高效節能環保跨臨界CO2 熱泵技術

李林鳳，王 明，馬瑞軍，李 寧，劉玉峰

（北京大學包頭創新研究院熱能工程研究所，內蒙古 包頭014010）

1 引言

節能和環保是21 世紀科技領域永不褪色兩大議題。余熱回收是節約能源的一大重要途徑，熱泵技術在余熱回收領域應用廣泛，但受制冷劑的制約不能大范圍推廣應用，傳統制冷劑如CFCs、HCFCs 等對地球臭氧層造成破壞，導致溫室效應比較嚴重，其在環保要求越來越嚴格的今天受到越來越多的限制。

因此，研發一種以高效、綠色環保為制冷劑工質的新型熱泵技術是解決節能和環保問題的關鍵，其研究開發應用推廣迫在眉睫。自然制冷劑CO2作為傳統制冷劑工質的替代物重新興起[1]。

采用CO2工質作為制冷劑的跨臨界熱泵機組，因其對環境無污染、無破壞，系統運行穩定、設備緊湊并具有較高的系統能效比，作為一種高效、節能、環保的新型技術被廣泛地開發和應用。因此，跨臨界CO2熱泵機組具有較強的市場競爭力，有著廣闊的市場空間和前景[2-3]。

2 跨臨界CO2熱泵技術

跨臨界CO2熱泵機組是一種熱量轉移裝置，可以將從周圍環境中吸取的熱量傳遞給被加熱的對象。跨臨界CO2熱泵工作時，通過自身消耗一部分能量，把環境介質中儲存的能量加以利用，對通過傳熱工質循環系統提高的溫度進行利用，而整個熱泵機組自身消耗的一部分能量占輸出功的比例很小，因此，采用跨臨界CO2熱泵技術可以充分利用低品位能源，節約大量高品位能源。

跨臨界CO2熱泵機組的工作原理就是低溫氣態制冷劑CO2由壓縮機吸氣閥經壓縮機壓縮，變成高溫高壓CO2氣體進入氣體冷卻器，被冷水吸熱冷卻，然后進入回熱器。在回熱器中與來自氣液分離器的低溫低壓CO2氣體進行熱交換后，再經過毛細管節流元件成為氣液兩相流體，進入蒸發器中，經過與循環水的換熱，進入氣液分離器，再進入回熱器，最后回到壓縮機壓縮，開始一個新的循環。在循環中，冷水在氣體冷卻器中被加熱到所需溫度的熱水，而循環冷卻水在蒸發器中被冷卻，CO2作為中間介質在熱泵中循環使用。跨臨界CO2熱泵工作原理如圖1 所示。

圖1 跨臨界CO2 熱泵工作原理

跨臨界CO2熱泵機組主要由回熱器、氣體冷卻器、壓縮機、蒸發器、氣液分離器等組成，系統穩定運行的關鍵為每個部件協調配合，其運行效率直接決定了熱泵機組的運行能效。以下分別對機組關鍵設備進行介紹和論述。

2.1 壓縮機

壓縮機是跨臨界CO2熱泵的心臟，它的穩定性與熱泵運行穩定性直接相關，壓縮機的運行效率直接影響熱泵運行的COP 值。壓縮機效率和壓縮機出口溫度是影響跨臨界CO2熱泵性能優劣的兩個重要指標，壓縮機的效率反映了其對輸入能量的利用率，效率越高即利用率越高，系統性能越優異[4]。一般低溫熱源水溫在9～35 ℃之間，蒸發器內CO2蒸發溫度在0 ℃左右，蒸發壓力在3.4 MPa 左右，系統內的低壓較高，使壓縮機吸氣口的低壓提高、壓縮機壓比減小，因此采用單級壓縮，并且從系統的復雜性和設備成本角度考慮，盡量保證系統的簡單性、系統運行穩定和設備造價低，采用單級壓縮。考慮到壓縮機排氣壓力大，因此跨臨界CO2熱泵采用單級雙缸往復式壓縮機。

2.2 蒸發器

蒸發器是跨臨界CO2熱泵機組中主要的換熱設備之一，CO2蒸發器的結構和換熱效果對跨臨界CO2熱泵的性能影響較大，其壓降和換熱特性對跨臨界CO2熱泵機組效率的提高具有十分關鍵的作用。蒸發器中CO2的蒸發溫度越高，機組的COP 值越高，因此，盡可能地讓蒸發器中CO2的蒸發溫度接近低溫熱源載熱水的出口溫度，應該盡量強化蒸發器的換熱效果、增加蒸發器換熱面積，使系統COP 值達到一個較高的性能系數。

2.3 氣體冷卻器

氣體冷卻器是跨臨界CO2熱泵機組熱量產出的地方，CO2冷卻器的結構和換熱效果對跨臨界CO2熱泵的制熱效率COP 值影響較大。CO2氣體冷卻器效率直接關系到跨臨界CO2熱泵出水的溫度和流量。采用高效氣體冷卻器可以降低CO2氣體冷卻器出口溫度，不僅提高了系統性能，而且能降低CO2與冷卻水之間的換熱溫差，提高了熱水出口的溫度。

氣體冷卻器出口溫度越低，換熱器的換熱量越大，機組的循環性能增加，從而使熱泵機組的COP 值提高。因此，降低氣體冷卻器出口的溫度，對提高熱泵機組的制熱效率有重要作用。

降低氣體冷卻器出口溫度的方法主要有三種：強化換熱的手段、增加氣體冷卻器的換熱面積、優化換熱器的結構。

3 跨臨界CO2熱泵節能優勢

跨臨界CO2熱泵技術是一種高效節能、經濟環保、安全穩定、冷暖兩用、運行靈活的新型中央空調系統。

它具有以下諸多優點[5]：①機組效率高。在整個供暖周期內，跨臨界CO2熱泵機組的平均制熱效率COP 值可以達到4.5，制冷效率EER 值可以達到5.0，遠大于一般熱泵機組的COP 值（約3.0）和EER 值（約2.5）。②節能效果明顯，運行成本低。由于跨臨界CO2熱泵有很高的COP 值和EER 值，因此，其具有良好的節能效果和較低的運行成本。③出水溫度高，應用范圍廣。傳統熱泵制取的熱水溫度一般不超過55 ℃，很難達到城市熱網要求和其他需要高溫熱水的工業行業，而跨臨界CO2熱泵由于跨臨界循環能制得95 ℃的高溫熱水，完全可以滿足城市集中供熱的二次管網對于供暖熱水的供回水的溫度（65 ℃/85 ℃）要求，也可以滿足大部分需要高溫熱水的工業行業。④穩定性和可靠性高。跨臨界CO2熱泵機組系統技術要求高，系統設備自動化程度高，運行穩定可靠，使用壽命可達到15 年以上，是普通熱泵機組使用壽命的1.5～3.0 倍。⑤噪聲小。跨臨界CO2熱泵機組工作噪聲在70 dB 以下。⑥環保性良好。跨臨界CO2熱泵機組內部循環工質采用自然工質CO2進行冷暖聯供，可以有效避免氟利昂等傳統普通熱泵中制冷劑對環境的破壞。

4 跨臨界CO2熱泵技術應用現狀

跨臨界CO2熱泵機組可以廣泛地應用于民用、商用、工業、農林水產、交通和能源資源等諸多領域。

在民用領域，跨臨界CO2熱泵機組主要應用于家庭應用，包括制取熱水、供暖取冷、衣服干燥等，應用較多的是熱水制取和供暖取冷；在商業領域，應用包括制取熱水、供暖取冷、織物干燥等，目前以熱水供應和供暖供冷為主；在工業領域，可用于化工、氯堿、制藥、制鹽、造紙、紡織、橡膠、冶金、玻璃等行業；在農林水產領域，可用于種子加工、水產品加工、茶葉加工、水產養殖、木材加工、牛奶加工、啤酒行業、制糖行業、制革行業等；在交通領域，可用于港口船運、汽車公路、客車鐵路等；在能源資源領域，可用于油田、沼氣生產、煤礦、電力、水廠、淡化海水、廢水處理等行業。

5 跨臨界CO2 熱泵運行效率

目前來說，主要有以下幾種提高跨臨界CO2熱泵運行效率的方式：①研制新型高效CO2壓縮機。壓縮機效率越高，熱泵的效率也越高。為提高壓縮機的效率，有公司開發布置更靈活、結構更緊湊的雙級壓縮機，通過減小壓差、減少泄漏和機械損失的方式來提高壓縮機的效率。通過對雙級壓縮機的改造升級，仍有繼續提高壓縮機效率的空間，這也是壓縮機發展的一個重要方向。②研制新型的膨脹壓縮機。在跨臨界CO2熱泵機組循環中，膨脹部分的損失制約著熱泵效率的提高。將膨脹和壓縮兩種過程進行有機銜接，使壓縮機的壓縮過程由膨脹部分輸出功率來驅動完成，形成膨脹壓縮機，減少膨脹部分的損失，形成跨臨界CO2熱泵機組的特色組成。③研制高效跨臨界CO2循環換熱器。如新型防重結冰的換熱器可有效提升熱泵的運行效率。④研制高效能源利用和供熱方式的熱泵機組。在特定的環境領域中，充分利用低品味能源或可再生能源，解決熱水及其他熱源的供應問題。⑤研制跨臨界CO2熱泵智能化控制系統。智能化控制能提升機組運行的穩定性、可靠性，降低故障率，是工業領域智能制造的重要體現。

6 總結

跨臨界CO2熱泵機組以CO2工質作為制冷劑，制熱效率COP 值可達4.5，制冷效率EER 值可達5.0，節能效果明顯、運行成本低廉，對實現國家節能減排方針和可持續發展具有重要的作用。

跨臨界CO2熱泵機組與傳統熱泵機組相比，沒有有毒有害氣體排放，大量使用CO2工質，且為循環使用，也無CO2氣體排放，對環境的危害性幾乎為0，不會產生溫室效應，因此對環境保護有積極作用，符合中國環保政策。綜上，跨臨界CO2熱泵技術屬于節能、環保、綠色型技術，有著廣闊的市場空間和應用前景。