面的磨損，被稱為“小磨損”壓縮機，已于2005年10月起投放市場。

③渦旋壓縮機。

渦旋式壓縮機主要是日本研制的，在日本的CO2熱泵熱水器中，一般都采用全封閉渦旋式壓縮機。主要有三個公司進行了這方面的研究，分別是DENSO公司、松下和三菱重工。日本DENSO公司研制的渦旋壓縮機采用直流電機和交變器。為降低摩擦損失采用滾動止推軸承，加工和裝配更加精密，有效地防止了泄漏。日本松下公司在R410A渦旋壓縮機的基礎上，開發了CO2渦旋壓縮機，排氣容積為71.23cm3，可使系統的制冷量達到2.15～5.10kW。日本三菱重工公司開發的渦旋壓縮機對動渦盤和靜渦盤采取了特殊設計，使壓縮機的絕熱效率達到了76%。

3 熱交換器

CO2熱泵熱水器的熱交換器分為兩類，分別是蒸發器和氣體冷卻器，兩者工作條件差別很大，所以在選擇和設計上是不同的。蒸發器的工作壓力一般不超過5MPa，這和傳統空調系統差別不大，因此，蒸發器和常規空調器的室外側換熱器相似，采用翅片式，一般為銅管套鋁片的材料。由于在化霜時蒸發器的銅管要承受高溫高壓，所以校核時應用壓縮機排氣壓力作為其承受壓力對其管壁厚度進行安全性校核。

氣冷器的工作壓力很高，通常達8MPa，故在材料選用和結構設計上要考慮能承受較高的壓力。大多采用套管式氣冷器，這類氣冷器能夠承受較高壓力，工作可靠，為了增強換熱、盡量降低出口制冷劑的溫度，一般采用逆流形式。為了安全運行，CO2在小管內流動，水在大管內流動。套管式根據內管和外管數量和直徑的不同，又分為不同形式。有一根大管內套一根、兩根或多根的形式。張仙平等在這方面進行了深入研究，建立了用于CO2跨臨界循環熱泵熱水器的套管式氣冷器的穩態分布參數模型，指出了它們的合理變化范圍：管內套一根管時，內徑應至少大于8mm，低于10mm，外管內徑應在11mm以上，13mm以下；管內套多跟管時，3根管性能最佳。

4 展望與發展

CO2熱泵熱水器由于其特殊的循環和放熱特性，使得在寒冷條件下能制備出溫度更高的熱水，而且只要系統設計合理，同樣可以達到與傳統工質的熱泵熱水器系統相當的COP值，從環保和節能的角度來看，CO2熱泵熱水器絕對是傳統工質熱泵熱水器的良好的替代品。同時，將CO2熱泵與儲水箱組合也將是未來的發展趨勢之一，但由于CO2實現的是跨臨界循環，導致它有一些不可避免的弊端，因此在設計上還有許多有待突破、改進的技術：

①對耐高壓、高效壓縮機的研究。由于CO2熱泵熱水器放熱過程的壓力達到9～10MPa，吸排氣壓差很大，因此必須考慮系統承受高壓性能、高壓保護、壓縮機的選擇、潤滑油的選擇等一系列問題。②對高效能換熱器的研究。特別是氣體冷卻器，考慮到其耐壓性，通常管徑是比較小的，在小管徑、高質量流率的CO2工質流動時，要想辦法提高熱傳效率。③膨脹壓縮機的研制。在CO2跨臨界循環中，氣體冷卻器出口和蒸發器內的制冷劑壓差很大，在節流膨脹機構中存在很大的膨脹損失，這使得系統效率大大降低，想要提高效率，必須盡量降低膨脹部分的損失。④其它如高壓負荷運轉時所產生的振動噪音的防止，也是研究CO2壓縮機所需面臨的重要技術課題。

總之，隨著科技的不斷進步，CO2熱泵熱水器必將向著更加高效節能的方向發展，在不久的將來，CO2熱泵熱水器必將會在國內外逐步增加市場份額，成為新型熱泵熱水器的主導。

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