二氧化碳熱泵熱水器全球發展及展望

摘 要：隨著熱能行業的發展，我們越來越追求性能優良制冷劑。特別是氟利昂制冷劑被發現破壞臭氧層之后，人們這一需求也便更加強烈。CO作為一種新型制冷劑，逐漸被人們重視起來。二氧化碳熱泵熱水器便是CO制冷劑應用的重要行業之一。本文將從全球出發，介紹二氧化碳熱泵熱水器的發展過程，并對其未來發展進行了展望。

關鍵詞：CO2;熱泵熱水器;展望

1 引言

二氧化碳作為熱能行業的重要的制冷劑，以其獨到的優勢而得到人們青睞。熱泵行業在二氧化碳制冷加入后，得到了更加長足的發展。二氧化碳熱泵熱水器的發展是漫長的，通過對二氧化碳熱泵熱水器發展進程進行了解，有利于我們對其技術進行更好地探索，為熱能行業地發展注入新動力。

2 二氧化碳熱泵熱水器簡介及其優勢

二氧化碳熱泵，它是以二氧化碳為制冷劑的熱泵，它的工作循環過程幾乎和普通熱泵相同，僅僅是由于制冷劑的不同。熱泵一般均采用蒸汽壓縮，但是二氧化碳熱泵采用跨臨界循環。當二氧化碳制冷劑流經冷凝器時，由于冷凝壓力位于臨界壓力之上，所以沒有被冷凝成液體，但是對于在一般循環中工作中的制冷劑則被冷凝成液體。總結來說，二氧化碳熱泵具有以下優勢：

2.1二氧化碳流動性能和傳熱性能好，單位制冷量大，因而使用壓縮空間少，可以使得壓縮機結構緊湊，節省材料;

2.2二氧化碳是一種清潔的制冷劑，對環境沒有破壞性影響;

2.3可以實現錯峰使用，移峰填谷，節省能源;

2.4化學性質穩定，不燃，高溫不易分解，不產生有害氣體。同時，二氧化碳是無毒的，減少了因泄漏對人的威脅;

2.5流動性好，具有較高的蒸發潛熱值;

2.6與常規制冷劑相比，二氧化碳的壓縮比比一般制冷劑壓縮比小得多，可以有較高的性能系數，機械效率高;

2.7較高的冷凝溫度使得其壓縮機排氣溫度較高，可以獲得較高溫度的水;此外，可適應較苛刻的環境，如東北地區冬季寒冷天氣，依舊可提供較高溫度的水;

2.8可以實現“重復利用”，由于其優良的綜合性質，它被認為是氟氯化碳的最佳替代品。

二氧化碳熱泵的工作原理是通過制冷劑或制冷劑吸收空氣中的二氧化碳并釋放到水中，壓縮機將回流的低壓制冷劑壓縮，變成高溫高壓氣體，流經包裹在水箱外的銅管，熱量通過銅管傳遞到水箱，冷卻后的制冷劑在壓力的持續作用下變成液體，通過膨脹閥進入蒸發器后，蒸發器的壓力突然下降，因此，液態制冷劑水通過冷凝器，吸收大量熱量，變成氣態。空氣在風扇的帶動下，通過蒸發器，同時，風扇也起到促進蒸發器吸收空氣中熱量的作用。由于熱量的釋放，通過蒸發器的空氣溫度降低，變成冷風。隨后進入壓縮機，進一步進行壓縮，進入下一個循環。

3 二氧化碳熱泵熱水器的發展進程

3.1發展背景

談起二氧化碳熱泵熱水器的發展，不得不提及二氧化碳制冷劑跨臨界循環的研究。1992年，挪威科學家洛倫岑首先提出了共跨臨界循環理論。所謂的跨臨界循環就是工質在制冷循環中的冷凝溫度高于臨界溫度，而蒸發溫度低于臨界溫度，跨臨界循環的提出，極大地推動了二氧化碳在熱泵領域地研究和發展。

3.2國外發展

世界上第一個熱泵熱水系統試驗臺建立于1991年，1996年，世界上第一個熱泵熱水系統試驗臺由新泰熱能研究所的nesk和Petterson在新泰熱能實驗室建成。結果表明，與電熱水器相比，二氧化碳熱泵熱水器節能75%。其相關實驗數據如下：蒸發溫度為0時℃， 氣體冷卻器的水溫為8℃℃， 原動機的效率為0.9，提供80℃ 熱水系統的性能系數仍高達3.5。[1]這是世界上較早對熱泵性能進行測試的實驗。實驗的結果也證明二氧化碳熱泵熱水器強大的節能性能。

1998-2000年，二氧化碳在熱泵領域得到更深一步的研究。首先是二氧化碳熱泵熱水器的基礎理論研究。1998年9月，東電、CRIEPI、電裝等公司與相關技術人員合作，對二氧化碳熱泵熱水器的基礎理論進行了研究，結果表明，與傳統工質相比，二氧化碳熱泵熱水器的性能明顯提高。隨著研究和社會的發展，二氧化碳熱泵熱水器樣機試驗臺已經建立。1999年，東京電力公司、CRIEPI公司和Denso公司合作建立了二氧化碳熱泵熱水器樣機試驗臺，為其理論研究提供了良好的實驗條件。2000年，東京電力公司對二氧化碳熱泵熱水器進行改進后，每年對二氧化碳熱泵熱水器的性能系數進行測試，實驗結果表明，其全年平均性能系數達到3.0，明顯高于傳統熱泵熱水器，改進后的二氧化碳熱泵熱水器性能得以極大地提升。此外，改進后的系統仍能提供高達90%的熱水℃ 當環境溫度為-20℃。[2]

2000年，首臺示范性工業用二氧化碳熱泵熱水器也得以開發。同年，在挪威生產半成品食品的aseggprodukt工廠，挪威科技大學的nesk和zakeri建立了第一臺示范工業二氧化碳熱泵熱水器。初步實驗參數為：吸入壓力50bar，蒸發溫度14.3℃℃， 壓縮機排氣溫度100℃， 吸入溫度26℃， 放熱壓力113bar，氣體冷卻器二氧化碳出口溫度9.2℃， 進出水溫度6.7/66℃， 水質量流量0.26m3/hr，制熱功率18.43kw，壓縮機功耗3.2Kw，系統制熱性能系數可高達5.77。R.Kern在二氧化碳熱泵熱水器中創造性地應用了冷熱水層水箱。熱水從水箱頂部供應，冷水從水箱底部進入熱水器。提高了二氧化碳熱泵熱水器的性能。

2002年，三段式逆流式氣體冷卻器得以開發。2002年，挪威科技大學制冷與空調系的Jorn Stene將三級逆流式氣體冷卻器與其溫度滑動進行了匹配。水的預熱在氣體冷卻器的低溫段，低溫空間加熱在中溫段，加熱溫度一般在30℃℃ 到40℃， 水在高溫段被加熱。實驗結果表明：低溫空間供熱與熱水供應相結合可以很好地應用于地源二氧化碳熱泵系統，并能獲得較高的供熱性能系數。2002年8月，6.5kw二氧化碳熱泵系統投入運行。[3]

隨著經濟的發展和科技的進步，二氧化碳熱泵熱水器也開始向家用化方向發展。日本三洋電器公司較早生產家用二氧化碳熱泵熱水器，來自研發總部生態能源系統研究中心的Hi Roshi Mukaiyama等人開發了一款加熱功率為4kw的家用二氧化碳熱泵熱水器。他們創造性地將變頻電動機，頻率20-120hz，采用兩級滾動活塞壓縮機。2002年，日本大金公司開發了單級擺動轉子壓縮機熱泵熱水器。同時，松下還自主研發了熱泵熱水器。其相關參數如下：370L二氧化碳儲罐的額定輸入功率為1.2kW，額定熱量為4.5kW，出水溫度為65～90C。[4]

在日本，二氧化碳熱泵熱水器性能優異，世界領先，他也因此獲得“Eco Cute（ 生態精靈）”的稱號。從2001年開始，其熱泵熱水器開始上市，十分紅火。雖然銷售紅火，但是其價格在當時還是比較昂貴地，政府不得不采取相應措施，鼓勵民眾進行購買，銷售十分火爆。日本還依據不同地區，不同需求，生產出不同類型、不同制熱量的熱泵熱水器，種類十分豐富，向多樣性方向發展。[5]

3.3國內發展

二氧化碳熱泵熱水器的研究主要由相關院校帶起。比較有代表性的便是熱能專業比較領先的院校，如西安交通大學、天津大學、清華大學、上海交通大學等。部分院校還制作出原型機，進行模擬實驗，進行進一步的研究。另外，以慶安制冷為代表的國內企業也為二氧化碳熱泵熱水器的研究做出了巨大貢獻。為了使自主研發的二氧化碳壓縮機在系統中具有良好的性能，這些高校和企業專門從結構設計、工藝設計、系統控制策略、電機驅動控制策略、控制器和水路系統等方面投入研發，為今后二氧化碳壓縮機的推廣打下基礎。

國內第一臺二氧化碳跨臨界水-水熱泵循環系統是由天津大學最先制作的，由于二氧化碳的壓力比比較高，所以會產生較大的節流損失，所以天津大學對膨脹機的研究較早，通過膨脹機可以顯著地較少節流損失，提高性能系數。西安交通大學壓縮機研究中心主要研究二氧化碳熱泵熱水器和壓縮機，并根據實驗研究制作樣機。上海交通大學制冷低溫研究所主要研究二氧化碳熱泵熱水器在汽車空調中的應用。浙江大學制冷低溫研究所主要研究噴射式二氧化碳制冷系統的設計。[6]中南大學廖勝明通過對二氧化碳跨臨界循環的理論分析，優化了循環參數，并提出了最佳換熱壓力關聯式。清華大學張字與企業合作開展了微通道的實驗研究和模擬，主要研究了二氧化碳熱泵水平管的傳熱。還有許多其他院校如中原工學院、大連交通大學等高校也對二氧化碳熱泵系統進行了不同程度的研究。[7]

青島海爾天沐KING開發首款面向市場二氧化碳熱泵熱水器。天沐KING分為室外機和水箱兩大模塊。室外機模塊包括壓縮機、蒸發器、空氣冷卻器、膨脹閥、風扇和循環水泵。水箱模塊包括水箱內膽、外殼。海爾天沐KING二氧化碳熱泵熱水器標準制熱量為4500W，具有較高的性能系數，達到了5.2，運行過程中噪音也低，能夠提供較高溫度的熱水，出水最高溫度為80℃。允許的工作環境溫度在-25到45攝氏度之間，能夠保證冬季極寒地區熱水供應速度，能保證全年制熱量恒定，可以為別墅及其它高端用戶提供熱水整體解決方案。[8]

3.4發展前景

二氧化碳作為一種新型制冷劑，由于其具有壓力比大、單位容積制冷量高，以及一系列良好的制冷劑特性，被越來越多的學者所重視，其也被認為取代氟利昂制冷劑的最佳選擇之一。但是，二氧化碳也存在一些缺點，如壓力差較大、排氣溫度過高、節流損失過大等一系列問題。但是，時代在不斷向前，科技也在不斷進步，相信在不遠的將來，這些難題將一步步克服，二氧化碳熱泵熱水器的性能能得到更進一步的提升。

參考文獻：

[1]廣西西屋康達空調有限公司 周子成 《二氧化碳熱泵熱水器》.

[2]蘇梅，衣永海，秦海杰.CO2熱泵熱水系統試驗研究[J].制冷與調，2014，14（10）：86-88+61.

[3]劉秋菊. CO2熱泵熱水器的理論與實驗研究[D].天津大學，2007.

[4]劉圣春， 馬一太，and 管海清.“CO2空氣源熱泵熱水器的研究現狀及展望”.ODS淘汰暨HCFCs替代技術發展國際論壇文集.Ed..， 2007， 97-106.

[5]管海清 ，馬一太 ，楊俊蘭.日本家用CO2熱泵熱水器研究開發現狀分析[J].家電科技，2004（06）：59-61.

[6]周子成.二氧化碳熱泵熱水器近期的發展[J].制冷，2009，28（03）：33-39.

[7]李椿，王志華，王灃浩，許怡博，戢坤池，高秀芝.CO2熱泵研究現狀及展望[J].制冷學報，2018，39（05）：1-9.

[8]王建良，楊磊，陳炳泉，趙增奎，林輝. 自然制冷劑CO2在家用熱泵熱水器中的應用[A]. 中國家用電器協會.2015年中國家用電器技術大會論文集[C].中國家用電器協會：《電器》雜志社，2015：7.

作者簡介：

李文龍（2000-），男，河南周口人，本科，研究方向：能源動力及節能技術。

（鄭州大學機械與動力工程學院，河南 鄭州 450001）