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【摘要】分析了CO2空气源热泵机组的工作原理，优越性以及在国内的发展现状，并分析了其面临的问题及发展对策。
【关键词】热泵；单位容积制冷量；跨临界循环
随着节能和绿色环保问题日益成为世界关注的焦点，安全环保的采暖设备和热水器更能迎合市场的需要。CO2空气源热泵机组采用天然工质CO2作为制冷剂，兼具制暖和提供热水的双重功效，消耗电能，将储存在空气中的无法直接利用的低品位能源变成了可以直接利用的高品位能源，因此，是一项极具前途和值得推广的技术。
1、CO2空气源热泵机组原理
空气源，又称空气能，即空气中所蕴含的低品位热能。空气源热泵热水器实质上是利用逆卡诺循环的制冷原理工作原理，它通过从周围环境中获取低品位热能，经过电力做工提升温度后输出到冷凝端，产生可被人们所用的较高品位热能的设备。采用制冷剂的能量传递特点，让制冷剂压缩机的作用下循环工作，不断地在蒸发器中被蒸发而吸收空气（或水）中的热能，同时又不断地在冷凝器中释放热量从而使制冷剂循环工作，最大程度地减少热传递所需的用电量，达到高效节能的目的。
空气源热泵机组也是由蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀四大制冷部分组成，通过让工质不断完成蒸发（吸取环境中的热量）→压缩→冷凝（放出热量）→节流→再蒸发的热力循环过程，从而将环境里的热量转移到水中。工作原理如下图1所示，工作过程如下：在设定的时间内，当储热水箱的水温低于温度控制器设定值时，热泵、风机及循环水泵自动开启，风机将空气吸（吹）响蒸发器，蒸发器内的热媒吸收空气中的热能后，经热泵（压缩机）加压后产生高温，在通过热交换器将热泵释放给水使水温升高 ，热媒降温后经节流阀流回蒸发器，如此反复进行吸热和放热，知道被加热 水的水温达到设定温度时，热泵和风扇停止工作
CO2热泵，又称R744热泵，就是采用CO2作为制冷剂的热泵或空调，普通热泵一般采用氟利昂作为制冷剂，两者的工作原理基本是一样的，都属于蒸汽压缩式，但也稍有不同，CO2热泵属于超临界循环，即在冷凝器端，CO2是不会被冷凝成液体的，而氟利昂冷媒在冷凝器端是被冷凝成液体再节流的。
图1 CO2空气源热泵机组工作原理
2、CO2空气源热泵技术的优越性
为了比较直观得出结论，将 CO2与其他制冷剂做比较，如下表1所示。从表1不难得出 CO2作为制冷工质具有一些以下独特的优势：1）CO2单位容积制冷量是其他制冷剂的数倍，其优良的流动和传热特性，可显著减小压缩机与系统的尺寸，使整个系统非常紧凑；2）CO2冷媒，对臭氧层的破坏几乎无破坏作用，GWP也低；3）高热效率的CO2冷媒配合夜间离峰电费将大大降低操作成本；4）良好的性和化学稳定性，CO2安全无毒，不可燃，适应各种润滑油及常用机械零部件材料，即便在高温下也不分解产生有害气体；5）具有与制冷循环和设备相适应的热力学性质，CO2的蒸发潜热较大； 6）与常规制冷剂相比，CO2跨临界循环的压缩比较小，约为2.5～3.0，可以提高压缩机的运行效率，从而提高系统的性能系数。7）采用CO2还有一个优点就是其排气温度较高，可以得到更高温度的热水，55-90℃范围内可调，用户可以通过机组的控制器自行设定；传统的热泵在冬季时，需加装辅助系统（电热管）或改用锅炉制热水，而CO2热泵机组可以在零下20℃工作，也就是即使在-20℃的严寒环境也可供应90℃热水。
另外， CO2跨临界系统气体冷却器端的温度滑移可以与变温热源较好的匹配，它在热泵热水器方面的应用具有其它供热方式无法比拟的优越性。CO2作为一种天然冷媒工质，凭借其环保、无毒以及优良的跨临界循环等特点，被看作是氟氯碳化物冷媒的最佳替代物。应用了CO2冷媒技术的空气源热水器不仅在节能、环保层面有进一步的提升，同时在噪音、使用地区、出热水量等多个方面有突破性的进展。
3、CO?热泵热泵技术的国内研发现状
目前，世界上掌控着CO2热泵最先进技术的是日本和欧盟。而中国CO2热泵市场还处于起步阶段。
麦克尔公司于2010年与中国科学院广州能源研究所联合研究CO2热泵跨临界循环技术的应用，经过一年多研究于2011年3月推出应用性强的商用机组，所有零部件均自主研发、设计、制造，采用其他国家研究机构均未使用的全新技术方案，在全球范围内导入新的技术理念，使CO2热泵跨临界循环技术的应用及性能方面得到了质的飞跃，植入7大创新点：1）采用即热补水、浸泡式加热，使系统稳定高效；2）多级蓄能技术，杜绝混水，出热水率高；3）利用CO2作为热泵系统的工质，安全、节能、环保；4）利用喷射循环大幅度提高吸气压力，减少节流损失，提升COP值；5）采用废余热回收系统，提升COP值、降低化霜概率和次数；6）采用换热式化霜系统，高效、节能；7）利用人工智能控制系统，稳定、高效、节能、人性化、便捷方便。并对该机组进行了环境温度从低温（-30℃）到高温（53℃）及高水温（93℃以上）段的一系列严酷的测试，各项技术参数均处于国际一流水平。
中国现已有3家压缩机生产企业正在进行CO2跨临界循环热泵系统专用压缩机的开发工作。上海日立、西安庆安和广东美芝目前均具备向用户提供样机的能力，可喜的是这几家企业都是立足于自有知识产权进行研究和开发，并掌握了相关核心技术。
2012年9月26日，科技部高新司在广东顺德组织召开了由广东省科技厅组织实施的“十一五”国家科技支撑计划项目“CO2热泵关键技术及产业化”验收会。项目于2009年批复立项。3年多来，项目牵头单位美的集团有限公司会同广东万和新电气股份有限公司、广东美芝制冷设备有限公司等国内知名家电企业以及西安交通大学、广东华南家电研究院等单位联合攻关，研究并掌握了CO2热泵一系列关键技术，成功研制出满足热泵热水器整机应用要求的CO2旋转式压缩机及专用换热器，开发了适应国内市场环境的CO2热泵热水器及商用制冷系统，并形成每年10万台CO2热泵热水器的生产能力。项目的实施为CO2热泵在全国范围内的推广应用奠定了良好的技术基础，对于促进广东乃至全国白色家电行业的技术升级具有重要意义。 目前，由昆明东启科技股份有限公司自主研发生产的CO2热泵“生态新星”系列产品是国内首家通过合肥通用机电检测院检测的CO2热泵产品，且产品性能与国际水平同步，自主知识产权专利技术达11项。而类似于昆明东启科技这样具备生产CO2热泵机组的大型公司国内已有数家。
4、CO?热泵机组的问题与对策
CO2作为制冷剂的主要缺点是其具有较低的临界温度（31.1℃）和较高的临界压力（7.37MPa）。特别是后者，若采用跨临界循环，CO2制冷系统的工作压力最高可达10 MPa，这对系统的材料强度、密封和管道连接等方面的要求更苛刻，无疑，其生产成本也是其他空气源热泵机组的好几倍。CO2热泵系统能否安全可靠的运行，与其基本材料的选择，以及零件、仪表等承压能力是否足够强等也都有着莫大的关联。一般的配件和材料承受不了CO2热泵的压力要求，而因为在国内没有市场需求，CO2热泵需要的一些材料和配件，国内厂家几乎没有生产，致使相关零部件的研发比较滞后。可见，CO2热泵压缩机和零部件的问题还需全方面的研发跟进。
CO2热泵机组所面临的问题主要在于继续提高效率和不断降低成本。技术进步与工业化批量生产是降低成本的主要动力，而效率的提高则只能依赖于技术的进步。
目前来说，CO2热泵机组提高效率的主要途径有以下几条：
1）新型高效CO2压缩机的开发与改进。例如，以日本三洋公司开发的双级滚动活塞压缩机为代表的双级压缩机使结构更紧凑，系统布置更灵活，而且双级压缩会减小压差，减小泄露和机械损失，能够显著地提高系统效率和压缩机的效率，将是未来压缩机发展的一个方向。
2）膨胀压缩机的研制。在CO2跨临界循环中，降低膨胀部分的损失，是解决效率的有效途径。利用膨胀机的输出功率驱动压缩机完成压缩过程，使膨胀机与压缩机组成一体而形成膨胀压缩机，这种膨胀压缩机将成为CO2循环中特有的组成部分。
3）高效CO2跨临界循环换热器的研制。例如日本三洋公司开发的防止重结冰的新型换热器。
4）合理利用低品味能源或可再生能源并探讨热水供应与其它供热方式的耦合问题。玉溪警官学校利用了CO2热泵和太能能的结合应用，极大地降低了运营成本，每吨热水加热费仅约3元。
5）CO2热泵机组先进控制方式的研究。
结 语
二氧化碳热泵机组，具有供暖、制冷、提供生活热水三种功能。热泵系统能够在北方地区-25℃的低温下运行，给不同环境下的单体建筑提供供暖、制冷和生活热水的方便，且机组设备结构紧凑、体积小，不需要专用机房，不需要专人值守。无论从节能、环保和能源利用效率等都是建筑采暖方式的最优择。
二氧化碳这一天然的制冷工质，以它多重节能环保的优势，开启了绿色低碳技术的大门。开发适于CO2热泵机组的高效压缩机和耐用高压的高效换热器以及完善的控制策略将是以后CO2热泵机组研究的重点。相信随着技术的不断进步，CO2热泵将会以其特有的优势成为21世纪采暖市场上最为耀眼的明星。
【关键词】热泵；单位容积制冷量；跨临界循环
随着节能和绿色环保问题日益成为世界关注的焦点，安全环保的采暖设备和热水器更能迎合市场的需要。CO2空气源热泵机组采用天然工质CO2作为制冷剂，兼具制暖和提供热水的双重功效，消耗电能，将储存在空气中的无法直接利用的低品位能源变成了可以直接利用的高品位能源，因此，是一项极具前途和值得推广的技术。
1、CO2空气源热泵机组原理
空气源，又称空气能，即空气中所蕴含的低品位热能。空气源热泵热水器实质上是利用逆卡诺循环的制冷原理工作原理，它通过从周围环境中获取低品位热能，经过电力做工提升温度后输出到冷凝端，产生可被人们所用的较高品位热能的设备。采用制冷剂的能量传递特点，让制冷剂压缩机的作用下循环工作，不断地在蒸发器中被蒸发而吸收空气（或水）中的热能，同时又不断地在冷凝器中释放热量从而使制冷剂循环工作，最大程度地减少热传递所需的用电量，达到高效节能的目的。
空气源热泵机组也是由蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀四大制冷部分组成，通过让工质不断完成蒸发（吸取环境中的热量）→压缩→冷凝（放出热量）→节流→再蒸发的热力循环过程，从而将环境里的热量转移到水中。工作原理如下图1所示，工作过程如下：在设定的时间内，当储热水箱的水温低于温度控制器设定值时，热泵、风机及循环水泵自动开启，风机将空气吸（吹）响蒸发器，蒸发器内的热媒吸收空气中的热能后，经热泵（压缩机）加压后产生高温，在通过热交换器将热泵释放给水使水温升高 ，热媒降温后经节流阀流回蒸发器，如此反复进行吸热和放热，知道被加热 水的水温达到设定温度时，热泵和风扇停止工作
CO2热泵，又称R744热泵，就是采用CO2作为制冷剂的热泵或空调，普通热泵一般采用氟利昂作为制冷剂，两者的工作原理基本是一样的，都属于蒸汽压缩式，但也稍有不同，CO2热泵属于超临界循环，即在冷凝器端，CO2是不会被冷凝成液体的，而氟利昂冷媒在冷凝器端是被冷凝成液体再节流的。
图1 CO2空气源热泵机组工作原理
2、CO2空气源热泵技术的优越性
为了比较直观得出结论，将 CO2与其他制冷剂做比较，如下表1所示。从表1不难得出 CO2作为制冷工质具有一些以下独特的优势：1）CO2单位容积制冷量是其他制冷剂的数倍，其优良的流动和传热特性，可显著减小压缩机与系统的尺寸，使整个系统非常紧凑；2）CO2冷媒，对臭氧层的破坏几乎无破坏作用，GWP也低；3）高热效率的CO2冷媒配合夜间离峰电费将大大降低操作成本；4）良好的性和化学稳定性，CO2安全无毒，不可燃，适应各种润滑油及常用机械零部件材料，即便在高温下也不分解产生有害气体；5）具有与制冷循环和设备相适应的热力学性质，CO2的蒸发潜热较大； 6）与常规制冷剂相比，CO2跨临界循环的压缩比较小，约为2.5～3.0，可以提高压缩机的运行效率，从而提高系统的性能系数。7）采用CO2还有一个优点就是其排气温度较高，可以得到更高温度的热水，55-90℃范围内可调，用户可以通过机组的控制器自行设定；传统的热泵在冬季时，需加装辅助系统（电热管）或改用锅炉制热水，而CO2热泵机组可以在零下20℃工作，也就是即使在-20℃的严寒环境也可供应90℃热水。
另外， CO2跨临界系统气体冷却器端的温度滑移可以与变温热源较好的匹配，它在热泵热水器方面的应用具有其它供热方式无法比拟的优越性。CO2作为一种天然冷媒工质，凭借其环保、无毒以及优良的跨临界循环等特点，被看作是氟氯碳化物冷媒的最佳替代物。应用了CO2冷媒技术的空气源热水器不仅在节能、环保层面有进一步的提升，同时在噪音、使用地区、出热水量等多个方面有突破性的进展。
3、CO?热泵热泵技术的国内研发现状
目前，世界上掌控着CO2热泵最先进技术的是日本和欧盟。而中国CO2热泵市场还处于起步阶段。
麦克尔公司于2010年与中国科学院广州能源研究所联合研究CO2热泵跨临界循环技术的应用，经过一年多研究于2011年3月推出应用性强的商用机组，所有零部件均自主研发、设计、制造，采用其他国家研究机构均未使用的全新技术方案，在全球范围内导入新的技术理念，使CO2热泵跨临界循环技术的应用及性能方面得到了质的飞跃，植入7大创新点：1）采用即热补水、浸泡式加热，使系统稳定高效；2）多级蓄能技术，杜绝混水，出热水率高；3）利用CO2作为热泵系统的工质，安全、节能、环保；4）利用喷射循环大幅度提高吸气压力，减少节流损失，提升COP值；5）采用废余热回收系统，提升COP值、降低化霜概率和次数；6）采用换热式化霜系统，高效、节能；7）利用人工智能控制系统，稳定、高效、节能、人性化、便捷方便。并对该机组进行了环境温度从低温（-30℃）到高温（53℃）及高水温（93℃以上）段的一系列严酷的测试，各项技术参数均处于国际一流水平。
中国现已有3家压缩机生产企业正在进行CO2跨临界循环热泵系统专用压缩机的开发工作。上海日立、西安庆安和广东美芝目前均具备向用户提供样机的能力，可喜的是这几家企业都是立足于自有知识产权进行研究和开发，并掌握了相关核心技术。
2012年9月26日，科技部高新司在广东顺德组织召开了由广东省科技厅组织实施的“十一五”国家科技支撑计划项目“CO2热泵关键技术及产业化”验收会。项目于2009年批复立项。3年多来，项目牵头单位美的集团有限公司会同广东万和新电气股份有限公司、广东美芝制冷设备有限公司等国内知名家电企业以及西安交通大学、广东华南家电研究院等单位联合攻关，研究并掌握了CO2热泵一系列关键技术，成功研制出满足热泵热水器整机应用要求的CO2旋转式压缩机及专用换热器，开发了适应国内市场环境的CO2热泵热水器及商用制冷系统，并形成每年10万台CO2热泵热水器的生产能力。项目的实施为CO2热泵在全国范围内的推广应用奠定了良好的技术基础，对于促进广东乃至全国白色家电行业的技术升级具有重要意义。 目前，由昆明东启科技股份有限公司自主研发生产的CO2热泵“生态新星”系列产品是国内首家通过合肥通用机电检测院检测的CO2热泵产品，且产品性能与国际水平同步，自主知识产权专利技术达11项。而类似于昆明东启科技这样具备生产CO2热泵机组的大型公司国内已有数家。
4、CO?热泵机组的问题与对策
CO2作为制冷剂的主要缺点是其具有较低的临界温度（31.1℃）和较高的临界压力（7.37MPa）。特别是后者，若采用跨临界循环，CO2制冷系统的工作压力最高可达10 MPa，这对系统的材料强度、密封和管道连接等方面的要求更苛刻，无疑，其生产成本也是其他空气源热泵机组的好几倍。CO2热泵系统能否安全可靠的运行，与其基本材料的选择，以及零件、仪表等承压能力是否足够强等也都有着莫大的关联。一般的配件和材料承受不了CO2热泵的压力要求，而因为在国内没有市场需求，CO2热泵需要的一些材料和配件，国内厂家几乎没有生产，致使相关零部件的研发比较滞后。可见，CO2热泵压缩机和零部件的问题还需全方面的研发跟进。
CO2热泵机组所面临的问题主要在于继续提高效率和不断降低成本。技术进步与工业化批量生产是降低成本的主要动力，而效率的提高则只能依赖于技术的进步。
目前来说，CO2热泵机组提高效率的主要途径有以下几条：
1）新型高效CO2压缩机的开发与改进。例如，以日本三洋公司开发的双级滚动活塞压缩机为代表的双级压缩机使结构更紧凑，系统布置更灵活，而且双级压缩会减小压差，减小泄露和机械损失，能够显著地提高系统效率和压缩机的效率，将是未来压缩机发展的一个方向。
2）膨胀压缩机的研制。在CO2跨临界循环中，降低膨胀部分的损失，是解决效率的有效途径。利用膨胀机的输出功率驱动压缩机完成压缩过程，使膨胀机与压缩机组成一体而形成膨胀压缩机，这种膨胀压缩机将成为CO2循环中特有的组成部分。
3）高效CO2跨临界循环换热器的研制。例如日本三洋公司开发的防止重结冰的新型换热器。
4）合理利用低品味能源或可再生能源并探讨热水供应与其它供热方式的耦合问题。玉溪警官学校利用了CO2热泵和太能能的结合应用，极大地降低了运营成本，每吨热水加热费仅约3元。
5）CO2热泵机组先进控制方式的研究。
结 语
二氧化碳热泵机组，具有供暖、制冷、提供生活热水三种功能。热泵系统能够在北方地区-25℃的低温下运行，给不同环境下的单体建筑提供供暖、制冷和生活热水的方便，且机组设备结构紧凑、体积小，不需要专用机房，不需要专人值守。无论从节能、环保和能源利用效率等都是建筑采暖方式的最优择。
二氧化碳这一天然的制冷工质，以它多重节能环保的优势，开启了绿色低碳技术的大门。开发适于CO2热泵机组的高效压缩机和耐用高压的高效换热器以及完善的控制策略将是以后CO2热泵机组研究的重点。相信随着技术的不断进步，CO2热泵将会以其特有的优势成为21世纪采暖市场上最为耀眼的明星。