李林鳳，王 明，馬瑞軍，李 寧，劉玉峰

（北京大學(xué)包頭創(chuàng)新研究院熱能工程研究所，內(nèi)蒙古 包頭014010）

1 引言

節(jié)能和環(huán)保是21 世紀(jì)科技領(lǐng)域永不褪色兩大議題。余熱回收是節(jié)約能源的一大重要途徑，熱泵技術(shù)在余熱回收領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但受制冷劑的制約不能大范圍推廣應(yīng)用，傳統(tǒng)制冷劑如CFCs、HCFCs 等對地球臭氧層造成破壞，導(dǎo)致溫室效應(yīng)比較嚴(yán)重，其在環(huán)保要求越來越嚴(yán)格的今天受到越來越多的限制。

因此，研發(fā)一種以高效、綠色環(huán)保為制冷劑工質(zhì)的新型熱泵技術(shù)是解決節(jié)能和環(huán)保問題的關(guān)鍵，其研究開發(fā)應(yīng)用推廣迫在眉睫。自然制冷劑CO2作為傳統(tǒng)制冷劑工質(zhì)的替代物重新興起[1]。

采用CO2工質(zhì)作為制冷劑的跨臨界熱泵機(jī)組，因其對環(huán)境無污染、無破壞，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、設(shè)備緊湊并具有較高的系統(tǒng)能效比，作為一種高效、節(jié)能、環(huán)保的新型技術(shù)被廣泛地開發(fā)和應(yīng)用。因此，跨臨界CO2熱泵機(jī)組具有較強(qiáng)的市場競爭力，有著廣闊的市場空間和前景[2-3]。

2 跨臨界CO2熱泵技術(shù)

跨臨界CO2熱泵機(jī)組是一種熱量轉(zhuǎn)移裝置，可以將從周圍環(huán)境中吸取的熱量傳遞給被加熱的對象。跨臨界CO2熱泵工作時(shí)，通過自身消耗一部分能量，把環(huán)境介質(zhì)中儲(chǔ)存的能量加以利用，對通過傳熱工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)提高的溫度進(jìn)行利用，而整個(gè)熱泵機(jī)組自身消耗的一部分能量占輸出功的比例很小，因此，采用跨臨界CO2熱泵技術(shù)可以充分利用低品位能源，節(jié)約大量高品位能源。

跨臨界CO2熱泵機(jī)組的工作原理就是低溫氣態(tài)制冷劑CO2由壓縮機(jī)吸氣閥經(jīng)壓縮機(jī)壓縮，變成高溫高壓CO2氣體進(jìn)入氣體冷卻器，被冷水吸熱冷卻，然后進(jìn)入回?zé)崞?。在回?zé)崞髦信c來自氣液分離器的低溫低壓CO2氣體進(jìn)行熱交換后，再經(jīng)過毛細(xì)管節(jié)流元件成為氣液兩相流體，進(jìn)入蒸發(fā)器中，經(jīng)過與循環(huán)水的換熱，進(jìn)入氣液分離器，再進(jìn)入回?zé)崞?，最后回到壓縮機(jī)壓縮，開始一個(gè)新的循環(huán)。在循環(huán)中，冷水在氣體冷卻器中被加熱到所需溫度的熱水，而循環(huán)冷卻水在蒸發(fā)器中被冷卻，CO2作為中間介質(zhì)在熱泵中循環(huán)使用?？缗R界CO2熱泵工作原理如圖1 所示。

圖1 跨臨界CO2 熱泵工作原理

跨臨界CO2熱泵機(jī)組主要由回?zé)崞鳌怏w冷卻器、壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、氣液分離器等組成，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵為每個(gè)部件協(xié)調(diào)配合，其運(yùn)行效率直接決定了熱泵機(jī)組的運(yùn)行能效。以下分別對機(jī)組關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行介紹和論述。

2.1 壓縮機(jī)

壓縮機(jī)是跨臨界CO2熱泵的心臟，它的穩(wěn)定性與熱泵運(yùn)行穩(wěn)定性直接相關(guān)，壓縮機(jī)的運(yùn)行效率直接影響熱泵運(yùn)行的COP 值。壓縮機(jī)效率和壓縮機(jī)出口溫度是影響跨臨界CO2熱泵性能優(yōu)劣的兩個(gè)重要指標(biāo)，壓縮機(jī)的效率反映了其對輸入能量的利用率，效率越高即利用率越高，系統(tǒng)性能越優(yōu)異[4]。一般低溫?zé)嵩此疁卦?～35 ℃之間，蒸發(fā)器內(nèi)CO2蒸發(fā)溫度在0 ℃左右，蒸發(fā)壓力在3.4 MPa 左右，系統(tǒng)內(nèi)的低壓較高，使壓縮機(jī)吸氣口的低壓提高、壓縮機(jī)壓比減小，因此采用單級壓縮，并且從系統(tǒng)的復(fù)雜性和設(shè)備成本角度考慮，盡量保證系統(tǒng)的簡單性、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定和設(shè)備造價(jià)低，采用單級壓縮。考慮到壓縮機(jī)排氣壓力大，因此跨臨界CO2熱泵采用單級雙缸往復(fù)式壓縮機(jī)。

2.2 蒸發(fā)器

蒸發(fā)器是跨臨界CO2熱泵機(jī)組中主要的換熱設(shè)備之一，CO2蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和換熱效果對跨臨界CO2熱泵的性能影響較大，其壓降和換熱特性對跨臨界CO2熱泵機(jī)組效率的提高具有十分關(guān)鍵的作用。蒸發(fā)器中CO2的蒸發(fā)溫度越高，機(jī)組的COP 值越高，因此，盡可能地讓蒸發(fā)器中CO2的蒸發(fā)溫度接近低溫?zé)嵩摧d熱水的出口溫度，應(yīng)該盡量強(qiáng)化蒸發(fā)器的換熱效果、增加蒸發(fā)器換熱面積，使系統(tǒng)COP 值達(dá)到一個(gè)較高的性能系數(shù)。

2.3 氣體冷卻器

氣體冷卻器是跨臨界CO2熱泵機(jī)組熱量產(chǎn)出的地方，CO2冷卻器的結(jié)構(gòu)和換熱效果對跨臨界CO2熱泵的制熱效率COP 值影響較大。CO2氣體冷卻器效率直接關(guān)系到跨臨界CO2熱泵出水的溫度和流量。采用高效氣體冷卻器可以降低CO2氣體冷卻器出口溫度，不僅提高了系統(tǒng)性能，而且能降低CO2與冷卻水之間的換熱溫差，提高了熱水出口的溫度。

氣體冷卻器出口溫度越低，換熱器的換熱量越大，機(jī)組的循環(huán)性能增加，從而使熱泵機(jī)組的COP 值提高。因此，降低氣體冷卻器出口的溫度，對提高熱泵機(jī)組的制熱效率有重要作用。

降低氣體冷卻器出口溫度的方法主要有三種：強(qiáng)化換熱的手段、增加氣體冷卻器的換熱面積、優(yōu)化換熱器的結(jié)構(gòu)。

3 跨臨界CO2熱泵節(jié)能優(yōu)勢

跨臨界CO2熱泵技術(shù)是一種高效節(jié)能、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、安全穩(wěn)定、冷暖兩用、運(yùn)行靈活的新型中央空調(diào)系統(tǒng)。

它具有以下諸多優(yōu)點(diǎn)[5]：①機(jī)組效率高。在整個(gè)供暖周期內(nèi)，跨臨界CO2熱泵機(jī)組的平均制熱效率COP 值可以達(dá)到4.5，制冷效率EER 值可以達(dá)到5.0，遠(yuǎn)大于一般熱泵機(jī)組的COP 值（約3.0）和EER 值（約2.5）。②節(jié)能效果明顯，運(yùn)行成本低。由于跨臨界CO2熱泵有很高的COP 值和EER 值，因此，其具有良好的節(jié)能效果和較低的運(yùn)行成本。③出水溫度高，應(yīng)用范圍廣。傳統(tǒng)熱泵制取的熱水溫度一般不超過55 ℃，很難達(dá)到城市熱網(wǎng)要求和其他需要高溫?zé)崴墓I(yè)行業(yè)，而跨臨界CO2熱泵由于跨臨界循環(huán)能制得95 ℃的高溫?zé)崴耆梢詽M足城市集中供熱的二次管網(wǎng)對于供暖熱水的供回水的溫度（65 ℃/85 ℃）要求，也可以滿足大部分需要高溫?zé)崴墓I(yè)行業(yè)。④穩(wěn)定性和可靠性高。跨臨界CO2熱泵機(jī)組系統(tǒng)技術(shù)要求高，系統(tǒng)設(shè)備自動(dòng)化程度高，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，使用壽命可達(dá)到15 年以上，是普通熱泵機(jī)組使用壽命的1.5～3.0 倍。⑤噪聲小。跨臨界CO2熱泵機(jī)組工作噪聲在70 dB 以下。⑥環(huán)保性良好?？缗R界CO2熱泵機(jī)組內(nèi)部循環(huán)工質(zhì)采用自然工質(zhì)CO2進(jìn)行冷暖聯(lián)供，可以有效避免氟利昂等傳統(tǒng)普通熱泵中制冷劑對環(huán)境的破壞。

4 跨臨界CO2熱泵技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

跨臨界CO2熱泵機(jī)組可以廣泛地應(yīng)用于民用、商用、工業(yè)、農(nóng)林水產(chǎn)、交通和能源資源等諸多領(lǐng)域。

在民用領(lǐng)域，跨臨界CO2熱泵機(jī)組主要應(yīng)用于家庭應(yīng)用，包括制取熱水、供暖取冷、衣服干燥等，應(yīng)用較多的是熱水制取和供暖取冷；在商業(yè)領(lǐng)域，應(yīng)用包括制取熱水、供暖取冷、織物干燥等，目前以熱水供應(yīng)和供暖供冷為主；在工業(yè)領(lǐng)域，可用于化工、氯堿、制藥、制鹽、造紙、紡織、橡膠、冶金、玻璃等行業(yè)；在農(nóng)林水產(chǎn)領(lǐng)域，可用于種子加工、水產(chǎn)品加工、茶葉加工、水產(chǎn)養(yǎng)殖、木材加工、牛奶加工、啤酒行業(yè)、制糖行業(yè)、制革行業(yè)等；在交通領(lǐng)域，可用于港口船運(yùn)、汽車公路、客車鐵路等；在能源資源領(lǐng)域，可用于油田、沼氣生產(chǎn)、煤礦、電力、水廠、淡化海水、廢水處理等行業(yè)。

5 跨臨界CO2 熱泵運(yùn)行效率

目前來說，主要有以下幾種提高跨臨界CO2熱泵運(yùn)行效率的方式：①研制新型高效CO2壓縮機(jī)。壓縮機(jī)效率越高，熱泵的效率也越高。為提高壓縮機(jī)的效率，有公司開發(fā)布置更靈活、結(jié)構(gòu)更緊湊的雙級壓縮機(jī)，通過減小壓差、減少泄漏和機(jī)械損失的方式來提高壓縮機(jī)的效率。通過對雙級壓縮機(jī)的改造升級，仍有繼續(xù)提高壓縮機(jī)效率的空間，這也是壓縮機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要方向。②研制新型的膨脹壓縮機(jī)。在跨臨界CO2熱泵機(jī)組循環(huán)中，膨脹部分的損失制約著熱泵效率的提高。將膨脹和壓縮兩種過程進(jìn)行有機(jī)銜接，使壓縮機(jī)的壓縮過程由膨脹部分輸出功率來驅(qū)動(dòng)完成，形成膨脹壓縮機(jī)，減少膨脹部分的損失，形成跨臨界CO2熱泵機(jī)組的特色組成。③研制高效跨臨界CO2循環(huán)換熱器。如新型防重結(jié)冰的換熱器可有效提升熱泵的運(yùn)行效率。④研制高效能源利用和供熱方式的熱泵機(jī)組。在特定的環(huán)境領(lǐng)域中，充分利用低品味能源或可再生能源，解決熱水及其他熱源的供應(yīng)問題。⑤研制跨臨界CO2熱泵智能化控制系統(tǒng)。智能化控制能提升機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性，降低故障率，是工業(yè)領(lǐng)域智能制造的重要體現(xiàn)。

6 總結(jié)

跨臨界CO2熱泵機(jī)組以CO2工質(zhì)作為制冷劑，制熱效率COP 值可達(dá)4.5，制冷效率EER 值可達(dá)5.0，節(jié)能效果明顯、運(yùn)行成本低廉，對實(shí)現(xiàn)國家節(jié)能減排方針和可持續(xù)發(fā)展具有重要的作用。

跨臨界CO2熱泵機(jī)組與傳統(tǒng)熱泵機(jī)組相比，沒有有毒有害氣體排放，大量使用CO2工質(zhì)，且為循環(huán)使用，也無CO2氣體排放，對環(huán)境的危害性幾乎為0，不會(huì)產(chǎn)生溫室效應(yīng)，因此對環(huán)境保護(hù)有積極作用，符合中國環(huán)保政策。綜上，跨臨界CO2熱泵技術(shù)屬于節(jié)能、環(huán)保、綠色型技術(shù)，有著廣闊的市場空間和應(yīng)用前景。