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CO2工質(zhì)在熱泵熱水器中的應用
摘要
分析了CO2的性質(zhì)和跨臨界循環(huán)的特點，介紹了CO2工質(zhì)在熱泵熱水器中的研究與應用發(fā)展現(xiàn)狀，探討了其目前所面臨的問題。與傳統(tǒng)制冷劑相比，CO2在熱泵熱水器中的應用具有廣闊的發(fā)展前景。
關鍵詞：二氧化碳 跨臨界循環(huán) 熱泵熱水器
一、CO2的性質(zhì)
CO2是一種綠色環(huán)保的天然工質(zhì)，使用CO2作為熱泵熱水器制冷劑具有較多優(yōu)點：(1)環(huán)境性能優(yōu)良。ODP為零，且GWP很小，約為R134a和R22的千分之一。(2)單位容積制冷量大。其容積制冷量約為R22的5倍。(3)具有優(yōu)良的流動和傳熱特性。(4)來源廣泛，價格低廉。(5)化學穩(wěn)定性好，完全適用于普通的潤滑油和通常的制造材料。(6)安全無毒，不可燃。(7)絕熱指數(shù)高。雖然可能存在使壓縮機排氣溫度偏高的問題，但符合制取高溫熱水的要求。(8)臨界溫度低。因此循環(huán)一般在跨臨界狀態(tài)下運行。正因為CO2這些優(yōu)點，前國際制冷學會主席G．Lorentzen認為它是無可取代的制冷工質(zhì)，并提出跨臨界循環(huán)原理，指出其在熱泵領域?qū)l(fā)揮重要作用[1]。
二、CO2跨臨界循環(huán)及特點
由于CO2臨界溫度較低(31．1℃)，其熱泵循環(huán)流程采用的是跨臨界循環(huán)。CO2跨臨界循環(huán)時，壓縮機的吸氣壓力低于臨界壓力，蒸發(fā)溫度也低于臨界溫度，循環(huán)的吸熱過程在亞臨界條件下進行，換熱過程主要依靠潛熱來完成。但是壓縮機的排氣壓力高于臨界壓力，換熱過程依靠顯熱來完成，此時高壓換熱器不再稱為冷凝器，而稱為氣體冷卻器。CO2跨臨界循環(huán)具有以下幾個特點：(1)放熱過程是一個伴隨有較大溫度滑移的變溫過程，這正好與水加熱時的溫升相匹配，是一種特殊的洛倫茲循環(huán)，可以減少高壓側(cè)不可逆?zhèn)鳠嵋鸬哪芰繐p失，有利于提高循環(huán)系統(tǒng)的COP；(2)與常規(guī)制冷劑相比，CO2跨臨界循環(huán)的壓縮比較小，約為2．5～3．0，可以提高壓縮機的運行效率，進而提高系統(tǒng)的性能系數(shù)；(3)系統(tǒng)的運行壓力高，這對系統(tǒng)的材料強度、密封和管道連接等方面的要求更苛刻；(4)傳統(tǒng)的亞臨界系統(tǒng)，制冷劑在冷凝器出口的焓值僅是溫度的函數(shù)，而CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)中，超臨界壓力狀態(tài)下溫度和壓力彼此獨立，所以高壓側(cè)壓力對制冷劑焓值有影響，高壓側(cè)壓力也會對制冷量、壓縮機功耗和COP值產(chǎn)生影響[2]，在最佳排氣壓力下，循環(huán)系統(tǒng)的性能系數(shù)COP可達
1
到最大。
三、CO2熱泵熱水器的研究與發(fā)展現(xiàn)狀
1994年，挪威SINTEF能源研究所的G．Lorentzen與Neksa Petter等人率先對cch跨臨界循環(huán)在熱泵上的應用作了理論和實驗上的研究。他們制作了CO2熱泵熱水器樣機，并對樣機進行性能測試，結(jié)果進一步證明了CO2熱泵熱水器在0℃的蒸發(fā)溫度下，水從9℃加熱到60℃時熱水器樣機的COP值高達4.3，其能量消耗比電或燃氣系統(tǒng)降低了75％|[3]，并且可以提供90℃的高溫熱水。奧地利的Rieberer對整個系統(tǒng)進行模擬計算，結(jié)果表明：將10℃的水加熱到60℃時，CO2熱泵熱水器的COP值為4.6，比R134a熱泵熱水器高出15％[4]。德國Dresden大學的P．Heyl等人[5]對C02跨臨界循環(huán)熱泵的熱力學性能進行分析，對各種循環(huán)方式的計算方法，系統(tǒng)部件的設計、選取和組裝原則等方面進行了研究，并在Dresden大學建立了CO2：跨臨界循環(huán)熱泵試驗臺，對不同裝置中的計算和評價方法進行分析和討論。日本電力工業(yè)中央研究院(CRIEPI)與東京電力公司(TEPCO)及DENSO公司的M．Saikawa，K．Hashimoto，K．Kusakari等人[6,7]于1998年9月開始合作，對CO2熱泵熱水器的基礎理論進行研究，得出CO2熱泵熱水器的性能高于傳統(tǒng)工質(zhì)熱泵的結(jié)論。1999年，M．Saikawa，K．Hashimoto等人建起了CO2熱泵熱水器原型機實驗臺。2000年，他們叉對原型機進行了改進。改進的CO2熱泵熱水器；結(jié)果證明它的年平均COP值可以達到3.0，即使在寒冷地區(qū)一20℃的環(huán)境溫度下仍可以提供高達90℃熱水。2001年1月再次對其進行改進，并且已經(jīng)于2002年推向了市場，銷售量穩(wěn)步上升。日本三洋電器公司研發(fā)總部生態(tài)能源系統(tǒng)研究中心的HirosN Mukaiyam等人[8]惻研制了一種采用帶變頻電動機的雙級滾動活塞壓縮機的家用熱泵熱水器。為防止除霜后的水重新結(jié)冰，他們將從氣體冷卻器出來的高壓工質(zhì)通到室外蒸發(fā)器的底部，即使在較冷的地區(qū)測試也沒有發(fā)現(xiàn)水重結(jié)冰的現(xiàn)象。并且他們還研究發(fā)現(xiàn)CO2熱泵熱水器總有效溫室效應指數(shù)比其他方式的熱水器降低了近一半。國內(nèi)對CO2熱泵熱水器的研究也已經(jīng)開始。天津大學在國家自然科學重點基金的資助下，對CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)在熱泵中的應用進行了理論和實驗研究，并且建立了熱泵實驗臺。他們先后對單級加熱與雙級加熱兩種形式的CO2，跨臨界循環(huán)熱泵熱水系統(tǒng)進行了分析對比[9]，對CO2跨臨界水一水熱泵供熱系統(tǒng)進行了研究[10]，對CO2跨臨界膨脹機做了測試和特性分析[11,12]，其研究成果對CO2熱泵熱水器的系統(tǒng)改善、性能優(yōu)化等方面作出了一定貢獻。西安交通大學壓縮機研究所于2003年與美國聯(lián)合技術公司展開合作研究，建立了CO2跨臨界制冷系統(tǒng)試驗臺，研制出自由活塞式、滑片式兩種膨脹機一壓縮機組。上海交通大學的丁國良等人建立了CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)的仿真模型，對幾種不同的CO2跨臨界循環(huán)的性能進行了比較[15]。除此之外，還有許多其他院校、單位[13,14,16]也對CO2在熱泵熱水器中的應用進行了多方面的深入研究工作。
四、C02熱泵熱水器面臨的問題
CO2工質(zhì)在熱泵熱水器中的應用研究才進行10年左右的時間，目前還存在著許多有待突破和改進的地方：(1)高效率壓縮機的研制與開發(fā)。CO2熱泵熱水器壓縮機的工作壓力高，吸排氣壓差大，這使得壓縮機設計中存在一定的難度。由于雙級壓縮機不但可以使系統(tǒng)更緊湊、靈活，而且可以減小壓差，減小泄露和機械損失，同時能夠提高系統(tǒng)效率，因此它將是未來CO2壓縮機的一個發(fā)展方向。(2)高效跨臨界循環(huán)熱交換器的設計。針對工質(zhì)的流動和傳熱特性，設計出高效的CO2熱泵熱水器換熱器，從而提高系統(tǒng)效率。但是目前工質(zhì)流動和換熱性能的研究尚不成熟，沒有通用的經(jīng)驗關聯(lián)式，部分流動和換熱機理尚不明了，這有待于進一步的研究。(3)高效膨脹機的開發(fā)。由于氣體冷卻器出口端與蒸發(fā)端的壓差較大，因此降低膨脹部分的損失是提高系統(tǒng)效率的有效途徑。利用膨脹機的輸出功率驅(qū)動壓縮機完成壓縮過程，設計能勝任兩相膨脹的高效率的膨脹機，就成了另一個重要的、需要突破的關鍵問題。(4)CO2系統(tǒng)安全性相關的研究需進一步加強。一是設計時需滿足系統(tǒng)各個部件的承壓要求，保證高壓運行的安全性；二是要加強研究CO2和潤滑油的相互作用，以及CO2與橡膠的滲透作用，避免泄露，提高安全性。(5)先進控制方式的研究，從而使系統(tǒng)更加可靠、穩(wěn)定，使用更加方便。(6)不斷降低系統(tǒng)及部件成本，從而降低CO2熱泵熱水器的價格。CO2熱泵熱水器系統(tǒng)中一些關鍵設備目前尚處于研制階段，成本較高，解決產(chǎn)品的價格問題是CO2熱泵熱水器推向市場的前提條件。(7)關于CO2熱泵熱水器的測試標準，各國尚不統(tǒng)一。在研制出口產(chǎn)品時，需針對出口國的要求進行測試。
五、結(jié)語
CO2是熱泵系統(tǒng)工質(zhì)替代中最有潛力的天然工質(zhì)之一，它無毒、無味、不可燃，而且對環(huán)境友好[17]；同時CO2跨臨界循環(huán)的放熱過程伴隨有較大的溫度滑移，這正好與變溫熱源相匹配；除此之外，CO2熱泵熱水器還可以提供高達90℃的高溫熱水，因此它在熱泵熱水器方面的應用具有其他工質(zhì)所無法比擬的優(yōu)勢。國外，特別是日本，已經(jīng)對CO2在熱泵熱水器中的應用進行了大量的深入研究，并已開發(fā)出相應的產(chǎn)品，其市場占有率穩(wěn)步上升。目前，CO2熱泵熱水器所面臨的問題主要在于繼續(xù)提高效率和不斷降低成本。因此根據(jù)CO2的特性，開發(fā)出適于C島熱泵熱水器的高效率壓縮機、換熱器等部件，以及加強對系統(tǒng)控制方面的研究將是今后工作的重點。
參考文獻
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