CO2热泵研究现状及展望

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(1 西安交通大学人居环境与建筑工程学院 西安 710049； 2 西安交通大学建筑节能研究中心 西安 710049)

随着生活水平的提高，人们对人居环境要求越来越高，环保问题和节能问题也日益突出。满足人们舒适生活条件的建筑能耗占社会总能耗的比例已超过30%，而采暖、热水所消耗能量占建筑能耗的56%～58%[1]。因此，如何在满足人们舒适性的要求和环境友好、节能发展之间寻找最优答案成为关注热点。空气源热泵作为通过消耗一小部分高品位的电能，把空气中的低品位热量提取并加以利用的装置，具有环保、节能、安全和便捷等特点，越来越受到重视。然而，传统热泵使用的制冷剂存在破坏环境、臭氧层空洞和温室效应的问题，对人们的生产生活造成巨大的影响。在极端天气工况下，传统工质热泵的稳定性和制热能力受到限制，使得人们必须寻找新的制冷剂，以满足对于工作效率和环保方面的要求。P. Nekså[2]指出：CO2工质是一种少有的天然制冷剂，无毒无可燃性，廉价且易于获得，对自然环境没有破坏，在用作制冷剂方面具有很大的优势。陈光明等[3]分析归纳了几种自然工质在国外的研究进展，认为自然工质在工业、民用制冷设备中推广具有较大可行性。李连生[4]对制冷剂替代进程进行总结，认为自然工质潜力巨大。CO2工质ODP为0，GWP为1，且具有良好的热力学特性，既能够保证优良的工作特性，又能减小当前传统制冷剂对环境的破坏，被公认为是一种很有前途的替代工质。

随着《国务院关于印发“十三五”节能减排综合工作的通知(国发[2016]74号)》、《能源发展“十三五”规划》等文件的发布，北方各省掀起了“煤改电”的热潮。包括北京、天津、河北等在内的20多个省份和直辖市均发布文件进行治污降霾，保卫蓝天。以自然工质CO2作为制冷剂的CO2空气源热泵，在保证系统较高COP的同时具有优良的环保特性，能够有效控制臭氧层的破坏，减少温室气体的产生，抑制煤的燃烧，降低雾霾天气的发生率并减少PM2.5浓度，同时将节能与环保相结合，系统跨临界循环产生热水的高效运行，有效节省用户采暖能耗，是我国北方采暖问题得以解决的重要方案。因此在我国具有广阔的市场和潜力。

1 CO2热泵系统的发展现状

目前，正在研究的CO2热泵热水系统基本采用跨临界循环系统。即被压缩的制冷剂气体放热过程不发生相变，在超临界区只通过显热交换进行换热。全世界多个国家的研究机构和企业均对CO2热泵进行了大量的研究。挪威是最早提出并研究CO2作为制冷剂利用其跨临界循环进行制冷和供热的国家，其理念与技术处于世界先进水平。挪威SINTEF研究所的J. Petterson等[5-6]率先研究了CO2热泵技术，通过理论与实验相结合，研究了汽车用CO2空调，验证了CO2作为制冷剂在汽车空调中的优良性。P. Nekså 等[7]通过比较论证得出：CO2热泵跨临界循环相对于传统热泵供热系数高，结构紧凑，热水温度高，具有相当大的发展潜力。目前CO2热泵热水器的系统形式主要有：单级蒸气压缩系统，双级压缩中间补气系统，喷射器回收膨胀功系统。CO2热泵系统原理如图1所示。

日本是世界上CO2热泵热水器发展最快、技术领先的国家。在1995年，日本CRIEPI、东京电力公司和DENSO公司[8]合作研究CO2热泵系统，建立热泵热水器样机实验台，通过计算分析，发现CO2热泵热水器供应热水时，性能高于传统工质热泵。经过数十年的发展，日本热泵产品已经统一使用Eco Cute商标名，目前已有松下、大金、三菱、东芝、三洋、电装等数十家公司生产不同规格型号的产品，在2007年日本本土家用CO2热泵热水器的保有量已超过数百万台[9]，并且已经推向欧洲市场。

挪威、丹麦、美国和德国等国家对CO2热泵系统均进行了较多研究，取得多项成果，并已应用在商用和军用领域。丹麦的丹佛斯公司针对CO2部件强度要求提出解决方案，可提供CO2热泵的部件和零件。美国Purdue大学对CO2专用压缩机进行了深入的研究，并成功举办多次压缩机大会。Maryland大学和Illinois大学也对CO2热泵进行了深入的研究，尤其是在汽车空调方面成绩显著。德国Thermea公司产品部分可以冷热二联供，用于供热时额定COP高达5.5，英国ICS公司与意大利DeLonghi公司共同生产的商用产品出水温度超过90 ℃。此外，欧洲市场还有CO2汽车空调，家用冰箱、商用冷藏冷冻设备等。制冷、制热用CO2热泵技术正在蓬勃发展。

1压缩机；2油分离器；3气体冷却器；4回热器；5干燥过滤器；6电子膨胀阀；7蒸发器；8气液分离器；9融霜电磁阀；10风扇；11水箱；12第一电磁阀；13第二电磁阀；14第三电磁阀；15第四电磁阀；16水泵；T温度测点；P压力测点。图1 CO2热泵系统原理Fig.1 The principle of CO2 heat pump system

我国的CO2热泵热水器尚处于研发阶段，起步较晚，但目前已经有越来越多的企业和研究机构对CO2热泵进行研究与实验。天津大学王景刚等[10]建立了热泵实验台，对CO2跨临界循环系统在热泵中的应用和各关键部件进行了理论和实验研究。并对单级跨临界CO2带膨胀机循环与4种双级循环进行对比分析。西安交通大学徐洪涛等[11]对CO2热泵循环进行了理论和实验研究，致力于专用压缩机的研发。邓建强等[12]针对跨临界CO2引射系统进行研究，探究喷射器特性、系统控制特性以及系统性能等。胡斌等[13]对跨临界循环最优排气压力进行极值搜索控制。中南大学廖胜明[14]进行了CO2跨临界循环的理论分析和循环参数优化，提出了最佳换热-压力关联式。上海交通大学叶菁菁等[15]研究了CO2热泵用于汽车空调，并将CO2热泵与地源热泵系统耦合，改善其运行环境，降低运行费用。清华大学张宇等[16]对CO2热泵水平管换热进行了研究，并与企业合作对微通道进行实验研究与模拟。另外，大连交通大学、中原工学院[17]等高校和单位也对CO2热泵系统展开了研究。CO2热泵系统已经成为国内热泵空调界的一个热点研究领域。寇宏侨等[18]设计了一种应用于寒冷地区的大功率CO2热泵供热大温差小流量集中热水供暖系统，实际数据表明系统运行高效、稳定，具有良好的节能与经济效益。

2 CO2热泵各部件发展现状

尽管CO2热泵技术与传统热泵相比有较大的优势，但是每个新产品问世的时候均存在诸多问题，CO2热泵存在的问题主要有：1)系统压力高。系统运行压力较高，润滑效果不佳，压缩机和各部件容易老化，碳化甚至被烧坏。2)控制调节较难。只有优良的控制策略才能充分体现节能性，否则仅仅是理论上的节能。3)系统效率较低。CO2节流装置前后压差甚至能够达到9～10 MPa，故此系统压比小，压差大，具有较大的节流损失。4)结霜结垢问题。CO2系统适用于低温地区，导致蒸发器侧容易结霜；气冷器加热热水的过程中热水温度十分适于结垢；而结霜结垢问题很大程度影响系统效率，甚至破坏换热器。5)热源局限性问题。常见CO2热泵低温热源为空气，即常见的空气源热泵，其弊端在于负荷越大时正是天气恶劣时，极大影响了热泵运行效率。6)其他问题。如CO2热泵系统(配水箱)体积较大，占地大、不美观。

针对这些问题，改进CO2热泵系统性能可分为3个方面：1)改进系统，利用补气增焓技术，中间冷却技术，多级压缩技术等措施改进系统，提高系统性能。2)优化部件，对各部件的材料，结构，形状，大小，布置等进行优化改进，消除或减小短板因素。3)增强控制。硬件达到一定程度时，软件则成为提高性能的重要保证。改进控制技术，提高控制精度，真正实现理想化运行。

2.1 CO2热泵专用压缩机

图2 气体冷却器发展趋势Fig.2 Development trend of gas cooler

CO2热泵中最核心的部件为压缩机，其优劣直接决定整个系统能否高效运行。因CO2的比体积小，吸气量大，压缩机尺寸可大大减小。但是工作压力高对压缩机在零部件强度和密封性能上的要求较高，所以CO2压缩机技术在很大程度上影响了商用热泵热水器发展。CO2热泵压缩机根据不同形式主要分为活塞式压缩机、涡旋式压缩机，螺杆式压缩机和滑片式压缩机等类型[19]。由于活塞式压缩机耐高压、压比小、泄漏量小，所以早期人们均采用简单的活塞式压缩机。为了减小压缩机余隙，提高压缩机工作效率，日本SANYO设计开发了两级滚动活塞压缩机，采用两级压缩，使轴上2个滚动活塞呈180°分布，平衡性能好，噪声小，因一级中间压力可达5 MPa，减少因压力高导致的机器变形和气体泄漏，可在-20 ℃工况使用，系统运行更加平稳高效；DARKIN设计开发了摆动活塞式压缩机，增加了旋转衬套，噪音控制在38 dB以下，提高了压缩机绝热效率，降低压缩机应力强度[20]。与常规热泵压缩机的发展和改进相似，涡旋式压缩机和螺杆式压缩机大大提高了压缩机的容积效率和稳定性。目前除了以上企业，日本松下、东芝、日立和电装、BOCK、DANFOSS、DORINE、EMB RACO、ACC等公司以及中国的上海日立，西安庆安和广东美芝均能够依靠自主设计开发CO2专用压缩机，并且正在研究以改良现有技术[21]。H. Nakao等[22]改进了传统的R410压缩机，利用DLC-Si技术改进了单级转子压缩机，有效减小了叶片磨损。但由于压缩机排气压力和吸气压力之差是传统压缩机压力差的数倍，导致了更加严重的压缩机的气体泄漏和机械损耗。两级压缩的分离减小了密封处的泄漏，保证了较高的压缩效率。有的双级压缩机中反向布置的活塞有效减小压缩机振动，减少噪声，此外，中间压力的设计使压缩机壁厚减小35%，减小了系统自重。韩毅等[23]研究发现大功率CO2压缩机与同类产品相比运行效率约高11.5%。当系统利用膨胀机代替膨胀阀时，采用膨胀-压缩一体机能够有效回收一部分膨胀功，增大系统COP。西门子公司生产的CO2STC-GV整体齿轮式压缩机，可达6个压缩级，其设计CO2流量约为141 000 m3/h，是其原有设备的近两倍。

目前的主要改良方向：1)设计开发高承压强度的高效压缩机形式，减小容隙。2)改进能量调节方式，针对不同形式的压缩机，依靠类似于变频技术，不同的能量调节方式，实现根据负荷进行调节。3)提高CO2热泵可靠性，降低运动部件磨损。4)降低压缩机运行噪音。5)开发双级压缩机或压缩-膨胀一体机，回收膨胀功，增大效率。

2.2 换热器的研究

CO2热泵系统中，换热器主要有3部分：气体冷却器、蒸发器和回热器。

相对于传统热泵而言，气体冷却器相当于冷凝器，特点是压缩机排出的制冷剂气体不发生相变，利用显热完成换热过程。由于跨临界循环过程中，高温高压的CO2气体在超临界区比容大、流量小、压力高、温度滑移大，导致所需的气体冷却器耐压强度高、管径小、换热强等特点。杨亮等[24]分析了超临界CO2流动与换热特性并得到相应计算关联式。伊利诺伊大学J. M. Yin等[25]采用有限元分析法建立了超临界交叉流气体冷却器模型，准确地估计近临界点附近热力学及流动特性的变化，并认为三通气冷器是单层板式换热器中效果最佳的，同时，使用多层板式换热器能够进一步提高换热性能。这是因为在超临界区域内换热时，靠近临界点的位置传热系数骤然提高，能够快速将工质中的热量提取出来，对于提高平均传热效率有显著意义。

当前气冷器形式主要有：套管式[26]、外绕式和微通道式换热器[27]。发展历程经历了从套管式到外绕式再到微通道式的过程，如图2所示。S. Taira[28]对比3种气体冷却器，分别为普通套管式换热器、光管外绕式换热器和光管盘式换热器。套管式换热器重量大、造价高、不容易减小体积；光管外绕式能够减小10%～30%的体积，将光管外绕式换热器盘在一起，能够进一步减小换热器体积，增大换热能力。从气冷器趋势来看，制冷剂与水换热正在由对流为主导向以导热为主导发展，既考虑了传热效率，又考虑了安全性，防止二次爆炸。3种换热器通过减小流道面积，增大传热面积，能够利用CO2比容大、黏度低的特点，充分发挥流动优势，提高传热效率。

T. Okada[29]分析了新型具有带凹槽的外绕式换热器，不仅能增大传热面积，减小换热器的体积，还能增大换热器水侧的扰动，破坏边界层，提高传热系数，进一步减小传热面积，另外制冷剂经过分液能够减小其在换热器内压降，对于CO2热泵气冷器是一个巨大的进步。日本大金公司采用外绕式气冷器，在近临界点处，CO2热容突然剧烈增长，导致传热效率急剧升高，而将CO2管路绕在水管外进行换热，并通过缠绕的密度控制换热的强度，能够迅速提取近临界区内的热量，缺点是不易加工制造，工艺要求高。微通道换热器即通道水力直径为10～1 000 μm的换热器。微通道换热器由于通道面积减小，单位质量流量制冷剂的传热面积大大增加，有效减小换热器体积，增大传热效率。但由于超临界区域内的CO2特点，利用微通道式换热器容易出现分液(分气)不均的现象，缺乏良好的流路设计，影响换热。同时微通道式换热器的研究处于起步阶段，新式材料的可靠性问题以及价格的原因暂时制约了其应用。饶荣水等[30]研究微通道换热器换热能力，指出微通道换热器是应对国家2级能效要求的很好的技术解决方案。随着进一步的研究和改进，微通道式换热器将会成为气冷器甚至蒸发器的一种优良选择，具有良好的前景。

CO2热泵多用作热水器，在50～70 ℃温度范围内容易产生水垢，并由于流道面积的减小较难清除，实际设计过程中可采用控制热水器的出水温度及改变气体冷却器的放热回路等措施。

蒸发器的形式较简单，由于蒸发器侧制冷剂压力和温度较常规热泵机组差别较小，所以大部分仍使用翅片管式换热器，以紫铜制管，铝制翅片，这种换热器技术成熟，传热效率较高，除霜方便且应用较广。另外微通道式换热器作为一种新兴的换热器，主要是针对汽车空调提出，现在有拓展到住宅用空调和热泵的趋势。与气冷器用微通道式换热器类似，由于工质为液体，分液不均的问题更为严重，这是制约微通道式换热器发展的主要因素。由于蒸发器侧传热温差小，所需传热面积大，采用微通道式换热器能有效增大传热面积，使设备更加紧凑。因此，目前微通道式换热器成为CO2热泵蒸发器换热器形式的研究重点。

回热器较为单一，很多企业回热器形式与气冷器形式相同，仅将气气换热变为气液换热。目前最常见的形式是套管式和接触式，由于结构单一不再赘述。

由于系统压强整体较高，对换热器等设备的承压能力均有较高要求，但工质自身密度大、黏度低，其换热管道及连接管道均较细，因此承压能力较容易解决，管道密封及接口的焊接质量要求相对更高。

2.3 节流装置的研究

对于节流装置，CO2高压侧压力能达到9～14 MPa，低压侧一般为3～4 MPa，因此，膨胀阀必须能够承受15 MPa以上的压强，目前很多厂家不能提供。节流装置两侧压差达6～10 MPa，过热损失和节流损失均较大，尽管用回热循环并调节最佳压缩比可有一定改善，但问题仍较大。学者研究发现解决此问题的方法主要有两方面：

1)通过改变节流装置，回收膨胀功。针对CO2跨临界循环膨胀比小，而膨胀功大(压缩功的25%～30%)的问题，Gustav Lorentzen首先提出用膨胀机代替节流阀。天津大学管海清[31]通过实验证实采用膨胀机对CO2跨临界循环系统的COP有明显提高作用。一般工况下，可提高20%～40%。但膨胀机加工制造困难，成本高，不适用于小型系统，而采用结构简单、成本低、无运动部件、对两相流工况适应性好的喷射器回收部分节流膨胀过程损失的功，构成CO2跨临界喷射/压缩式制冷可能是一种可行的途径。J. P. Liu等[32]首次提出在跨临界CO2制冷压缩循环中采用喷射器代替节流阀来回收膨胀功，通过建立计算模型，得出系统COP较常规的节流阀系统提高6%～14%。J. Sarkar[33]通过应用热力学循环模拟获得了最佳排气压力对蒸发温度和气体冷却器出口温度的函数，并分析得出带喷射器的跨临界CO2循环的火用效率可比传统的节流阀系统最多高9%。中国科学院、西安交通大学、浙江大学、上海交通大学、东南大学等均对空调、热泵系统用喷射器进行了研究，包括喷射器特性、结构设计、数值模拟及软件开发等内容。大连理工大学范昊[34]设计了空气源CO2热泵热水器的喷射器，并用数值模拟的方法对喷射器内部流场进行了分析。大连理工大学李熠桥[35]进行了可调式蒸气喷射器性能的计算分析，建立模型并运用Fluent模拟实际运行过程中工况改变对喷射器性能的影响。河北工业大学陶金亮[36]实验研究了变工况蒸气喷射式热泵可调式喷射器。可调式喷射器，即利用步进电机的电脉冲信号驱动喷针向前向后移动，从而改变喷嘴喉部面积来调节最优高压侧压力，能够针对不同工况进行能量调节，从而提高系统循环效率。不同机构研究结果吻合，可以得出结论：使用喷射器能够减小节流损失，系统COP提高约10%，可有效提高压缩机的吸气温度，降低压比，提高压缩机效率。

1工作流体入口；2引射流体入口；3主喷嘴；4混合管；5扩压管。图3 喷射器外形及结构Fig.3 Shape and structure of ejector

2)通过减小节流装置两侧压差，从而减小节流损失。通过设置回热器或利用过冷技术能够有效降低气冷器出口即膨胀阀入口处温度，很大程度减少节流损失，提高系统性能。此部分内容在系统研究中详细介绍。

对于改进节流装置主要的研究有：1)大型设备中考虑采用膨胀机代替膨胀阀，回收膨胀功，减少节流损失；2)小型或中型设备中采用喷射器代替膨胀阀，研究带喷射器的蒸气压缩式热泵循环及利用可调式喷射器进行能量调节；3)设置中间换热器(回热器)或利用过冷技术减小节流装置入口制冷剂温度。

2.4 系统的研究

许多学者对CO2跨临界系统进行了理论、实验分析及模拟，通过制冷剂流路的变化及零部件的增设，利用双级压缩技术、补气增焓技术、回热循环、过冷技术、与其余高效系统耦合技术等对系统进行了优化改进。基于热力学第二定律，对CO2跨临界系统建立了火用经济分析模型，通过实际的工程数据，理论上计算分析了系统各部件的火用损失和比率[37-38]。对于低温环境下CO2热泵系统运行性能较差的问题，王沣浩等[39]总结了国内外学者关于改善系统在低温环境下适应性的研究，分析了空气源热泵在低温环境下存在的弊端，并根据最新的研究进展提出空气源热泵的发展方向。金磊等[40]提出4种CO2热泵的改进方案，通过计算和对比，为CO2热泵在低温寒冷地区的应用提供了理论依据。许多研究还将CO2跨临界循环与其他制冷剂循环联合使用以改善循环性能。例如将R134a热泵循环与CO2跨临界循环相结合用于空间加热，研究表明，环境温度为-20～0 ℃时，联合系统循环的加热容量和COP分别增加了32.6%和18.2%[41]。Song Yulong等[42]对用于空间加热的联合R134a/CO2热泵系统和级联R134a/CO2系统进行了性能比较。发现联合系统在高温环境和高进出水温差时表现较好。并提出了一个操作条件系数，该值在大于0.263时，联合系统性能更优越。近年来还有很多学者将新兴的技术运用到CO2热泵系统中，以提高系统性能。华南理工大学项招鹏[43]将相变蓄热技术和复叠式循环应用于CO2热泵系统，提高了热泵热水器系统运行的经济性。刘剑等[44]提出了一种用于住宅采暖和全年供应热水的太阳能辅助CO2热泵供热系统，通过示范住宅对系统进行性能测试，并对结构参数进行了优化分析。结果表明，系统在整个采暖季的耗电量最小且太阳能的保证率达65.7%。意大利DORIN公司针对CO2热泵热水温度滑移及优良的热物理性能，研制出大型冷热联供系统。BIZER与DORIN公司均高度重视新一代双级压缩技术，即平行压缩技术，并将其推广应用在实际工程项目中。

在CO2跨临界循环系统中增设回热器形成回热循环，不仅保证压缩机吸气过热度，防止压缩机发生液击，同时增大气体冷却器制冷剂出口过冷度，降低节流装置入口处压力与温度，减少节流损失，增大系统效率。C. Aprea等[45]对使用回热器(internal heat exchanger，IHX)改善CO2跨临界循环的效果进行了实验性评估。结果表明:使用IHX的情况下，气体冷却器入口的空气温度从40 ℃降至25 ℃时，COP增加高达10.5%。E. Torrella等[46]实验研究了使用IHX时，CO2跨临界循环在3种不同蒸发温度(-5、-10、-15 ℃)和两种不同的气体冷却器出口温度(31、34 ℃)工况下的循环性能。结果显示，冷却量和循环效率的最大增量达12%。A. Cavallini等[47]通过理论和实验研究了具有IHX的两级压缩循环性能。结果表明，IHX提高了冷却能力，降低了最优高压，IHX的使用可以提高循环COP约10%。利用过冷技术同样可以降低气体冷却器制冷剂出口处温度与压力，达到降低节流损失，提高系统效率的目的。目前常用的过冷方式分为3种：1)机械式过冷，即在传统循环中增设过冷循环，通过对制冷剂出口处制冷剂进行过冷从而提高系统COP。德国BIZER等厂家已将其作为提高系统能效的方法进行应用，得到预期效果。2)依靠自身冷量过冷。对冷凝器出口的制冷剂进行分流，部分制冷剂节流后将另一部分过冷。合理分配两部分制冷剂流量，可达到系统效率最大值。3)蓄冷式过冷。这是一种相对成熟的技术，对于热泵供暖，可利用余热加热室内，或利用余热除霜达到对制冷剂过冷，尤其蓄热除霜，不仅解决了除霜热源的问题，同时降低节流损失，对能量梯级利用，增大能量利用率。4)采用地下水过冷。狭义上即采用地下水工质对气体冷却器出口CO2工质进行过冷，广义上可将地下水引申，即采用一切可采用的工质对制冷剂进行冷却，冷却为超临界区域内的液体或气体。

改进系统循环，主要是将CO2循环回路加以变化或结合制冷采暖新技术提高系统效率。例如蒸气压缩/喷射系统，补气增焓，双级压缩，太阳能-CO2热泵耦合采暖系统，CO2热泵蓄热除霜系统等。优化方案，改良系统，从宏观角度改变制冷剂循环方式，从原理角度对热泵进行优化。

3 结论与展望

国内外学者越来越关注对CO2热泵系统的改进和优化。通过提高CO2热泵各部件的效率或改进系统运作方式优化热泵系统。优化项目涉及各个部件、各个方面，使整个系统尽量利用CO2跨临界循环的优势，提高系统的可靠性和高效性。同时产生了越来越多的新技术、新思路对CO2热泵系统进行改良。如何同时提高系统的实用性和可靠性是当前CO2热泵研究领域的重点内容。

因此，结合当今国内外CO2热泵系统的研究现状和存在的问题，对CO2热泵热水器未来的发展提出展望：1)开发新的适于CO2热泵系统的循环过程，降低系统对环境温度的依赖性，提升系统运行的稳定性。例如采用补气增焓技术及多级压缩技术保证其在低温工况中的效率。2)对跨临界循环系统部件进行优化，如降低气冷器出口温度，采用喷射器或膨胀机减少节流损失；改进气冷器与蒸发器形式，提高换热效率；开发新型高效高强度专用压缩机，降低压比，提高压缩机效率。3)将新兴技术如相变材料蓄热技术及太阳能技术等与CO2热泵系统结合，充分发挥各自优势，使系统性能得到进一步提升。4)完善系统的仿真模型，利用计算机仿真技术，开发高效控制系统，软硬件结合，实现有效、准确的模拟系统的运行状态和性能分析。