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摘 要：随着热能行业的发展，我们越来越追求性能优良制冷剂。特别是氟利昂制冷剂被发现破坏臭氧层之后，人们这一需求也便更加强烈。CO作为一种新型制冷剂，逐渐被人们重视起来。二氧化碳热泵热水器便是CO制冷剂应用的重要行业之一。本文将从全球出发，介绍二氧化碳热泵热水器的发展过程，并对其未来发展进行了展望。
关键词：CO2;热泵热水器;展望
1 引言
二氧化碳作为热能行业的重要的制冷剂，以其独到的优势而得到人们青睐。热泵行业在二氧化碳制冷加入后，得到了更加长足的发展。二氧化碳热泵热水器的发展是漫长的，通过对二氧化碳热泵热水器发展进程进行了解，有利于我们对其技术进行更好地探索，为热能行业地发展注入新动力。
2 二氧化碳热泵热水器简介及其优势
二氧化碳热泵，它是以二氧化碳为制冷剂的热泵，它的工作循环过程几乎和普通热泵相同，仅仅是由于制冷剂的不同。热泵一般均采用蒸汽压缩，但是二氧化碳热泵采用跨临界循环。当二氧化碳制冷剂流经冷凝器时，由于冷凝压力位于临界压力之上，所以没有被冷凝成液体，但是对于在一般循环中工作中的制冷剂则被冷凝成液体。总结来说，二氧化碳热泵具有以下优势：
2.1二氧化碳流动性能和传热性能好，单位制冷量大，因而使用压缩空间少，可以使得压缩机结构紧凑，节省材料;
2.2二氧化碳是一种清洁的制冷剂，对环境没有破坏性影响;
2.3可以实现错峰使用，移峰填谷，节省能源;
2.4化学性质稳定，不燃，高温不易分解，不产生有害气体。同时，二氧化碳是无毒的，减少了因泄漏对人的威胁;
2.5流动性好，具有较高的蒸发潜热值;
2.6与常规制冷剂相比，二氧化碳的压缩比比一般制冷剂压缩比小得多，可以有较高的性能系数，机械效率高;
2.7较高的冷凝温度使得其压缩机排气温度较高，可以获得较高温度的水;此外，可适应较苛刻的环境，如东北地区冬季寒冷天气，依旧可提供较高温度的水;
2.8可以实现“重复利用”，由于其优良的综合性质，它被认为是氟氯化碳的最佳替代品。
二氧化碳热泵的工作原理是通过制冷剂或制冷剂吸收空气中的二氧化碳并释放到水中，压缩机将回流的低压制冷剂压缩，变成高温高压气体，流经包裹在水箱外的铜管，热量通过铜管传递到水箱，冷却后的制冷剂在压力的持续作用下变成液体，通过膨胀阀进入蒸发器后，蒸发器的压力突然下降，因此，液态制冷剂水通过冷凝器，吸收大量热量，变成气态。空气在风扇的带动下，通过蒸发器，同时，风扇也起到促进蒸发器吸收空气中热量的作用。由于热量的释放，通过蒸发器的空气温度降低，变成冷风。随后进入压缩机，进一步进行压缩，进入下一个循环。
3 二氧化碳热泵热水器的发展进程
3.1发展背景
谈起二氧化碳热泵热水器的发展，不得不提及二氧化碳制冷剂跨临界循环的研究。1992年，挪威科学家洛伦岑首先提出了共跨临界循环理论。所谓的跨临界循环就是工质在制冷循环中的冷凝温度高于临界温度，而蒸发温度低于临界温度，跨临界循环的提出，极大地推动了二氧化碳在热泵领域地研究和发展。
3.2国外发展
世界上第一个热泵热水系统试验台建立于1991年，1996年，世界上第一个热泵热水系统试验台由新泰热能研究所的nesk和Petterson在新泰热能实验室建成。结果表明，与电热水器相比，二氧化碳热泵热水器节能75%。其相关实验数据如下：蒸发温度为0时℃， 气体冷却器的水温为8℃℃， 原动机的效率为0.9，提供80℃ 热水系统的性能系数仍高达3.5。[1]这是世界上较早对热泵性能进行测试的实验。实验的结果也证明二氧化碳热泵热水器强大的节能性能。
1998-2000年，二氧化碳在热泵领域得到更深一步的研究。首先是二氧化碳热泵热水器的基础理论研究。1998年9月，东电、CRIEPI、电装等公司与相关技术人员合作，对二氧化碳热泵热水器的基础理论进行了研究，结果表明，与传统工质相比，二氧化碳热泵热水器的性能明显提高。随着研究和社会的发展，二氧化碳热泵热水器样机试验台已经建立。1999年，东京电力公司、CRIEPI公司和Denso公司合作建立了二氧化碳热泵热水器样机试验台，为其理论研究提供了良好的实验条件。2000年，东京电力公司对二氧化碳热泵热水器进行改进后，每年对二氧化碳热泵热水器的性能系数进行测试，实验结果表明，其全年平均性能系数达到3.0，明显高于传统热泵热水器，改进后的二氧化碳热泵热水器性能得以极大地提升。此外，改进后的系统仍能提供高达90%的热水℃ 当环境温度为-20℃。[2]
2000年，首台示范性工业用二氧化碳热泵热水器也得以开发。同年，在挪威生产半成品食品的aseggprodukt工厂，挪威科技大学的nesk和zakeri建立了第一台示范工业二氧化碳热泵热水器。初步实验参数为：吸入压力50bar，蒸发温度14.3℃℃， 压缩机排气温度100℃， 吸入温度26℃， 放热压力113bar，气体冷却器二氧化碳出口温度9.2℃， 进出水温度6.7/66℃， 水质量流量0.26m3/hr，制热功率18.43kw，压缩机功耗3.2Kw，系统制热性能系数可高达5.77。R.Kern在二氧化碳热泵热水器中创造性地应用了冷热水层水箱。热水从水箱顶部供应，冷水从水箱底部进入热水器。提高了二氧化碳热泵热水器的性能。
2002年，三段式逆流式气体冷却器得以开发。2002年，挪威科技大学制冷与空调系的Jorn Stene将三级逆流式气体冷却器与其温度滑动进行了匹配。水的预热在气体冷却器的低温段，低温空间加热在中温段，加熱温度一般在30℃℃ 到40℃， 水在高温段被加热。实验结果表明：低温空间供热与热水供应相结合可以很好地应用于地源二氧化碳热泵系统，并能获得较高的供热性能系数。2002年8月，6.5kw二氧化碳热泵系统投入运行。[3] 随着经济的发展和科技的进步，二氧化碳热泵热水器也开始向家用化方向发展。日本三洋电器公司较早生产家用二氧化碳热泵热水器，来自研发总部生态能源系统研究中心的Hi Roshi Mukaiyama等人开发了一款加热功率为4kw的家用二氧化碳热泵热水器。他们创造性地将变频电动机，频率20-120hz，采用两级滚动活塞压缩机。2002年，日本大金公司开发了单级摆动转子压缩机热泵热水器。同时，松下还自主研发了热泵热水器。其相关参数如下：370L二氧化碳储罐的额定输入功率为1.2kW，额定热量为4.5kW，出水温度为65～90C。[4]
在日本，二氧化碳热泵热水器性能优异，世界领先，他也因此获得“Eco Cute（ 生态精灵）”的称号。从2001年开始，其热泵热水器开始上市，十分红火。虽然销售红火，但是其价格在当时还是比较昂贵地，政府不得不采取相应措施，鼓励民众进行购买，销售十分火爆。日本还依据不同地区，不同需求，生产出不同类型、不同制热量的热泵热水器，种类十分丰富，向多样性方向发展。[5]
3.3国内发展
二氧化碳热泵热水器的研究主要由相关院校带起。比较有代表性的便是热能专业比较领先的院校，如西安交通大学、天津大学、清华大学、上海交通大学等。部分院校还制作出原型机，进行模拟实验，进行进一步的研究。另外，以庆安制冷为代表的国内企业也为二氧化碳热泵热水器的研究做出了巨大贡献。为了使自主研发的二氧化碳压缩机在系统中具有良好的性能，这些高校和企业专门从结构设计、工艺设计、系统控制策略、电机驱动控制策略、控制器和水路系统等方面投入研发，為今后二氧化碳压缩机的推广打下基础。
国内第一台二氧化碳跨临界水-水热泵循环系统是由天津大学最先制作的，由于二氧化碳的压力比比较高，所以会产生较大的节流损失，所以天津大学对膨胀机的研究较早，通过膨胀机可以显著地较少节流损失，提高性能系数。西安交通大学压缩机研究中心主要研究二氧化碳热泵热水器和压缩机，并根据实验研究制作样机。上海交通大学制冷低温研究所主要研究二氧化碳热泵热水器在汽车空调中的应用。浙江大学制冷低温研究所主要研究喷射式二氧化碳制冷系统的设计。[6]中南大学廖胜明通过对二氧化碳跨临界循环的理论分析，优化了循环参数，并提出了最佳换热压力关联式。清华大学张字与企业合作开展了微通道的实验研究和模拟，主要研究了二氧化碳热泵水平管的传热。还有许多其他院校如中原工学院、大连交通大学等高校也对二氧化碳热泵系统进行了不同程度的研究。[7]
青岛海尔天沐KING开发首款面向市场二氧化碳热泵热水器。天沐KING分为室外机和水箱两大模块。室外机模块包括压缩机、蒸发器、空气冷却器、膨胀阀、风扇和循环水泵。水箱模块包括水箱内胆、外壳。海尔天沐KING二氧化碳热泵热水器标准制热量为4500W，具有较高的性能系数，达到了5.2，运行过程中噪音也低，能够提供较高温度的热水，出水最高温度为80℃。允许的工作环境温度在-25到45摄氏度之间，能够保证冬季极寒地区热水供应速度，能保证全年制热量恒定，可以为别墅及其它高端用户提供热水整体解决方案。[8]
3.4发展前景
二氧化碳作为一种新型制冷剂，由于其具有压力比大、单位容积制冷量高，以及一系列良好的制冷剂特性，被越来越多的学者所重视，其也被认为取代氟利昂制冷剂的最佳选择之一。但是，二氧化碳也存在一些缺点，如压力差较大、排气温度过高、节流损失过大等一系列问题。但是，时代在不断向前，科技也在不断进步，相信在不远的将来，这些难题将一步步克服，二氧化碳热泵热水器的性能能得到更进一步的提升。
参考文献：
[1]广西西屋康达空调有限公司 周子成 《二氧化碳热泵热水器》.
[2]苏梅，衣永海，秦海杰.CO2热泵热水系统试验研究[J].制冷与调，2014，14（10）：86-88+61.
[3]刘秋菊. CO2热泵热水器的理论与实验研究[D].天津大学，2007.
[4]刘圣春， 马一太，and 管海清.“CO2空气源热泵热水器的研究现状及展望”.ODS淘汰暨HCFCs替代技术发展国际论坛文集.Ed..， 2007， 97-106.
[5]管海清 ，马一太 ，杨俊兰.日本家用CO2热泵热水器研究开发现状分析[J].家电科技，2004（06）：59-61.
[6]周子成.二氧化碳热泵热水器近期的发展[J].制冷，2009，28（03）：33-39.
[7]李椿，王志华，王沣浩，许怡博，戢坤池，高秀芝.CO2热泵研究现状及展望[J].制冷学报，2018，39（05）：1-9.
[8]王建良，杨磊，陈炳泉，赵增奎，林辉. 自然制冷剂CO2在家用热泵热水器中的应用[A]. 中国家用电器协会.2015年中国家用电器技术大会论文集[C].中国家用电器协会：《电器》杂志社，2015：7.
作者简介：
李文龙（2000-），男，河南周口人，本科，研究方向：能源动力及节能技术。
（郑州大学机械与动力工程学院，河南 郑州 450001）
关键词：CO2;热泵热水器;展望
1 引言
二氧化碳作为热能行业的重要的制冷剂，以其独到的优势而得到人们青睐。热泵行业在二氧化碳制冷加入后，得到了更加长足的发展。二氧化碳热泵热水器的发展是漫长的，通过对二氧化碳热泵热水器发展进程进行了解，有利于我们对其技术进行更好地探索，为热能行业地发展注入新动力。
2 二氧化碳热泵热水器简介及其优势
二氧化碳热泵，它是以二氧化碳为制冷剂的热泵，它的工作循环过程几乎和普通热泵相同，仅仅是由于制冷剂的不同。热泵一般均采用蒸汽压缩，但是二氧化碳热泵采用跨临界循环。当二氧化碳制冷剂流经冷凝器时，由于冷凝压力位于临界压力之上，所以没有被冷凝成液体，但是对于在一般循环中工作中的制冷剂则被冷凝成液体。总结来说，二氧化碳热泵具有以下优势：
2.1二氧化碳流动性能和传热性能好，单位制冷量大，因而使用压缩空间少，可以使得压缩机结构紧凑，节省材料;
2.2二氧化碳是一种清洁的制冷剂，对环境没有破坏性影响;
2.3可以实现错峰使用，移峰填谷，节省能源;
2.4化学性质稳定，不燃，高温不易分解，不产生有害气体。同时，二氧化碳是无毒的，减少了因泄漏对人的威胁;
2.5流动性好，具有较高的蒸发潜热值;
2.6与常规制冷剂相比，二氧化碳的压缩比比一般制冷剂压缩比小得多，可以有较高的性能系数，机械效率高;
2.7较高的冷凝温度使得其压缩机排气温度较高，可以获得较高温度的水;此外，可适应较苛刻的环境，如东北地区冬季寒冷天气，依旧可提供较高温度的水;
2.8可以实现“重复利用”，由于其优良的综合性质，它被认为是氟氯化碳的最佳替代品。
二氧化碳热泵的工作原理是通过制冷剂或制冷剂吸收空气中的二氧化碳并释放到水中，压缩机将回流的低压制冷剂压缩，变成高温高压气体，流经包裹在水箱外的铜管，热量通过铜管传递到水箱，冷却后的制冷剂在压力的持续作用下变成液体，通过膨胀阀进入蒸发器后，蒸发器的压力突然下降，因此，液态制冷剂水通过冷凝器，吸收大量热量，变成气态。空气在风扇的带动下，通过蒸发器，同时，风扇也起到促进蒸发器吸收空气中热量的作用。由于热量的释放，通过蒸发器的空气温度降低，变成冷风。随后进入压缩机，进一步进行压缩，进入下一个循环。
3 二氧化碳热泵热水器的发展进程
3.1发展背景
谈起二氧化碳热泵热水器的发展，不得不提及二氧化碳制冷剂跨临界循环的研究。1992年，挪威科学家洛伦岑首先提出了共跨临界循环理论。所谓的跨临界循环就是工质在制冷循环中的冷凝温度高于临界温度，而蒸发温度低于临界温度，跨临界循环的提出，极大地推动了二氧化碳在热泵领域地研究和发展。
3.2国外发展
世界上第一个热泵热水系统试验台建立于1991年，1996年，世界上第一个热泵热水系统试验台由新泰热能研究所的nesk和Petterson在新泰热能实验室建成。结果表明，与电热水器相比，二氧化碳热泵热水器节能75%。其相关实验数据如下：蒸发温度为0时℃， 气体冷却器的水温为8℃℃， 原动机的效率为0.9，提供80℃ 热水系统的性能系数仍高达3.5。[1]这是世界上较早对热泵性能进行测试的实验。实验的结果也证明二氧化碳热泵热水器强大的节能性能。
1998-2000年，二氧化碳在热泵领域得到更深一步的研究。首先是二氧化碳热泵热水器的基础理论研究。1998年9月，东电、CRIEPI、电装等公司与相关技术人员合作，对二氧化碳热泵热水器的基础理论进行了研究，结果表明，与传统工质相比，二氧化碳热泵热水器的性能明显提高。随着研究和社会的发展，二氧化碳热泵热水器样机试验台已经建立。1999年，东京电力公司、CRIEPI公司和Denso公司合作建立了二氧化碳热泵热水器样机试验台，为其理论研究提供了良好的实验条件。2000年，东京电力公司对二氧化碳热泵热水器进行改进后，每年对二氧化碳热泵热水器的性能系数进行测试，实验结果表明，其全年平均性能系数达到3.0，明显高于传统热泵热水器，改进后的二氧化碳热泵热水器性能得以极大地提升。此外，改进后的系统仍能提供高达90%的热水℃ 当环境温度为-20℃。[2]
2000年，首台示范性工业用二氧化碳热泵热水器也得以开发。同年，在挪威生产半成品食品的aseggprodukt工厂，挪威科技大学的nesk和zakeri建立了第一台示范工业二氧化碳热泵热水器。初步实验参数为：吸入压力50bar，蒸发温度14.3℃℃， 压缩机排气温度100℃， 吸入温度26℃， 放热压力113bar，气体冷却器二氧化碳出口温度9.2℃， 进出水温度6.7/66℃， 水质量流量0.26m3/hr，制热功率18.43kw，压缩机功耗3.2Kw，系统制热性能系数可高达5.77。R.Kern在二氧化碳热泵热水器中创造性地应用了冷热水层水箱。热水从水箱顶部供应，冷水从水箱底部进入热水器。提高了二氧化碳热泵热水器的性能。
2002年，三段式逆流式气体冷却器得以开发。2002年，挪威科技大学制冷与空调系的Jorn Stene将三级逆流式气体冷却器与其温度滑动进行了匹配。水的预热在气体冷却器的低温段，低温空间加热在中温段，加熱温度一般在30℃℃ 到40℃， 水在高温段被加热。实验结果表明：低温空间供热与热水供应相结合可以很好地应用于地源二氧化碳热泵系统，并能获得较高的供热性能系数。2002年8月，6.5kw二氧化碳热泵系统投入运行。[3] 随着经济的发展和科技的进步，二氧化碳热泵热水器也开始向家用化方向发展。日本三洋电器公司较早生产家用二氧化碳热泵热水器，来自研发总部生态能源系统研究中心的Hi Roshi Mukaiyama等人开发了一款加热功率为4kw的家用二氧化碳热泵热水器。他们创造性地将变频电动机，频率20-120hz，采用两级滚动活塞压缩机。2002年，日本大金公司开发了单级摆动转子压缩机热泵热水器。同时，松下还自主研发了热泵热水器。其相关参数如下：370L二氧化碳储罐的额定输入功率为1.2kW，额定热量为4.5kW，出水温度为65～90C。[4]
在日本，二氧化碳热泵热水器性能优异，世界领先，他也因此获得“Eco Cute（ 生态精灵）”的称号。从2001年开始，其热泵热水器开始上市，十分红火。虽然销售红火，但是其价格在当时还是比较昂贵地，政府不得不采取相应措施，鼓励民众进行购买，销售十分火爆。日本还依据不同地区，不同需求，生产出不同类型、不同制热量的热泵热水器，种类十分丰富，向多样性方向发展。[5]
3.3国内发展
二氧化碳热泵热水器的研究主要由相关院校带起。比较有代表性的便是热能专业比较领先的院校，如西安交通大学、天津大学、清华大学、上海交通大学等。部分院校还制作出原型机，进行模拟实验，进行进一步的研究。另外，以庆安制冷为代表的国内企业也为二氧化碳热泵热水器的研究做出了巨大贡献。为了使自主研发的二氧化碳压缩机在系统中具有良好的性能，这些高校和企业专门从结构设计、工艺设计、系统控制策略、电机驱动控制策略、控制器和水路系统等方面投入研发，為今后二氧化碳压缩机的推广打下基础。
国内第一台二氧化碳跨临界水-水热泵循环系统是由天津大学最先制作的，由于二氧化碳的压力比比较高，所以会产生较大的节流损失，所以天津大学对膨胀机的研究较早，通过膨胀机可以显著地较少节流损失，提高性能系数。西安交通大学压缩机研究中心主要研究二氧化碳热泵热水器和压缩机，并根据实验研究制作样机。上海交通大学制冷低温研究所主要研究二氧化碳热泵热水器在汽车空调中的应用。浙江大学制冷低温研究所主要研究喷射式二氧化碳制冷系统的设计。[6]中南大学廖胜明通过对二氧化碳跨临界循环的理论分析，优化了循环参数，并提出了最佳换热压力关联式。清华大学张字与企业合作开展了微通道的实验研究和模拟，主要研究了二氧化碳热泵水平管的传热。还有许多其他院校如中原工学院、大连交通大学等高校也对二氧化碳热泵系统进行了不同程度的研究。[7]
青岛海尔天沐KING开发首款面向市场二氧化碳热泵热水器。天沐KING分为室外机和水箱两大模块。室外机模块包括压缩机、蒸发器、空气冷却器、膨胀阀、风扇和循环水泵。水箱模块包括水箱内胆、外壳。海尔天沐KING二氧化碳热泵热水器标准制热量为4500W，具有较高的性能系数，达到了5.2，运行过程中噪音也低，能够提供较高温度的热水，出水最高温度为80℃。允许的工作环境温度在-25到45摄氏度之间，能够保证冬季极寒地区热水供应速度，能保证全年制热量恒定，可以为别墅及其它高端用户提供热水整体解决方案。[8]
3.4发展前景
二氧化碳作为一种新型制冷剂，由于其具有压力比大、单位容积制冷量高，以及一系列良好的制冷剂特性，被越来越多的学者所重视，其也被认为取代氟利昂制冷剂的最佳选择之一。但是，二氧化碳也存在一些缺点，如压力差较大、排气温度过高、节流损失过大等一系列问题。但是，时代在不断向前，科技也在不断进步，相信在不远的将来，这些难题将一步步克服，二氧化碳热泵热水器的性能能得到更进一步的提升。
参考文献：
[1]广西西屋康达空调有限公司 周子成 《二氧化碳热泵热水器》.
[2]苏梅，衣永海，秦海杰.CO2热泵热水系统试验研究[J].制冷与调，2014，14（10）：86-88+61.
[3]刘秋菊. CO2热泵热水器的理论与实验研究[D].天津大学，2007.
[4]刘圣春， 马一太，and 管海清.“CO2空气源热泵热水器的研究现状及展望”.ODS淘汰暨HCFCs替代技术发展国际论坛文集.Ed..， 2007， 97-106.
[5]管海清 ，马一太 ，杨俊兰.日本家用CO2热泵热水器研究开发现状分析[J].家电科技，2004（06）：59-61.
[6]周子成.二氧化碳热泵热水器近期的发展[J].制冷，2009，28（03）：33-39.
[7]李椿，王志华，王沣浩，许怡博，戢坤池，高秀芝.CO2热泵研究现状及展望[J].制冷学报，2018，39（05）：1-9.
[8]王建良，杨磊，陈炳泉，赵增奎，林辉. 自然制冷剂CO2在家用热泵热水器中的应用[A]. 中国家用电器协会.2015年中国家用电器技术大会论文集[C].中国家用电器协会：《电器》杂志社，2015：7.
作者简介：
李文龙（2000-），男，河南周口人，本科，研究方向：能源动力及节能技术。
（郑州大学机械与动力工程学院，河南 郑州 450001）