高效节能环保跨临界CO2 热泵技术

2020-03-12李林凤马瑞军刘玉峰

科技与创新 2020年3期

李林凤，王明，马瑞军，李宁，刘玉峰

（北京大学包头创新研究院热能工程研究所，内蒙古包头014010）

1 引言

节能和环保是21 世纪科技领域永不褪色两大议题。余热回收是节约能源的一大重要途径，热泵技术在余热回收领域应用广泛，但受制冷剂的制约不能大范围推广应用，传统制冷剂如CFCs、HCFCs 等对地球臭氧层造成破坏，导致温室效应比较严重，其在环保要求越来越严格的今天受到越来越多的限制。

因此，研发一种以高效、绿色环保为制冷剂工质的新型热泵技术是解决节能和环保问题的关键，其研究开发应用推广迫在眉睫。自然制冷剂CO2作为传统制冷剂工质的替代物重新兴起[1]。

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，作为一种高效、节能、环保的新型技术被广泛地开发和应用。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[2-3]。

2 跨临界CO2热泵技术

跨临界CO2热泵机组是一种热量转移装置，可以将从周围环境中吸取的热量传递给被加热的对象。跨临界CO2热泵工作时，通过自身消耗一部分能量，把环境介质中储存的能量加以利用，对通过传热工质循环系统提高的温度进行利用，而整个热泵机组自身消耗的一部分能量占输出功的比例很小，因此，采用跨临界CO2热泵技术可以充分利用低品位能源，节约大量高品位能源。

跨临界CO2热泵机组的工作原理就是低温气态制冷剂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。跨临界CO2热泵工作原理如图1 所示。

图1 跨临界CO2 热泵工作原理

跨临界CO2热泵机组主要由回热器、气体冷却器、压缩机、蒸发器、气液分离器等组成，系统稳定运行的关键为每个部件协调配合，其运行效率直接决定了热泵机组的运行能效。以下分别对机组关键设备进行介绍和论述。

2.1 压缩机

压缩机是跨临界CO2热泵的心脏，它的稳定性与热泵运行稳定性直接相关，压缩机的运行效率直接影响热泵运行的COP 值。压缩机效率和压缩机出口温度是影响跨临界CO2热泵性能优劣的两个重要指标，压缩机的效率反映了其对输入能量的利用率，效率越高即利用率越高，系统性能越优异[4]。一般低温热源水温在9～35 ℃之间，蒸发器内CO2蒸发温度在0 ℃左右，蒸发压力在3.4 MPa 左右，系统内的低压较高，使压缩机吸气口的低压提高、压缩机压比减小，因此采用单级压缩，并且从系统的复杂性和设备成本角度考虑，尽量保证系统的简单性、系统运行稳定和设备造价低，采用单级压缩。考虑到压缩机排气压力大，因此跨临界CO2热泵采用单级双缸往复式压缩机。

2.2 蒸发器

蒸发器是跨临界CO2热泵机组中主要的换热设备之一，CO2蒸发器的结构和换热效果对跨临界CO2热泵的性能影响较大，其压降和换热特性对跨临界CO2热泵机组效率的提高具有十分关键的作用。蒸发器中CO2的蒸发温度越高，机组的COP 值越高，因此，尽可能地让蒸发器中CO2的蒸发温度接近低温热源载热水的出口温度，应该尽量强化蒸发器的换热效果、增加蒸发器换热面积，使系统COP 值达到一个较高的性能系数。

2.3 气体冷却器

气体冷却器是跨临界CO2热泵机组热量产出的地方，CO2冷却器的结构和换热效果对跨临界CO2热泵的制热效率COP 值影响较大。CO2气体冷却器效率直接关系到跨临界CO2热泵出水的温度和流量。采用高效气体冷却器可以降低CO2气体冷却器出口温度，不仅提高了系统性能，而且能降低CO2与冷却水之间的换热温差，提高了热水出口的温度。

气体冷却器出口温度越低，换热器的换热量越大，机组的循环性能增加，从而使热泵机组的COP 值提高。因此，降低气体冷却器出口的温度，对提高热泵机组的制热效率有重要作用。

降低气体冷却器出口温度的方法主要有三种：强化换热的手段、增加气体冷却器的换热面积、优化换热器的结构。

3 跨临界CO2热泵节能优势

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。

它具有以下诸多优点[5]：①机组效率高。在整个供暖周期内，跨临界CO2热泵机组的平均制热效率COP 值可以达到4.5，制冷效率EER 值可以达到5.0，远大于一般热泵机组的COP 值（约3.0）和EER 值（约2.5）。②节能效果明显，运行成本低。由于跨临界CO2热泵有很高的COP 值和EER 值，因此，其具有良好的节能效果和较低的运行成本。③出水温度高，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的温度（65 ℃/85 ℃）要求，也可以满足大部分需要高温热水的工业行业。④稳定性和可靠性高。跨临界CO2热泵机组系统技术要求高，系统设备自动化程度高，运行稳定可靠，使用寿命可达到15 年以上，是普通热泵机组使用寿命的1.5～3.0 倍。⑤噪声小。跨临界CO2热泵机组工作噪声在70 dB 以下。⑥环保性良好。跨临界CO2热泵机组内部循环工质采用自然工质CO2进行冷暖联供，可以有效避免氟利昂等传统普通热泵中制冷剂对环境的破坏。

4 跨临界CO2热泵技术应用现状

跨临界CO2热泵机组可以广泛地应用于民用、商用、工业、农林水产、交通和能源资源等诸多领域。

在民用领域，跨临界CO2热泵机组主要应用于家庭应用，包括制取热水、供暖取冷、衣服干燥等，应用较多的是热水制取和供暖取冷；在商业领域，应用包括制取热水、供暖取冷、织物干燥等，目前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、废水处理等行业。

5 跨临界CO2 热泵运行效率

目前来说，主要有以下几种提高跨临界CO2热泵运行效率的方式：①研制新型高效CO2压缩机。压缩机效率越高，热泵的效率也越高。为提高压缩机的效率，有公司开发布置更灵活、结构更紧凑的双级压缩机，通过减小压差、减少泄漏和机械损失的方式来提高压缩机的效率。通过对双级压缩机的改造升级，仍有继续提高压缩机效率的空间，这也是压缩机发展的一个重要方向。②研制新型的膨胀压缩机。在跨临界CO2热泵机组循环中，膨胀部分的损失制约着热泵效率的提高。将膨胀和压缩两种过程进行有机衔接，使压缩机的压缩过程由膨胀部分输出功率来驱动完成，形成膨胀压缩机，减少膨胀部分的损失，形成跨临界CO2热泵机组的特色组成。③研制高效跨临界CO2循环换热器。如新型防重结冰的换热器可有效提升热泵的运行效率。④研制高效能源利用和供热方式的热泵机组。在特定的环境领域中，充分利用低品味能源或可再生能源，解决热水及其他热源的供应问题。⑤研制跨临界CO2热泵智能化控制系统。智能化控制能提升机组运行的稳定性、可靠性，降低故障率，是工业领域智能制造的重要体现。