二氧化碳制冷剂为汽车冬季供暖及其发展前景的分析
郭磊 (长安大学西安 710054)
摘要：随着对环境问题的关注, CO2以其优良的热物性, 成为制冷剂中具有良好发展前景的天然工质。本文介绍CO2 制冷剂组成的热泵系统,采用跨临界循环的方式为汽车冬季供暖,并分析了此种方式的优缺点以及改进方法。此外，还对汽车空调冬季供暖节能方法进行了可行性的探讨。
关键词：CO2跨临界循环汽车空调热泵
Guo Lei Discusses about the carbon-dioxide refrigerant to heat the motors in winter and the development of this system in future.
Abstract With the attention of environmental problem, the carbon- -dioxid e has good developing perspective depending on the excellence of physical natur e compared with many other refrigerants. This paper introduces the heat pump sy stem made up of carbon-dioxide refrigerant to heat the motors in winter by the way of Trans-critical cycle and analyze the virtue and defect of this system an d the measures of improvement. In addition, the author discusses the feasibilit y of several saving-energy means on heating motors in winter.
Keywords carbon-dioxide Trans-critical cycle automotive air-conditi oning heat pump
1前言
自人们发明机器，利用设备间循环系统来制取冷量和热量以来，制冷剂一直伴随着循环系统的改进而发展。从使用历史来看[1]，人们最初采用的自然工质是水，氨等。由于科学技术的进步，研究出了氟利昂类等合成工质，这些工质很大程度地提高了循环性能，无论是在制冷还是热泵循环方面都被认为是合格的工质，但同时也给环境造成了一定的影响。随着保护臭氧层的蒙特利尔议定书的生效，CFCs工质的替代问题显得更加紧迫。国内外诸多研究人员又把注意力集中到自然工质上来，但每一种工质都有其自身的优缺点。在这几种自然工质中，CO2发展潜力最大，也是最被研究人员看好的，在可燃性和毒性限制的场所，C O2具有无可比拟的优势。
2CO2的物理性质
CO2 具有大家都熟悉的性质，是一种对环境无毒、无害的自然工质，其消耗臭氧潜能值ODP＝0，在CO2 废气利用中，其温室效应潜能值GWP＝0，具有良好的安全性和稳定性，高温下不分解产生有害气体，单位容积制冷量高，运动粘度底，导热系数高等特点。
3CO2作为制冷剂组成的热泵系统在汽车中的应用
汽车空调在冬季供暖的问题一直是国内外诸多机构研究的重点。由于在冬季，室外气温低，乘客进出汽车时，室外冷空气涌入车体内，这样很难使汽车室内维持一个舒适的温度。传统的汽车冬季供暖，利用发动机余热进行供暖，但这种方法提供的热量是有限的，不能向车室内提供充足的热量来达到舒适的要求。随着汽车对室内舒适度要求的提高，这一问题将更加突出，遂必须探索新的供暖方式。
G.Lorentzen 针对CO2临界温度低[2] ，排气温度高的特点，提出跨临界循环理论，这个理论可望在汽车空调制冷﹑供热中发挥重要作用。但这种循环方式也有不足,它的主要缺点是运行压力高和循环效率较低[3] 。理论分析和实验研究证实[3]，CO2跨临界循环的COP 值要低于R22﹑R134a等传统工质的循环效率，针对这一缺点，提出了双级压缩理论和采用膨胀机回收一部分膨胀功的措施加以改善，并且效果良好。1996年8月，第一台公共汽车空调样机在车上通过现场实验且运行良好[4] 。改进的CO2 跨临界单级压缩热泵循环系统流程图如图1所示，T-S图如图2所示 [1]。
CO2跨临界循环气体冷却器所具有的较高的排气温度和较大的温度滑移与冷却介质的温升过程相匹配，使其在热泵循环方面具有独特的优势，从根本上解决了传统供热不足的缺点。通过调整循环排气压力，可使气体冷却器的排放过程较好地适应外部热源的温度和温升需要。用于热泵系统时，可使被加热流体的温度从15～20oC上升到30～40oC,甚至更高，因而可较好的满足车体内加热的要求[5]。目前，全球各大汽车生产厂和研发机构都在研究这个热泵循环系统如何优化，已达到更高的效率。跨临界CO2系统与传统制冷剂R134a相比，
供热潜力巨大，并且工质的GWP在所有工质中最低。1999年[6]，在美国凤凰城SAE会议上的实测结果表明，装载在中型汽车上的CO2系统样机性能均已达到或超过R134a系统，并且制冷机的回收和制取都比较方便。
目前，CO2跨临界热泵循环的实验大都在汽车样机中完成。天津大学热能研究所，已建立起我国第一台CO2 跨临界热泵循环实验台，对CO2系统的结构参数，可靠性，效率做了全面的研究[7]。有待对压缩机以及膨胀机等装置进行结构设计和优化，在提高热泵性能的同时，提高它的安全可靠行等方面进行进一步的研究论证后，方可在全国推广应用。
1关于汽车冬季供暖节能方法的探讨
(1)虽然CO2跨临界热泵循环解决了汽车冬季供暖的问题，但汽车尾气所排放的温度很高的CO2和其它碳氢化合物直接排入环境中，其GWP值高达1，不得不令人考虑利用汽车尾气的问题。
据统计[1] ，目前汽车所用发动机，用于动力输出的功一般占燃油总能量的30%～55%，以废热的形式排向车外的能量占燃油燃烧总能的65%～70%，排气温度高达400oC，部份废气温度高，热量大，完全排放对环境有影响，可以考虑充分利用这些废热来为汽车冬季供暖。在汽车启动或处于慢速及停车状态时，排气量不大，温度也不高，可以在发动机排气管上设置温控调节阀，由CO2热泵装置进行供暖，其冷端用于冷却发动机等其它设备。这样，我们可以充分利用废气的余热来为车内供热，减少CO2热泵的使用时间，在一定程度上，节约了能量。在汽车中安装两套供暖系统，以利用废气的热量为主要供热方式，CO2热泵装置为辅助供热系统。在国内[8],研究人员郑加绩发明了与废气相关的双热源汽车加热器,是以汽车废气余热为主要热源,来为大客车供暖,并已获国家专利。这种方法前景是比较乐观的，但要全面推广应用,还需进行多方面的研究，包括进行汽车结构的合理优化，尤其是对热交换器的密封性进行安全设计，以防止废气进入车室内，对人产生有害的影响。
(2)由于汽车尾气中含有CO2 和碳氢化合物，设法对汽车尾气进行分离净化，使其产生的高温高压CO2 蒸汽，直接作为热泵循环的制冷剂使用，夏季供冷，冬季供暖。此系统完全处于开放式状态，制冷剂的来源是汽车尾气本身。这种方法，省略了压缩机，将制冷﹑供热直接与汽车发动机排放的废气联系在一起，节省了一定的空间，同时有效的利用废气本身的能量，对热量进行二次利用,真正做到节能环保,彻底减少汽车废气对环境的污染。不过，这种供暖方式的结构较复杂，存在一定的设计难度，全面应用还需进一步论证。总之，随着各国对环境问题的关注，如何利用汽车尾气中的废气废热以及如何“变废气为宝”等问题，越来越多的受到国内外诸多学者的关注。
5 结论
无论是CO2跨临界循环，还是考虑利用汽车废气供热，都是解决冬季或恶劣气候环境下的汽车室内温度舒适性的问题。其中以CO2跨临界热泵循环的发展潜力最大，在理论和实验中都取得了令人满意的结果，但在结构优化及安全性方面还有待改进。总之，节能和环保是衡量一个热泵﹑制冷装置的重要标准，任何可行性方案的创造和应用都是以这个标准为中心，充分利用现有资源，创造一个舒适的人工环境。
参考文献
[1] 王如竹，丁国良等著《最新制冷空调技术》。
[2] G.Lorentzen, J Pettersen. A new ,efficient and environmentally benign syst em for car conditioning.Int.J.Refrig,1993,16(1): 4-12.
[3] 马一太,杨昭,吕灿仁, CO2跨临界(逆)循环的热力学分析.工程热物理学报,1998,19 (6):665-668.
[4] J.holst. Test Rig For CO2 Automotive For Conditioning Compressor, Internat ional Conference CFCs, Meeting of ⅡR Commission B1,B2,E1,E2, Aarhus,Denmark,19 96.
[5] Petter Neksa et al.CO2-heat pump water heater, characteristics, system de sign and experimental results, Int. J .Refrig,1998, 21(3):172-179.
[6] 陈江平,国内外空调系统技术发展趋势.制冷学报,2002,4.
[7] 王侃宏,马一太,魏东,洪芳军 ,王景刚. CO2跨临界水-水热泵循环系统的实验研究.中
国工程热物理学会工程热力学与能源利用学术论文集.南京,200,431-434.
[8] 郑加绩. 双热源汽车加热器 ,发明专利.专利申请号：03252200.2 .
目前使用的制冷剂已达70～80种，并正在不断发展增多。但用于食品工业和空调制冷的仅十多种。其中被广泛采用的只有以下几种： 1.氨（代号：R717）氨是目前使用最为广泛的一种中压中温制冷剂。氨的凝固温度为-77.7℃，标准蒸发温度为－33.3℃，在常温下冷凝压力一般为1.1～1.3MPa，即使当夏季冷却水温高达30℃时也绝不可能超过1.5MPa。氨的单位标准容积制冷量大约为520kcal/m3。氨有很好的吸水性，即使在低温下水也不会从氨液中析出而冻结，故系统内不会发生“冰塞”现象。氨对钢铁不起腐蚀作用，但氨液中含有水分后，对铜及铜合金有腐蚀作用，且使蒸发温度稍许提高。因此，氨制冷装置中不能使用铜及铜合金材料，并规定氨中含水量不应超过0.2%。氨的比重和粘度小，放热系数高，价格便宜，易于获得。但是，氨有较强的毒性和可燃性。若以容积计，当空气中氨的含量达到0.5%～0.6%时，人在其中停留半个小时即可中毒，达到11%～13%时即可点燃，达到16%时遇明火就会爆炸。因此，氨制冷机房必须注意通风排气，并需经常排除系统中的空气及其它不凝性气体。总上所述，氨作为制冷剂的优点是：易于获得、价格低廉、压力适中、单位制冷量大、放热系数高、几乎不溶解于油、流动阻力小，泄漏时易发现。其缺点是：有刺激性臭味、有毒、可以燃烧和爆炸，对铜及铜合金有腐蚀作用。 2.氟利昂-12（代号：R12）R12为烷烃的卤代物，学名二氟二氯甲烷，分子式为CF2Cl2。它是我国中小型制冷装置中使用较为广泛的中压中温制冷剂。R12的标准蒸发温度为－29.8℃，冷凝压力一般为0.78～0.98MPa，凝固温度为-155℃，单位容积标准制冷量约为288kcal/m3。R12是一种无色、透明、没有气味，几乎无毒性、不燃烧、不爆炸，很安全的制冷剂。只有在空气中容积浓度超过80%时才会使人窒息。但与明火接触或温度达400℃以上时，则分解出对人体有害的气体。R12能与任意比例的润滑油互溶且能溶解各种有机物，但其吸水性极弱。因此，在小型氟利昂制冷装置中不设分油器，而装设干燥器。同时规定R12中含水量不得大于0.0025%，系统中不能用一般天然橡胶作密封垫片，而应采用丁腈橡胶或氯乙醇等人造橡胶。否则，会造成密封垫片的膨胀引起制冷剂的泄漏。 3.氟利昂-22（代号：R22）R22也是烷烃的卤代物，学名二氟一氯甲烷，分子式为CHClF2，标准蒸发温度约为－41℃，凝固温度约为－160℃，冷凝压力同氨相似，单位容积标准制冷量约为454kcal/m3。R22的许多性质与R12相似，但化学稳定性不如R12，毒性也比R12稍大。但是，R22的单位容积制冷量却比R12大的多，接近于氨。当要求－40～－70℃的低温时，利用R22比R12适宜，故目前R22被广泛应用于－40～－60℃的双级压缩或空调制冷系统中。 4. R-134a(代号：R134a）分子式：CH 2 FCF 3 （四氟乙烷），分子量：102.03 沸点：-26.26℃，凝固点：-96.6°C ，临界温度：101.1 ℃，临界压力：4067kpa 饱和液体密度：25℃，1.207g/cm 3 ，液体比热：25℃，1.51KJ/(Kg·℃) 溶解度( 水中，25℃ ) ：0.15% ，临界密度：0.512g/cm3 破坏臭氧潜能值（ODP）：0 ，全球变暖系数值（GWP）：0.29 沸点下蒸发潜能:215 kJ/kg 质量指标：纯度≥ 99.9 % ，水份PPm≤ 0.0010，酸度PPm≤ 0.00001 ，蒸发残留物PPm≤ 0.01 R134a作为R12的替代制冷剂，它的许多特性与R12很相像。R134a的毒性非常低，在空气中不可燃，安全类别为A1，是很安全的制冷剂。R134a的化学稳定性很好，然而由于它的溶水性比R22高，所以对制冷系统不利，即使有少量水分存在，在润滑油等的作用下，将会产生酸、二氧化碳或一氧化碳，将对金属产生腐蚀作用，或产生“镀铜”作用，所以R134a 对系统的干燥和清洁要求更高。R134a对钢、铁、铜、铝等金属未发现有相互
二氧化碳制冷技术 二氧化碳具有高密度和低粘度，其流动损失小、传热效果良好，并且通过对传热作用的强化，可以弥补其循环不高的缺点。同时二氧化碳环境表现优良、费用低易获取、稳定性好、有利于减小装置体积。最重要的是，其安全无毒，不可燃，这一点比R290具有明显的优势。 当然，采用二氧化碳为制冷剂也有缺点，二氧化碳高的临界压力和低的临界温度也给它做制冷剂带来了许多难题。无论亚临界循环还是跨临界循环，二氧化碳制冷系统的运行压力都将高于传统的制冷空调系统，这必然会给系统及部件的设计带来许多新的要求。同时现阶段还存在二氧化碳制冷系统的效率相对较低的问题。 目前二氧化碳的研究和应用主要集中于三个方面： 一方面是汽车空调领域，由于制冷剂排放量大，对环境的危害也大，必须尽早采用对环境无危害的制冷剂； 第二方面是热泵热水器，二氧化碳在超临界条件下放热存在一个相当大的温度滑移，有利于将热水加热到一个更高的温度； 第三方面是考虑到二氧化碳良好的低温流动性能和换热特性，采用它作为复叠制冷循环低温级制冷剂。
在复叠式制冷系统中，二氧化碳循环在亚临界条件下运行。此时二氧化碳用作低压级制冷剂，高压级用NH3作制冷剂。与其它低压制冷剂相比，即使处在低温，二氧化碳的粘度也非常小，传热性能良好，因为利用潜热，其制冷能力相当大。 目前，欧洲在超市中已建立了几个这种用二氧化碳作低温制冷剂的复叠式制冷系统，运行情况表明技术上是可行的，这种系统还适用于低温冷冻干燥过程。 当前关于R22制冷剂的替代国际上主要有两种技术方案： 一种是以北欧国家和韩国为代表，其主张采用天然工质作为替代物，如纯工质R290、R1270、R744、R600a、R600、R717等，以及HCs类的混合物； 另一种是以美国和日本为代表的采用HFCs作为替代物，如美国联合信号公司的非共沸混合物R410A、杜邦公司和I.C.I公司的混合物R407C，以及R32和R152a等，这些制冷剂的ODP均为0，能够达到保护臭氧层的目的，但是会产生温室效应。 目前看来，二氧化碳在国内市场的前景，还有点像“雾里看花”，就像王立群所言，他们都了解它的好，但真正用的少。国内空调行业暂时看不到二氧化碳发展的影子，其在国内冷冻冷藏市场也才刚刚迈步，但在热
二氧化碳载冷剂制冷系统效果 Ｃ０２载冷剂系统类型有氟／Ｃ０２载冷剂系统、ＮＨ３／Ｃ０２载冷剂系统等。下图是Ｃ０２载冷剂系统载冷侧系统的示意图。Ｃ０２载冷剂系统一次制冷剂和载冷剂是在冷凝蒸发器中进行换热的，一次制冷剂在冷凝蒸发器中蒸发吸热，载冷剂０３２在其中冷凝放热。冷凝后的Ｃ０２液体进入Ｃ０２循环桶，然后通过循环泵将Ｃ０２液体输送到末端冷风机，并在其中蒸发完成制冷。蒸发后的湿Ｃ０２气体经循环桶分离后，Ｃ０２干气体回冷凝蒸发器，完成一次循环。 ｃｏ２载冷系统与其它载冷系统的相比，存在着优势：ｃｏ２作为载冷剂，无毒、无腐蚀。通过实例及理论分析发现，选用ｃｏ２作为载冷剂，可以满足选择载冷剂所必须具备的所有条件，同时可以提高系统的ＣＯＰ。载冷剂系统在制冷时，Ｃ〇２是相变换热，而其它如水、乙二醇等载冷剂在换热时未发生相变。因此ｃｏ２用冷风机的换热面积和ｃｏ２所使用的管道尺寸得到有效减小。研宂表明Ｃ０２所需的泵功率平均只占盐水类载冷剂所需泵功率的１０％。将Ｃ０２载冷剂系统与其它三种载冷剂系统（Ｃａｃｌ２、乙二醇、丙二醇）进行对比，得出Ｃ０２载冷剂系统节能达到２０％以上，并分析得出寿命周期内总费用比乙二醇系统要低２０％左右。Ｃ０２作为载冷剂的不足之处是运行压力较髙，制冷系统设计要求高。 目前国内使用的直接制冷系统主要有氨制冷系统（多为泵供液）和氟制冷系统（多为直接膨胀供液）。氨作为制冷剂虽然能效高，但是其有毒可燃可爆，存在着潜在的危险；氟利昂作为制冷剂，对环境存在着潜在的威胁。因此，氨系统和氟系统均存在各自的不足。 冰川制冷科技(北京)有限公司（简称冰川制冷）位于京津冀一体化发展的核心区域北京。冰川制冷致力打造节能环保技术的设计、施工和运营管理，冰川制冷长期与美国宾夕法尼亚大学保持着技术合作，先后共同开发出了高效环保的液体传热介质（简称载冷剂），至今为止已经研发了10余种型号载冷剂，满足不同工况使用最低温-100℃，最高温300℃，具有温域宽、对金属（铜、铝、碳钢、不锈钢等）材质无腐蚀、低温动力粘度小、低温比热大的特点，相比传统的载冷剂乙二醇、丙二醇有非常大优势。基于高效环保的载冷剂，公司针对冷库、中央空调、医药等涉及制冷的行业有多年的节能设计经验，可对不同行业，不同的制冷工艺进行优化设计和优化改造。
二氧化碳制冷剂为汽车冬季供暖及其发展前景的分析 郭磊 (长安大学西安 710054) 摘要：随着对环境问题的关注, CO2以其优良的热物性, 成为制冷剂中具有良好发展前景的天然工质。本文介绍CO2 制冷剂组成的热泵系统,采用跨临界循环的方式为汽车冬季供暖,并分析了此种方式的优缺点以及改进方法。此外，还对汽车空调冬季供暖节能方法进行了可行性的探讨。 关键词：CO2跨临界循环汽车空调热泵 Guo Lei Discusses about the carbon-dioxide refrigerant to heat the motors in winter and the development of this system in future. Abstract With the attention of environmental problem, the carbon- -dioxid e has good developing perspective depending on the excellence of physical natur e compared with many other refrigerants. This paper introduces the heat pump sy stem made up of carbon-dioxide refrigerant to heat the motors in winter by the way of Trans-critical cycle and analyze the virtue and defect of this system an d the measures of improvement. In addition, the author discusses the feasibilit y of several saving-energy means on heating motors in winter. Keywords carbon-dioxide Trans-critical cycle automotive air-conditi oning heat pump 1前言 自人们发明机器，利用设备间循环系统来制取冷量和热量以来，制冷剂一直伴随着循环系统的改进而发展。从使用历史来看[1]，人们最初采用的自然工质是水，氨等。由于科学技术的进步，研究出了氟利昂类等合成工质，这些工质很大程度地提高了循环性能，无论是在制冷还是热泵循环方面都被认为是合格的工质，但同时也给环境造成了一定的影响。随着保护臭氧层的蒙特利尔议定书的生效，CFCs工质的替代问题显得更加紧迫。国内外诸多研究人员又把注意力集中到自然工质上来，但每一种工质都有其自身的优缺点。在这几种自然工质中，CO2发展潜力最大，也是最被研究人员看好的，在可燃性和毒性限制的场所，C O2具有无可比拟的优势。 2CO2的物理性质 CO2 具有大家都熟悉的性质，是一种对环境无毒、无害的自然工质，其消耗臭氧潜能值ODP＝0，在CO2 废气利用中，其温室效应潜能值GWP＝0，具有良好的安全性和稳定性，高温下不分解产生有害气体，单位容积制冷量高，运动粘度底，导热系数高等特点。 3CO2作为制冷剂组成的热泵系统在汽车中的应用 汽车空调在冬季供暖的问题一直是国内外诸多机构研究的重点。由于在冬季，室外气温低，乘客进出汽车时，室外冷空气涌入车体内，这样很难使汽车室内维持一个舒适的温度。传统的汽车冬季供暖，利用发动机余热进行供暖，但这种方法提供的热量是有限的，不能向车室内提供充足的热量来达到舒适的要求。随着汽车对室内舒适度要求的提高，这一问题将更加突出，遂必须探索新的供暖方式。
2013年03月20日 01:00 来源：汽车之家类型：原创编辑：唐朝评论：295条 [汽车之家技术] 炎炎夏日即将到来，空调对于车辆可以说必不可少，但作为车辆空调制冷环节重要一环的制冷剂并不被人关注，目前常见的制冷剂或多或少存在污染大气的问题。近日，大众公布未来旗下全部车型将改为使用二氧化碳作为制冷剂，下面让我们来了解下这项技术。 ●车辆空调制冷原理 在了解二氧化碳制冷剂这项技术前，让我们先来了解下车辆空调制冷原理。实际上，车辆空调制冷原理同其他我们常见的制冷设施制冷原理基本相同，简单说就是车厢内的空气热量转移给制冷剂，制冷剂吸收热量汽化，最后由制冷剂将热量转移到车外大气中这一方法达到车厢内降温的目的。
●常见制冷剂及特点 多年前，制冷剂主要使用二氯二氟甲烷（冷媒代号R12），目前比较常见的制冷剂是四氟乙烷（冷媒代号R134a）。尽管它的价格比R12稍高，但由于R134a不含氯分子，热力性质与R12相似，且热交换效率比R12更优秀，它仍旧取代了之前的R12成为主流制冷剂。凡事都有两面性，R134a具有良好的水溶性，容易与润滑油产生化学反应生成酸、二氧化碳或一氧化碳，并对金属产生腐蚀作用。具有轻微毒性也是它的另一缺点。虽然R134a的臭氧层破坏系数为0，但是气候变暖潜能值很高（简称GWP，是定义温室气体相对强度的一种方法），在《蒙特利尔议定书》没有规定其使用期限，在《联合国气候变化框架公约—京都议定书》中定性为温室气体。 ●二氧化碳制冷剂及特点 为了进一步减少空气污染，大众近日公布未来将为旗下全部车型使用二氧化碳作为制冷剂。二氧化碳在地球上是取之不尽、用之不竭的自然资源。早在二十世纪初就已在工业与渔业的冷冻系统中使用，它的冷媒代号是R-744。二氧化碳有毒性小且不会分解出刺激性物质、无可燃性、获取容易，且它工作产生的温室气体效应远远小于传统制冷剂，但是二氧化碳存在一个重要缺点，就是它在制冷系统里的工作压力很高，是R134a制冷剂的10倍，所以要使用R744制冷剂就需要车辆空调系统经过特殊设计。 全文总结： 相比现在常见的制冷剂，大众新推出的以二氧化碳作为制冷剂的技术将延缓全球变暖速度，但使用这种技术需要汽车空调系统进行特殊设计，具体这种设计成本多少及应用到量产车上的时间大众并未公布，我们将对此项技术继续保持关注。（文/汽车之家唐朝）
二氧化碳制冷剂汽车空调 293430112001 曹广升 一、课题背景和目的 自蒙特利尔议定书签定以来, 以CFCs 和HCFCs 等氟利昂作制冷剂的制冷空调界面临着严重的挑战, 为了寻找合适的替代物, 全球范围内开展了广泛的研究。目前推出的包括R 134a在内的HFCs 及其混合物, 不能够满足长期替代的要求, 大多有较高的温室效应指数(GWP) 等缺点。同时, 人们担心这些化合物可能隐含着不可预知的潜在危险，因此, 天然工质就引起了人们的极大关注, 其中的二氧化碳因其具有良好的热力性能和环保特性, 尤其受到了重视。过去CFC12 作为汽车空调的制冷剂，其用量约占全世界CFC12 用量的28 。汽车空调由于处于动态工作环境，负荷大，使用开式或半开式压缩机极易引起泄漏。据测，全世界泄漏到大气中的CFC 物质中有3／4 是由于汽车空调泄漏引起的，在汽车空调装置中用新的制冷剂来替代的任务已十分紧迫。二氧化碳是少数几种无毒、不易燃的工质之一，如果泄露到大气中, 它不会导致臭氧层空洞等问题L 与其它工质相比, 二氧化碳具有明显的点: (1)ODP= 0, 且GWP＝1 很小, 约为R134a 和R22 的千分之一。 (2) 运动粘度低, 流动性大，压缩比较低(约为2.5- 3.0) , 单位容积制冷量大。 (3) 来源广泛, 价格低廉，维护简单, 无须循环利用。 (4) 无毒、不可燃, 对常用材料没有腐蚀性。 另外，二氧化碳空调的安全保护装置与现有系统相同；短期和长期暴露极限相当于甚至好于CFC/HCFC；破裂时释放的能量与现有系统相当；二氧化碳的所有特性都为人熟悉，研究应用方便；系统质量和体积与R134a 系统相当；蒸发潜热较大，单位容积制冷量相当大；充分适用各种润滑油和常用机器零部件材料等等优点。当前, 人们最关心的是环境污染的问题，二氧化碳作为天然物质, 对大气臭氧层无任何破坏作用, 其ODP= 0，至于GWP 值, 制冷系统本身不会产生二氧化碳, 只是利用它作为工质, 并且是从工业废气回收得到的, 用它作为制冷剂时, 其GWP 值为零，正是因为二氧化碳的这些优点, 致使它得到人们的重视和关注，不少专家预言, 二氧化碳将是二十一世纪制冷空调技术的理想制冷剂，并且已被很多国家作为汽车空调制冷
二氧化碳具有高密度和低粘度，其流动损失小、传热效果良好，并且通过对传热作用的强化，可以弥补其循环不高的缺点。同时二氧化碳环境表现优良、费用低易获取、稳定性好、有利于减小装置体积。最重要的是，其安全无毒，不可燃，这一点比R290具有明显的优势。 当然，采用二氧化碳为制冷剂也有缺点，二氧化碳高的临界压力和低的临界温度也给它做制冷剂带来了许多难题。无论亚临界循环还是跨临界循环，二氧化碳制冷系统的运行压力都将高于传统的制冷空调系统，这必然会给系统及部件的设计带来许多新的要求。同时现阶段还存在二氧化碳制冷系统的效率相对较低的问题。 目前二氧化碳的研究和应用主要集中于三个方面：一方面是汽车空调领域，由于制冷剂排放量大，对环境的危害也大，必须尽早采用对环境无危害的制冷剂；第二方面是热泵热水器，二氧化碳在超临界条件下放热存在一个相当大的温度滑移，有利于将热水加热到一个更高的温度；第三方面是考虑到二氧化碳良好的低温流动性能和换热特性，采用它作为复叠制冷循环低温级制冷剂。 在复叠式制冷系统中，二氧化碳循环在亚临界条件下运行。此时二氧化碳用作低压级制冷剂，高压级用NH3作制冷剂。与其它低压制冷剂相比，即使处在低温，二氧化碳的粘度也非常小，传热性能良好，因为利用潜热，其制冷能力相当大。目前，欧洲在超市中已建立了几个这种用二氧化碳作低温制冷剂的复叠式制冷系统，运行情况表明技术上是可行的，这种系统还适用于低温冷冻干燥过程。美国伊利诺伊大学（UIUC）空调和制冷中心的C.W.Bullard 等对二氧化碳工质在家用空调、超市冷柜等方面的应用进行了广泛的理论与实验研究。而超市的制冷剂替代也是当务之急。据了解，超市消耗的能源中多达60%是用于制冷的。使用二氧化碳的制冷系统将大幅度减少这一数字。目前关于R22制冷剂的替代国际上主要有两种技术方案：一种是以北欧国家和韩国为代表，其主张采用天然工质作为替代物，如纯工质R290、R1270、R744、R600a、R600、R717等，以及HCs类的混合物；另一种是以美国和日本为代表的采用HFCs作为替代物，如美国联合信号公司的非共沸混合物R410A、杜邦公司和I.C.I公司的混合物R407C，以及R32和R152a等，这些制冷剂的ODP均为0，能够达到保护臭氧层的目的，但是会产生温室效应。 目前看来，二氧化碳在国内市场的前景，还有点像"雾里看花"，就像王立群所言，他们都了解它的好，但真正用的少。国内空调行业暂时看不到二氧化碳发展的影子，其在国内冷冻冷藏市场也才刚刚迈步，但在热泵热水器领域，国内即将出台二氧化碳热泵热水器的核心配件标准--GB/T26181-2010。参与标准制定的上海日立电器有限公司热泵推进办公室部长乐红胜认为，虽然在国内采用二氧化碳制冷剂的热泵热水器还没问世，核心部件压缩机也处于研发阶段，"但这一超前标准的制定，将会对产品的市场推广起到良好的作用。" 二、CO2制冷剂的性质 （一）CO2制冷剂具有的主要优势 1．CO2是天然物质，ODP=0，GWP=1。使用CO2作为制冷工质，对大气臭氧层没有破坏作用，可以减少全球温室效应，来源广泛，勿需回收，可以大大降低制冷剂替代成本，节约能源，从根本上解决化合物对环境的污染问题，具有良好的经济性。 2．CO2安全无毒、不可燃，并具有良好的热稳定性，即使在高温下也不会分解出有害的气体。万一泄漏对人体、食品、生态都无损害。 3．CO2具有与制冷循环和设备相适应的热物性。分子量小，制冷能力大，0℃的单位制冷量比常规制冷剂高5～8倍，因而对于相同冷负荷的制冷系统，压缩机的尺寸可以明显减小，重量减轻，整个系统非常紧凑；润滑条件容易满足，对制冷系统常见材料无腐蚀，可以
二氧化碳制冷剂 CO 2制冷剂通常被称为R744制冷剂，它的GWP 值最低，仅为1。R134a 的GWP 值为1430， 比CO 2制冷剂的破坏能力强1430倍。尽管有些CO 2会从空调系统中泄露出去，但泄露的CO2 对环境产生的影响却很小。 R152a 的GWP 值为124，介于二者之间。使用CO2制冷剂的空调系统比目前市场上流行的使用R134a 制冷剂的空调系统最多可节能25%。 由于CO 2的临界点溫度相当的低(31.1℃相当于88℉)，我们的环境溫度便已接近此溫度， 若使用CO 2为冷媒进行压缩，则其冷凝散热溫度勢必将超过临界点溫度，而处于超临界区之中。 不幸的是，CO 2的临界点压力相当高(73.8 bar 相当于107O psi)，而且，其冷凝散热是 位在超临界区之中进行，因此，其工作压力将更高于临界压力。就国际间所开发的CO 2压缩机 测试数据显示，其压缩机的吸入囗压力便已达35～4O bar(約500～60O psi)，而其出囗压力更高达80～llO bar(约1200～1600 psi)，平均压力约为R-l2压力的10倍左右。 一、CO 2冷媒的优点如下： 1、对人体健康与居住环境无短、中、长之害外，故不需回收或再外理。 2、无毒且不会分解出刺激性物质。 3、不可燃(Non-Flammable)与不会爆炸(Non-Explosive)。 4、极佳的热力性质。 5、气体密度高，可降低使用的管路与压缩机尺寸，而使系统重量减轻、结构紧凑、体积小，同時压缩机的压缩比降低，压缩过程可以更接近等熵压缩而使效率提升。 6、取得容易(可从工业废气中取得)，成本低。 7、不破坏臭氧层（臭氧层破坏潜能值ODP=0）。 8、溫室效应指数(全球变暖潜能值GWP)为1。 应用在汽车空调实列：用于冷却的CO 2 空调系统的基本结构与传统的采用HFC134a 制冷剂的汽车空调系统有很大区别。首先，在新系统中采用了一个气体冷却器来冷却从压缩机里排出的 CO 2 制冷剂，该气体冷却器相当于传统的冷凝器。由于 CO 2 制冷剂通常在高压侧都超过 了临界点，所以它不会被气体冷却器冷凝，取而代之的，通过一种隔热膨胀方式（采用一种膨胀阀）使制冷剂一部分可以被冷凝。气体冷却器出口与蒸发器之间的内部热交换器通过与流到系统压处的制冷剂交换热量的方式进一步冷却了制冷剂。这种内部热交换器增加了蒸发器入口的液体制冷剂量，增强了冷却功能。在 CO 2 制冷剂工作系统中，由于制冷剂不能以液 体状态存在于高压侧，所以在低压侧 相当于 HFC 134a 制冷系统的高压侧）采用了一个收集
空气能热水器用二氧化碳冷媒技术 作为热水器行业“最年轻”的品类，空气能热水器进入中国市场几十年，但真正发展不过几年的时间。而代表行业领先水平的二氧化碳冷媒技术一直掌握在少数欧美、日本发达国家手中，中国鲜有涉及。海尔热水器此次展出的天沐系列空气能热水器采用二氧化碳冷媒作为导热介质，在多个方面实现了突破。 笔者了解到，应用了二氧化碳冷媒技术的海尔空气能热水器同时在节能、环保、静音、最高出水温度、使用地区、质保六个方面做到了行业最优。在节能方面，应用了二氧化碳冷媒技术的海尔天沐KING系列空气能热水器COP（能效比）达到了5.2，也就是说用1度电就可以从空气中获取5度电所产生的热能，比普通电热水器节能80%，远超国家一级效能。 在环保和使用地区上，海尔天沐KING系列空气能热水器摒弃了国内普通空气能热水器常用的氟利昂，以二氧化碳为新冷媒进行热水加热，不仅对臭氧层0破坏，还打破了空气能热水器只能在华东华南地区使用的局限，能够在-25至43的范围内使用。 另外，由于二氧化碳热泵属于超临界循环，排气温度较高，使得天沐KING系列空气能热水器最高出水温度可以达到80，比普通空气能热水器出水温度高约45%。38分贝的超静音，远远低于国家标准的55分贝要求。 2 CO2冷媒特性 作为自然工质的CO2，在19世纪80年代到20世纪30年代被广泛于制冷空调领域，与氨（NH3）一样。作为一种已经被使用过，可以取自于环境并被证明是对生态环境无害的制冷工质，后被性能较好的HCFC、CFD类人工合成冷媒替代；最近一段时间，由于环保、节能的要求，CO2冷媒凭其环保、安全、稳定、热力性质佳等优势，又一次受到了广泛的重视，尤其是在热泵热水器领域，产业化的商品发展较为迅速。应用于制热循环时，由于其自身物
CO2冷媒应用及技术发展趋势 1引言 节能、环保、低碳是当今相关技术发展的方向，作为自然冷媒的CO2由于其环保、无毒，及特别的跨临界循环，又开始被人们较关注及大范围的使用，日本、欧洲等过相关法规已逐步建立，CO2热泵热水器产品也投入市场，此外环保要求CO2也在欧洲被应用于冷冻、冷藏，而对于中国来说，CO2相关技术及产品处于孕育阶段，今后需大力发展。 2 CO2冷媒特性 2.1 冷媒特性 作为自然工质的CO2，在19世纪80年代到20世纪30年代被广泛于制冷空调领域，与氨（NH3）一样。作为一种已经被使用过，可以取自于环境并被证明是对生态环境无害的制冷工质，后被性能较好的HCFC、CFD类人工合成冷媒替代；最近一段时间，由于环保、节能的要求，CO2冷媒凭其环保、安全、稳定、热力性质佳等优势，又一次受到了广泛的重视，尤其是在热泵热水器领域，产业化的商品发展较为迅速。应用于制热循环时，由于其自身物性特点，CO2与现有常用的R22、R410A及R134a等工质的特性存在较大的差异。 表1 环保性：如表1，R410A，R134a与CO2都是对大气臭氧层没有破坏作用，即其ODP值为0。但R410A和R134a的GWP仍较高，分别为CO2的1700和1300倍，属于需要减排的温室气体，只能作为替代工质，而不能长久使用。CO2作为一种在地球生物圈内自然存在的，ODP值为0，GWP值为1（CO2被定义为1，作为基准值），并已经被证明是对人类无害的物质，目前受到了制冷学术及行业界的一致关注； 制冷剂名称R744（CO2）R22 R410A 工作压力范围(MPa) 高压:9～12 高压:2～3 高压:3～5 低压:2～4.5 低压:0～0.7 低压:0～1.5 单位容积制冷量(kJ/m3) 51868 11385 16759 表2 热力学特性：CO2冷媒单位容积制冷量大，3～5倍于R410A及R22（见表2）；CO2处于超临界流体状态，比热大、导热系数高、动力粘度低的性质，使其具有比液体和气体更佳的传输性能和传热特性，传热效率高，如表3。此外，与常规制冷剂相比，C02绝热指数较高,跨临界制冷循环的压缩比较小，约为2 ～4，压缩过程更接近等熵，有利于指示效率的提高
二氧化碳在汽车空调中的应用 汽运091－刘天文CO2作为最早采用的制冷剂之一，从19世纪初直到20世纪30年代得到了普遍使用，随着CFCs的出现，CO2很快被人们所抛弃，主要原因是在冷却水温高的热带地区，由于C O2的临界温度只有31.1℃，采用传统Perkin蒸汽压缩制冷循环时冷量损失较大，且存在着饱和压力过高，压缩机功耗过大的缺点，当然这也和当时的制造水平有关。20世纪70 年代，CFC及HCFC被发现破坏大气臭氧层及温室效应指数较高而面临全面禁用。HFC1 34a也由于其温室效应指数较高而被认为是一种过渡型的替代物。在此背景下，超临界循环的二氧化碳系统以其优良的环保特性、良好的传热性质、较低的流动阻力及相当大的单位容积制冷量，重新在制冷领域，尤其在认为用新型化合替代物同样会隐藏着不可预知潜在危险的欧洲得到了青睐，从1994年起BMW、DAIMLERENZ、VOLVO、德国大众、Danfoss、Valeo等欧洲著名公司发起了名为“RACE”的联合项目，联合欧洲著名高校、汽车空调制造商等研制二氧化碳汽车空调系统，并计划在2003年欧洲生产的汽车一半装备二氧化碳汽车空调系统。目前已完成样机制备，并装车试验，二氧化碳汽车空调系统的产品化指日可待。 与HFC134a相比，CO2作为制冷剂具有明显的优点： (1)ODP=0,GWP≈0 (2)蒸发潜热r较大，单位容积制冷量相当大(0℃时单位容积制冷量是NH3的1.58倍，是R12和R22的8.25倍与5.12倍) (3)运动粘度低(0℃时CO2饱和液体的运动粘度只为NH3的5.2%，是R12的23.8%) (4)绝热指数较高K=1.30，压缩机压比π=PH/P0约为2.5～3.0，比其它制冷剂系统低，接近于最佳经济水平。 (5)适应各种润滑油和常用机器零部件材料。