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二氧化碳复叠式空气源热泵
复叠式空气源热泵是一种新型的热泵技术，其核心是采用二氧化碳作为工质。
该技术通过多级复叠的方式将热泵循环中的热量逐步提高，从而提高了系统的热效率。
在复叠式空气源热泵中，二氧化碳通过压缩和膨胀对热量进行转移。
当二氧化碳被压缩时，其温度将升高，这时可以利用该热量进行加热；当二氧化碳被膨胀时，其温度将降低，这时可以将低温的外部空气中的热量吸收，从而实现制冷。
复叠式空气源热泵相比传统的空气源热泵具有更高的热效率和更低的环境影响。
二氧化碳作为一种天然制冷剂，使用安全可靠，还可减少对大气环境的损害。
同时，该技术还具有可调节的功能，可以根据不同的环境温度和负载条件灵活调整工作状态。
总的来说，复叠式空气源热泵是一种具有广阔应用前景的新型热泵技术，将在未来的建筑节能领域和环境保护领域发挥重要作用。
跨临界CO2热泵的并行复合循环关键技术使用计划方案一、实施背景随着能源需求的不断增加和传统能源的日益枯竭，新能源的开发和利用已成为全球能源领域的热点。
其中，CO2热泵作为一种高效、环保、节能的新型能源利用技术，受到了广泛的关注和研究。
跨临界CO2热泵是CO2热泵的一种重要变种，具有更高的工作效率和更广泛的应用范围，但其制冷剂在循环过程中需要跨越临界点，因此对系统的设计和控制提出了更高的要求。
为了进一步提高跨临界CO2热泵的效率和稳定性，需要采用并行复合循环技术对其进行优化和改进。
二、实施计划步骤1.系统设计：根据跨临界CO2热泵的特点和应用需求，设计并行复合循环系统的结构和参数，确定系统的工作流程和循环过程。
2.制备原材料：根据系统设计的要求，制备所需的原材料和设备，包括压缩机、换热器、膨胀阀等。
3.系统组装：将制备好的原材料和设备组装成系统，并进行密封、连接和调试，确保系统的稳定性和安全性。
4.系统测试：对组装好的系统进行测试和调试，包括温度、压力、流量等参数的测试和调整，以确保系统的正常运行和稳定性。
5.系统优化：根据测试结果和实际应用需求，对系统进行优化和改进，包括工作流程的调整、循环过程的优化等，以提高系统的效率和稳定性。
三、工作原理跨临界CO2热泵的并行复合循环技术是将两个或多个CO2循环系统并联在一起，通过复合循环的方式实现跨临界CO2热泵的优化和改进。
具体工作原理如下：1.压缩循环：将低温低压的CO2气体经过压缩机压缩成高温高压的气体，然后通过换热器将其与高温高压的CO2气体进行换热，提高其温度和压力。
2.膨胀循环：将高温高压的CO2气体经过膨胀阀膨胀成低温低压的气体，然后通过换热器将其与低温低压的CO2气体进行换热，降低其温度和压力。
3.并联循环：将压缩循环和膨胀循环并联在一起，通过复合循环的方式实现跨临界CO2热泵的优化和改进，提高其效率和稳定性。
四、适用范围跨临界CO2热泵的并行复合循环技术适用于以下领域：1.工业制冷：用于制冷工艺、制冷设备和冷却系统等。
车用co2热泵全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：汽车工业一直致力于寻找清洁、高效的能源替代传统燃油，以减少对环境的影响。
在这个背景下，车用CO2热泵技术应运而生，成为一种具有巨大潜力的替代能源方案。
CO2热泵是一种基于二氧化碳（CO2）作为工质的热泵技术，通过压缩和膨胀过程实现热量的传递。
在车辆领域，CO2热泵被广泛应用于汽车空调系统和座椅加热系统中，以提高能效和减少能源消耗。
与传统的制冷剂相比，CO2具有很多优势。
CO2是一种天然存在的气体，不会对大气造成破坏，符合环保要求。
CO2的传热性能优异，能够更高效地传递热量，提高系统的能效。
CO2的温度和压力范围适中，易于控制和操作，能够满足汽车空调系统和座椅加热系统的工作需求。
在汽车空调系统中，CO2热泵技术可以有效提高系统的制冷效果和能效。
传统的汽车空调系统使用氟利昂等制冷剂，存在全球变暖潜力和温室效应，而CO2热泵系统不仅具有更高的制冷效果，还可以降低对环境的影响。
CO2热泵系统还可以减少汽车空调系统对发动机功率的依赖，降低燃油消耗，提高车辆的能效。
在座椅加热系统中，CO2热泵技术也可以发挥重要作用。
传统的座椅加热系统通常通过电阻加热或液体循环加热实现，能耗较高。
而CO2热泵技术可以通过热泵循环过程将低温座椅表面上的热量吸收，并经过压缩升温后传递到座椅内部，实现座椅加热的效果。
这种方式不仅能够节能减排，还可以提高座椅加热效率，提升车辆舒适性。
未来，随着环保意识的提升和清洁能源需求的增加，CO2热泵技术在汽车行业的应用前景将会更加广阔。
汽车制造商可以加大对CO2热泵技术的研发和推广力度，将其应用于更多的汽车配套系统中，以实现汽车能效的提升、节能减排的目标。
车用CO2热泵技术是一种具有巨大潜力的替代能源方案，可以有效提高汽车系统的能效、减少能源消耗、降低对环境的影响。
在未来的汽车发展中，CO2热泵技术将发挥越来越重要的作用，推动汽车行业向更清洁、更高效的方向发展。
科技与创新┃Science and Technology&Innovation2020年第03期文章编号：2095－6835（2020）03－0080－02高效节能环保跨临界CO2热泵技术李林凤，王明，马瑞军，李宁，刘玉峰（北京大学包头创新研究院热能工程研究所，内蒙古包头014010）摘要：跨临界CO2热泵以CO2作为制冷剂，由回热器、气体冷却器、压缩机、蒸发器、气液分离器等各个部件组成，是一种新型的热资源回收利用的设施，具有效率高、运行成本低、应用范围广、稳定性和可靠性高、环保性良好等诸多优点，有着广阔的市场空间和应用前景。
关键词：跨临界；CO2热泵；节能；环保中图分类号：TU831文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2020.03.0311引言节能和环保是21世纪科技领域永不褪色两大议题。
余热回收是节约能源的一大重要途径，热泵技术在余热回收领域应用广泛，但受制冷剂的制约不能大范围推广应用，传统制冷剂如CFCs、HCFCs等对地球臭氧层造成破坏，导致温室效应比较严重，其在环保要求越来越严格的今天受到越来越多的限制。
因此，研发一种以高效、绿色环保为制冷剂工质的新型热泵技术是解决节能和环保问题的关键，其研究开发应用推广迫在眉睫。
自然制冷剂CO2作为传统制冷剂工质的替代物重新兴起[1]。
采用CO2工质作为制冷剂的跨临界热泵机组，因其对环境无污染、无破坏，系统运行稳定、设备紧凑并具有较高的系统能效比，作为一种高效、节能、环保的新型技术被广泛地开发和应用。
因此，跨临界CO2热泵机组具有较强的市场竞争力，有着广阔的市场空间和前景[2-3]。
2跨临界CO2热泵技术跨临界CO2热泵机组是一种热量转移装置，可以将从周围环境中吸取的热量传递给被加热的对象。
跨临界CO2热泵工作时，通过自身消耗一部分能量，把环境介质中储存的能量加以利用，对通过传热工质循环系统提高的温度进行利用，而整个热泵机组自身消耗的一部分能量占输出功的比例很小，因此，采用跨临界CO2热泵技术可以充分利用低品位能源，节约大量高品位能源。
co2热泵技术原理
CO2热泵技术是一种高效、环保的供暖、制冷技术。
CO2热泵技
术的基本原理是将低温热源通过压缩升温，再通过换热，将其传递到
室内，形成供暖或制冷。
CO2热泵技术的运作过程可以分为以下几个步骤：
第一步：压缩。
CO2热泵器的压缩机起到压缩低温、低压的制冷剂，提高其温度
和压力，使其更加适合换热。
在这个过程中，碳气会逐渐转化为高温、高压气体，在此高温高压状态下，能够有效地满足供热或者制冷的需要。
第二步：冷凝。
经过压缩的高温、高压气体进入冷凝器，通过对流散热的方式，
使得高温气体逐渐冷却下来，变成液态。
这个过程需要大量的冷凝器
来散热，既保证供暖或制冷的质量，又保障热泵机组的发热量和运行
效率。
第三步：膨胀。
经过冷凝器处理之后，CO2热泵系统的制冷剂进入膨胀阀。
在膨
胀阀内，高压CO2会降压，变成低压CO2，并逐渐降温。
这个过程中，部分CO2蒸发变成气体，反应能够持续供给热泵机组运行的能量。
第四步：换热。
CO2热泵系统所产生的热能通过换热的方式，传输到室内。
这个
过程中，CO2通过蒸发温度上升的特性，将外界低温热源的热量吸收，传递到室内，形成供热或制冷效果。
CO2热泵技术的基本原理经过多年的实践精细打磨，日益趋于完善。
在建筑节能和环保方面，CO2热泵技术已成为先进技术的代表之一。
其环保、高效的特性受到人们广泛的认可和追捧，也已经成为许多企
业和家庭选择的最佳解决方案之一。
CO2跨临界热泵系统特性再分析CO2跨临界热泵系统是一种高效能的新型能源系统，利用超临界二氧化碳（CO2）作为工质，在高温高压条件下进行循环，实现热能的传递和转换。
该系统具有高效率、节能环保、稳定性好等特点，被广泛应用于工业、商业和家庭等领域。
本文将对CO2跨临界热泵系统的特性进行再分析，以便更好地了解其性能和优势。
首先，CO2跨临界热泵系统具有高效率。
由于CO2在跨越临界点后具有较高的热物性参数，因此在高温高压条件下，其传热效率更高，工作效果更好。
在能源转换中，CO2可实现高效的吸热和释热过程，使系统的能效更高，能够满足不同工作条件下的需求。
其次，CO2跨临界热泵系统具有节能环保的特点。
与传统热泵系统相比，CO2跨临界热泵系统不仅能够有效利用能源，提高能源利用率，还能减少对环境的污染，减少CO2的排放，符合绿色环保的理念。
在目前环保日益受到关注的情况下，CO2跨临界热泵系统的应用前景广阔，是未来节能环保的重要选择。
此外，CO2跨临界热泵系统具有稳定性好的特点。
跨临界CO2在高压高温环境下，其物性参数较为稳定，不易发生波动和变化，系统运行稳定可靠。
而且CO2具有较高的传热能力和传质能力，使得系统在各种工况下都能够保持良好的运行状态，保证了系统的稳定性。
总的来说，CO2跨临界热泵系统具有高效率、节能环保和稳定性好的特点，是一种具有广泛应用前景的新型能源系统。
在未来的发展中，CO2跨临界热泵系统将不断完善和改进，为我国的工业生产和生活提供更加可靠和高效的能源解决方案。
希望通过本文的再分析，能够更好地认识和理解CO2跨临界热泵系统的特性和优势，为其在未来的发展中提供更多的支持和推动。
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。
CO2热泵技术摘要：CO2作为热泵工质在跨临界状态下循环，在气体冷却器中产生温度滑移，适合水的加热。
在分析了CO2跨临界循环特点的基础上指出，CO2可与传统的制冷剂及其替代物相竞争，具有较高的制热效率。
给出CO2热泵干燥系统的两种形式，并作简要分析。
指出CO2作为热泵工质面临的问题。
关键词：二氧化碳；跨临界循环；热泵热水器；热泵干燥1 CO2工质概述1.1 CO2工质发展史在1850年,Twing提出在蒸气压缩系统中采用CO2作为制冷剂并获英国专利。
1869年Lowe 第一次成功使用CO2应用于商业制冷机,证实了CO2作为制冷剂的可能性。
1882年Linde设计开发了采用C02为工质的制冷机。
1884年Raydt设计的CO2压缩制冰系统获得了英国专利。
1884年Harrison也设计了一台采用CO2的制冷装置并获得了英国专利。
1886年Windhausen设计的CO2压缩机获得了英国专利,并于1890年开始投人生产。
随后C02制冷剂的使用有了快速的发展。
20世纪40年代在英国的船上广泛采用了CO2压缩机。
1931年,以R12为代表的CFCs制冷剂一经开发,便以其无毒、不可燃、不爆炸、无刺激性、适中的压力和较高的制冷效率,很快取代了CO2在制冷方面的位置,CO2逐渐不再被作为制冷剂使用,最后一艘使用CO2制冷机的船只在1950年停止工作。
进人到20世纪末期,由于CFCs对于臭氧层和大气变暖的重要影响,为保护环境,实现CFCs替代成为全世界共同关注的问题。
世界范围内的CFCs替代进程在不断加快。
中国制冷空调行业的替代转换工作起始于上世纪90年代初。
前国际制冷学会主席G.Lorentzen在1989～1994年大力提倡使用自然工质,特别是对于CO2的研究与推广应用上起了很好的推动作用。
目前跨临界CO2热泵及其部件的开发研究已经成为制冷领域的热点之一【1】。
1.2 CO2工质的性质常温下,CO2是一种无色、无嗅的气体。
其相对分子量为44.01,临界压力为7.37MPa,临界温度为31.1℃ ,临界容积为0.00214m3/kg,比热容为0.833kJ/(kg.K),三相点温度为-56.57℃ ,三相点压力为416kPa,在101.325kPa下,其升华温度为-78.15℃ ,蒸发热573.27kJ/kg。
CO2是碳的最高氧化状态,具有非常稳定的化学性质,既不可燃,也不助燃。
作为制冷剂,人们希望其安全性、循环效率、价格等方面均佳,但实际上并不存在一种十全十美的制冷剂。
与其它制冷剂相比,CO2也有其优势与不足。
表1和表2列出的几种制冷剂性质的比较。
表1 几种制冷剂主要性能比较【2】表2 几种制冷剂的毒性【2】由上表可以看出，CO2作为自然工质，与常用制冷剂相比具有独特的优势：(1)环境性能优良。
CO2是自然界天然存在的物质,它的臭氧层破坏潜能(ODP)为零,其温室效应潜能极小(GWP=1)。
而现在作为推荐替代工质的HFCs及其混合物,其ODP虽为零,但GWP却比C02高1000～2000倍。
(2)自身费用低,无需回收或再生,操作与运行的费用也较低。
(3)化学稳定性好,完全适用于普通的润滑油和通常的制造材料。
(4)有利于减小装置体积,高的工作压力使得压缩机吸气比容较小,使得容积制冷量增大,使得压缩尺寸减小。
流动和传热性能提高,减少了管道和热交换器的尺寸,从而使系统非常紧凑。
(5)安全无毒,不可燃,即使在高温下也不分解产生有害气体。
2 CO2跨临界循环及特点由于CO2临界温度较低(31.1℃)，其热泵循环流程采用的是跨临界循环(系统循环原理图及t-s图见图1)。
CO2跨临界循环时，压缩机的吸气压力(图1中1点)低于临界压力，蒸发温度也低于临界温度，循环的吸热过程在亚临界条件下进行，换热过程主要依靠潜热来完成。
但是压缩机的排气压力(图1中2点)高于临界压力，换热过程依靠显热来完成，此时高压换热器不再称为冷凝器，而称为气体冷却器。
由图2可以看出，CO2跨临界循环具有以下几个特点：(1)放热过程是一个伴随有较大温度滑移的变温过程，这正好与水加热时的温升相匹配，是一种特殊的洛伦兹循环，可以减少高压侧不可逆传热引起的能量损失，有利于提高循环系统的COP；(2)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，进而提高系统的性能系数；(3)系统的运行压力高，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；(4)传统的亚临界系统，制冷剂在冷凝器出口的焓值仅是温度的函数，而CO2跨临界循环系统中，超临界压力状态下温度和压力彼此独立，所以高压侧压力对制冷剂焓值有影响，高压侧压力也会对制冷量、压缩机功耗和COP值产生影响，由图2可知在最佳排气压力下，循环系统的性能系数COP可达到最大【3】。
(a) 系统循环原理图（b）t-s图图1 CO2跨临界循环图2 制冷量、压缩机功耗、COP值与压缩机排气压力的关系3 CO2热泵系统及其应用3.1 热泵热水器CO2跨临界循环应用的另一个主要领域是热泵热水器,近年来CO2热泵热水器技术发展迅速。
与常规的氟里昂热泵热水器相比, CO2热泵热水器能制取90℃的高温热水,而常规的氟里昂热泵热水器的热水温度一般只能达到55～65℃；同时CO2热泵的制热性能系数也比常规的氟里昂热泵循环高,可达到4.0以上。
但是CO2制冷剂在热泵热水器系统中的压力要比常规的氟里昂系统R410A高很多,因此CO2热泵系统需要专门设计。
表3给出了CO2热泵实际系统与氟里昂R410A系统中的主要参数对比情况。
从表3可以看出,与R410A制冷剂相比,CO2热泵系统的高压压力达到12MPa,系统在这样的高压下运行,必须考虑系统承受高压的性能、高压保护、压缩机的选择、润滑油的选择等一系列问题。
表3 CO2制冷剂在热泵实际系统中的压力等参数【2】图3是挪威NTNU-SINTEF实验室关于二氧化碳热泵热水器试验系统图【4】。
图中省去了各种控制阀和传感器。
实际系统中，热源为工业废气、空气等，这里采用电加热乙二醇溶液来模拟热源，气体冷却器采用逆流流动。
蒸发器是板壳式换热器，能承受较高的压力。
节流阀开度根据高压侧的排气压力动态调节，使系统在最优高压侧压力下运行。
图3 二氧化碳热泵热水器试验系统示意图试验结果表明二氧化碳适合作为热泵热水器制冷工质。
以空气作为热源，当供应热水温度为60℃时，二氧化碳热泵热水器的能量消耗比电或燃气热水器降低了75％。
图4显示了制热系数随蒸发温度的变化情况【5】，水温从10℃升至60℃。
蒸发温度升高，制热系数基本成线性规律上升。
图4 制热系数随蒸发温度变化曲线实际工程中应尽量提高蒸发温度。
制热系数随出口水温升高而降低，图5显示了制热系数随热水温度变化情况【4】。
当二氧化碳热泵热水器生产达到90℃热水时，可正常运行，但效率会降低。
当蒸发温度为0℃，热水从60℃上升到80℃时，制热COP相应从4.3降至3.6【4】。
图5 制热系数与热水温度变化曲线图Saikawa等对二氧化碳热泵热水器的研究表明它的年平均COP可达到3。
其他研究者对二氧化碳热泵热水器现场测试则表明：提供65℃热水，年平均COP为3.53；提供900℃热水，年平均COP为2.72【6】。
试验和实践均表明：二氧化碳热泵热水器适合热水的制取，并具有较高的效率。
表4给出了日本几家公司所生产的CO2热泵热水器的产品规格。
表5给出了表4所列出耗电量和性能系数所测定的工况。
关于CO2热泵热水器的测试标准,目前国际上还未统一，日本、欧洲和美国等国家各有相应的标准。
表4 热泵热水器的产品规格表5 耗电量和性能系数所测定的工况3.2 热泵干燥系统干燥是工农业生产中广泛使用且耗能巨大的加工工艺，发达国家干燥能耗占国家工业能耗的7％～15％，在我国一般干燥过程的能耗约占整个加工过程总能耗的10％【7】。
自20世纪70年代初石油危机以来，世界各国均对干燥加工的节能技术展开了大量的研究，热泵干燥是在这种背景下产生的一种新型节能干燥技术。
研究和应用实践表明，热泵干燥较常规气流干燥。
在能源消耗和干燥成本方面具有明显的优势。
热泵干燥系统的形式较多，从节能的角度出发，目前大多采用闭路式热泵干燥系统。
图6是基本的CO2热泵干燥系统示意图，由热泵循环和空气循环组成。
热泵循环由压缩机、气体冷却器、节流阀、蒸发器等组成。
空气循环由风机、干燥室和辅助冷凝器等组成。
图6 基本的C02热泵干燥系统在图6所示的干燥系统中，由于节流阀的节流作用，使气体冷却器出来的CO2流体从超临界状态变成气液两相状态，节流损失远大于常规卤代烃工质的节流损失。
为减少节流损失，第二种CO2热泵干燥形式在第一种形式的基础上，用膨胀机代替节流阀，如图7所示，其中膨胀机与压缩机同轴联接以回收部分膨胀功，减少压缩机的耗功。
图3 带膨胀机的C02热泵干燥系统CO2热泵干燥的循环过程由热泵循环和空气循环组成(见图6、7)，热泵循环用于对干燥介质(空气)在气体冷却器中加热和在蒸发器中降温除湿，提高空气的吸湿能力；空气循环提供空气流动的通道，使空气在系统中循环流动，完成对干燥物料的干燥除湿【8】。
4 存在的问题CO2工质在热泵中的应用研究才进行10几年的时间，目前还存在着许多有待突破和改进的地方：（1）新型高效CO2压缩机的开发与改进。
例如,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）高效跨临界循环热交换器的设计。
针对CO2工质的流动和传热特性，设计出高效的CO2热泵热水器换热器，从而提高系统效率。
（4）CO2系统安全性相关的研究需进一步加强。
设计时需满足系统各个部件的承压要求，保证高压运行的安全性（5）先进控制方式的研究，从而使系统更加可靠、稳定，使用更加方便。
（6）关于CO2热泵的测试标准，各国尚不统一。
在研制出口产品时，需针对出口国的要求进行测试。
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