【摘要】分析了CO2空氣源熱泵機(jī)組的工作原理，優(yōu)越性以及在國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀，并分析了其面臨的問(wèn)題及發(fā)展對(duì)策。

【關(guān)鍵詞】熱泵；單位容積制冷量；跨臨界循環(huán)

隨著節(jié)能和綠色環(huán)保問(wèn)題日益成為世界關(guān)注的焦點(diǎn)，安全環(huán)保的采暖設(shè)備和熱水器更能迎合市場(chǎng)的需要。CO2空氣源熱泵機(jī)組采用天然工質(zhì)CO2作為制冷劑，兼具制暖和提供熱水的雙重功效，消耗電能，將儲(chǔ)存在空氣中的無(wú)法直接利用的低品位能源變成了可以直接利用的高品位能源，因此，是一項(xiàng)極具前途和值得推廣的技術(shù)。

1、CO2空氣源熱泵機(jī)組原理

空氣源，又稱(chēng)空氣能，即空氣中所蘊(yùn)含的低品位熱能?？諝庠礋岜脽崴鲗?shí)質(zhì)上是利用逆卡諾循環(huán)的制冷原理工作原理，它通過(guò)從周?chē)h(huán)境中獲取低品位熱能，經(jīng)過(guò)電力做工提升溫度后輸出到冷凝端，產(chǎn)生可被人們所用的較高品位熱能的設(shè)備。采用制冷劑的能量傳遞特點(diǎn)，讓制冷劑壓縮機(jī)的作用下循環(huán)工作，不斷地在蒸發(fā)器中被蒸發(fā)而吸收空氣（或水）中的熱能，同時(shí)又不斷地在冷凝器中釋放熱量從而使制冷劑循環(huán)工作，最大程度地減少熱傳遞所需的用電量，達(dá)到高效節(jié)能的目的。

空氣源熱泵機(jī)組也是由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和膨脹閥四大制冷部分組成，通過(guò)讓工質(zhì)不斷完成蒸發(fā)（吸取環(huán)境中的熱量）→壓縮→冷凝（放出熱量）→節(jié)流→再蒸發(fā)的熱力循環(huán)過(guò)程，從而將環(huán)境里的熱量轉(zhuǎn)移到水中。工作原理如下圖1所示，工作過(guò)程如下：在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，當(dāng)儲(chǔ)熱水箱的水溫低于溫度控制器設(shè)定值時(shí)，熱泵、風(fēng)機(jī)及循環(huán)水泵自動(dòng)開(kāi)啟，風(fēng)機(jī)將空氣吸（吹）響蒸發(fā)器，蒸發(fā)器內(nèi)的熱媒吸收空氣中的熱能后，經(jīng)熱泵（壓縮機(jī)）加壓后產(chǎn)生高溫，在通過(guò)熱交換器將熱泵釋放給水使水溫升高 ，熱媒降溫后經(jīng)節(jié)流閥流回蒸發(fā)器，如此反復(fù)進(jìn)行吸熱和放熱，知道被加熱 水的水溫達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，熱泵和風(fēng)扇停止工作

CO2熱泵，又稱(chēng)R744熱泵，就是采用CO2作為制冷劑的熱泵或空調(diào)，普通熱泵一般采用氟利昂作為制冷劑，兩者的工作原理基本是一樣的，都屬于蒸汽壓縮式，但也稍有不同，CO2熱泵屬于超臨界循環(huán)，即在冷凝器端，CO2是不會(huì)被冷凝成液體的，而氟利昂冷媒在冷凝器端是被冷凝成液體再節(jié)流的。

圖1 CO2空氣源熱泵機(jī)組工作原理

2、CO2空氣源熱泵技術(shù)的優(yōu)越性

為了比較直觀得出結(jié)論，將 CO2與其他制冷劑做比較，如下表1所示。從表1不難得出 CO2作為制冷工質(zhì)具有一些以下獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：1）CO2單位容積制冷量是其他制冷劑的數(shù)倍，其優(yōu)良的流動(dòng)和傳熱特性，可顯著減小壓縮機(jī)與系統(tǒng)的尺寸，使整個(gè)系統(tǒng)非常緊湊；2）CO2冷媒，對(duì)臭氧層的破壞幾乎無(wú)破壞作用，GWP也低；3）高熱效率的CO2冷媒配合夜間離峰電費(fèi)將大大降低操作成本；4）良好的性和化學(xué)穩(wěn)定性，CO2安全無(wú)毒，不可燃，適應(yīng)各種潤(rùn)滑油及常用機(jī)械零部件材料，即便在高溫下也不分解產(chǎn)生有害氣體；5）具有與制冷循環(huán)和設(shè)備相適應(yīng)的熱力學(xué)性質(zhì)，CO2的蒸發(fā)潛熱較大； 6）與常規(guī)制冷劑相比，CO2跨臨界循環(huán)的壓縮比較小，約為2.5～3.0，可以提高壓縮機(jī)的運(yùn)行效率，從而提高系統(tǒng)的性能系數(shù)。7）采用CO2還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是其排氣溫度較高，可以得到更高溫度的熱水，55-90℃范圍內(nèi)可調(diào)，用戶(hù)可以通過(guò)機(jī)組的控制器自行設(shè)定；傳統(tǒng)的熱泵在冬季時(shí)，需加裝輔助系統(tǒng)（電熱管）或改用鍋爐制熱水，而CO2熱泵機(jī)組可以在零下20℃工作，也就是即使在-20℃的嚴(yán)寒環(huán)境也可供應(yīng)90℃熱水。

另外， CO2跨臨界系統(tǒng)氣體冷卻器端的溫度滑移可以與變溫?zé)嵩摧^好的匹配，它在熱泵熱水器方面的應(yīng)用具有其它供熱方式無(wú)法比擬的優(yōu)越性。CO2作為一種天然冷媒工質(zhì)，憑借其環(huán)保、無(wú)毒以及優(yōu)良的跨臨界循環(huán)等特點(diǎn)，被看作是氟氯碳化物冷媒的最佳替代物。應(yīng)用了CO2冷媒技術(shù)的空氣源熱水器不僅在節(jié)能、環(huán)保層面有進(jìn)一步的提升，同時(shí)在噪音、使用地區(qū)、出熱水量等多個(gè)方面有突破性的進(jìn)展。

3、CO?熱泵熱泵技術(shù)的國(guó)內(nèi)研發(fā)現(xiàn)狀

目前，世界上掌控著CO2熱泵最先進(jìn)技術(shù)的是日本和歐盟。而中國(guó)CO2熱泵市場(chǎng)還處于起步階段。

麥克爾公司于2010年與中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所聯(lián)合研究CO2熱泵跨臨界循環(huán)技術(shù)的應(yīng)用，經(jīng)過(guò)一年多研究于2011年3月推出應(yīng)用性強(qiáng)的商用機(jī)組，所有零部件均自主研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造，采用其他國(guó)家研究機(jī)構(gòu)均未使用的全新技術(shù)方案，在全球范圍內(nèi)導(dǎo)入新的技術(shù)理念，使CO2熱泵跨臨界循環(huán)技術(shù)的應(yīng)用及性能方面得到了質(zhì)的飛躍，植入7大創(chuàng)新點(diǎn)：1）采用即熱補(bǔ)水、浸泡式加熱，使系統(tǒng)穩(wěn)定高效；2）多級(jí)蓄能技術(shù)，杜絕混水，出熱水率高；3）利用CO2作為熱泵系統(tǒng)的工質(zhì)，安全、節(jié)能、環(huán)保；4）利用噴射循環(huán)大幅度提高吸氣壓力，減少節(jié)流損失，提升COP值；5）采用廢余熱回收系統(tǒng)，提升COP值、降低化霜概率和次數(shù)；6）采用換熱式化霜系統(tǒng)，高效、節(jié)能；7）利用人工智能控制系統(tǒng)，穩(wěn)定、高效、節(jié)能、人性化、便捷方便。并對(duì)該機(jī)組進(jìn)行了環(huán)境溫度從低溫（-30℃）到高溫（53℃）及高水溫（93℃以上）段的一系列嚴(yán)酷的測(cè)試，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)均處于國(guó)際一流水平。

中國(guó)現(xiàn)已有3家壓縮機(jī)生產(chǎn)企業(yè)正在進(jìn)行CO2跨臨界循環(huán)熱泵系統(tǒng)專(zhuān)用壓縮機(jī)的開(kāi)發(fā)工作。上海日立、西安慶安和廣東美芝目前均具備向用戶(hù)提供樣機(jī)的能力，可喜的是這幾家企業(yè)都是立足于自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)，并掌握了相關(guān)核心技術(shù)。

2012年9月26日，科技部高新司在廣東順德組織召開(kāi)了由廣東省科技廳組織實(shí)施的“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“CO2熱泵關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化”驗(yàn)收會(huì)。項(xiàng)目于2009年批復(fù)立項(xiàng)。3年多來(lái)，項(xiàng)目牽頭單位美的集團(tuán)有限公司會(huì)同廣東萬(wàn)和新電氣股份有限公司、廣東美芝制冷設(shè)備有限公司等國(guó)內(nèi)知名家電企業(yè)以及西安交通大學(xué)、廣東華南家電研究院等單位聯(lián)合攻關(guān)，研究并掌握了CO2熱泵一系列關(guān)鍵技術(shù)，成功研制出滿(mǎn)足熱泵熱水器整機(jī)應(yīng)用要求的CO2旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)及專(zhuān)用換熱器，開(kāi)發(fā)了適應(yīng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)環(huán)境的CO2熱泵熱水器及商用制冷系統(tǒng)，并形成每年10萬(wàn)臺(tái)CO2熱泵熱水器的生產(chǎn)能力。項(xiàng)目的實(shí)施為CO2熱泵在全國(guó)范圍內(nèi)的推廣應(yīng)用奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)于促進(jìn)廣東乃至全國(guó)白色家電行業(yè)的技術(shù)升級(jí)具有重要意義。

目前，由昆明東啟科技股份有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)的CO2熱泵“生態(tài)新星”系列產(chǎn)品是國(guó)內(nèi)首家通過(guò)合肥通用機(jī)電檢測(cè)院檢測(cè)的CO2熱泵產(chǎn)品，且產(chǎn)品性能與國(guó)際水平同步，自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)專(zhuān)利技術(shù)達(dá)11項(xiàng)。而類(lèi)似于昆明東啟科技這樣具備生產(chǎn)CO2熱泵機(jī)組的大型公司國(guó)內(nèi)已有數(shù)家。

4、CO?熱泵機(jī)組的問(wèn)題與對(duì)策

CO2作為制冷劑的主要缺點(diǎn)是其具有較低的臨界溫度（31.1℃）和較高的臨界壓力（7.37MPa）。特別是后者，若采用跨臨界循環(huán)，CO2制冷系統(tǒng)的工作壓力最高可達(dá)10 MPa，這對(duì)系統(tǒng)的材料強(qiáng)度、密封和管道連接等方面的要求更苛刻，無(wú)疑，其生產(chǎn)成本也是其他空氣源熱泵機(jī)組的好幾倍。CO2熱泵系統(tǒng)能否安全可靠的運(yùn)行，與其基本材料的選擇，以及零件、儀表等承壓能力是否足夠強(qiáng)等也都有著莫大的關(guān)聯(lián)。一般的配件和材料承受不了CO2熱泵的壓力要求，而因?yàn)樵趪?guó)內(nèi)沒(méi)有市場(chǎng)需求，CO2熱泵需要的一些材料和配件，國(guó)內(nèi)廠家?guī)缀鯖](méi)有生產(chǎn)，致使相關(guān)零部件的研發(fā)比較滯后。可見(jiàn)，CO2熱泵壓縮機(jī)和零部件的問(wèn)題還需全方面的研發(fā)跟進(jìn)。

CO2熱泵機(jī)組所面臨的問(wèn)題主要在于繼續(xù)提高效率和不斷降低成本。技術(shù)進(jìn)步與工業(yè)化批量生產(chǎn)是降低成本的主要?jiǎng)恿Γ实奶岣邉t只能依賴(lài)于技術(shù)的進(jìn)步。

目前來(lái)說(shuō)，CO2熱泵機(jī)組提高效率的主要途徑有以下幾條：

1）新型高效CO2壓縮機(jī)的開(kāi)發(fā)與改進(jìn)。例如，以日本三洋公司開(kāi)發(fā)的雙級(jí)滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)為代表的雙級(jí)壓縮機(jī)使結(jié)構(gòu)更緊湊，系統(tǒng)布置更靈活，而且雙級(jí)壓縮會(huì)減小壓差，減小泄露和機(jī)械損失，能夠顯著地提高系統(tǒng)效率和壓縮機(jī)的效率，將是未來(lái)壓縮機(jī)發(fā)展的一個(gè)方向。

2）膨脹壓縮機(jī)的研制。在CO2跨臨界循環(huán)中，降低膨脹部分的損失，是解決效率的有效途徑。利用膨脹機(jī)的輸出功率驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)完成壓縮過(guò)程，使膨脹機(jī)與壓縮機(jī)組成一體而形成膨脹壓縮機(jī)，這種膨脹壓縮機(jī)將成為CO2循環(huán)中特有的組成部分。

3）高效CO2跨臨界循環(huán)換熱器的研制。例如日本三洋公司開(kāi)發(fā)的防止重結(jié)冰的新型換熱器。

4）合理利用低品味能源或可再生能源并探討熱水供應(yīng)與其它供熱方式的耦合問(wèn)題。玉溪警官學(xué)校利用了CO2熱泵和太能能的結(jié)合應(yīng)用，極大地降低了運(yùn)營(yíng)成本，每噸熱水加熱費(fèi)僅約3元。

5）CO2熱泵機(jī)組先進(jìn)控制方式的研究。

結(jié) 語(yǔ)

二氧化碳熱泵機(jī)組，具有供暖、制冷、提供生活熱水三種功能。熱泵系統(tǒng)能夠在北方地區(qū)-25℃的低溫下運(yùn)行，給不同環(huán)境下的單體建筑提供供暖、制冷和生活熱水的方便，且機(jī)組設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，不需要專(zhuān)用機(jī)房，不需要專(zhuān)人值守。無(wú)論從節(jié)能、環(huán)保和能源利用效率等都是建筑采暖方式的最優(yōu)擇。

二氧化碳這一天然的制冷工質(zhì)，以它多重節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)啟了綠色低碳技術(shù)的大門(mén)。開(kāi)發(fā)適于CO2熱泵機(jī)組的高效壓縮機(jī)和耐用高壓的高效換熱器以及完善的控制策略將是以后CO2熱泵機(jī)組研究的重點(diǎn)。相信隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，CO2熱泵將會(huì)以其特有的優(yōu)勢(shì)成為21世紀(jì)采暖市場(chǎng)上最為耀眼的明星。