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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。
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。
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。
