一种新型高效、环保热泵技术——跨临界CO2热泵

张信荣，刘 勇，李林凤

(1.北京大学工学院能源与资源工程系 北京100084；北京大学工学院包头研究院热能工程研究所内蒙古包头014030；2.北京大学工学院能源与资源工程系 北京100084)

应用技术

一种新型高效、环保热泵技术
——跨临界CO2热泵

张信荣1,2，刘 勇1,2，李林凤1

(1.北京大学工学院能源与资源工程系 北京100084；北京大学工学院包头研究院热能工程研究所内蒙古包头014030；2.北京大学工学院能源与资源工程系 北京100084)

随着我国对环境保护的重视，采用常规制冷剂的热泵机组面临着淘汰和替换。采用自然工质 CO2作为制冷剂的跨临界CO2热泵机组，因其具有高效、节能、环保等特点被广泛的应用和推广。阐述了跨临界CO2热泵技术国内外研究现状及工作原理，并介绍了跨临界CO2热泵技术的应用情况。

跨临界CO2热泵 环保 节能

0 引 言

国内外广泛应用的制冷空调和热泵系统，由于本身耗能和传统制冷剂对环境的破坏，使系统的节能和制冷剂的替代研究成为工程热物理学科的前沿课题。CFCs、HCFCs等传统制冷剂对地球臭氧层的破坏和导致的温室效应危害比较严重，因此寻找高效、绿色环保制冷工质成为当前国际社会共同关注的问题。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，已成为一种高效、节能、环保的新型技术被广泛的开发和应用。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。[1]

1 跨临界CO2热泵技术国内外研究及应用现状

国内对跨临界 CO2循环技术的研究刚刚起步，基本上都以理论分析为主。如天津大学马一太教授获得国家自然科学重点基金的资助，研究分析家用跨临界CO2空调系统，并对水源热泵、地源热泵进行了理论研究，特别是对跨临界CO2膨胀机进行了理论研究，但还处于初级实验研究阶段，未进行工程实践应用。

我国上海交通大学也进行了跨临界 CO2循环研究工作，研究主要集中在汽车空调领域。与上汽集团合作投资数百万元开展轿车用 CO2汽车空调的研究，对系统高压换热器进行了优化设计，试制了中国第一台CO2汽车空调，样机制冷量达4.5,kW，与设计标准5,kW接近，但系统的稳定性、可靠性等有待进一步提高。[2]

在国外，欧美日都在竞相开发新型的热泵机组，以提高空调机组在建筑供暖和制冷过程中的效率，尤其是针对跨临界CO2热泵机组的研发和应用。

在日本，CO2热泵以其良好的节能生态性能赢得了“生态精灵”的称号。2002年，日本“大金”公司、“松下”公司各自推出了自己的跨临界CO2热泵机组系统。投放市场以来，销售量稳步上升。2003年日本跨临界 CO2热泵机组的产销量为7万套，到2008年达到60万套，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10家公司共计16种以上不同类型的CO2热泵机组。[3]

到目前为止，国际上对跨临界 CO2热泵及其各部件性能的研究已趋于成熟，并且在日本、挪威、美国、意大利、巴西等国家已有为较广泛的商业应用。兆瓦级的跨临界 CO2热泵机组在国际上正处于快速市场化推广阶段，特别是在日本和挪威，“兆瓦级跨临界CO2热泵机组”已经开始应用于民用、工业和能源资源领域，如超市、商场、酒店、影剧院、学校、办公楼、医院、游泳池等商用及公共服务领域的别墅空调系统。[4]

2 跨临界CO2热泵技术介绍

笔者带领的团队在 15年前即对 CO2超临界及跨临界热力学循环进行研究，并取得了一系列丰硕的研究成果。

跨临界 CO2热泵机组是一种热量提升装置，其作用是从周围环境中吸取热量，并把它传递给被加热的对象(温度较高的物体)。跨临界CO2热泵在工作时，本身消耗一部分能量，把环境介质中贮存的能量加以挖掘，通过传热工质循环系统提高温度进行利用，而整个热泵装置所消耗的功仅为输出功中的一小部分，因此，采用跨临界CO2热泵技术可以节约大量高品位能源。[4]

跨临界 CO2热泵工作原理如图 1所示，低温气态制冷剂CO2由压缩机吸气阀经压缩机压缩，变成高温高压 CO2气体进入气体冷却器，被冷水吸热冷却，然后进入回热器。在回热器中与来自气液分离器的低温低压 CO2气体进行热交换后，再经过毛细管节流元件成为气液两相流体，进入蒸发器中，经过与循环水的换热，进入气液分离器，再进入回热器，最后回到压缩机压缩，开始一个新的循环。在循环中，冷水在气体冷却器中被加热到所需温度的热水，而循环冷却水在蒸发器中被冷却，CO2作为中间介质在热泵中循环使用。[5]

图1 跨临界CO2热泵工作原理Fig.1 W orking princip le of a transcritical CO2heat pum p

跨临界CO2热泵技术是一种高效节能、经济环保、安全稳定、冷暖两用、运行灵活的新型中央空调系统。它可以利用火电厂或核电厂的循环冷却水、江河水、海水、工业废水及生活废水中的热量，借助热泵系统，既能制冷、又能制热，是一种高效建筑节能技术。实践证明，采用跨临界 CO2热泵机组供热，真正实现了零污染、零排放，高效节能，投资费用与运行费用较传统热泵技术大大降低。跨临界 CO2热泵技术节能原理如图2所示。

图2 跨临界CO2热泵技术节能原理图Fig.2 Schematic diagram of the energy-saving princip le of the transcritical CO2heat pump technology

跨临界CO2热泵机组采用自然工质CO2作为机组内部循环工质进行冷暖联供，具有集热效率高、供热性能系数高、形式多样、布置灵活、一机多用、应用范围广、节能、环保等优点。在整个供暖周期内，跨临界 CO2热泵机组的平均 COP值可以达到4.5，在制冷周期内，机组的EER值可以达到5，远大于普通热泵机组的COP值(3)和EER值(2.5)，[6]由此也具有良好的节能效果和较低的运行成本。并且跨临界 CO2热泵可以制取高温高压的热水，应用范围广。传统热泵制取的热水温度一般不超过 55,℃，很难达到城市热网要求和其他需要高温热水的工业行业，而跨临界 CO2热泵由于跨临界循环能制得95,℃的高温热水，完全可以满足城市集中供热的二次管网对于供暖热水的供/回水温度(65,℃/85,℃)要求，也可以满足大部分需要高温热水的工业行业。同时跨临界 CO2热泵具有较高的稳定性和可靠性，系统自动化程度高，且设备运行稳定性高，使用寿命可以达到 15年以上，而普通热泵空调机组的寿命一般在10年以内，溴化锂吸收式的寿命更短，一般为5年。[7]此外，跨临界CO2热泵环保性良好，其采用自然工质CO2作为机组内部循环工质进行冷暖联供，与普通热泵相比可以有效避免氟利昂等传统有机制冷剂对环境的破坏。

3 跨临界CO2热泵技术应用现状

跨临界CO2热泵机组可以广泛应用于民用、工业、农林水产、交通和能源资源等领域。[8]在民用领域跨临界 CO2热泵机组主要应用于家庭、商业和公共服务领域，以热水供应和供暖供冷为主；在工业领域可用于化工、氯碱、制药、制盐、造纸、纺织、橡胶、冶金、玻璃等行业；在农林水产领域可用于种子加工、水产品加工、茶叶加工、水产养殖、木材加工、牛奶加工、啤酒行业、制糖行业、制革行业等；在交通领域可用于港口船运、汽车公路、客车铁路等；在能源资源领域可用于油田、沼气生产、煤矿、电力、水厂、淡化海水、废水处理等。[9]

随着国家节能减排政策的大力推行，以及能源价格的节节攀升，用热节能在工商业领域的应用已日益扩大。CO2热泵技术作为一种节能技术，在节约能源、保护环境等方面具有独特的优势，跨临界 CO2热泵机组供热出水温度最高可达95,℃，大大拓展了应用范围。本文作者带领的研发团队对兆瓦级跨临界 CO2热泵回收利用电厂余热技术、跨临界 CO2热泵供热技术进行了大量的研究开发，目前已在国内相关领域得到了实践和应用，并且与多家企业达成了长期的战略合作意向。主要成果如下：

3.1 100,kW跨临界CO2热泵样机

研发团队自主研发设计了1台100,kW跨临界CO2热泵样机，实验研究表明机组可长时间稳定运行，平均 COP≥4.5，可制取50～90,℃热水。

3.2 泉州CaCO3厂跨临界CO2热泵余热利用项目(见图3)目前已完成泉州CaCO3厂余热回收热泵制热水系统调试运行，系统运行稳定、安全，COP可达4.5以上。

图3 泉州CaCO3厂跨临界CO2热泵余热利用技术Fig.3 Schematic diagram of the waste-heat utilization technology in a CaCO3Plant in Quanzhou，China

3.3 阳泉阳光电厂CO2热泵工业废热回收利用技术项目

回收利用电厂冷却水作为热源，系统跨临界 CO2水源热泵的COP值达到4.5以上，运行成本低，维护方便，系统采用自动化控制，设备运行稳定，使用寿命可达15年以上。该电厂每年创造的经济效益超过1,200万元，CO2减排12万t，节能效果明显。

3.4 全国各大型酒店跨临界CO2热泵供热技术

跨临界 CO2热泵供热技术在酒店工程的应用主要是制取热水，典型案例为：北京北新桥如家快捷酒店、上海浦江饭店、昆明中玉酒店等，主要用于酒店客房、餐厅、桑拿、洗浴等日常生活热水供应。一年内可节省费用上百万元，系统 COP达5以上，一年四季可制取生活热水，不受环境影响，节能效果突出。

其中，上海浦江饭店 CO2热泵机组可提供饭店 137间客房、200人餐厅以及桑拿的热水供应，系统运行稳定，能效比高，COP达5.4，整个系统还采用了全自动智能控制，现场无人操作的运行方式。实践证明，该热泵机组运行费用是普通电热水器的1/4，燃油热水器的1/3，煤气热水器的1/2，普通太阳能的 2/3。与常规热水供应设备相比，跨临界 CO2热泵热水制备全年耗电约为 10万度，与传统燃油蒸汽锅炉热水制备耗电量相比可节省10倍以上，一年可节省运行费用87万元，同比燃油蒸汽锅炉能耗降幅为 90%左右，两年即可回收成本，CO2减排670,t，不仅节约了酒店的成本，并在一定程度上缓解了环境问题。

跨临界 CO2热泵研发团队通过前期大量的实验研究和开发，目前在全国各大型酒店和电厂余热废热回收中成功应用了跨临界CO2热泵机组。跨临界CO2热泵机组在外部水源水温10～20,℃的情况下，酒店在供/回水温度为55,℃/50,℃的情况下，COP值可以达到 5.3，平均每家大型酒店年最低可节省70万元以上，系统能在热水供应温度范围内稳定运行15年。

4 结 语

跨临界 CO2热泵机组可以减少 CO2和其他有害气体排放，属于节能、环保、绿色型技术，这对实现国家节能减排方针和可持续发展具有重要的作用。跨临界 CO2热泵机组系统采用 CO2作为制冷工质，对臭氧层破坏潜能为 0，温室效应潜能较小，COP值可达4.5以上，具有良好的节能效果和较低的运行成本。随着我国对环境保护的重视，采用常规制冷剂热泵机组面临着淘汰和替换。[10]采用自然工质 CO2作为制冷剂的跨临界CO2热泵机组，因其具有高效、节能、环保等优点，有着广阔的市场空间和应用前景。■

［1］ 沈裕浩. 二氧化碳跨临界制冷循环[J]. 流体机械，1995，23(5)：58-62.

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Transcritical CO2Heat Pum p：A Novel Highly Efficient and Environmental Friend ly Heat Pump Technology

ZHANG Xinrong1,2，LIU Yong1,2，LI Linfeng1
(1. Department of Energy and Resources Engineering，College of Engineering，Peking University，Beijing 100084，China；2. Thermal Engineering Institute，Baotou Research Institute of College of Engineering，Peking University，Baotou 014030，Inner Mongolia Autonomous Region，China)

Along w ith the advocating for environmental protection in China，heat pump sets adopting conventional cooling agents are becoming obsolete and w ill be replaced in the future. A transcritical heat pump set which adopts CO2，a natural working medium，as the cooling agent was described in this paper. This machine set has been w idely adopted as it has the advantages of high efficiency，energy saving and environmental protection. In the paper，research status of the transcritical CO2heat pump technology both at home and abroad was discussed，its working principle was introduced and its applications were presented.

transcritical CO2heat pump；environmental protection；energy-saving

TB657.5

：A

：1006-8945(2015)03-0025-03

2015-02-11