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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。
1 引言
二氧化碳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，二氧化碳安全无毒，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，二氧化碳的蒸发潜热较大，单位容积制冷量相当高；具有良好的输运和传热性质，二氧化碳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。由于二氧化碳的临界温度很低（304.21K），因此二氧化碳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。在二氧化碳跨监界制冷循环中，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。在超临界压力下，二氧化碳无饱和状态，温度和压力彼此独立，能够实现满足实际需要的多种控制策略。当蒸发温度、气体冷却器出口温度保持恒定时，随着高压侧压力的变化，循环系统的COP存在最大值，通过优化调节可节省压缩功。与常规制冷剂相比，二氧化碳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，从而提高系统的性能系数。所以前国际制冷学生主席G. Lorentzen[1]认为二氧化碳是无可取代的制冷工质，并提出跨临界循环理论，指出其可望在热泵领域发挥重要作用。（见图1） （图片）
二氧化碳热泵热水器的热力学分析 在世界大多数家庭的能量需求中，约有1/4~1/3来源于对热水的需求。日本在过去30年中，家庭对热水的需求量逐年上升，到1999年家用热水耗能已占家庭总耗能的34%[2]。因为在日最高温度低于0℃的寒冷地区，传统空气源热泵的制热量和效率随环境温度的降低下降很快，热泵的使用受到限制，主要应用燃油和电热热水器。由于二氧化碳热泵热水器的低温性能良好，因此开发二氧化碳热泵热水器市场前景广阔，意义重大。
2 日本家用二氧化碳热泵热水器的研究开发现状 在日本，二氧化碳热泵热水器以其良好的节能生态性能赢得了“Eco Cute（生态精灵）”的称号。从2001年投放市场以来，销售量稳步上升。由于它价格较贵（超过5000美元），从2002年10月开始采用政府补贴的办法促进销售。2003年日本二氧化碳热泵热水器的产销量为7万套，预计到2010年将达到近50万套，市场发展十分迅速。根据制热量、水箱容量和地区适应性的不同，现今日本市场上有16种不同类型的二氧化碳热泵热水器[3]。（见图2）（图片）
日本二氧化碳热泵热水器的市场预测 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[4]合作于1998年9月开始进行二氧化碳热泵热水器的基础理论研究，通过对其进行的性能计算及相应的循环特性理论分析，得出二氧化碳热泵热水器的性能高于传统工质热磁的结论。 1999年，M. Saikawa，K. Hashimoto，K. Kusakari等人建起了二氧化碳热泵热水器（8035100cm）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点到7点的平均温度值，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，气体冷却器中二氧化碳出口处与水入口处的温差由小变大，二氧化碳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。2000年，他们又对原型机进行了改进，并在DENSO人工环境实验室按照东说冬季工况进行了测试。改进型二氧化碳热泵热水器：热泵单元（813164cm），热水箱单元（9540130cm，200litters）。测试参数如下：空气热源温度3.3℃，自来水温度7.2℃，热水温度88.1℃，水流率0.783L/min，二氧化碳压缩机的出口压力11.6MPa，入口压力2.9MPa，二氧化碳质流率56.7kg/h，供热功率4.44kW，压缩机所耗电功率1.59kW，则COP为2.79。可见改进型二氧化碳热泵热水器的性能系数比原来提高了不少。他们还在TEPCO（东京电力公司）对改进型二氧化碳热泵热水器的全年平均性能系数进行了测算，结果表明包括风扇和水泵耗功在内的全年系统平均COP值仍可高达3.0，而且改进型系统在外界空气热源为零下20℃时，系统仍可提供高达90℃的热水。他们认为虽然该系统还需在细节上进行完善，但是技术开发已基本可以结束，市场前景广阔。2001年1月再次进行了改进，并且已于2002年推向市场，其外形如图3、4所示。
日本三洋电器公司研发总部生态能源系统研究中心的Hiroshi Mukaiyama等人[5]研制了一台供热功率为4kW的家用二氧化碳热泵热水器。他们采用带20~120Hz的变频电动机的双级滚动活塞压缩机，较有特色。室外热交换器因为要承受较高的压力，故采用外径7.0mm，壁厚0.8mm内壁光滑的铜管。为防止除霜后的水重新结冰，将从气体冷却器出来的高压工质通到室外蒸发器的底部，即使在日本较冷的地区（Hokkaido）测试也没有发现有重结冰现象发生。他们[6]在恒温室中对该系统在不同温度、湿度的性能进行了测试。计算结果表明二氧化碳热泵热水器总有效温室效应指数（TWEI）比其它方式的热水器降低了近一半。在考虑供水泵和室外风扇耗功的情况下，系统年均供热COP随气体冷却器中热水出口温度的升高而下降，本文作者根据其实验结果拟合出公式：COPh=-0.0325t+5.632,t=[65℃~95℃]。
2002 年，日本大金公司 [7] 推出了采用单级摆动转子式压缩机的 二氧化碳 热泵热水器（见图 6 ）。系统额定耗功 1.21kW ，蒸发器置于室外，可提供 65~90 ℃ 的热水，储水箱容量为 300 升 /370 升，其额定制热量 4.5kW ，标准状况下（室外空气温度 16 ℃ /12 ℃ ，进水温度 17 ℃ ，出水 65 ℃ ） COP 可达 3.72 ，噪声 45 分贝。同期，松下也推出了自己的水箱容量为 370 升的 二氧化碳 热泵热水器。（见图 6 ）（图片） 日本东京大学环境研究所 Jianfeng Wang 和 Eiji Hihara[8] 对 二氧化碳 热泵热水器建立了住址模型并与 R22 热泵热水器进行了对比运算。仿真结果表明： 二氧化碳 热泵热水器的 COP 小于 R22 热泵热水器；当带有内部热交换器时，将达到与 R22 热泵热水器相当的水平，但是压缩机出口温度将会明显上升，最优冷凝压力下的供热量也会明显下降。由于其仿真的结果未经实验验证，该模型尚有待进一步完善。 3 二氧化碳 热泵热水器的问题与对策 二氧化碳 热泵热水器所面临的问题主要在于继续提高效率和不断降低成本。技术进步与工业化批量生产是降低成本的主要动力，而效率的提高则只能依赖于技术的进步。目前来说， 二氧化碳 热泵热水器提高效率的主要途径有以下几条： ① 新型高效 二氧化碳 压缩机的开发与改进。例如，以日本三洋公司开发的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（见图 5 ）。另外日本 DENSO 公司和 Daikin 公司等也在努力开发新型高效 二氧化碳 压缩机。（见图 5 ） （图片）
sanyo 双级滚动转子式压缩机 ② 膨胀压缩机的研制。在 二氧化碳 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 二氧化碳 循环中特有的组成部分。 ③ 高效 二氧化碳 跨临界循环换热器的研制。例如日本三洋公司开发的防止重结冰的新型换热器。 ④ 合理利用低品味能源或可再生能源并探讨热水供应与其它供热方式的耦合问题。 ⑤ 二氧化碳 热泵热水器先进控制方式的研究。 4 结论 二氧化碳 热泵热水器与传统燃气热水器相比具有低能耗（一般可节能约 30% ），对环境友好的优点；与传统热泵热水器相比具有供热水温度范围大，能提供高温热水的优点。将 二氧化碳 热泵与储水箱组合可以利用夜间低谷电，提高系统经济性。若将 二氧化碳 热泵热水器与蓄热系统组合，可使储水箱体积减小，则整个系统更为小巧轻便。开发适于 二氧化碳 热泵热水器的高效压缩机和耐用高压的高效换热器以及完善的控制策略将是以后 二氧化碳 热泵热水器研究的三大重点。相信随着技术的不断进步， 二氧化碳 热泵热水器将会以其特有的优势成为 21 世纪热水器市场上最为耀眼的明星。
6/19/2005
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