二氧化碳热泵热水器研究及产品开发

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CO2跨临界循环在热泵热水器中的应用研究

CO2跨临界循环在热泵热水器中的应用（郑州轻工业学院机电工程学院）摘要全球正面临着严重的温室效应和臭氧层破坏问题，各国都致力于研究出氟利昂的替代制冷剂。

CO2是一种天然工质，它优于其它常用制冷剂的性能表现正好符合现在的环境要求，是热泵热水器系统最具潜力的替代工质之一。

分析目前市场上出现的各种热水供应设备，将CO2和其他制冷剂做性能比较，给出了CO2跨临界循环的典型流程和特点；对CO2跨临界特性、设备的开发以及循环的可靠性和安全性进行综合分析。

说明CO2跨临界循环在热泵热水器中应用的优越性，以及该技术在国内的应用前景和方向。

关键词二氧化碳跨临界循环热泵热水器A Study on The Application of CO2 Transcritical Cycle inHeat Pump Water Heater(College of Mechanical and Electrical Engineering in Zhengzhou University of LightIndustry)Abstract We are facing serious whole world green-house effect and the ozone layer destroyed in recent years, every country is focusing on the research of a replaced refrigerant of the HFC.CO2is a natural substance, it has a more excellent performance than the other refrigerants, which is competent for the enviromental request nowadays. So it can be the most potential refrigerant in heat pump water heater to replace the HFC. By analysing a series of devices, providing hot water, saled in the markets, and comparing CO2 with the the other refrigerants, this article tells the typical diagram and the characteristic of the CO2transcritical cycle and anlyses the properties of CO2refrigeration transcritical cycle, the equipment exploitation and the security and reliability of the CO2transcritical system.The aim is to introduce the superiority of the application of CO2 transcritical cycle in heat pump water heater, and tell us the potentiality and the direction of CO2 transcritical cycle technology in China. Keywords CO2 transcritical cycle heat pump water heater0前言二氧化碳作为制冷剂已经超过100年。

二氧化碳热泵采暖机组性能改善研究_张利

却不高，如图3和表1所示。
33 No.1 2013
新技术新产品 New Technology & New Product
120 100 100
100
80
60
40
20
0 热泵热水器
83 67
地板采暖
72 66
相对热泵制热量Q 相对性能系数COP
热水汀采暖
图3 CO2热泵热水器机组与采暖机组性能对比（热源侧干／湿球温度：7／6˚C）
关键词：家用；二氧化碳；热泵；采暖机组
Key Words: household; carbon dioxide; heat pump; heating unit
0前言
在人类环境污染和能源危机双重压力下，如何做到环保与节能是制冷行业面临的挑战。考虑到传统HCFC类工质具有较高的全球变暖潜能值 GWP（Global Warming Potential）和臭氧耗损值 ODP（Ozone Depression Potential），《蒙特利尔议定书》和《京都议定书》相继提出各国氟利昂类工质淘汰时间表。我国使用最多的HCFC工质为R22，而替代 R22工质的R410A和R40C也面临逐渐被淘汰。
能效比
(2)
式中 COP ——性能系数，W/W
P ——热泵制热消耗功率，kW
按式(1)，水流量和进、出水温差
的增大对
热泵机组制热量都产生积极影响。
对于CO2热泵热水器工况，进、出水温差
普
遍较大且为主要影响因素，故机组制热量Q 和能效比
COP 比较高；而采暖工况，由于进、出水温差仅
为10℃且进水温度 T1 较高，如果工质-水换热器容量不变，尽管水流量有所上升，总的制热量Q 和能效比COP

家用二氧化碳热泵市场发展分析

家用二氧化碳热泵市场发展分析目前，日本市场EcoCute产品的销售价格为使用氟碳制冷剂的热泵热水器的数倍，为促进EcoCute产品的销售，日本政府实施了补贴政策。

生活热水供应和冬季采暖的能源消耗占中国城市家庭能源消耗的30%～60%。

随着社会日益向资源节约和环境保护两大方向发展，家用热水供应方式呈现多样化发展趋势，如太阳能热水器、热泵热水器、燃气热水器或燃气采暖炉以及电热水器等。

其中，燃气热水器、燃气采暖炉、电热水器等产品虽具有运行温度及负荷适应能力强的特点，但需要消耗较多的矿物能源如天然气、电力，直接或间接导致大量二氧化碳排放，在资源消耗和环境保护方面均不具有优势。

未来满足住宅热能需求的基本方式是以太阳能热水器和热泵产品为基础，辅以燃气热水器、燃气采暖炉、电热水器等。

相对于太阳能热水器，热泵产品在安装灵活性和运行稳定性方面具有较大优势，特别是其能够将低温热能高效转换为可用热能的特点，使之具有更广泛的应用前景。

日本热泵蓄热中心（HPTCJ）2007年研究报告表明，在日本采用热泵技术可以削减10％的二氧化碳排放量，其中2％是用EcoCute（生态精灵）家用二氧化碳热泵热水器更换现有热水器的贡献。

日本市场近年来，家用二氧化碳热泵热水器已经成为家电技术发展领域备受关注的新产品。

在日本，EcoCute 家用二氧化碳热泵热水器自2001年进入市场以来，销售量持续上升。

受经济危机影响，2008年EcoCute 产品的销售量虽与预期有一定差距，但仍超过51万台。

按市场保有量计算，2008年家用二氧化碳热泵热水器在日本市场累计售出约180万台；预计2010年销售量约为80万台，累计将达到320万台。

而原先预测的2010年产量达到100万台、累计销售量达520万台的目标，估计需要推迟2年左右才能实现。

随着基数增大，近年来EcoCute产品销售增长率有所下降，但增长量的绝对趋势仍然显著。

2008年日本相关整机和零部件生产企业着手进行面向全球的销售推广活动，标志着家用二氧化碳热泵热水器的技术和市场发展进入了一个新阶段。

CO2热泵原理

CO2跨临界循环热泵热水器实验研究李敏霞龚文瑾刘秋菊马一太鞠小雨天津大学热能研究所 300072Email: tjmxli@摘要：本文对CO2跨临界循环热泵热水器进行了实验研究，测定了压缩机功率，同时对热水器在不同工况下的工作情况进行了测试，发现在热水器在环境温度越高，其效率越高，在夏季，此热水器会有比较高的效率。

在出水温度为60o C 时，系统COP可达到3.0以上，但入水温度越高越不利于系统效率，因此适合于直流式供水系统。

如果CO2跨临界循环热泵热水器的制冷与热水功能同时利用，系统总效率可达5.0以上。

关键词：CO2跨临界循环，热泵热水器，COP1 引言CO2作为制冷剂具有独特的优势，加上目前的国际大环境，使得许多研究所和相关厂商对其工质系统作出了大量的深入的研究工作。

CO2跨临界循环气体冷却器所具有的较高排气温度和较大的温度滑移可与冷却介质的温升过程相匹配，以及气体冷却器出口温度越低，系统性能越好等特性，非常适用于热水系统。

CO2热泵热水器替代传统的电热水器可以削减CO2排放，据估算如果采用CO2热泵热水器代电热水器，每年可减少CO2排放量为几千万吨。

CO2热泵热水器从而得到了广泛和深远的发展，特别是在发达国家和地区。

20时世纪九十年代，挪威SINTEF能源研究所的G.Lorentzen 与Neksa Petter等人率先对CO2跨临界循环在热泵上的应用作了理论和实验上的研究。

研究表明，CO2跨临界循环不仅具有高的供热系数，而且系统紧凑，产生的热水温度高。

实验结果表明,在蒸发温度为0℃时，水温可以从9℃加热到60℃，其热泵系数可高达4.3。

同时，比起电热水器和燃气热水器，它的能耗可降低75％ [1、2]。

此外，他们发现CO2热泵系统比传统热泵热水器更为显著的优点是它易于提供90℃的热水。

日本是发展CO2热泵热水器最快的国家，它地处寒冷地带，全年中使用热水器的时间长。

据统计，在家庭中30%的能量为热水器所消耗。

CO2热泵热水器的系统设计及试验研究

ＣＯＰ。
关键字：ＣＯ；热泵热水器；跨临界循环；试验研究
中图分类号：ＴＨ３文献标识码：Ａｄｏｉ：１０．０５～０３２９．２０１３．１０．０１４
ＳｙｓｔｅｍＤｅｓｉｇｎａｎｄＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＳｔｕｄｙｏｆＣＯ２ＨｅａｔＰｕｍｐＷａｔｅｒＨｅａｔｅｒ
ＬＩＵＹｅ — ｆｅｎｇ，ＺＨＵＯＺｈｉ．ｙａｎｇ，ＺＨＡＮＧＦｅｎｇ，ＢＡＯＴｕａｎ — ｗｅｉ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔｅｓｔｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｐｌａｆｔｏｍｒｏｆｈｅａｔｐｕｍｐｗａｔｅｒｈｅａｔｅｒｏｆＣＯ２（ｃａｒｂｏｎｄｉｏｘｉｄｅ）ｔｒｎｓａ — ｃｉｒｔｉｃａｌｃｙｃｌｅｈａｓ
（１．上海理工大学，上海２０００９３；２．上海德尔福汽车空调系统有限公司，上海２０１２０４）摘要：设计搭建了蒸发器和气冷器均采用套管式换热器的跨临界ｃ０热泵热水器性能测试试验台，在制冷剂充注量
１．２３ｋｇ时，通过调节膨胀阀的开度和控制气冷器的水流量来研究系统性能。结果表明：该机组能在较高ＣＯＰ（３．２）下制得６５￣Ｃ的热水，并可以在ＣＯＰ不低于２．０情况下制取８０ ℃的热水；气冷器水流量对系统的ＣＯＰ、出水温度以及系统的排气压力影响最大；高效的换热器可以在压缩机排气温度一样的情况下提高出水温度，使系统在制取高温水时有更高的

二氧化碳热泵热水器

节能产品二氧化碳热泵热水器黄赘日本东京电气公司（ＴＥＰＣＯ）和Ｄｅｎｓｏ公司合作开发家用ＣＯ。

热水器。

新热水器是针对当前家用能耗达３５％的热水供应而开发的。

其ＣＯＰ大于３．０，因而运行费很低。

由于利用ＣＯ。

为制冷剂，是～种环保性能优良的绿色工质。

可减少温室效应和臭氧层的衰减。

不同于一般ＣＦＣ热泵热水器只能提供最高达６０℃水温。

ＣＯ。

热水器由于具有卓越的制热能力。

在最低气温一２０℃时亦能提供９０℃的热水。

此外，由于ＣＯ。

具有优良的热传输性能。

热泵机组可以设计成很紧凑，从而节省了安装面积。

在日本，ＣＯ。

热泵热水器以其良好的节能生态性能赢得了“ＥｃｏＣｕｔｅ（生态精灵）”的称号。

日本电力工业中央研究院（ＣＲＩＥＰＩ）与东京电力公司（ＴＥＰＣＯ）及ＤＥＮＳＯ公司的Ｍ．Ｓａｉｋａｗａ，Ｋ．Ｈａｓｈｉｍｏｔｏ，Ｋ．Ｋｕｓａｋａｒｉ等人合作，于１９９８年９月开始进行ＣＯ。

热泵热水器的基础理论研究，对其进行性能计算及相应的循环特性理论分析。

１９９９年，建起了ＣＯ。

热泵热水器原型机实验台。

原型机的额定供热功率为４．５ｋＷ，所用压缩机为直流变频电动机驱动的半封闭涡旋压缩机，所用的膨胀阀由针阀和步进电机组成，可以将膨胀阀由关闭到完全打开分为４００级。

便于对膨胀阀开度的控制。

在对原型机的性能测试中分别测了膨胀阀开度对系统性能的影响和膨胀阀开度对气体冷却器温度随供热量的变化轮廓的影响。

空气热源的温度选取东京冬季２３：００一次日７：ｏｏ的平均温度值，这８个小时为用电低峰期，自来水温度８．３℃，热水温度６５℃。

结果表明：随膨胀阀开度的增大（８０—１６０级），压缩机出口压力下降，供热量下降，输入电功率下降，ＣＯＰ逐渐上升。

膨胀阀开度增大到１１０级后趋于常数，约为２．７。

膨胀阀的开度分别调为（９０、１１０、１４９）级以进行对比，气体冷却器中ＣＯ。

出口处与水匿撼挈…一…ｎ洲入口处的温差由小变大，ＣＯ。

随供热量变化的温度曲线拐点处温度与水的温度差由大变小，因为此时压缩机出口处的压力由高变低。

二氧化碳(CO2)热泵

二氧化碳（CO2）热泵在众多自然工质中，CO2因其优秀的环保特性和良好的热力学性能，被认为是最具有潜质的、最受关注的制冷剂，特别是它作为热泵工质的独特优势吸引着许多研究者的目光∙二氧化碳自然工质特点CO2是自然工质，热导率和比热容大，有助于获得高的换热系数；动力黏度小，可减小工质在管内的压降；蒸汽密度高，有助于提高工质的质量流量；密度比（密度比代表气体与液体性质相差的大小）较小，有利于工质液的分配；表面张力较小，可提高蒸发器中沸腾区的换热强度；气体密度高，单位体积制热量大，约为R22的5倍，可降低管道和压缩机尺寸，使系统重量减轻、结构紧凑、体积小；压缩机的压比（工质的冷凝压力和蒸发压力之比）低，压缩过程可更接近等熵压缩而使效率提升；来源广泛，价格低。

∙在热泵中的应用在各种热泵中的应用，尤其是在热泵热水器方面的应用。

热泵系统同样在跨临界条件下运行，压缩机、换热器方面的优势依然存在；最主要的是CO2在气体冷却器中较大的温度变化，正好适合于水的加热，从而使热泵的效率较高，同样可与传统制冷剂竞争。

该领域的研究同样由挪威SINTEF研究所等率先发起，他们对水-水热泵的特性、系统设计进行了理论与实验研究，结果表明：CO2跨临界循环水-水热泵不仅具有高的制热系数，而且系统紧凑，产生的热水温度高，在工业和民用两方面都具有相当大的发展潜力。

德国在热泵领域的研究尤为广泛和深入。

例如，Kassel大学开展了CO2跨临界循环热泵应用的理论研究和分析；Dresden大学对CO2跨临界循环热泵的热力学性能分析，各种循环方式的计算方法，系统部件的设计、选取和组装等原则等方面展开研究和讨论，并在Dresden大学建立了相应的CO2热泵试验台，对不同装置中的计算和评价方法等进行分析及研究，并得出了一些有意义的结论；Essen大学以商业洗衣店中的干燥器为研究对象，分析和讨论了CO2跨临界循环在热泵干燥方面应用的可行性。

在该领域内通过与R134a热泵系统的对比后认为，跨临界循环热泵并没有比后者引起过多的能量消耗，加上CO2自身优良的环境性能和热力学特性，在热泵干燥系统中用CO2作制冷工质是很有希望的。

科技成果——大功率二氧化碳空气源热泵热水机组技术

科技成果——大功率二氧化碳空气源热泵热水机组技术适用范围适用于学校、酒店、宾馆、综合楼、办公楼等需要生活热水或供暖的公共建筑，以及为需要高温热水的工业企业提供热水和热源。

技术原理大功率CO2空气源热泵热水机组以CO2为工质，采用跨临界制热循环。

机组由高压压缩机、气体冷却器、蒸发器、节流阀、保温水箱等主要部件组成。

高压压缩机起着压缩和输送CO2工质的作用：气体冷却器是热量输出设备，它将蒸发器吸收的热量连同压缩机所消耗的电功一起输送给低温水以制备热水；节流阀对CO2工质起到节流降压和调节循环流量的作用：蒸发器是热量输入设备，CO2工质在蒸发器中通过吸收环境空气的热量而蒸发。

由于CO2蒸发潜热大、单位容积制冷量高，且具有良好的输运和传热性质，采用跨临界循环的大功率CO2空气源热泵热水机组具有优良的热力性能。

技术参数（1）交流输入电压：380V±15%；电网频率：50Hz±10%；（2）普通型名义工况下的制热性能系数COPh≥4.3，低温型名义工况下的制热性能系数COPh≥3.5；（3）制热温度≥55℃，最高可达90℃。

限制条件使用环境温度不低于-30℃。

技术效果产品符合GB/T21362-2008（商业或工业用及类似用途的热泵热水机）及GB/T25127.1-2010（低环境温度空气源热泵（冷水）机组第1部分；工业或商业用及类似用途的热泵（冷水）机组）要求，采用自动控制技术，机组运行安全稳定，节能效果优良。

（1）普通型名义工况（环境干球温度20℃，湿球温度15℃，进水温度15℃，出水温度55℃）制热性能系数COPh≥4.3，低温型名义工况（环境干球温度7℃，湿球温度6℃，进水温度9℃，出水温度55℃）制热性能系数COPh≤3.5；（2）普通型低温工况（环境干球温度-7℃，湿球温度-8℃，进水温度9℃，出水温度55℃）制热性能系数COPh≥3.0，低温型低温工况（环境干球温度-12℃，湿球温度-14℃，进水温度9℃，出水温度55℃）制热性能系数COPh≤2.1；（3）供暖工况：-12℃环境，60℃出水，制热性能系数COPh≤2.0；（4）单位热水的电耗：西南地区低于10度电/吨，华东地区低10度电/吨，东北地区低于14度电/吨，东北地区低于16度电/吨；（5）大功率CO2空气源热泵热水机组高温加热能力卓越，低温性能优异，节能效果显著。

CO2热泵热水器的研究现状与展望

CO2热泵热水器的研究现状与展望摘要：分析了CO2作为制冷剂的优良特性及其跨临界循环的特点，详细介绍了世界范围内对CO2热泵热水器跨临界循环系统的研究，分析了CO2压缩机的三种常见类型，即活塞式、摆动活塞式和涡旋式压缩机的结构及其特点。

介绍了蒸发器及气体冷却器的研发现状，并提出了提高CO2热泵热水器效率的建议，即研发耐高压、高效能压缩机，研究高效能换热器，尤其是如何提高气体冷却器的换热效能，膨胀压缩机的研发以及如何在高压负荷运转的条件下降低噪音和振动。

Abstract：This paper analyzes the excellent characteristics CO2 as refrigerant and its characteristics of the critical cycle，introduces the worldwide studies of the trans-critical cycle system of CO2 heat-pump water heater and analyzes the structure and characteristics of three common types of piston compressor，oscillating piston compressor and vortex compressor of CO2 compressor. This paper introduces the present research and development situation of evaporator and gas cooler，puts forward the suggestions for the efficiency improvement of CO2 heat-pump water heater，thesuggestions are to research and develop the high efficiency compressor that can resistance to high pressure and research the highly efficient heat exchanger，especially to research how to enhance heat transfer efficiency of the gas cooler，research and develop expansion compressor and how to reduce the noise and vibration under the condition of high load operation.关键词：CO2；热泵热水器；跨临界循环；特性Key words：CO2；heat-pump water heater；trans-critical cycle；characteristic中图分类号：TM925.32 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）05-0135-020 引言众所周知，R12、R22等氯氟烃、氢氯氟烃类制冷工质虽然具有优良的热力性质，但由于其含有氯原子，会破坏臭氧层，造成臭氧层空洞，已经逐渐被各国所淘汰。

二氧化碳空气源热泵性能研究

二氧化碳空气源热泵性能研究二氧化碳空气源热泵性能研究引言二氧化碳（CO2）作为一种环保、零臭氧破坏潜力的制冷剂，被广泛应用于热泵技术中。

相比传统的氟利昂制冷剂，CO2具有较低的温室效应和全球变暖潜力，是一种理想的替代品。

本文旨在探讨CO2作为空气源热泵的性能表现以及可能的改进方向。

1. CO2空气源热泵的基本原理与工作循环CO2空气源热泵系统由压缩机、冷凝器、蒸发器和节流装置组成。

其工作循环包括压缩、冷凝、膨胀和蒸发四个过程。

在压缩过程中，CO2被压缩至较高的温度和压力；在冷凝过程中，CO2通过与空气接触释放热量；在膨胀过程中，CO2经过膨胀阀进入蒸发器，在吸热过程中吸收空气中的热量；最后，再次进入压缩机循环。

2. CO2空气源热泵的性能特点（1）环保性能：CO2是一种无毒、无味、无色的天然气体，不会对环境产生污染。

与氟利昂等制冷剂相比，CO2对臭氧层破坏的潜力较小，对全球变暖的贡献也较小。

（2）热效率：CO2空气源热泵具有较高的热效率，能够在较低的温度下提供热量。

由于CO2的特性，其工作温度范围较宽，适用于冬季供暖和夏季制冷。

（3）可靠性：CO2空气源热泵系统由于工作温度不会超过其临界温度，避免了传统制冷剂在高温下的压缩能力下降和气相返回等问题，提高了系统的可靠性。

（4）节能性：CO2空气源热泵利用冷凝器与环境空气进行热交换，能够充分利用环境的低温热能。

与传统的电加热或燃气锅炉相比，其能效比更高，具有更低的能耗。

3. CO2空气源热泵的改进方向（1）提高热效率：通过改进蒸发器和冷凝器的结构设计，增加换热面积，改善传热效果，提高系统热效率。

（2）降低系统成本：研发低成本、高效率的CO2压缩机和膨胀阀，减少系统投资成本。

（3）优化控制策略：通过智能控制技术，实现系统运行的智能化、自动化，提高系统的稳定性和经济性。

（4）应对极端天气条件：针对极寒天气，改进制热方式，提高系统抗寒能力；针对极热天气，改进降温方式，提高系统制冷效果。

二氧化碳跨临界循环热泵热水系统的应用分析的开题报告

二氧化碳跨临界循环热泵热水系统的应用分析的开题报告
一、研究背景
随着全球能源消耗的不断增加和环境问题的日益突出，绿色、低碳、可持续的能源利用已成为当前能源技术研究的热点和前沿领域。

在此背景下，热泵技术成为了一
种节能环保的新型能源利用方式。

而跨临界CO2循环热泵技术由于具有较高的热效率和环保性，近年来受到了越来越多的关注和研究。

二、研究目的
本文旨在通过对二氧化碳跨临界循环热泵热水系统的应用分析，探究其在现有能源技术中的应用前景和优势。

三、研究内容
1. CO2跨临界循环热泵技术的原理与特点；
2. CO2跨临界循环热泵热水系统的组成、工作原理和优缺点；
3. 基于跨临界CO2循环热泵技术的热水系统应用案例；
4. CO2跨临界循环热泵热水系统的环境效益和经济优势分析。

四、研究方法
本文将采用文献调研法和实验分析法相结合的方法。

首先，对现有相关文献进行调研和分析，了解和掌握CO2跨临界循环热泵技术的基本原理和热水系统的组成、工作原理和优缺点。

其次，对CO2跨临界循环热泵热水系统进行实验，从实践角度探究其在应用中的效果和问题，并对其环境效益和经济优势进行实证分析。

五、预期成果
通过对CO2跨临界循环热泵热水系统的应用分析，本文将揭示此技术在热水供
应中的潜在应用前景和优势，并进一步明确其在实际应用中需要解决的问题和难点。

同时，本文还将对CO2跨临界循环热泵热水系统的环境效益和经济优势进行实证分析，为其在实践中的推广和应用提供理论和实践依据。

二氧化碳热泵热水器研究

二氧化碳热泵热水器研究日本家用二氧化碳热泵热水器研究开发现状摘要：二氧化碳是热泵系统工质替代中最有潜力的天然工质之一。

二氧化碳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势。

日本主要家电公司联合科研院所纷纷对二氧化碳热泵热水器进行了深入的研究和开发，本文对其研究开发现状进行了分析，总结了开了中存在的问题和关键技术。

结果表明二氧化碳热泵热水器与电或燃气热水器相比较具有较高的性能系统（COP），其商业开发已经初步开始，市场前景极为广阔。

CO2是热泵系统工质替代中最有潜力的天然工质之一。

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势。

日本主要家电公司联合科研院所纷纷对CO2热泵热水器进行了深入的研究和开发，本文对其研究开发现状进行了分析，总结了开了中存在的问题和关键技术。

结果表明CO2热泵热水器与电或燃气热水器相比较具有较高的性能系统（COP），其商业开发已经初步开始，市场前景极为广阔。

1 引言CO2作为制冷工质具有一些独特的优势：对环境无害的自然界天然存在的物质（ODP=0，GWP=1）；优良的经济性，且无回收问题；良好的安全性和化学稳定性，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；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，单位容积制冷量相当高；具有良好的输运和传热性质，CO2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。

由于CO2的临界温度很低（304.21K），因此CO2的放热过程不是在两相区冷凝，而是在接近或超过临界点的区域的气体冷却器中放热。

在CO2跨监界制冷循环中，其放热过程为变温过程，有较大的温度滑移。

这种温度滑移正好与所需的变温热源相匹配，是一种特殊的劳伦兹循环，当用于热泵循环时，有较高的放热系统，如图1所示。

二氧化碳热泵技术的发展及应用案例分析

Ｄｅｖｅｌｏｍｅｎｔｓａｎｄａｌｉｃａｔｉｏｎａｎａｌｓｉｓｏｆｃａｒｂｏｎｄｉｏｘｉｄｅｈｅａｔｕｍｐｐｐｙｐｐ
ＬＩＨｕｉ，ＣＡＯＸｉａｎＣｈｕｎｌｕｇ，ＺＨＡＮＧ
（，Ｔ，Ｓ）ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｉｎｅｅｒｉｎｏｎｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｈｎａｇｇｇｊｙｇ
：ＴＡｂｓｔｒａｃｔｒａｎｓｃｒｉｔｉｃａｌＣＯｅａｔｕｍｃｃｌｅｂｅｃｍｅｓｏｎｅｏｆｔｈｅｏｕｌａｒｈｅａｔｕｍｔｅｃｈｎｏｌｏｐｐｙｐｐｐｐｇｙ２ｈ，，ＣｗｈｉｃｈｗａｓｕｓｅｄｗｉｄｅｌａｌｌｏｖｅｒｔｈｅｗｏｒｌｄｆｏｒｉｔｓｎａｔｕｒａｌｒｅｆｒｉｅｒａｎｔＯａｓｍａｎａｄｖａｎｔａｅｓｙｇｙｇ２ｈ，ｎ，ｎ，ｅｌｏｗｒｉｃｅｏｎｔｏｘｉｃｉｔｏｎｆｌａｍｍａｂｉｌｉｔｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｆｒｉｅｎｄｌｉｎｅｓｓａｎｄｓｏｏｎ．Ｉｎｔｈｉｓｌｉｋｅ－－ｐｙｙ，，ｕｍｓｔｕｄｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｓｏｍｅｔｉｃａｌＣＯ２ｈｅａｔｓｓｔｅｍｓｓｕｃｈａｓｏｎｅｓｔａｅｓｓｔｅｍｆｏｒ－ｐｐｙｗｙｐｙｇｙ，ｔｈｅａｔｉｎｗａｔｅｒｗｏｓｔａｅｃｏｍｒｅｓｓｏｒｓｓｔｅｍｗｉｔｈｍｉｄｄｌｅａｓｂｒａｎｃｈ，ｓａｃｅｈｅａｔｉｎａｎｄｗａｔｅｒ－ｇｇｐｙｇｐｇ，ａｈｅａｔｅｒｓｓｔｅｍｗｉｔｈｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｈｅａｅｒｓｕｌｎｄｗａｔｅｒｓｉｄｅｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅＣＯｅａｔｕｍｆｏｒ－ｙｐｐｙｐｐ２ｈ，ｗｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌａｌｉｃａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｗｅｒｅｉｎｕｓｅａｎｄｅｎｅｒａｌｉｚｅｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｏｔｈｅｒｗｉｓｅｅｐｐｇ，ｓａｎａｌｓｉｓｅｄｔｈｅｒｉｍａｒａｒａｍｅｔｅｒｓｔｈａｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｔｈｅｓｓｔｅｍｅｆｆｉｃｉｅｎｃｕｃｈａｓｔｈｅｏｕｔｌｅｔｙｐｙｐｙｙ，ｔｏｆｔｈｅｗａｔｅｔａｎｋ，ｔｈｅｗａｔｅｒｍａｓｓｆｌｏｗｒａｔｅｏｆｔｈｅｃｏｏｌｅｒｈｅｓｓｔｅｍｔｅｍｅｒａｔｕｒｅａｓｙｐｇｒｅｆｒｉｅｒａｎｔｓａｎｄｓｏｏｎ．ＩｔｃｏｕｌｄｓｏｍｅｗｏｒｔｈｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｍｅｎｔｏｆｒｏｖｉｄｅｕｉｄａｎｃｅｓｇｙｇｐｐｇｃａｒｂｏｎｄｉｏｘｉｄｅｈｅａｔｓｓｔｅｍｉｎＣｈｉｎａ．ｕｍ－ｐｙｐ：；ＫｅｗｏｒｄｓｔｒａｎｓｃｒｉｔｉｃａｌＣＯｃｌｅｈｅａｔｓｓｔｅｍｕｍｙｙｐｐ；２ｃｙ随着人们对生活质量和舒适性的追求，用热需求也越来越迫切，热水供应已成为日常生活中必不可少的一部分，热水用能作为当今世界最主要的能

热泵热水器用高输出CO2涡旋式压缩机的开发

图１ＣＯ冷媒热泵热水器中最大供给热水能力与压缩机排气容积的关系
荐俺槽
中，压缩机排气容积几乎都在４０～６机。．．通过增加电机定子叠片厚度，用与采
Ｏｍｃ。由于热水存储方式是用夜间８小０７ｋ个．Ｗ级的涡旋压缩机大致相同的压缩５时左右的时间将水烧开，以，所一方面不机外径１３２ｍｍ，实现额定输出２６Ｗ．ｋ需要那么大的热水供给能力，另一方面在的小型高输出化。涡盘盖板部上采用代运转时高压侧压力达到１ＭＰ左右，３ａ因为数螺线，另外，进行轴承的高耐力化设
研究・探讨Ｉｅｅｒ，ｉｕｓｎｓａｈｓｓｉＲｃＤｃｏ
热泵热水器用高输出Ｃ２涡旋式Ｏ压缩机的开发
（株）日立制作所机械研究所幸野雄
译Ｉ自伟孙
‘
９
１前言
容积在７Ｏｍ／ｖ具有１．Ｗ的输出，．ｃｅ，ｒ１５ｋ
３
－
ｌ发开机
Ｉ水储／．热存式Ｌ
ｌ
ｌ／
２也与之相对应。Ｏ，Ｃ冷媒热泵式热
压缩机的规格如表１所示，压缩机的
量大供始热水能力（－ｋ）
水器的最大供给热水能力与压缩机排气容结构如图３所示。本压缩机为了降低热泵积的关系如图１所示。在热水存储方式单元的高度尺寸，采用了卧式涡旋压缩
聂发鼍
Ａ囊
监交擅■
应耐压与机械部件的负荷增加等原因，会计，对液体压缩等的过渡性运转条件，也

二氧化碳家用热泵热水器试验研究

ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎＣＯ２ｈｏｕｓｅ・ｈｏｌｄｈｅａｔｐｕｍｐｗａｔｅｒｈｅａｔｅｒ
ＬＩＴｉｎｇＮＧＪｉａ－ｓｏｎｇ，ＨＵＡＮＧＸｕｎ－ｑｉｎｇ
第４ｌ卷第２期２０１３年２月
化学工程ＣＨＥＭＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ（ＣＨＩＮＡ）
Ｖｏ１．４１Ｎｏ．２Ｆｅｂ．２０１３
二氧化碳家用热泵热水器试验研究
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ，ＳｕｎＹａｔ — ｓｅｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０７２５，ＧｕａｎｇｄｏｎｇＰｒｏｖｉｎｃｅ，Ｃｈｉｎａ；
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＣＯ２ｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｆｏｃｕｓｅｓｉｎｔｈｅｒｅｆｉｒｇｅｒａｔｉｏｎｉｆｅｌｄｄｕｅｔｏｉｔｓｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｕｎｉｑｕｅｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｐｏｐｒｅｒｔｉｅｓ．ＴｈｅｈｅｒｍｅｔｉｃｌａＣＯ２ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｆｏｒｈｏｕｓｅ — ｈｏｌｄａｐｐｌｉａｎｃｅｉｓａｂｉｇｃｈａｌｌｅｎｇｅｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓ

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所遗弃。近年来，由于氟氯烃制冷剂对臭氧层的破坏及全球温室效应等环境问题日益突出，并且随着二氧化碳跨临循环概念
而２００６年更是突破了５亿元大关，伞国市场容量达到５１．亿元。
２００７年的热泵热水器延续着２００６年直线｝的大好形式，升虽然不能算爆发性增长，但增势已经超过往年。２００７年遭遇５０年难
热泵热水器市场主要集中在长江以南地区，广东、福建、
广西等华南地区，销量非常可观。２００７年热泵热水器市场逐渐
１场及发展趋势市
中国是热水器生产大国，其产量已占世界热水器产量的
向北扩展，江西、湖南市场也在逐步升温，江苏市场也开始慢慢起步，其增长速度之快也逐渐吸引了很多空调企业甚至是太阳能热水器生产企业的目光。上述仅为家用型热泵热水器市场，热泵还可替代部分锅炉以及大面积的太阳能热水系统供生活热水，尤其是在北方寒冷地区，生活热水需求量很大，不仅可以用来清洗、洗浴、而日．
１。目前对热水器的实际年需求量在３０万台左右，平均每／５００
年的最低需求维持在１０５０万台以上，这反映出未来我国城市热水器市场有较大的市场空间。在未来的市场发展中，随着国家
对能源的高度重视，以及燃气环境和电价的变化，房地产的高
遇的大雪来袭，并未对热泵热水器晴好市场起到决定性影响。
热泵热水器的发展，吸引了很多大企业的关注。目前截止到２０年底，生产热泵热水器的企业不下４０家，其中不包括０８０已被淘汰出局的热泵品牌，其主要集中在长江角洲及珠江＝２－角洲一带。销售额均达到６０００万以Ｅ，而销售规模超千万元的
引言
早在ｌ９世纪末，二氧化碳就在制冷领域得到应用。然而由
据统计，２００３年热泵热水器全国市场容量仅为３０００万Ｊ左有，２００４年开始放量，２００５年市场容量迅速攀升到３２亿元，．
于采用二氧化碳的亚临界循环制冷效率低，特别是当环境气温升高时，二氧化碳的制冷能力急剧下降，功率增大，经济性受到严重影响。因此，随着氯烃的出现，二氧化碳很快就被人们
也已达到十几个品牌，业集中度得到进～步提升。行
的提出，人们的目光又重新投向二氧化碳，现有热泵热水器（常
用Ｔ质为Ｒ２：２和Ｒ１４）的热水温度一般只能达到５ ℃，当需３ａ５要较高温度的热水时，只能借助于效率较低的电加热器。二氧化碳热泵热水器加热过程可实现良好的温度匹配，并且可获得高达９的热水，具有特殊的性能优势。０
４新型换热器技术研究与开发
目前常见的新型换热器有：（）１微小通道换热器；（２）蓄冷
关键点：高导热填料分布优化，引入近年来发展起来的构
形设计理论，得到了比均匀结构更优的高导热填料多尺度树状
３４２１０２年５月
日用电器
● 技术创新・日用电器
图４制冷循环装置考虑。
换热器；（）３构形多尺度换热器；（）４往复流动换热器。
（从回热器对系统影响的仿真结果可以看出，都比较有利。（）系统存在最优排气压力。最优排气压力在区间８～ｃ．５
一
图５带有多尺度高导热填料的蓄冷换热器
表１试验工况
具有巨大的经济和社会效益。对业主来说，直接效益是大大节
约空调和锅炉的运行费用，对整个国家来说，有效调节了电力
制生活热水用侧进水温度：１．２Ｃ出水温度：５．１使５０＂５Ｏ ℃ 实测工况热源侧干球温度：２．２Ｃ湿球温度：ｌ．０００￣５ｏ ℃ 制冷实测工用侧进水温度：１．２Ｃ出水温度：７Ｏ ℃ 使２０＂．１况热源侧干球温度：３．２Ｃ湿球温度：２．０Ｃ５０￣４Ｏ￣
约空调运行费用，而且还可节约占地空间，方便安装维护。
结构分布。
５热泵热水器实验测试及结果
Ｇ，＇１６ — ０８《业或工业用及类似用途的热泵热水ＢＩ２３２２０商
参考文献
机》品使用性能标准中，产定义了试验工况要求，如表１所示。
技术创新・ｅｈｏｇｄｎｏａｏＴｃｎｌｙｎｎｖｔｎｏａＩｉ
氧化碳热泵热水器研究及产品开发
熊市贵 ‘ 王岸林谭永林（．Ｃ１Ｉ空调器（Ｔ中山）有限公司中山３０１１０９２中山市技师学院．中山５８０２４０）
负荷峰谷差，每年可少消耗煤炭数亿吨，了ＳｘＮｘ降低Ｏ、Ｏ的排放，
改善本地区环境状况，具有巨大的环境效益。项目完成后可获
制热实测工使用侧进水温度：３．２Ｃ００￣出水温度：３．２（５０＂２况热源侧干球温度：７Ｏ ℃ 湿球温度：６０ ℃ ．２．０表２通过实验测试得到的结果数据铭牌标准规定测试数据单项评价参数技术要求热水制热量ｋ１．０ ≥ １．１．３Ｗ８００７１８１合格热水消耗功率ｋ４４０ ≤ ４８５４４６Ｗ．５．９．７合格执７件能系数ｋ／ＷｋＷｋ｛ ≥ ３７．４Ｏ．５合格制冷量ｋ１． ≤ １．１．３Ｗ２Ｏ１４２１合格制冷消耗功率ｋＷ４３ ≤ ４７４２５．．３．８合格制冷能效比ｋ／ＷＷｋ｝ ≥ ２６．２８．５合格制热量ｋＷ１４ ≥ １．１．５３３３８合格制热消耗功率ｋＷ４３． ≤ ４７４３５．３．６合格制热性能系数ｋ／ＷＷｋｆ ≥ ２８．３１．７合格噪音ｄ６． ≤ ６．６．Ｂ２Ｏ５Ｏ２３合格泄漏电流ｍＡ｜ ≤ １．Ｏ４ＯＯ．７合格测试项目单位
一
ｖｌｍｅ（ｗｌ曲ｏｕ ‘ 弹ｔｈ
● ∞Ｉ岫Ｉｎ
‘ｈｎｄｌｃ－－ ’）
＼＼＼
（）高导热系数材料分布例一（分二ｂ一
一
／
（）套管式换热器ａ
级分叉，阴影部分为高导热填料）
（）高导热系数材料分布例二（分多ｃ一级分叉，线粗细表示直径大小）
｛１，２３２２０１Ｔ１６－０８，商业或工业用ＧＢ
通过实验测试，得到的结果数据如表２所示。
［杨壳、圉良、２】丁黄冬平等．临界二氧化碳换热特性研究进展，亚ｌ制冷学报，２０（１８３０３４ — ４２【】３王侃宏、马一太，魏东等．Ｃ０２跨临界水—— 水热泵循环系统的实验研
鞋力，减小出Ｖ温度，所以应该在合理压降条件下，根据用户ｌＩ
需要选择水流量。
料分布强化换热的蓄冷换热器，所谓多尺度结构是指调料截面积和长度非均匀。图５给出了套管式换热器的例子，环形空间
为蓄冷介质，如冰，其内布置高导热填料铝纤维，设计了两种铝纤维分布方式，一种是平面式（二维），一种是三维结构，纤维分布为树状结构。主要结论如下：
（）ｅ加大风量，会使系统的性能系数增加，同时也会使但
风机的功率增加，故选择时应综合考虑。在环境温度低时，应适当加大风量；在环境温度高时，适当减少风量，这样虽然会降低系统性能系数，但可以使制热量达到合适，排气压力降低，从而使系统在更合理的工况下运行。
（）高导热填料质量（ａ在或体积）一定时，优化多尺度结
构有可能获得更高的当量导热能力或更小的热阻。
为研究循环特性，采用气一实验装置进行了实验研究，气
实验装置如图４所示。
（）ｂ多尺度结构优化特性与空隙率（高导热填料体积占总体积之比）、导热系数比、尺度数、分叉角度等相关。
调节误差不会引起装置性能的大幅度变化。（ｄ）加大水流量能增加系统的性能系数，但同时也会增加
但有效储能体积将减少，调料成本也将提高。设计的目标可转
变为在给定填料质量的条件下，优化高导热填料的分布。课题组采用构形理论，提出并研制了多尺度（树状）高导热系数填
蓄冷介质采用冰或其它相变亡时，一个主要缺点足其导质
热系数太低，严重制约了储能、释能速率，典型的解决方法足添加高导热系数填料以提高其当量导热系数，如在换热器内部添加金属丝。添加金属丝的质量或体积越大，强化效果越好．
１ＭａＰ。实际系统可以根据不同的１况控制最优排气压力，由１二于ＣＰ最优值附近，随排气压力变化缓慢，因而节流阀开度Ｏ在