,2 ,2

(1 西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院 西安 710049； 2 西安交通大學(xué)建筑節(jié)能研究中心 西安 710049)

隨著生活水平的提高，人們對(duì)人居環(huán)境要求越來越高，環(huán)保問題和節(jié)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(huì)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(huán)境友好、節(jié)能發(fā)展之間尋找最優(yōu)答案成為關(guān)注熱點(diǎn)?？諝庠礋岜米鳛橥ㄟ^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(huán)保、節(jié)能、安全和便捷等特點(diǎn)，越來越受到重視。然而，傳統(tǒng)熱泵使用的制冷劑存在破壞環(huán)境、臭氧層空洞和溫室效應(yīng)的問題，對(duì)人們的生產(chǎn)生活造成巨大的影響。在極端天氣工況下，傳統(tǒng)工質(zhì)熱泵的穩(wěn)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(duì)于工作效率和環(huán)保方面的要求。P. Neks?[2]指出：CO2工質(zhì)是一種少有的天然制冷劑，無毒無可燃性，廉價(jià)且易于獲得，對(duì)自然環(huán)境沒有破壞，在用作制冷劑方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。陳光明等[3]分析歸納了幾種自然工質(zhì)在國(guó)外的研究進(jìn)展，認(rèn)為自然工質(zhì)在工業(yè)、民用制冷設(shè)備中推廣具有較大可行性。李連生[4]對(duì)制冷劑替代進(jìn)程進(jìn)行總結(jié)，認(rèn)為自然工質(zhì)潛力巨大。CO2工質(zhì)ODP為0，GWP為1，且具有良好的熱力學(xué)特性，既能夠保證優(yōu)良的工作特性，又能減小當(dāng)前傳統(tǒng)制冷劑對(duì)環(huán)境的破壞，被公認(rèn)為是一種很有前途的替代工質(zhì)。

隨著《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十三五”節(jié)能減排綜合工作的通知(國(guó)發(fā)[2016]74號(hào))》、《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》等文件的發(fā)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(nèi)的20多個(gè)省份和直轄市均發(fā)布文件進(jìn)行治污降霾，保衛(wèi)藍(lán)天。以自然工質(zhì)CO2作為制冷劑的CO2空氣源熱泵，在保證系統(tǒng)較高COP的同時(shí)具有優(yōu)良的環(huán)保特性，能夠有效控制臭氧層的破壞，減少溫室氣體的產(chǎn)生，抑制煤的燃燒，降低霧霾天氣的發(fā)生率并減少PM2.5濃度，同時(shí)將節(jié)能與環(huán)保相結(jié)合，系統(tǒng)跨臨界循環(huán)產(chǎn)生熱水的高效運(yùn)行，有效節(jié)省用戶采暖能耗，是我國(guó)北方采暖問題得以解決的重要方案。因此在我國(guó)具有廣闊的市場(chǎng)和潛力。

1 CO2熱泵系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，正在研究的CO2熱泵熱水系統(tǒng)基本采用跨臨界循環(huán)系統(tǒng)。即被壓縮的制冷劑氣體放熱過程不發(fā)生相變，在超臨界區(qū)只通過顯熱交換進(jìn)行換熱。全世界多個(gè)國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)均對(duì)CO2熱泵進(jìn)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(huán)進(jìn)行制冷和供熱的國(guó)家，其理念與技術(shù)處于世界先進(jìn)水平。挪威SINTEF研究所的J. Petterson等[5-6]率先研究了CO2熱泵技術(shù)，通過理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，研究了汽車用CO2空調(diào)，驗(yàn)證了CO2作為制冷劑在汽車空調(diào)中的優(yōu)良性。P. Neks? 等[7]通過比較論證得出：CO2熱泵跨臨界循環(huán)相對(duì)于傳統(tǒng)熱泵供熱系數(shù)高，結(jié)構(gòu)緊湊，熱水溫度高，具有相當(dāng)大的發(fā)展?jié)摿?。目前CO2熱泵熱水器的系統(tǒng)形式主要有：?jiǎn)渭?jí)蒸氣壓縮系統(tǒng)，雙級(jí)壓縮中間補(bǔ)氣系統(tǒng)，噴射器回收膨脹功系統(tǒng)。CO2熱泵系統(tǒng)原理如圖1所示。

日本是世界上CO2熱泵熱水器發(fā)展最快、技術(shù)領(lǐng)先的國(guó)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(tǒng)，建立熱泵熱水器樣機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)CO2熱泵熱水器供應(yīng)熱水時(shí)，性能高于傳統(tǒng)工質(zhì)熱泵。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，日本熱泵產(chǎn)品已經(jīng)統(tǒng)一使用Eco Cute商標(biāo)名，目前已有松下、大金、三菱、東芝、三洋、電裝等數(shù)十家公司生產(chǎn)不同規(guī)格型號(hào)的產(chǎn)品，在2007年日本本土家用CO2熱泵熱水器的保有量已超過數(shù)百萬臺(tái)[9]，并且已經(jīng)推向歐洲市場(chǎng)。

挪威、丹麥、美國(guó)和德國(guó)等國(guó)家對(duì)CO2熱泵系統(tǒng)均進(jìn)行了較多研究，取得多項(xiàng)成果，并已應(yīng)用在商用和軍用領(lǐng)域。丹麥的丹佛斯公司針對(duì)CO2部件強(qiáng)度要求提出解決方案，可提供CO2熱泵的部件和零件。美國(guó)Purdue大學(xué)對(duì)CO2專用壓縮機(jī)進(jìn)行了深入的研究，并成功舉辦多次壓縮機(jī)大會(huì)。Maryland大學(xué)和Illinois大學(xué)也對(duì)CO2熱泵進(jìn)行了深入的研究，尤其是在汽車空調(diào)方面成績(jī)顯著。德國(guó)Thermea公司產(chǎn)品部分可以冷熱二聯(lián)供，用于供熱時(shí)額定COP高達(dá)5.5，英國(guó)ICS公司與意大利DeLonghi公司共同生產(chǎn)的商用產(chǎn)品出水溫度超過90 ℃。此外，歐洲市場(chǎng)還有CO2汽車空調(diào)，家用冰箱、商用冷藏冷凍設(shè)備等。制冷、制熱用CO2熱泵技術(shù)正在蓬勃發(fā)展。

1壓縮機(jī)；2油分離器；3氣體冷卻器；4回?zé)崞鳎?干燥過濾器；6電子膨脹閥；7蒸發(fā)器；8氣液分離器；9融霜電磁閥；10風(fēng)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(cè)點(diǎn)；P壓力測(cè)點(diǎn)。圖1 CO2熱泵系統(tǒng)原理Fig.1 The principle of CO2 heat pump system

我國(guó)的CO2熱泵熱水器尚處于研發(fā)階段，起步較晚，但目前已經(jīng)有越來越多的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)對(duì)CO2熱泵進(jìn)行研究與實(shí)驗(yàn)。天津大學(xué)王景剛等[10]建立了熱泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)在熱泵中的應(yīng)用和各關(guān)鍵部件進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。并對(duì)單級(jí)跨臨界CO2帶膨脹機(jī)循環(huán)與4種雙級(jí)循環(huán)進(jìn)行對(duì)比分析。西安交通大學(xué)徐洪濤等[11]對(duì)CO2熱泵循環(huán)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，致力于專用壓縮機(jī)的研發(fā)。鄧建強(qiáng)等[12]針對(duì)跨臨界CO2引射系統(tǒng)進(jìn)行研究，探究噴射器特性、系統(tǒng)控制特性以及系統(tǒng)性能等。胡斌等[13]對(duì)跨臨界循環(huán)最優(yōu)排氣壓力進(jìn)行極值搜索控制。中南大學(xué)廖勝明[14]進(jìn)行了CO2跨臨界循環(huán)的理論分析和循環(huán)參數(shù)優(yōu)化，提出了最佳換熱-壓力關(guān)聯(lián)式。上海交通大學(xué)葉菁菁等[15]研究了CO2熱泵用于汽車空調(diào)，并將CO2熱泵與地源熱泵系統(tǒng)耦合，改善其運(yùn)行環(huán)境，降低運(yùn)行費(fèi)用。清華大學(xué)張宇等[16]對(duì)CO2熱泵水平管換熱進(jìn)行了研究，并與企業(yè)合作對(duì)微通道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究與模擬。另外，大連交通大學(xué)、中原工學(xué)院[17]等高校和單位也對(duì)CO2熱泵系統(tǒng)展開了研究。CO2熱泵系統(tǒng)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)熱泵空調(diào)界的一個(gè)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域?？芎陜S等[18]設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于寒冷地區(qū)的大功率CO2熱泵供熱大溫差小流量集中熱水供暖系統(tǒng)，實(shí)際數(shù)據(jù)表明系統(tǒng)運(yùn)行高效、穩(wěn)定，具有良好的節(jié)能與經(jīng)濟(jì)效益。

2 CO2熱泵各部件發(fā)展現(xiàn)狀

盡管CO2熱泵技術(shù)與傳統(tǒng)熱泵相比有較大的優(yōu)勢(shì)，但是每個(gè)新產(chǎn)品問世的時(shí)候均存在諸多問題，CO2熱泵存在的問題主要有：1)系統(tǒng)壓力高。系統(tǒng)運(yùn)行壓力較高，潤(rùn)滑效果不佳，壓縮機(jī)和各部件容易老化，碳化甚至被燒壞。2)控制調(diào)節(jié)較難。只有優(yōu)良的控制策略才能充分體現(xiàn)節(jié)能性，否則僅僅是理論上的節(jié)能。3)系統(tǒng)效率較低。CO2節(jié)流裝置前后壓差甚至能夠達(dá)到9～10 MPa，故此系統(tǒng)壓比小，壓差大，具有較大的節(jié)流損失。4)結(jié)霜結(jié)垢問題。CO2系統(tǒng)適用于低溫地區(qū)，導(dǎo)致蒸發(fā)器側(cè)容易結(jié)霜；氣冷器加熱熱水的過程中熱水溫度十分適于結(jié)垢；而結(jié)霜結(jié)垢問題很大程度影響系統(tǒng)效率，甚至破壞換熱器。5)熱源局限性問題。常見CO2熱泵低溫?zé)嵩礊榭諝?，即常見的空氣源熱泵，其弊端在于?fù)荷越大時(shí)正是天氣惡劣時(shí)，極大影響了熱泵運(yùn)行效率。6)其他問題。如CO2熱泵系統(tǒng)(配水箱)體積較大，占地大、不美觀。

針對(duì)這些問題，改進(jìn)CO2熱泵系統(tǒng)性能可分為3個(gè)方面：1)改進(jìn)系統(tǒng)，利用補(bǔ)氣增焓技術(shù)，中間冷卻技術(shù)，多級(jí)壓縮技術(shù)等措施改進(jìn)系統(tǒng)，提高系統(tǒng)性能。2)優(yōu)化部件，對(duì)各部件的材料，結(jié)構(gòu)，形狀，大小，布置等進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，消除或減小短板因素。3)增強(qiáng)控制。硬件達(dá)到一定程度時(shí)，軟件則成為提高性能的重要保證。改進(jìn)控制技術(shù)，提高控制精度，真正實(shí)現(xiàn)理想化運(yùn)行。

2.1 CO2熱泵專用壓縮機(jī)

圖2 氣體冷卻器發(fā)展趨勢(shì)Fig.2 Development trend of gas cooler

CO2熱泵中最核心的部件為壓縮機(jī)，其優(yōu)劣直接決定整個(gè)系統(tǒng)能否高效運(yùn)行。因CO2的比體積小，吸氣量大，壓縮機(jī)尺寸可大大減小。但是工作壓力高對(duì)壓縮機(jī)在零部件強(qiáng)度和密封性能上的要求較高，所以CO2壓縮機(jī)技術(shù)在很大程度上影響了商用熱泵熱水器發(fā)展。CO2熱泵壓縮機(jī)根據(jù)不同形式主要分為活塞式壓縮機(jī)、渦旋式壓縮機(jī)，螺桿式壓縮機(jī)和滑片式壓縮機(jī)等類型[19]。由于活塞式壓縮機(jī)耐高壓、壓比小、泄漏量小，所以早期人們均采用簡(jiǎn)單的活塞式壓縮機(jī)。為了減小壓縮機(jī)余隙，提高壓縮機(jī)工作效率，日本SANYO設(shè)計(jì)開發(fā)了兩級(jí)滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)，采用兩級(jí)壓縮，使軸上2個(gè)滾動(dòng)活塞呈180°分布，平衡性能好，噪聲小，因一級(jí)中間壓力可達(dá)5 MPa，減少因壓力高導(dǎo)致的機(jī)器變形和氣體泄漏，可在-20 ℃工況使用，系統(tǒng)運(yùn)行更加平穩(wěn)高效；DARKIN設(shè)計(jì)開發(fā)了擺動(dòng)活塞式壓縮機(jī)，增加了旋轉(zhuǎn)襯套，噪音控制在38 dB以下，提高了壓縮機(jī)絕熱效率，降低壓縮機(jī)應(yīng)力強(qiáng)度[20]。與常規(guī)熱泵壓縮機(jī)的發(fā)展和改進(jìn)相似，渦旋式壓縮機(jī)和螺桿式壓縮機(jī)大大提高了壓縮機(jī)的容積效率和穩(wěn)定性。目前除了以上企業(yè)，日本松下、東芝、日立和電裝、BOCK、DANFOSS、DORINE、EMB RACO、ACC等公司以及中國(guó)的上海日立，西安慶安和廣東美芝均能夠依靠自主設(shè)計(jì)開發(fā)CO2專用壓縮機(jī)，并且正在研究以改良現(xiàn)有技術(shù)[21]。H. Nakao等[22]改進(jìn)了傳統(tǒng)的R410壓縮機(jī)，利用DLC-Si技術(shù)改進(jìn)了單級(jí)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)，有效減小了葉片磨損。但由于壓縮機(jī)排氣壓力和吸氣壓力之差是傳統(tǒng)壓縮機(jī)壓力差的數(shù)倍，導(dǎo)致了更加嚴(yán)重的壓縮機(jī)的氣體泄漏和機(jī)械損耗。兩級(jí)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(jí)壓縮機(jī)中反向布置的活塞有效減小壓縮機(jī)振動(dòng)，減少噪聲，此外，中間壓力的設(shè)計(jì)使壓縮機(jī)壁厚減小35%，減小了系統(tǒng)自重。韓毅等[23]研究發(fā)現(xiàn)大功率CO2壓縮機(jī)與同類產(chǎn)品相比運(yùn)行效率約高11.5%。當(dāng)系統(tǒng)利用膨脹機(jī)代替膨脹閥時(shí)，采用膨脹-壓縮一體機(jī)能夠有效回收一部分膨脹功，增大系統(tǒng)COP。西門子公司生產(chǎn)的CO2STC-GV整體齒輪式壓縮機(jī)，可達(dá)6個(gè)壓縮級(jí)，其設(shè)計(jì)CO2流量約為141 000 m3/h，是其原有設(shè)備的近兩倍。

目前的主要改良方向：1)設(shè)計(jì)開發(fā)高承壓強(qiáng)度的高效壓縮機(jī)形式，減小容隙。2)改進(jìn)能量調(diào)節(jié)方式，針對(duì)不同形式的壓縮機(jī)，依靠類似于變頻技術(shù)，不同的能量調(diào)節(jié)方式，實(shí)現(xiàn)根據(jù)負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)。3)提高CO2熱泵可靠性，降低運(yùn)動(dòng)部件磨損。4)降低壓縮機(jī)運(yùn)行噪音。5)開發(fā)雙級(jí)壓縮機(jī)或壓縮-膨脹一體機(jī)，回收膨脹功，增大效率。

2.2 換熱器的研究

CO2熱泵系統(tǒng)中，換熱器主要有3部分：氣體冷卻器、蒸發(fā)器和回?zé)崞鳌?/p>

相對(duì)于傳統(tǒng)熱泵而言，氣體冷卻器相當(dāng)于冷凝器，特點(diǎn)是壓縮機(jī)排出的制冷劑氣體不發(fā)生相變，利用顯熱完成換熱過程。由于跨臨界循環(huán)過程中，高溫高壓的CO2氣體在超臨界區(qū)比容大、流量小、壓力高、溫度滑移大，導(dǎo)致所需的氣體冷卻器耐壓強(qiáng)度高、管徑小、換熱強(qiáng)等特點(diǎn)。楊亮等[24]分析了超臨界CO2流動(dòng)與換熱特性并得到相應(yīng)計(jì)算關(guān)聯(lián)式。伊利諾伊大學(xué)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(zhǔn)確地估計(jì)近臨界點(diǎn)附近熱力學(xué)及流動(dòng)特性的變化，并認(rèn)為三通氣冷器是單層板式換熱器中效果最佳的，同時(shí)，使用多層板式換熱器能夠進(jìn)一步提高換熱性能。這是因?yàn)樵诔R界區(qū)域內(nèi)換熱時(shí)，靠近臨界點(diǎn)的位置傳熱系數(shù)驟然提高，能夠快速將工質(zhì)中的熱量提取出來，對(duì)于提高平均傳熱效率有顯著意義。

當(dāng)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(fā)展歷程經(jīng)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(duì)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(jià)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(jìn)一步減小換熱器體積，增大換熱能力。從氣冷器趨勢(shì)來看，制冷劑與水換熱正在由對(duì)流為主導(dǎo)向以導(dǎo)熱為主導(dǎo)發(fā)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(diǎn)，充分發(fā)揮流動(dòng)優(yōu)勢(shì)，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(cè)的擾動(dòng)，破壞邊界層，提高傳熱系數(shù)，進(jìn)一步減小傳熱面積，另外制冷劑經(jīng)過分液能夠減小其在換熱器內(nèi)壓降，對(duì)于CO2熱泵氣冷器是一個(gè)巨大的進(jìn)步。日本大金公司采用外繞式氣冷器，在近臨界點(diǎn)處，CO2熱容突然劇烈增長(zhǎng)，導(dǎo)致傳熱效率急劇升高，而將CO2管路繞在水管外進(jìn)行換熱，并通過纏繞的密度控制換熱的強(qiáng)度，能夠迅速提取近臨界區(qū)內(nèi)的熱量，缺點(diǎn)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(zhì)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(qū)域內(nèi)的CO2特點(diǎn)，利用微通道式換熱器容易出現(xiàn)分液(分氣)不均的現(xiàn)象，缺乏良好的流路設(shè)計(jì)，影響換熱。同時(shí)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(jià)格的原因暫時(shí)制約了其應(yīng)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(yīng)對(duì)國(guó)家2級(jí)能效要求的很好的技術(shù)解決方案。隨著進(jìn)一步的研究和改進(jìn)，微通道式換熱器將會(huì)成為氣冷器甚至蒸發(fā)器的一種優(yōu)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(nèi)容易產(chǎn)生水垢，并由于流道面積的減小較難清除，實(shí)際設(shè)計(jì)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(fā)器的形式較簡(jiǎn)單，由于蒸發(fā)器側(cè)制冷劑壓力和溫度較常規(guī)熱泵機(jī)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(shù)成熟，傳熱效率較高，除霜方便且應(yīng)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(duì)汽車空調(diào)提出，現(xiàn)在有拓展到住宅用空調(diào)和熱泵的趨勢(shì)。與氣冷器用微通道式換熱器類似，由于工質(zhì)為液體，分液不均的問題更為嚴(yán)重，這是制約微通道式換熱器發(fā)展的主要因素。由于蒸發(fā)器側(cè)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(shè)備更加緊湊。因此，目前微通道式換熱器成為CO2熱泵蒸發(fā)器換熱器形式的研究重點(diǎn)。

回?zé)崞鬏^為單一，很多企業(yè)回?zé)崞餍问脚c氣冷器形式相同，僅將氣氣換熱變?yōu)闅庖簱Q熱。目前最常見的形式是套管式和接觸式，由于結(jié)構(gòu)單一不再贅述。

由于系統(tǒng)壓強(qiáng)整體較高，對(duì)換熱器等設(shè)備的承壓能力均有較高要求，但工質(zhì)自身密度大、黏度低，其換熱管道及連接管道均較細(xì)，因此承壓能力較容易解決，管道密封及接口的焊接質(zhì)量要求相對(duì)更高。

2.3 節(jié)流裝置的研究

對(duì)于節(jié)流裝置，CO2高壓側(cè)壓力能達(dá)到9～14 MPa，低壓側(cè)一般為3～4 MPa，因此，膨脹閥必須能夠承受15 MPa以上的壓強(qiáng)，目前很多廠家不能提供。節(jié)流裝置兩側(cè)壓差達(dá)6～10 MPa，過熱損失和節(jié)流損失均較大，盡管用回?zé)嵫h(huán)并調(diào)節(jié)最佳壓縮比可有一定改善，但問題仍較大。學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)解決此問題的方法主要有兩方面：

1)通過改變節(jié)流裝置，回收膨脹功。針對(duì)CO2跨臨界循環(huán)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(jī)代替節(jié)流閥。天津大學(xué)管海清[31]通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)采用膨脹機(jī)對(duì)CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)的COP有明顯提高作用。一般工況下，可提高20%～40%。但膨脹機(jī)加工制造困難，成本高，不適用于小型系統(tǒng)，而采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、無運(yùn)動(dòng)部件、對(duì)兩相流工況適應(yīng)性好的噴射器回收部分節(jié)流膨脹過程損失的功，構(gòu)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(huán)中采用噴射器代替節(jié)流閥來回收膨脹功，通過建立計(jì)算模型，得出系統(tǒng)COP較常規(guī)的節(jié)流閥系統(tǒng)提高6%～14%。J. Sarkar[33]通過應(yīng)用熱力學(xué)循環(huán)模擬獲得了最佳排氣壓力對(duì)蒸發(fā)溫度和氣體冷卻器出口溫度的函數(shù)，并分析得出帶噴射器的跨臨界CO2循環(huán)的火用效率可比傳統(tǒng)的節(jié)流閥系統(tǒng)最多高9%。中國(guó)科學(xué)院、西安交通大學(xué)、浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)、東南大學(xué)等均對(duì)空調(diào)、熱泵系統(tǒng)用噴射器進(jìn)行了研究，包括噴射器特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬及軟件開發(fā)等內(nèi)容。大連理工大學(xué)范昊[34]設(shè)計(jì)了空氣源CO2熱泵熱水器的噴射器，并用數(shù)值模擬的方法對(duì)噴射器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了分析。大連理工大學(xué)李熠橋[35]進(jìn)行了可調(diào)式蒸氣噴射器性能的計(jì)算分析，建立模型并運(yùn)用Fluent模擬實(shí)際運(yùn)行過程中工況改變對(duì)噴射器性能的影響。河北工業(yè)大學(xué)陶金亮[36]實(shí)驗(yàn)研究了變工況蒸氣噴射式熱泵可調(diào)式噴射器?？烧{(diào)式噴射器，即利用步進(jìn)電機(jī)的電脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)噴針向前向后移動(dòng)，從而改變噴嘴喉部面積來調(diào)節(jié)最優(yōu)高壓側(cè)壓力，能夠針對(duì)不同工況進(jìn)行能量調(diào)節(jié)，從而提高系統(tǒng)循環(huán)效率。不同機(jī)構(gòu)研究結(jié)果吻合，可以得出結(jié)論：使用噴射器能夠減小節(jié)流損失，系統(tǒng)COP提高約10%，可有效提高壓縮機(jī)的吸氣溫度，降低壓比，提高壓縮機(jī)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(kuò)壓管。圖3 噴射器外形及結(jié)構(gòu)Fig.3 Shape and structure of ejector

2)通過減小節(jié)流裝置兩側(cè)壓差，從而減小節(jié)流損失。通過設(shè)置回?zé)崞骰蚶眠^冷技術(shù)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(jié)流損失，提高系統(tǒng)性能。此部分內(nèi)容在系統(tǒng)研究中詳細(xì)介紹。

對(duì)于改進(jìn)節(jié)流裝置主要的研究有：1)大型設(shè)備中考慮采用膨脹機(jī)代替膨脹閥，回收膨脹功，減少節(jié)流損失；2)小型或中型設(shè)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(huán)及利用可調(diào)式噴射器進(jìn)行能量調(diào)節(jié)；3)設(shè)置中間換熱器(回?zé)崞?或利用過冷技術(shù)減小節(jié)流裝置入口制冷劑溫度。

2.4 系統(tǒng)的研究

許多學(xué)者對(duì)CO2跨臨界系統(tǒng)進(jìn)行了理論、實(shí)驗(yàn)分析及模擬，通過制冷劑流路的變化及零部件的增設(shè)，利用雙級(jí)壓縮技術(shù)、補(bǔ)氣增焓技術(shù)、回?zé)嵫h(huán)、過冷技術(shù)、與其余高效系統(tǒng)耦合技術(shù)等對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)?；跓崃W(xué)第二定律，對(duì)CO2跨臨界系統(tǒng)建立了火用經(jīng)濟(jì)分析模型，通過實(shí)際的工程數(shù)據(jù)，理論上計(jì)算分析了系統(tǒng)各部件的火用損失和比率[37-38]。對(duì)于低溫環(huán)境下CO2熱泵系統(tǒng)運(yùn)行性能較差的問題，王灃浩等[39]總結(jié)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于改善系統(tǒng)在低溫環(huán)境下適應(yīng)性的研究，分析了空氣源熱泵在低溫環(huán)境下存在的弊端，并根據(jù)最新的研究進(jìn)展提出空氣源熱泵的發(fā)展方向。金磊等[40]提出4種CO2熱泵的改進(jìn)方案，通過計(jì)算和對(duì)比，為CO2熱泵在低溫寒冷地區(qū)的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。許多研究還將CO2跨臨界循環(huán)與其他制冷劑循環(huán)聯(lián)合使用以改善循環(huán)性能。例如將R134a熱泵循環(huán)與CO2跨臨界循環(huán)相結(jié)合用于空間加熱，研究表明，環(huán)境溫度為-20～0 ℃時(shí)，聯(lián)合系統(tǒng)循環(huán)的加熱容量和COP分別增加了32.6%和18.2%[41]。Song Yulong等[42]對(duì)用于空間加熱的聯(lián)合R134a/CO2熱泵系統(tǒng)和級(jí)聯(lián)R134a/CO2系統(tǒng)進(jìn)行了性能比較。發(fā)現(xiàn)聯(lián)合系統(tǒng)在高溫環(huán)境和高進(jìn)出水溫差時(shí)表現(xiàn)較好。并提出了一個(gè)操作條件系數(shù)，該值在大于0.263時(shí)，聯(lián)合系統(tǒng)性能更優(yōu)越。近年來還有很多學(xué)者將新興的技術(shù)運(yùn)用到CO2熱泵系統(tǒng)中，以提高系統(tǒng)性能。華南理工大學(xué)項(xiàng)招鵬[43]將相變蓄熱技術(shù)和復(fù)疊式循環(huán)應(yīng)用于CO2熱泵系統(tǒng)，提高了熱泵熱水器系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。劉劍等[44]提出了一種用于住宅采暖和全年供應(yīng)熱水的太陽(yáng)能輔助CO2熱泵供熱系統(tǒng)，通過示范住宅對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試，并對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析。結(jié)果表明，系統(tǒng)在整個(gè)采暖季的耗電量最小且太陽(yáng)能的保證率達(dá)65.7%。意大利DORIN公司針對(duì)CO2熱泵熱水溫度滑移及優(yōu)良的熱物理性能，研制出大型冷熱聯(lián)供系統(tǒng)。BIZER與DORIN公司均高度重視新一代雙級(jí)壓縮技術(shù)，即平行壓縮技術(shù)，并將其推廣應(yīng)用在實(shí)際工程項(xiàng)目中。

在CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)中增設(shè)回?zé)崞餍纬苫責(zé)嵫h(huán)，不僅保證壓縮機(jī)吸氣過熱度，防止壓縮機(jī)發(fā)生液擊，同時(shí)增大氣體冷卻器制冷劑出口過冷度，降低節(jié)流裝置入口處壓力與溫度，減少節(jié)流損失，增大系統(tǒng)效率。C. Aprea等[45]對(duì)使用回?zé)崞?internal heat exchanger，IHX)改善CO2跨臨界循環(huán)的效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性評(píng)估。結(jié)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(shí)，COP增加高達(dá)10.5%。E. Torrella等[46]實(shí)驗(yàn)研究了使用IHX時(shí)，CO2跨臨界循環(huán)在3種不同蒸發(fā)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(huán)性能。結(jié)果顯示，冷卻量和循環(huán)效率的最大增量達(dá)12%。A. Cavallini等[47]通過理論和實(shí)驗(yàn)研究了具有IHX的兩級(jí)壓縮循環(huán)性能。結(jié)果表明，IHX提高了冷卻能力，降低了最優(yōu)高壓，IHX的使用可以提高循環(huán)COP約10%。利用過冷技術(shù)同樣可以降低氣體冷卻器制冷劑出口處溫度與壓力，達(dá)到降低節(jié)流損失，提高系統(tǒng)效率的目的。目前常用的過冷方式分為3種：1)機(jī)械式過冷，即在傳統(tǒng)循環(huán)中增設(shè)過冷循環(huán)，通過對(duì)制冷劑出口處制冷劑進(jìn)行過冷從而提高系統(tǒng)COP。德國(guó)BIZER等廠家已將其作為提高系統(tǒng)能效的方法進(jìn)行應(yīng)用，得到預(yù)期效果。2)依靠自身冷量過冷。對(duì)冷凝器出口的制冷劑進(jìn)行分流，部分制冷劑節(jié)流后將另一部分過冷。合理分配兩部分制冷劑流量，可達(dá)到系統(tǒng)效率最大值。3)蓄冷式過冷。這是一種相對(duì)成熟的技術(shù)，對(duì)于熱泵供暖，可利用余熱加熱室內(nèi)，或利用余熱除霜達(dá)到對(duì)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(shí)降低節(jié)流損失，對(duì)能量梯級(jí)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(zhì)對(duì)氣體冷卻器出口CO2工質(zhì)進(jìn)行過冷，廣義上可將地下水引申，即采用一切可采用的工質(zhì)對(duì)制冷劑進(jìn)行冷卻，冷卻為超臨界區(qū)域內(nèi)的液體或氣體。

改進(jìn)系統(tǒng)循環(huán)，主要是將CO2循環(huán)回路加以變化或結(jié)合制冷采暖新技術(shù)提高系統(tǒng)效率。例如蒸氣壓縮/噴射系統(tǒng)，補(bǔ)氣增焓，雙級(jí)壓縮，太陽(yáng)能-CO2熱泵耦合采暖系統(tǒng)，CO2熱泵蓄熱除霜系統(tǒng)等。優(yōu)化方案，改良系統(tǒng)，從宏觀角度改變制冷劑循環(huán)方式，從原理角度對(duì)熱泵進(jìn)行優(yōu)化。

3 結(jié)論與展望

國(guó)內(nèi)外學(xué)者越來越關(guān)注對(duì)CO2熱泵系統(tǒng)的改進(jìn)和優(yōu)化。通過提高CO2熱泵各部件的效率或改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)作方式優(yōu)化熱泵系統(tǒng)。優(yōu)化項(xiàng)目涉及各個(gè)部件、各個(gè)方面，使整個(gè)系統(tǒng)盡量利用CO2跨臨界循環(huán)的優(yōu)勢(shì)，提高系統(tǒng)的可靠性和高效性。同時(shí)產(chǎn)生了越來越多的新技術(shù)、新思路對(duì)CO2熱泵系統(tǒng)進(jìn)行改良。如何同時(shí)提高系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性是當(dāng)前CO2熱泵研究領(lǐng)域的重點(diǎn)內(nèi)容。

因此，結(jié)合當(dāng)今國(guó)內(nèi)外CO2熱泵系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和存在的問題，對(duì)CO2熱泵熱水器未來的發(fā)展提出展望：1)開發(fā)新的適于CO2熱泵系統(tǒng)的循環(huán)過程，降低系統(tǒng)對(duì)環(huán)境溫度的依賴性，提升系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。例如采用補(bǔ)氣增焓技術(shù)及多級(jí)壓縮技術(shù)保證其在低溫工況中的效率。2)對(duì)跨臨界循環(huán)系統(tǒng)部件進(jìn)行優(yōu)化，如降低氣冷器出口溫度，采用噴射器或膨脹機(jī)減少節(jié)流損失；改進(jìn)氣冷器與蒸發(fā)器形式，提高換熱效率；開發(fā)新型高效高強(qiáng)度專用壓縮機(jī)，降低壓比，提高壓縮機(jī)效率。3)將新興技術(shù)如相變材料蓄熱技術(shù)及太陽(yáng)能技術(shù)等與CO2熱泵系統(tǒng)結(jié)合，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，使系統(tǒng)性能得到進(jìn)一步提升。4)完善系統(tǒng)的仿真模型，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，開發(fā)高效控制系統(tǒng)，軟硬件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)有效、準(zhǔn)確的模擬系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和性能分析。