CO2熱泵研究現狀及展望

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(1 西安交通大學人居環境與建筑工程學院 西安 710049； 2 西安交通大學建筑節能研究中心 西安 710049)

隨著生活水平的提高，人們對人居環境要求越來越高，環保問題和節能問題也日益突出。滿足人們舒適生活條件的建筑能耗占社會總能耗的比例已超過30%，而采暖、熱水所消耗能量占建筑能耗的56%～58%[1]。因此，如何在滿足人們舒適性的要求和環境友好、節能發展之間尋找最優答案成為關注熱點。空氣源熱泵作為通過消耗一小部分高品位的電能，把空氣中的低品位熱量提取并加以利用的裝置，具有環保、節能、安全和便捷等特點，越來越受到重視。然而，傳統熱泵使用的制冷劑存在破壞環境、臭氧層空洞和溫室效應的問題，對人們的生產生活造成巨大的影響。在極端天氣工況下，傳統工質熱泵的穩定性和制熱能力受到限制，使得人們必須尋找新的制冷劑，以滿足對于工作效率和環保方面的要求。P. Neks?[2]指出：CO2工質是一種少有的天然制冷劑，無毒無可燃性，廉價且易于獲得，對自然環境沒有破壞，在用作制冷劑方面具有很大的優勢。陳光明等[3]分析歸納了幾種自然工質在國外的研究進展，認為自然工質在工業、民用制冷設備中推廣具有較大可行性。李連生[4]對制冷劑替代進程進行總結，認為自然工質潛力巨大。CO2工質ODP為0，GWP為1，且具有良好的熱力學特性，既能夠保證優良的工作特性，又能減小當前傳統制冷劑對環境的破壞，被公認為是一種很有前途的替代工質。

隨著《國務院關于印發“十三五”節能減排綜合工作的通知(國發[2016]74號)》、《能源發展“十三五”規劃》等文件的發布，北方各省掀起了“煤改電”的熱潮。包括北京、天津、河北等在內的20多個省份和直轄市均發布文件進行治污降霾，保衛藍天。以自然工質CO2作為制冷劑的CO2空氣源熱泵，在保證系統較高COP的同時具有優良的環保特性，能夠有效控制臭氧層的破壞，減少溫室氣體的產生，抑制煤的燃燒，降低霧霾天氣的發生率并減少PM2.5濃度，同時將節能與環保相結合，系統跨臨界循環產生熱水的高效運行，有效節省用戶采暖能耗，是我國北方采暖問題得以解決的重要方案。因此在我國具有廣闊的市場和潛力。

1 CO2熱泵系統的發展現狀

目前，正在研究的CO2熱泵熱水系統基本采用跨臨界循環系統。即被壓縮的制冷劑氣體放熱過程不發生相變，在超臨界區只通過顯熱交換進行換熱。全世界多個國家的研究機構和企業均對CO2熱泵進行了大量的研究。挪威是最早提出并研究CO2作為制冷劑利用其跨臨界循環進行制冷和供熱的國家，其理念與技術處于世界先進水平。挪威SINTEF研究所的J. Petterson等[5-6]率先研究了CO2熱泵技術，通過理論與實驗相結合，研究了汽車用CO2空調，驗證了CO2作為制冷劑在汽車空調中的優良性。P. Neks? 等[7]通過比較論證得出：CO2熱泵跨臨界循環相對于傳統熱泵供熱系數高，結構緊湊，熱水溫度高，具有相當大的發展潛力。目前CO2熱泵熱水器的系統形式主要有：單級蒸氣壓縮系統，雙級壓縮中間補氣系統，噴射器回收膨脹功系統。CO2熱泵系統原理如圖1所示。

日本是世界上CO2熱泵熱水器發展最快、技術領先的國家。在1995年，日本CRIEPI、東京電力公司和DENSO公司[8]合作研究CO2熱泵系統，建立熱泵熱水器樣機實驗臺，通過計算分析，發現CO2熱泵熱水器供應熱水時，性能高于傳統工質熱泵。經過數十年的發展，日本熱泵產品已經統一使用Eco Cute商標名，目前已有松下、大金、三菱、東芝、三洋、電裝等數十家公司生產不同規格型號的產品，在2007年日本本土家用CO2熱泵熱水器的保有量已超過數百萬臺[9]，并且已經推向歐洲市場。

挪威、丹麥、美國和德國等國家對CO2熱泵系統均進行了較多研究，取得多項成果，并已應用在商用和軍用領域。丹麥的丹佛斯公司針對CO2部件強度要求提出解決方案，可提供CO2熱泵的部件和零件。美國Purdue大學對CO2專用壓縮機進行了深入的研究，并成功舉辦多次壓縮機大會。Maryland大學和Illinois大學也對CO2熱泵進行了深入的研究，尤其是在汽車空調方面成績顯著。德國Thermea公司產品部分可以冷熱二聯供，用于供熱時額定COP高達5.5，英國ICS公司與意大利DeLonghi公司共同生產的商用產品出水溫度超過90 ℃。此外，歐洲市場還有CO2汽車空調，家用冰箱、商用冷藏冷凍設備等。制冷、制熱用CO2熱泵技術正在蓬勃發展。

1壓縮機；2油分離器；3氣體冷卻器；4回熱器；5干燥過濾器；6電子膨脹閥；7蒸發器；8氣液分離器；9融霜電磁閥；10風扇；11水箱；12第一電磁閥；13第二電磁閥；14第三電磁閥；15第四電磁閥；16水泵；T溫度測點；P壓力測點。圖1 CO2熱泵系統原理Fig.1 The principle of CO2 heat pump system

我國的CO2熱泵熱水器尚處于研發階段，起步較晚，但目前已經有越來越多的企業和研究機構對CO2熱泵進行研究與實驗。天津大學王景剛等[10]建立了熱泵實驗臺，對CO2跨臨界循環系統在熱泵中的應用和各關鍵部件進行了理論和實驗研究。并對單級跨臨界CO2帶膨脹機循環與4種雙級循環進行對比分析。西安交通大學徐洪濤等[11]對CO2熱泵循環進行了理論和實驗研究，致力于專用壓縮機的研發。鄧建強等[12]針對跨臨界CO2引射系統進行研究，探究噴射器特性、系統控制特性以及系統性能等。胡斌等[13]對跨臨界循環最優排氣壓力進行極值搜索控制。中南大學廖勝明[14]進行了CO2跨臨界循環的理論分析和循環參數優化，提出了最佳換熱-壓力關聯式。上海交通大學葉菁菁等[15]研究了CO2熱泵用于汽車空調，并將CO2熱泵與地源熱泵系統耦合，改善其運行環境，降低運行費用。清華大學張宇等[16]對CO2熱泵水平管換熱進行了研究，并與企業合作對微通道進行實驗研究與模擬。另外，大連交通大學、中原工學院[17]等高校和單位也對CO2熱泵系統展開了研究。CO2熱泵系統已經成為國內熱泵空調界的一個熱點研究領域。寇宏僑等[18]設計了一種應用于寒冷地區的大功率CO2熱泵供熱大溫差小流量集中熱水供暖系統，實際數據表明系統運行高效、穩定，具有良好的節能與經濟效益。

2 CO2熱泵各部件發展現狀

盡管CO2熱泵技術與傳統熱泵相比有較大的優勢，但是每個新產品問世的時候均存在諸多問題，CO2熱泵存在的問題主要有：1)系統壓力高。系統運行壓力較高，潤滑效果不佳，壓縮機和各部件容易老化，碳化甚至被燒壞。2)控制調節較難。只有優良的控制策略才能充分體現節能性，否則僅僅是理論上的節能。3)系統效率較低。CO2節流裝置前后壓差甚至能夠達到9～10 MPa，故此系統壓比小，壓差大，具有較大的節流損失。4)結霜結垢問題。CO2系統適用于低溫地區，導致蒸發器側容易結霜；氣冷器加熱熱水的過程中熱水溫度十分適于結垢；而結霜結垢問題很大程度影響系統效率，甚至破壞換熱器。5)熱源局限性問題。常見CO2熱泵低溫熱源為空氣，即常見的空氣源熱泵，其弊端在于負荷越大時正是天氣惡劣時，極大影響了熱泵運行效率。6)其他問題。如CO2熱泵系統(配水箱)體積較大，占地大、不美觀。

針對這些問題，改進CO2熱泵系統性能可分為3個方面：1)改進系統，利用補氣增焓技術，中間冷卻技術，多級壓縮技術等措施改進系統，提高系統性能。2)優化部件，對各部件的材料，結構，形狀，大小，布置等進行優化改進，消除或減小短板因素。3)增強控制。硬件達到一定程度時，軟件則成為提高性能的重要保證。改進控制技術，提高控制精度，真正實現理想化運行。

2.1 CO2熱泵專用壓縮機

圖2 氣體冷卻器發展趨勢Fig.2 Development trend of gas cooler

CO2熱泵中最核心的部件為壓縮機，其優劣直接決定整個系統能否高效運行。因CO2的比體積小，吸氣量大，壓縮機尺寸可大大減小。但是工作壓力高對壓縮機在零部件強度和密封性能上的要求較高，所以CO2壓縮機技術在很大程度上影響了商用熱泵熱水器發展。CO2熱泵壓縮機根據不同形式主要分為活塞式壓縮機、渦旋式壓縮機，螺桿式壓縮機和滑片式壓縮機等類型[19]。由于活塞式壓縮機耐高壓、壓比小、泄漏量小，所以早期人們均采用簡單的活塞式壓縮機。為了減小壓縮機余隙，提高壓縮機工作效率，日本SANYO設計開發了兩級滾動活塞壓縮機，采用兩級壓縮，使軸上2個滾動活塞呈180°分布，平衡性能好，噪聲小，因一級中間壓力可達5 MPa，減少因壓力高導致的機器變形和氣體泄漏，可在-20 ℃工況使用，系統運行更加平穩高效；DARKIN設計開發了擺動活塞式壓縮機，增加了旋轉襯套，噪音控制在38 dB以下，提高了壓縮機絕熱效率，降低壓縮機應力強度[20]。與常規熱泵壓縮機的發展和改進相似，渦旋式壓縮機和螺桿式壓縮機大大提高了壓縮機的容積效率和穩定性。目前除了以上企業，日本松下、東芝、日立和電裝、BOCK、DANFOSS、DORINE、EMB RACO、ACC等公司以及中國的上海日立，西安慶安和廣東美芝均能夠依靠自主設計開發CO2專用壓縮機，并且正在研究以改良現有技術[21]。H. Nakao等[22]改進了傳統的R410壓縮機，利用DLC-Si技術改進了單級轉子壓縮機，有效減小了葉片磨損。但由于壓縮機排氣壓力和吸氣壓力之差是傳統壓縮機壓力差的數倍，導致了更加嚴重的壓縮機的氣體泄漏和機械損耗。兩級壓縮的分離減小了密封處的泄漏，保證了較高的壓縮效率。有的雙級壓縮機中反向布置的活塞有效減小壓縮機振動，減少噪聲，此外，中間壓力的設計使壓縮機壁厚減小35%，減小了系統自重。韓毅等[23]研究發現大功率CO2壓縮機與同類產品相比運行效率約高11.5%。當系統利用膨脹機代替膨脹閥時，采用膨脹-壓縮一體機能夠有效回收一部分膨脹功，增大系統COP。西門子公司生產的CO2STC-GV整體齒輪式壓縮機，可達6個壓縮級，其設計CO2流量約為141 000 m3/h，是其原有設備的近兩倍。

目前的主要改良方向：1)設計開發高承壓強度的高效壓縮機形式，減小容隙。2)改進能量調節方式，針對不同形式的壓縮機，依靠類似于變頻技術，不同的能量調節方式，實現根據負荷進行調節。3)提高CO2熱泵可靠性，降低運動部件磨損。4)降低壓縮機運行噪音。5)開發雙級壓縮機或壓縮-膨脹一體機，回收膨脹功，增大效率。

2.2 換熱器的研究

CO2熱泵系統中，換熱器主要有3部分：氣體冷卻器、蒸發器和回熱器。

相對于傳統熱泵而言，氣體冷卻器相當于冷凝器，特點是壓縮機排出的制冷劑氣體不發生相變，利用顯熱完成換熱過程。由于跨臨界循環過程中，高溫高壓的CO2氣體在超臨界區比容大、流量小、壓力高、溫度滑移大，導致所需的氣體冷卻器耐壓強度高、管徑小、換熱強等特點。楊亮等[24]分析了超臨界CO2流動與換熱特性并得到相應計算關聯式。伊利諾伊大學J. M. Yin等[25]采用有限元分析法建立了超臨界交叉流氣體冷卻器模型，準確地估計近臨界點附近熱力學及流動特性的變化，并認為三通氣冷器是單層板式換熱器中效果最佳的，同時，使用多層板式換熱器能夠進一步提高換熱性能。這是因為在超臨界區域內換熱時，靠近臨界點的位置傳熱系數驟然提高，能夠快速將工質中的熱量提取出來，對于提高平均傳熱效率有顯著意義。

當前氣冷器形式主要有：套管式[26]、外繞式和微通道式換熱器[27]。發展歷程經歷了從套管式到外繞式再到微通道式的過程，如圖2所示。S. Taira[28]對比3種氣體冷卻器，分別為普通套管式換熱器、光管外繞式換熱器和光管盤式換熱器。套管式換熱器重量大、造價高、不容易減小體積；光管外繞式能夠減小10%～30%的體積，將光管外繞式換熱器盤在一起，能夠進一步減小換熱器體積，增大換熱能力。從氣冷器趨勢來看，制冷劑與水換熱正在由對流為主導向以導熱為主導發展，既考慮了傳熱效率，又考慮了安全性，防止二次爆炸。3種換熱器通過減小流道面積，增大傳熱面積，能夠利用CO2比容大、黏度低的特點，充分發揮流動優勢，提高傳熱效率。

T. Okada[29]分析了新型具有帶凹槽的外繞式換熱器，不僅能增大傳熱面積，減小換熱器的體積，還能增大換熱器水側的擾動，破壞邊界層，提高傳熱系數，進一步減小傳熱面積，另外制冷劑經過分液能夠減小其在換熱器內壓降，對于CO2熱泵氣冷器是一個巨大的進步。日本大金公司采用外繞式氣冷器，在近臨界點處，CO2熱容突然劇烈增長，導致傳熱效率急劇升高，而將CO2管路繞在水管外進行換熱，并通過纏繞的密度控制換熱的強度，能夠迅速提取近臨界區內的熱量，缺點是不易加工制造，工藝要求高。微通道換熱器即通道水力直徑為10～1 000 μm的換熱器。微通道換熱器由于通道面積減小，單位質量流量制冷劑的傳熱面積大大增加，有效減小換熱器體積，增大傳熱效率。但由于超臨界區域內的CO2特點，利用微通道式換熱器容易出現分液(分氣)不均的現象，缺乏良好的流路設計，影響換熱。同時微通道式換熱器的研究處于起步階段，新式材料的可靠性問題以及價格的原因暫時制約了其應用。饒榮水等[30]研究微通道換熱器換熱能力，指出微通道換熱器是應對國家2級能效要求的很好的技術解決方案。隨著進一步的研究和改進，微通道式換熱器將會成為氣冷器甚至蒸發器的一種優良選擇，具有良好的前景。

CO2熱泵多用作熱水器，在50～70 ℃溫度范圍內容易產生水垢，并由于流道面積的減小較難清除，實際設計過程中可采用控制熱水器的出水溫度及改變氣體冷卻器的放熱回路等措施。

蒸發器的形式較簡單，由于蒸發器側制冷劑壓力和溫度較常規熱泵機組差別較小，所以大部分仍使用翅片管式換熱器，以紫銅制管，鋁制翅片，這種換熱器技術成熟，傳熱效率較高，除霜方便且應用較廣。另外微通道式換熱器作為一種新興的換熱器，主要是針對汽車空調提出，現在有拓展到住宅用空調和熱泵的趨勢。與氣冷器用微通道式換熱器類似，由于工質為液體，分液不均的問題更為嚴重，這是制約微通道式換熱器發展的主要因素。由于蒸發器側傳熱溫差小，所需傳熱面積大，采用微通道式換熱器能有效增大傳熱面積，使設備更加緊湊。因此，目前微通道式換熱器成為CO2熱泵蒸發器換熱器形式的研究重點。

回熱器較為單一，很多企業回熱器形式與氣冷器形式相同，僅將氣氣換熱變為氣液換熱。目前最常見的形式是套管式和接觸式，由于結構單一不再贅述。

由于系統壓強整體較高，對換熱器等設備的承壓能力均有較高要求，但工質自身密度大、黏度低，其換熱管道及連接管道均較細，因此承壓能力較容易解決，管道密封及接口的焊接質量要求相對更高。

2.3 節流裝置的研究

對于節流裝置，CO2高壓側壓力能達到9～14 MPa，低壓側一般為3～4 MPa，因此，膨脹閥必須能夠承受15 MPa以上的壓強，目前很多廠家不能提供。節流裝置兩側壓差達6～10 MPa，過熱損失和節流損失均較大，盡管用回熱循環并調節最佳壓縮比可有一定改善，但問題仍較大。學者研究發現解決此問題的方法主要有兩方面：

1)通過改變節流裝置，回收膨脹功。針對CO2跨臨界循環膨脹比小，而膨脹功大(壓縮功的25%～30%)的問題，Gustav Lorentzen首先提出用膨脹機代替節流閥。天津大學管海清[31]通過實驗證實采用膨脹機對CO2跨臨界循環系統的COP有明顯提高作用。一般工況下，可提高20%～40%。但膨脹機加工制造困難，成本高，不適用于小型系統，而采用結構簡單、成本低、無運動部件、對兩相流工況適應性好的噴射器回收部分節流膨脹過程損失的功，構成CO2跨臨界噴射/壓縮式制冷可能是一種可行的途徑。J. P. Liu等[32]首次提出在跨臨界CO2制冷壓縮循環中采用噴射器代替節流閥來回收膨脹功，通過建立計算模型，得出系統COP較常規的節流閥系統提高6%～14%。J. Sarkar[33]通過應用熱力學循環模擬獲得了最佳排氣壓力對蒸發溫度和氣體冷卻器出口溫度的函數，并分析得出帶噴射器的跨臨界CO2循環的火用效率可比傳統的節流閥系統最多高9%。中國科學院、西安交通大學、浙江大學、上海交通大學、東南大學等均對空調、熱泵系統用噴射器進行了研究，包括噴射器特性、結構設計、數值模擬及軟件開發等內容。大連理工大學范昊[34]設計了空氣源CO2熱泵熱水器的噴射器，并用數值模擬的方法對噴射器內部流場進行了分析。大連理工大學李熠橋[35]進行了可調式蒸氣噴射器性能的計算分析，建立模型并運用Fluent模擬實際運行過程中工況改變對噴射器性能的影響。河北工業大學陶金亮[36]實驗研究了變工況蒸氣噴射式熱泵可調式噴射器。可調式噴射器，即利用步進電機的電脈沖信號驅動噴針向前向后移動，從而改變噴嘴喉部面積來調節最優高壓側壓力，能夠針對不同工況進行能量調節，從而提高系統循環效率。不同機構研究結果吻合，可以得出結論：使用噴射器能夠減小節流損失，系統COP提高約10%，可有效提高壓縮機的吸氣溫度，降低壓比，提高壓縮機效率。

1工作流體入口；2引射流體入口；3主噴嘴；4混合管；5擴壓管。圖3 噴射器外形及結構Fig.3 Shape and structure of ejector

2)通過減小節流裝置兩側壓差，從而減小節流損失。通過設置回熱器或利用過冷技術能夠有效降低氣冷器出口即膨脹閥入口處溫度，很大程度減少節流損失，提高系統性能。此部分內容在系統研究中詳細介紹。

對于改進節流裝置主要的研究有：1)大型設備中考慮采用膨脹機代替膨脹閥，回收膨脹功，減少節流損失；2)小型或中型設備中采用噴射器代替膨脹閥，研究帶噴射器的蒸氣壓縮式熱泵循環及利用可調式噴射器進行能量調節；3)設置中間換熱器(回熱器)或利用過冷技術減小節流裝置入口制冷劑溫度。

2.4 系統的研究

許多學者對CO2跨臨界系統進行了理論、實驗分析及模擬，通過制冷劑流路的變化及零部件的增設，利用雙級壓縮技術、補氣增焓技術、回熱循環、過冷技術、與其余高效系統耦合技術等對系統進行了優化改進。基于熱力學第二定律，對CO2跨臨界系統建立了火用經濟分析模型，通過實際的工程數據，理論上計算分析了系統各部件的火用損失和比率[37-38]。對于低溫環境下CO2熱泵系統運行性能較差的問題，王灃浩等[39]總結了國內外學者關于改善系統在低溫環境下適應性的研究，分析了空氣源熱泵在低溫環境下存在的弊端，并根據最新的研究進展提出空氣源熱泵的發展方向。金磊等[40]提出4種CO2熱泵的改進方案，通過計算和對比，為CO2熱泵在低溫寒冷地區的應用提供了理論依據。許多研究還將CO2跨臨界循環與其他制冷劑循環聯合使用以改善循環性能。例如將R134a熱泵循環與CO2跨臨界循環相結合用于空間加熱，研究表明，環境溫度為-20～0 ℃時，聯合系統循環的加熱容量和COP分別增加了32.6%和18.2%[41]。Song Yulong等[42]對用于空間加熱的聯合R134a/CO2熱泵系統和級聯R134a/CO2系統進行了性能比較。發現聯合系統在高溫環境和高進出水溫差時表現較好。并提出了一個操作條件系數，該值在大于0.263時，聯合系統性能更優越。近年來還有很多學者將新興的技術運用到CO2熱泵系統中，以提高系統性能。華南理工大學項招鵬[43]將相變蓄熱技術和復疊式循環應用于CO2熱泵系統，提高了熱泵熱水器系統運行的經濟性。劉劍等[44]提出了一種用于住宅采暖和全年供應熱水的太陽能輔助CO2熱泵供熱系統，通過示范住宅對系統進行性能測試，并對結構參數進行了優化分析。結果表明，系統在整個采暖季的耗電量最小且太陽能的保證率達65.7%。意大利DORIN公司針對CO2熱泵熱水溫度滑移及優良的熱物理性能，研制出大型冷熱聯供系統。BIZER與DORIN公司均高度重視新一代雙級壓縮技術，即平行壓縮技術，并將其推廣應用在實際工程項目中。

在CO2跨臨界循環系統中增設回熱器形成回熱循環，不僅保證壓縮機吸氣過熱度，防止壓縮機發生液擊，同時增大氣體冷卻器制冷劑出口過冷度，降低節流裝置入口處壓力與溫度，減少節流損失，增大系統效率。C. Aprea等[45]對使用回熱器(internal heat exchanger，IHX)改善CO2跨臨界循環的效果進行了實驗性評估。結果表明:使用IHX的情況下，氣體冷卻器入口的空氣溫度從40 ℃降至25 ℃時，COP增加高達10.5%。E. Torrella等[46]實驗研究了使用IHX時，CO2跨臨界循環在3種不同蒸發溫度(-5、-10、-15 ℃)和兩種不同的氣體冷卻器出口溫度(31、34 ℃)工況下的循環性能。結果顯示，冷卻量和循環效率的最大增量達12%。A. Cavallini等[47]通過理論和實驗研究了具有IHX的兩級壓縮循環性能。結果表明，IHX提高了冷卻能力，降低了最優高壓，IHX的使用可以提高循環COP約10%。利用過冷技術同樣可以降低氣體冷卻器制冷劑出口處溫度與壓力，達到降低節流損失，提高系統效率的目的。目前常用的過冷方式分為3種：1)機械式過冷，即在傳統循環中增設過冷循環，通過對制冷劑出口處制冷劑進行過冷從而提高系統COP。德國BIZER等廠家已將其作為提高系統能效的方法進行應用，得到預期效果。2)依靠自身冷量過冷。對冷凝器出口的制冷劑進行分流，部分制冷劑節流后將另一部分過冷。合理分配兩部分制冷劑流量，可達到系統效率最大值。3)蓄冷式過冷。這是一種相對成熟的技術，對于熱泵供暖，可利用余熱加熱室內，或利用余熱除霜達到對制冷劑過冷，尤其蓄熱除霜，不僅解決了除霜熱源的問題，同時降低節流損失，對能量梯級利用，增大能量利用率。4)采用地下水過冷。狹義上即采用地下水工質對氣體冷卻器出口CO2工質進行過冷，廣義上可將地下水引申，即采用一切可采用的工質對制冷劑進行冷卻，冷卻為超臨界區域內的液體或氣體。

改進系統循環，主要是將CO2循環回路加以變化或結合制冷采暖新技術提高系統效率。例如蒸氣壓縮/噴射系統，補氣增焓，雙級壓縮，太陽能-CO2熱泵耦合采暖系統，CO2熱泵蓄熱除霜系統等。優化方案，改良系統，從宏觀角度改變制冷劑循環方式，從原理角度對熱泵進行優化。

3 結論與展望

國內外學者越來越關注對CO2熱泵系統的改進和優化。通過提高CO2熱泵各部件的效率或改進系統運作方式優化熱泵系統。優化項目涉及各個部件、各個方面，使整個系統盡量利用CO2跨臨界循環的優勢，提高系統的可靠性和高效性。同時產生了越來越多的新技術、新思路對CO2熱泵系統進行改良。如何同時提高系統的實用性和可靠性是當前CO2熱泵研究領域的重點內容。

因此，結合當今國內外CO2熱泵系統的研究現狀和存在的問題，對CO2熱泵熱水器未來的發展提出展望：1)開發新的適于CO2熱泵系統的循環過程，降低系統對環境溫度的依賴性，提升系統運行的穩定性。例如采用補氣增焓技術及多級壓縮技術保證其在低溫工況中的效率。2)對跨臨界循環系統部件進行優化，如降低氣冷器出口溫度，采用噴射器或膨脹機減少節流損失；改進氣冷器與蒸發器形式，提高換熱效率；開發新型高效高強度專用壓縮機，降低壓比，提高壓縮機效率。3)將新興技術如相變材料蓄熱技術及太陽能技術等與CO2熱泵系統結合，充分發揮各自優勢，使系統性能得到進一步提升。4)完善系統的仿真模型，利用計算機仿真技術，開發高效控制系統，軟硬件結合，實現有效、準確的模擬系統的運行狀態和性能分析。