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文獻綜述
題 目 二氧化碳熱泵熱水器的技術(shù)
分析及發(fā)展概況
學(xué)生姓名
專業(yè)班級
學(xué) 號
院 （系）
指導(dǎo)教師(職稱)
完成時間
二氧化碳熱泵熱水器的技術(shù)分析及發(fā)展概況
摘 要
本文簡單了介紹二氧化碳熱泵熱水器的特點及優(yōu)點，介紹了其中關(guān)鍵部件的技術(shù)發(fā)展，闡述了近年來二氧化碳熱泵熱水器在國內(nèi)外的發(fā)展概況。
關(guān)鍵詞：二氧化碳； 熱泵； 熱水器； 發(fā)展
ABSTRACT
This article simply introduces the advantages and Characteristics of CO2 heat pump water heater.And it tells the developments of its impotant parts.The growth of its market place is also introduced.
KEY WORDS: Carbon dioxide;heat pump; water heater;development
一、概述
家用二氧化碳熱泵熱水器是近年市場上受到諸多關(guān)注的新產(chǎn)品，2001年，家用二氧化碳熱泵熱水器開始進入日本市場后，銷售量以平均約30%的年增長率持續(xù)上升，到2007年銷售量已經(jīng)超過50萬臺;按市場保有量計算，2007年底，家用二氧化碳熱泵熱水器在日本市場累計已經(jīng)超過100萬臺，預(yù)計到2010年將累計達到520萬臺。[[] Tatsujior Suzuki; Kohta Juraku. The Development and Diffusion Processes of Susfinable Technologies and implications for Public Policy; Case Studies in Japan[C] .International Symposium on Dialogue between Social and Natural Sciences in Febmaiy 26-28 February 2007 Princess Kaiulani Hotel. Honolulu Hawaii; U.S A. 2007.
]日本熱泵蓄熱中心(HPTCJ)的2007年研究報告表明，在日本采用熱泵技術(shù)可以削減10%的二氧化碳排放量。其中的2%是用家用二氧化碳熱泵熱水器更換現(xiàn)有熱水器的貢獻。[[] Energy Solution Fair 2008. Heat Pumps in the spotlight [EB] .
]自2008年開始，日本此類相關(guān)整機和零部件的生產(chǎn)企業(yè)著手進行向全球銷售推廣活動，標(biāo)志著二氧化碳熱泵熱水器的技術(shù)和市場發(fā)展進入了一個新階段。本文主要介紹家用二氧化碳熱泵熱水器在技術(shù)和市場近期的發(fā)展和趨勢。
二．氧化碳熱泵熱水器的特點
溫室效應(yīng)和臭氧層破壞的環(huán)境問題越來越受到人們的重視，廣泛應(yīng)用于制冷、空調(diào)、熱泵系統(tǒng)的氟利昂受到了限制及禁用，各國展開了氟利昂替代物質(zhì)的研究工作。簽訂《蒙特利爾議定書》以來，各國對CFCs、HCFCs的替代進行了廣泛的研究，一種普遍的觀點認(rèn)為用天然工質(zhì)作為制冷劑。天然工質(zhì)CO2與氟里昂類制冷劑主要性能比較如表1所示。
表1 CO2與傳統(tǒng)制冷劑性能比較[[] Hwang Y. . Comprehensive investigation of carbon dioxide refrigeration
cycled [D] .University of Maryland 1997.
][[] 丁國良，黃冬平.二氧化碳制冷技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006
]
性質(zhì)
R744（CO2）
R134a
R12
R22
消耗臭氧層潛能ODP
0
0
1
0.055
全球變暖潛能GWP（100年）
1
3100
7100
4200
絕熱指數(shù)k
1.3
1.14
1.2
可燃性
否
否
否
否
是否分解有毒物質(zhì)
否
是
是
相對分子量
44.01
102
120.93
86.48
0℃時容積制冷量/kJ?m-3
22600
2860
2740
4344
臨界溫度tc/℃
31.1
101.7
112
96
從表1可知，CO2作為自然工質(zhì)，與常用制冷劑相比具有獨特的優(yōu)勢:
(1 ) ODP為零，GWP值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于CFCs和HFCs,符合環(huán)保要求。
(2)絕熱指數(shù)大，壓縮機排氣溫度較高，滿足制取較高溫度熱水的要求，具有優(yōu)良的經(jīng)濟性，且無回收問題
(3)良好的安全性和化學(xué)穩(wěn)定性，安全無毒，不可燃，適應(yīng)各種潤滑油及常用機械零部件材料，在高溫下也不分解產(chǎn)生有害氣體。
(4)相對分子量小，具有與制冷循環(huán)和設(shè)備相適應(yīng)的熱力學(xué)性質(zhì)，蒸發(fā)潛熱大，單位容積制冷量相當(dāng)高，設(shè)備緊湊。
(5 )臨界溫度低(31. 1 ℃),因此循環(huán)一般在跨臨界狀態(tài)下運行。
此外，由于CO2具有良好的流動和傳熱特性，可顯著減小壓縮機與系統(tǒng)的尺寸，使整個系統(tǒng)非常緊湊。
自然工質(zhì)CO2以其良好的環(huán)保特性、優(yōu)良的傳熱特性和相當(dāng)大的單位容積制冷量等優(yōu)點，再度受到了人們的廣泛重視。前國際制冷學(xué)會主席G.Lorentzen認(rèn)為CO2是無可取代的制冷工質(zhì)，并提出了CO2跨臨界循環(huán)理論，指出其在熱泵領(lǐng)域?qū)⒕哂袠O其廣闊的發(fā)展前景。目前跨臨界CO2熱泵及其部件的開發(fā)研究已經(jīng)成為制冷領(lǐng)域的熱點之一[[] 郭蓓，彭學(xué)院，邢子文.二氧化碳熱泵熱水器系統(tǒng)及壓縮機的研發(fā)現(xiàn)狀[J].家電設(shè)計.2005 (9).42-44.
]，特別是在熱泵熱水器中的應(yīng)用。
CO2 的臨界溫度很低，為31. 1 ℃,故CO2熱泵系統(tǒng)一般采用跨臨界循環(huán)。CO2熱泵系統(tǒng)主要由4部件構(gòu)成:壓縮機，氣體冷卻器，節(jié)流裝置和蒸發(fā)器，還設(shè)有內(nèi)部熱交換器，回?zé)崞?、儲液器和油分離器等。其跨臨界循環(huán)原理圖如圖1所示。
圖1 CO2跨臨界循環(huán)原理圖
此循環(huán)過程中，過程1-2為CO2氣體在壓縮機內(nèi)的壓縮過程;2點為壓縮機出口排氣，此處壓力高于臨界壓力;過程2-3為高壓氣體在氣體冷卻器內(nèi)被水冷卻，此時的出口溫度還很高;過程為3-4為氣體通過內(nèi)部換熱器進一步被壓縮機回氣冷卻，從而提高COP;之后，過程4-5為冷卻氣體經(jīng)過節(jié)流閥進行節(jié)流;過程5-6吸收氣體冷卻器出口氣體的余熱而過熱進入壓縮機壓縮，從而完成一個循環(huán)。該循環(huán)的特點是蒸發(fā)吸熱過程處于亞臨界區(qū)，而放熱過程處于超臨界區(qū)。
圖2 CO2跨臨界循環(huán)在T-S圖上的表示
從圖2可以看出，CO2跨臨界循環(huán)壓縮機排氣溫度較高（可達100℃以上）氣體冷卻器具有較大的溫度滑移，這種溫度滑移正好與所需的變溫?zé)嵩聪嗥ヅ?，可以得到較高的熱泵效率，特別適合于家用熱水的加熱。
CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的亞臨界循環(huán)系統(tǒng)之間的區(qū)別在于:在傳統(tǒng)亞臨界系統(tǒng)中，制冷劑在冷凝器出口的焓值僅是溫度的函數(shù)，而在CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)中，超臨界壓力區(qū)內(nèi)并無兩相區(qū)存在，溫度和壓力為相互獨立的變數(shù)，高壓側(cè)壓力變化對制冷量、壓縮機功耗和COP值也會產(chǎn)生影響[[] Petersen J, Skaugen G. Operation of transcritical CO2 vapor compression system in vehicle air conditioning//International Institute of Refrigeration [J].IIR working fluids in refrigeration and air conditioning Hanover, Germany: Air conditioning and Refrigeration European Association(ARE-A ), 1994: 495-505.
]。
跨臨界CO2熱泵循環(huán)具有獨特的優(yōu)勢，其放熱過程溫度較高且存在一個相當(dāng)大的溫度滑移(約80 ~100℃)。研究表明:(1)在蒸發(fā)溫度為0℃時，水溫可以從10℃加熱到60 ℃,其熱泵COP可達到4. 3,比電熱水器和燃?xì)鉄崴髂芎慕档?5%以上[[] 周子成，蔡湛文.國內(nèi)外熱泵熱水器的發(fā)展[J].家電科技，2006,(12):42-45.
]。(2)傳統(tǒng)熱泵熱水器制取熱水一般不超過55 ℃,若要制得較高溫?zé)崴畡t制熱系數(shù)下降;而CO2熱泵熱水器由于跨臨界循環(huán)，在氣體冷卻器中的換熱溫差小，換熱效率高，且能制得90℃高溫?zé)崴?3)在商用和住宅建筑的能量需求中，約有1 /4～1 /3來源于對熱水的需求。采用CO2熱泵為商用和住宅建筑供應(yīng)熱水，可使其總用能量減少20%。
(4)在寒冷地區(qū)，傳統(tǒng)空氣源熱泵的制熱量和效率隨環(huán)境溫度的降低下降很快，熱泵的使用受到限制。而CO:熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境下能維持較高的供熱量，大大節(jié)約輔助加熱設(shè)備所耗費的能量。
綜上所述，CO2熱泵循環(huán)不但在環(huán)境保護方面具有很大的優(yōu)勢，而且其節(jié)能的潛力非常大，開發(fā)CO2熱泵熱水器的市場前景廣闊，意義重大。
三．主要部件的發(fā)展概況
1、 壓縮機。
表2 二氧化碳壓縮機制造商[[]劉圣春.超臨界CO2流體特性及跨臨界循環(huán)系統(tǒng)的研究[D].天津大學(xué)博士論文，2006 ,1;9-11.
][[]陸平.全封閉旋轉(zhuǎn)式二氧化碳壓縮機研究[D].上海交通大學(xué)碩士論文，2007,6; 19 -25.
][[] ENDOH K,KOUNO T,GOMMORIM,et al. Imdysmy Hot-Water Heater Using CO2Refrigerant for Home Use[C] .7th IIR Gustav Lorentzen Conference on Natural Working Fluids Trondheim,Norway,2006,5;28-31
][[] Torben O Isen . CO2heat pump campents and systems [R]. CO2 Short Course,2007,1;25-26
][[] http://www. r744. com/products categories php? Id=5[EB].
]
制造商
國家
壓縮機型式
三洋
日本
全封閉滾動轉(zhuǎn)子式
日立
日本
全封閉渦旋式
松下
日本
全封閉渦旋式
電裝
日本
全封閉渦旋式
大金
日本
全封閉搖擺式
丹佛斯
丹麥
全封閉活塞式
Dorin
意大利
半封閉活塞式
Bock
德國
半封閉活塞式
從表2可以看出，二氧化碳壓縮機有活塞式、渦旋式和搖擺式，但主要是活塞式和渦旋式兩種型式。而且日本廠商都采用全封閉式，歐洲廠商大多采用半封閉式。從歐洲和日本生產(chǎn)情況來看，全封閉渦旋式和半封閉活塞式將是二氧化碳壓縮機主要采用的型式。由于日本二氧化碳熱泵熱水器商業(yè)化已有幾年歷史，日本各廠商的壓縮機也已經(jīng)歷了幾代的更新，但各廠商都是在原有壓縮機的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化或改進，以提高效率，并應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，因此日本各廠商的壓縮機在型式上并沒有很大變動，但性能經(jīng)歷了幾年的改進更加優(yōu)越，壓縮機技術(shù)也相對成熟。而歐洲壓縮機制造商雖然也推出了二氧化碳壓縮機，但還沒有更新?lián)Q代，屬于第一代產(chǎn)品，其性能還有待優(yōu)化，而且品種少，對于一些系統(tǒng)的匹配性沒有那么好。但總的來說，二氧化碳壓縮機作為核心部件，是二氧化碳熱泵零部件中技術(shù)最為復(fù)雜的，全球的二氧化碳壓縮機的制造商的增加，無疑打破了日本制造商技術(shù)壟斷的局面，有利于其他國家進行二氧化碳熱泵的研發(fā)。
2、 蒸發(fā)器
蒸發(fā)器的型式相對較少，主要有兩種:管翅式和微通道式。圖3所示為一種管翅式蒸發(fā)器，大多采用銅管鋁翅片型式，是普通家用空調(diào)常用的換熱器，工藝成熟，因此二氧化碳熱泵中采用的蒸發(fā)器大多是管翅式型式。
圖3 管翅式蒸發(fā)器
圖4所示為兩款微通道式蒸發(fā)器，而圖4 (a)所示為微通道平板式蒸發(fā)器在二氧化碳汽車空調(diào)中得到應(yīng)用，其采用的是鋁質(zhì)材料，質(zhì)量較輕。而且由于微通道的相對換熱面大，其體積也較小，但應(yīng)用于高壓環(huán)境下，對制造提出了挑戰(zhàn)。雖然微通道換熱器效率高，其制造還需要研究優(yōu)化，但它將二氧化碳熱泵蒸發(fā)器的發(fā)展趨勢。
（a）
（b）
圖4 兩種微通道式蒸發(fā)器
3、 氣冷器
日本是二氧化碳熱泵熱水器唯一商業(yè)化成功的國家，其制造商的相關(guān)產(chǎn)品中，氣冷器的設(shè)計主要經(jīng)歷了四次改進，如圖5所示[[] 榷守仁彥，吉永信也.小型一體化CO2冷媒熱泵熱水器的開發(fā)[J].家電科技，2007
]。
圖5 氣冷器發(fā)展趨勢
圖（a）是套管式氣冷器，圖(b)是兩種不同的外繞式氣冷器，圖(c)也是外繞式，但較圖(b)有所改進，圖(d)提微通道式換熱器。從氣冷器的發(fā)展趨勢來看，由圖(a)向圖(b)轉(zhuǎn)變，其制冷劑和水由原來的對流換熱為主向?qū)釗Q熱為主發(fā)展，有可能是由于導(dǎo)熱為主換熱效果更好。也可能是從安全性考慮:由于采用圖(a)的套管式氣冷器，內(nèi)管是制冷劑通道，制冷劑的工作壓力很高，當(dāng)內(nèi)管發(fā)生爆裂時，有可能引發(fā)外管的第二次爆裂，從而大大增加了安全隱患。而圖(b)向圖(c)的轉(zhuǎn)變只是一種優(yōu)化，圖(C)的換熱面積更大了，而且由于內(nèi)管的螺旋結(jié)構(gòu)，增加了擾動，導(dǎo)致?lián)Q熱效果更好，不過制造工藝難度較高。圖(c)向圖(d)的轉(zhuǎn)變是設(shè)計型式的轉(zhuǎn)變，采用的還是以導(dǎo)熱為主的換熱方式，但管徑變小，采用微通道型式。微通道也是研究最多的一種換熱器，由于二氧化碳的黏度低，運行壓力高，比較適合應(yīng)用微通道。因此，從日本廠家的氣冷器的發(fā)展趨勢來看，以導(dǎo)熱為主的換熱形式的微通道氣冷器應(yīng)該會成為發(fā)展的主要方向。
四、世界市場的發(fā)展概況
近年來，二氧化碳熱泵熱水器因其有著諸多的優(yōu)點，因而有了較大的發(fā)展，其中以日本最為突出，另外我國也有相應(yīng)的研究，歐美市場也有進展。
我國對二氧化碳熱泵熱水器還處于研發(fā)階斷段，在市場上還沒有國產(chǎn)的二氧化碳熱泵熱水器和二氧化碳壓縮機的產(chǎn)品銷售。國內(nèi)從事這方面研究工作的主要有:天津大學(xué)熱能研究所建立了二氧化碳熱泵熱水器的試驗系統(tǒng)，對二氧化碳跨臨界熱泵循環(huán)、壓縮機、膨脹機，計算機仿真等方面開展了廣泛的理論研究和產(chǎn)品樣機研發(fā)。西安交大壓縮機研究中心開展了二氧化碳壓縮機和熱泵熱水器的理論研究和產(chǎn)品樣機研發(fā)。上海交大制冷與低溫研究所開展了二氧化碳制冷和熱泵循環(huán)在車用空調(diào)中的應(yīng)用，以及二氧化碳車用壓縮機的理論研究和產(chǎn)品樣機研發(fā)。浙江大學(xué)制冷與低溫研究所開展了噴射器的二氧化碳制冷系統(tǒng)的研究。上述單位的研究工作都有一些產(chǎn)品制造企業(yè)參與合作，并獲得國家和地方政府的資金支持。同時我國廣東順德地區(qū)的家電戰(zhàn)略聯(lián)盟企業(yè)也在合力攻關(guān)“二氧化碳熱泵相關(guān)技術(shù)”的應(yīng)用研究及產(chǎn)業(yè)化。項目是由聯(lián)盟企業(yè)與上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)等高校機構(gòu)以產(chǎn)學(xué)研合作的方式進行協(xié)同研發(fā)，同時聘請了中科院等外部技術(shù)專家顧問組成項目專家技術(shù)委員會，指導(dǎo)聯(lián)盟成員企業(yè)聯(lián)合攻關(guān)。
日本是二氧化碳熱泵熱水器走向?qū)嵱没羁?，也是最成功的國家，?001年向市場推出商品以來，至今已累計生產(chǎn)和銷售了120多萬臺。在日本市場上，這種產(chǎn)品統(tǒng)一使用Eco Cite(生態(tài)精靈)商標(biāo)名，它是在日本關(guān)西電器注冊的商標(biāo)名，只用于以二氧化碳為制冷劑的熱泵熱水器產(chǎn)品。目前已有三菱電機、大金、三洋、松下、東芝、柯羅娜、長富等多家公司生產(chǎn)不同規(guī)格的商品。最近日本的Eco Cite產(chǎn)品已推向歐洲市場[[] 周子成.二氧化碳熱泵熱水器近期的發(fā)展[A].制冷，2009,9;33-39.
]。日本電裝公司在2000年生產(chǎn)出第一臺商業(yè)化的家用CO2熱泵熱水器。之后，大金、松下、長富、三菱電機等公司也生產(chǎn)了CO2熱泵熱水器。自2001年家用CO2熱泵熱水器的研發(fā)到投放市場，銷售量從2003年的7萬套發(fā)展到2005年22萬套和2006年的52萬套，銷售量逐年穩(wěn)步上升。CO2熱泵熱水器之所以在日本能夠較早地發(fā)展并形成規(guī)模，主要是由于家庭中熱水的能耗占全部能耗的30%。日本重視環(huán)境問題，政府從2002年起對CO2熱泵熱水器使用者發(fā)放補貼金，推動了CO2熱泵熱水器的發(fā)展與普及[[] 周子成，蔡湛文.國內(nèi)外熱泵熱水器的發(fā)展[J].家電科技，2006,12;42-45.
]。
日本CO2熱泵熱水器各品牌在市場上競爭激烈，新產(chǎn)品不斷推出。2006年有十幾個新機型推出，它們都具有較高的COP值[[] 周子成.二氧化碳熱泵熱水器[J].制冷與空調(diào),2005,4;35-41.
]。像大金370L全自動型CO2熱泵熱水器，采用波紋型換熱管提高傳熱效率，其COP達4. 95。松下電器推出了5種型號的CO2熱泵熱水器，COP均達到4. 8。三菱電機推出了9種新產(chǎn)品，COP達4.9，由于儲水箱采用了新的保溫材料，其保溫性能提高了15%?？铝_那推出了4種新產(chǎn)品，COP達4. 8。三洋開發(fā)460L、370L、300L的儲水箱系列，并具有多功能（如在雨季可兼用于浴室干燥加熱），同時適用于氣候寒冷的地區(qū)。日立也推出首款可供3層樓使用的高壓大流量供熱水系統(tǒng)。
日本幾家公司聯(lián)合，于2003年開始共同研究、開發(fā)小型、節(jié)省空間一體化且高效的CO2熱泵熱水器，并于2005年4月在日本市場上投放。這種熱水器具有燃?xì)鉄崴鞯奶卣?，無需存儲大量的高溫?zé)崴?，?jié)省空間。通過高輸出化，使用中連續(xù)加熱不會發(fā)生熱水中斷，可以真正實現(xiàn)來自洗浴溫水的跟蹤加熱，具有使用方便的特點。它避免熱水存儲式的高溫加熱(90 ℃)無需對設(shè)定溫度（例如42℃）的中溫水摻冷水，實現(xiàn)連續(xù)供給適當(dāng)溫度的熱水，COP更高，降低運轉(zhuǎn)成本。使用時，將熱水加熱到所需溫度，通過采用無需摻合冷水的高效率循環(huán)的“瞬間直接加熱供給熱水方式”與開發(fā)激活。特性的臥式高輸出渦旋壓縮機以及水拎劑熱交換器等，在42℃最大供給熱水時，能力達到23kW, COP達到4. 6，根據(jù)制熱量和地區(qū)適應(yīng)性的不同，現(xiàn)在日本市場已有16種不同類型的CO2熱泵熱水器。
歐美方面，挪威SINTEF能源研究所的G. Lorentzen與Neksa Petter等率先對CO2熱泵熱水器系統(tǒng)進行了研究開發(fā)工作，并獲得專利。第一臺商業(yè)用途CO2熱泵熱水器是由挪威的Frostmann AS公司開發(fā)出來的，制熱量為22 kW。1999年，M. Sa}awa和K.Hashinoto等建起了CO2熱泵熱水器實驗臺，全年系統(tǒng)平均COP可高達3. 0且改進型系統(tǒng)在外界空氣源溫度為一20℃時，仍可提供90℃的熱水。
五．結(jié)束語
二氧化碳熱泵熱水器自1999年問世以來，發(fā)展雖然不甚良好，但是其突出的優(yōu)點還是讓我們印象深刻。相比較傳統(tǒng)的熱水器，其對大氣臭氧層無破壞作用，制熱性能系數(shù)高，出水溫度高，因此近年來人們一直對其進行著研究與改進，其中以日本最為突出。加之日本政府的政策支持，二氧化碳熱泵熱水器在日本已經(jīng)有了良好的發(fā)展勢頭與市場。我們也有理由相信，在技術(shù)成熟之時，二氧化碳熱泵熱水器必將在世界熱水器市場上占得一席之地。
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