CO2热泵热水器的研究现状与展望

崔夏菁 李峥杰

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熱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， the suggestions 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）05-0135-02

0 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。所以，新型环保制冷剂的研究工作已经成为各国研究人员的重点。包括R134a在内的若干HFC及其混合物常用来替代R12和R22等，已经广泛应用于各类制冷设备中。即使是这些新工质，仍然会有其它较大的副作用，比如大部分都有较高的温室效应，或分解产生其它对环境不友好的物质。随着《蒙特利尔议定书》的签订，CO2作为制冷剂再次进入了人们的视线，CO2对臭氧层无任何破坏作用，不产生温室效应，无毒无臭，而且具有良好的热力学性能。经各国专家研究，CO2非常适合作为热泵热水器的工质。

1 CO2特性及CO2跨临界循环的系统流程

1.1 CO2特性

①CO2极易获得，方便得到，价格低廉。②CO2在常温下以气体形式存在，无色、无嗅、无毒、不可燃，具有很好的安全性。③CO2的ODP=0，GWP=1，不破坏臭氧层，不污染大气，不破坏环境。④CO2物理化学性能稳定，能与润滑油很好地相溶。有较低的粘度和较高的导热系数，所以热传导性能良好，各个部件换热性能得到显著提高，大大缩小了部件的尺寸和重量。⑤CO2低压侧工作压力很高，所以压缩机的压缩比较低，压缩机效率得到了提高。⑥CO2在高压侧始终以气态形式在设备中流动，不会冷凝为液态，导致高压侧工作压力很高。

1.2 CO2跨临界循环系统

如图1所示，低温低压的CO2气体在压缩机中升温升压，被压缩至超临界后排入气体冷却器，在气体冷却器中，CO2被冷却介质冷却后放热，压力不变温度下降，状态仍为气态。离开气体冷却器后的高压气体进入回热器，在其中跟储液器出口的蒸汽进行热量交换后温度进一步降低，之后进入节流阀，在节流阀中高温高压的CO2气体温度压力急剧下降，形成的湿蒸汽进入蒸发器中汽化后进入储液器。储液器出来的低压饱和蒸汽进入回热器吸热，温度升高后成为过热蒸汽进入压缩机，周而复始重复这一循环。

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由于在CO2跨临界热泵循环系统中，超临界压力区内温度和压力间是彼此独立的，不存在两相区，所以高压侧压力对COP值会产生影响。经试验研究可得，最优高压与气体冷却器的出口温度及蒸发温度有关，在该压力下，循环的性能系数COP可达到最大。

2 跨临界CO2制冷系统及核心部件的研究进展

2.1 跨临界CO2制冷系统研究进展

自有人提出氟利昂因其优良的热力性能作为制冷剂后，制冷工业曾发生了重大变革，但随着人们环境保护意识的提高，逐渐意识到卤代烃中的氯原子会使臭氧产生不可逆转的破坏，新型替代制冷剂的研究工作成为各国专家的研究热点。跨临界制冷循环的概念由前国际制冷学会主席G. Lorentzen教授首先提出，1990年，挪威的工业组织Norsk Hydro收购了该技术的所有商业权利，对生产厂商实行有偿技术转让。在日本，CO2热泵热水器被称作Eco Cute（生态精灵），已经广泛被使用，具有很强的实用性，然而现在也面临一些亟待解决的问题，比如如何尽量缩小水箱及绝热层的厚度来减小外形尺寸，便于节省空间等。另外，美国、挪威等国家也在积极开展这方面的研究。在我国，天津大学、西安交通大学、清华大学等高校分别建立了CO2热泵热水器的试验台进行研究，天津大学主要对压缩机、膨胀机等进行计算机仿真研究，提出了可旋转窗式热泵系统，给出了CO2空调热水器两用机的设计，上海交通大学主要研究其在汽车空调上的应用，包括汽车空调用二氧化碳压缩机的理论研究和样机的研发。

2.2 CO2热泵热水器核心部件研究进展

压缩机：制冷压缩机对整个系统的效率和可靠性影响最大。由于CO2在气体冷却器中不冷凝，高压侧压力很高，所以压缩机设计中存在一定的难度，特别是在气密性方面有很高的要求，尽量减少磨损和泄漏。在二氧化碳压缩机方面，处于比较领先的国家是日本、美国和欧洲一些国家。目前最常用的三种形式是活塞式、涡旋式和摇摆式。

①活塞压缩机。

目前批量生产并投放国际市场的活塞压缩机只有意大利都灵公司开发的半封闭式压缩机，包括双缸单级和两级活塞压缩机，额定转速有两档，分别为1450r/min和2900r/min。由于CO2输气量小且壳体厚，所以即使在较高的转速下，此种压缩机仍具有较小的噪声和振动特性，这都是别的压缩机不可比拟的优势。双级压缩机跟单级压缩机相比，可以减小压差和机械损失，使系统有更高的效率，还可以在两个压缩机之间设置中间换热器，使整个系统的性能比得到提高。

②摆动活塞压缩机。

由于二氧化碳的工作压力比其它氟利昂制冷剂高好几倍，所以若普通滚动活塞式压缩机，则滑片部分的磨损很严重，日本大金公司首先研制出一种DLH-SI涂层，覆盖在滑片上，有效降低了滑片与滚动活塞表面的磨损，被称为“小磨损”压缩机，已于2005年10月起投放市场。

③涡旋压缩机。

涡旋式压缩机主要是日本研制的，在日本的CO2热泵热水器中，一般都采用全封闭涡旋式压缩机。主要有三个公司进行了这方面的研究，分别是DENSO公司、松下和三菱重工。日本DENSO公司研制的涡旋压缩机采用直流电机和交变器。为降低摩擦损失采用滚动止推轴承，加工和装配更加精密，有效地防止了泄漏。日本松下公司在R410A涡旋压缩机的基础上，开发了CO2涡旋压缩机，排气容积为71.23cm3，可使系统的制冷量达到2.15～5.10kW。日本三菱重工公司开发的涡旋压缩机对动涡盘和静涡盘采取了特殊设计，使压缩机的绝热效率达到了76%。

3 热交换器

CO2热泵热水器的热交换器分为两类，分别是蒸发器和气体冷却器，两者工作条件差别很大，所以在选择和设计上是不同的。蒸发器的工作压力一般不超过5MPa，这和传统空调系统差别不大，因此，蒸发器和常规空调器的室外侧换热器相似，采用翅片式，一般为铜管套铝片的材料。由于在化霜时蒸发器的铜管要承受高温高压，所以校核时应用压缩机排气压力作为其承受压力对其管壁厚度进行安全性校核。

气冷器的工作压力很高，通常达8MPa，故在材料选用和结构设计上要考虑能承受较高的压力。大多采用套管式气冷器，这类气冷器能够承受较高压力，工作可靠，为了增强换热、尽量降低出口制冷剂的温度，一般采用逆流形式。为了安全运行，CO2在小管内流动，水在大管内流动。套管式根据内管和外管数量和直径的不同，又分为不同形式。有一根大管内套一根、两根或多根的形式。张仙平等在这方面进行了深入研究，建立了用于CO2跨临界循环热泵热水器的套管式气冷器的稳态分布参数模型，指出了它们的合理变化范围：管内套一根管时，内径应至少大于8mm，低于10mm，外管内径应在11mm以上，13mm以下；管内套多跟管时，3根管性能最佳。

4 展望与发展

CO2热泵热水器由于其特殊的循环和放热特性，使得在寒冷条件下能制备出温度更高的热水，而且只要系统设计合理，同样可以达到与传统工质的热泵热水器系统相当的COP值，从环保和节能的角度来看，CO2热泵热水器绝对是传统工质热泵热水器的良好的替代品。同时，将CO2热泵与储水箱组合也将是未来的发展趋势之一，但由于CO2实现的是跨临界循环，导致它有一些不可避免的弊端，因此在设计上还有许多有待突破、改进的技术：

①对耐高压、高效压缩机的研究。由于CO2热泵热水器放热过程的压力达到9～10MPa，吸排气压差很大，因此必须考虑系统承受高压性能、高压保护、压缩机的选择、润滑油的选择等一系列问题。②对高效能换热器的研究。特别是气体冷却器，考虑到其耐压性，通常管径是比较小的，在小管径、高质量流率的CO2工质流动时，要想办法提高热传效率。③膨胀压缩机的研制。在CO2跨临界循环中，气体冷却器出口和蒸发器内的制冷剂压差很大，在节流膨胀机构中存在很大的膨胀损失，这使得系统效率大大降低，想要提高效率，必须尽量降低膨胀部分的损失。④其它如高压负荷运转时所产生的振动噪音的防止，也是研究CO2压缩机所需面临的重要技术课题。

总之，随着科技的不断进步，CO2热泵热水器必将向着更加高效节能的方向发展，在不久的将来，CO2热泵热水器必将会在国内外逐步增加市场份额，成为新型熱泵热水器的主导。

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