寒冷氣候使用的CO2熱泵熱水器

周子成

1 引 言

眾所周知，天然制冷劑CO2是一種不破壞大氣臭氧層 （ODP=0）和全球氣候變暖指數很小（GWP=1）的環境友好型制冷劑。

CO2具有特別低的臨界溫度 （31.1℃）和高的臨界壓力 （7.38MPa）。因此，通常CO2熱泵系統的工作壓力比常規熱泵高5至10倍以上，即在蒸發器吸熱時 2.0至 4.0MPa，冷卻器放熱時 8.0至13MPa。由于低的臨界溫度，大多數CO2熱泵是在跨臨界循環運作，在超臨界壓力 （P＞7.38MPa）以上放熱和在亞臨界壓力下蒸發。與常規的亞臨界熱泵循環不同，熱量不是在冷凝器中工質凝結時放出，而是在換熱器 （氣體冷卻器）中高壓CO2氣體被冷卻時放出。

20世紀80年代末期，挪威科學家勞倫曾（Gustav Loerentzen）教授及其合作者發明了用于熱泵熱水器的CO2熱泵技術，并獲得了跨臨界CO2循環專利。后來被稱為Shecco技術。2001年日本電裝（Denso）公司第一個制造出基于Shecco技術的熱泵熱水器產品。現在采用這類CO2跨臨界熱泵循環的產品 （商標為 “Eco Cute”）已被許多日本公司推向國內市場，其中有：三洋 （Sanyo）、前川 （Mycom）、依托密克 （Itomic）、日立 （Hitachi）、大金（Daikin）、松下 （Panasonic）、三菱電機 （Mitsubishi Electric，即Melco）、柯羅那 （Corona）、和東芝開利（Toshiba Carrier）等公司。部分公司已將產品推向國際市場，如德國、法國、英國等。

圖1表示了日本生產的家用CO2熱泵熱水器的逐年產量和累計產量。

從圖可看出，到2007年已累計產量超過100萬臺，2009年已超過200萬臺，到2010年累計產量已達到280萬臺。日本電力公司聯合會的計劃目標是到2020年實現累計產量達到1000萬臺。

近年來，極大多數日本生產的空氣源熱泵熱水器，使用的最低環境溫度都在-15℃到-25℃。表1列出了日本主要的空氣源熱泵熱水器性能參數。這些機組適用于地板供暖和家用熱水，其中的中、高溫熱水器適用于輻射供暖 （取代舊式建筑的暖氣片）和家用熱水。

圖1 2001年至2010年日本家用CO2熱泵熱水器的當年產量和累計產量

表1 日本主要的空氣源熱泵熱水器性能參數

在我國，空氣源熱泵在北方有廣闊的使用市場，除了在酒店賓館、醫院等服務行業、高溫烘干等工業應用外，很重要的一大部分就是家庭住宅采暖。

我國長江以北的大部分地區，在冬天的低氣溫都達到了零下10℃，然而，有集中供暖的地區只有少數，比如，人口超過1億的河南省，每年能享受到集中供暖的只有極少一部分，大部分城鎮居民，以及幾乎全部的農村居民都采用燃煤鍋爐采暖或者忍受零下十幾度的寒冷氣候。遼闊的北方采暖市場對于空氣源熱泵行業來說，是大有用武之地。

我國在 “十二五”期間，公共建筑被確定為節能降耗的主要領域。國家將啟動一批公共建筑節能改造重點城市。預計2015年，這些城市公共建筑單位面積能耗將下降20%以上。國家出臺政策中的建筑節能改造的重點城市只占40個，這40個重點城市的建筑節能改造最少也有200億的采暖市場，還有廣大的北方農村地區與40個重點城市之外的城市，都是空氣源熱泵采暖未來的發展領域。

在國外，除日本外，歐洲許多國家和北美的美國和加拿大也開始逐步推廣同時供暖和供給生活熱水的CO2熱泵熱水器。

例如，在愛爾蘭，2011至2012財政年度將有40臺CO2熱泵系安裝在酒店、護理室等場所，預計運行成本將節約70%。在西科克酒店，安裝了一臺25kW的跨臨屆CO2熱泵，更換原來的一臺結合太陽能和燃油鍋爐系統，在環境空氣溫度9.4℃和進水溫度10℃時提供75℃的熱水，季節性能系數達到3.2。

2 氣體冷卻器優化設計

2.1 不同的氣體冷卻器布置方案

對于提供供暖熱水和生活熱水的CO2熱泵熱水器，氣體冷卻器可以有不同的布置方案，優化設計氣體冷卻器是提高CO2熱泵熱水器節能性能的重要途徑之一。

挪威SINTEF能源研究所對一臺6.5kW載冷劑—水的CO2空間采暖和生活熱水加熱的熱泵系統樣機進行了詳細的測試和分析，對不同的氣體冷卻器配置方案進行了評估，結果發現，由外置的預熱、低溫供暖和熱水再加熱三部分組成的熱水逆流氣體冷卻器，能提供從60℃到85℃的熱水，使熱泵機組獲得最高的COP。圖2表示了結合成一體化的CO2熱泵系統的流程。

圖2 載熱劑-水結合成一體化的二氧化碳熱泵系統樣機的流程圖

CO2熱泵機組樣機由一個全封閉滾動活塞式壓縮機、三部分組成的一體化逆流管-管式的氣體冷卻器和逆流管-管式吸氣熱交換器、一個膨脹閥（回氣壓力調節閥）和一個低壓貯液器 （LPR）組成。氣體冷卻器機組A和C連接到一個單殼熱水儲水箱和一個變頻器控制的封閉回路的水泵。氣體冷卻器機組B連接到一個低溫度水力熱量分配系統。

2.2 不同氣體冷卻器運行下測試的COP值

在下列的三種不同運行模式下對集成的CO2熱泵機組進行了測試：

模式1：同時具有空間熱水供暖SH和生活熱水加熱GHW的模式 （DHW預熱、DHW再加熱和SH加熱三部分組合成的一體化模式）；

模式2：生活熱水加熱模式 （DHW模式）；

模式3：空間供暖模式 （SH模式）。

熱水被送到DHW的熱水管，而冷的城市自來水進入到貯水箱的底部。在貯水箱充水期間，在三部分組合成的一體化模式和DHW生活熱水模式中，冷的城市自來水從貯水箱的底部被氣體冷卻器A和C加熱到設定的溫度值，并從貯水箱頂部流出。測試的溫度分別是：對于SH的CO2系統，供水/回水的溫度在35/40℃、35/30℃或33/28℃，對DHW熱水系統，供水/回水的溫度在60℃、70℃或80℃。

圖3至圖5表示了在三個不同的操作模式下的放熱程的溫度-比焓圖。在一體化模式地板采暖系統的供/回水溫度分別為35/30℃，而城市自來水的溫度和設定點的生活熱水的供水溫度分別為6.5℃和70℃。生活用水加熱量占總加熱量的比率為45%左右，這意味著三部分組成的一體化氣體冷卻器中總供熱量的45%用于DHW熱水加熱。

圖6表示了CO2熱泵機組樣機在60℃生活熱水溫度和空間加熱系統 （SH）不同供水/回水溫度下測量得到的最大COP值。由圖可以看出，在三種不同的空間加熱供水/回水溫度下，一體化模式的COP均是最大。

表2表示了對三種載熱劑-水熱泵系統在不同模式下測量的COP值。

第一種是CO2實驗樣機；

第二種是改進后的CO2熱泵。改進的部分主要有：（1）采用高效的變頻CO2壓縮機；（2）優化三部分組成的氣體冷卻器；（3）用CO2噴射器代替節流機構回收一部分膨脹功；

第三種是市場上流行的效率最高的HFC熱泵熱水器機組。

2.3 季節性能系數的比較

對CO2熱泵機組樣機、改進機及市場上的高效HFC熱泵機組的季節性能系數（SPF）作了比較。假設蒸發器載熱劑進入溫度（0℃）、空間加熱系統（35/30℃）和熱水系統（10/60℃）的溫度恒定不變。

表2 三種載熱劑-水熱泵系統測量的COP值

由于生活熱水 （DHW模式）的供水溫度和空間供暖 （SH模式）的供水溫度不同，因此，對于同一臺熱泵機組，當運行在DHW模式不同的制熱量時，具有不同的SPF值。定義DHW制熱量占熱泵總制熱量的百分比稱為 “DHW加熱需求比”。

圖7表示了不同DHW加熱需求比時，CO2樣機、改進機和HFC熱泵的SPF隨DHW加熱需求比的變化曲線。

圖7 一個高效HFC熱泵、CO2熱泵樣機和改進的CO2熱泵的季節性能系數SPF與DHW供熱需求比的關系

由圖7可以看出，CO2改進機的SPF值始終大于CO2樣機。當DHW加熱需求比在50%以下時，HFC高效熱泵的SPF值大于CO2改進機，當DHW加熱需求比在50%以上時，CO2改進機熱泵的SPF值大于HFC高效熱泵。

對于有良好隔熱性能的被動式住宅，DHW加熱需求比通常在50%到80%，這時，CO2改進熱泵機組的SPF是最高的。

3 用于寒冷地區的CO2熱泵熱水器產品實例

圖8示出了日本三洋公司專門為出口歐洲設計的用于寒冷地區的CO2熱泵熱水器的熱水貯水箱結構的實例。該CO2熱泵熱水器可以提供住宅供暖和65℃的家用生活熱水。熱泵機組的性能規格參數見表3，水箱機組的性能規格參數見表4。

圖8 日本三洋公司用于寒冷地區的CO2熱泵熱水器的熱水貯水箱結構

表3 熱泵機組性能規格參數

表4 熱泵水箱機組性能規格參數

由表3和表4可以看出：

（1）當室外溫度在2℃、-7℃、-15℃和-20℃時，熱泵的制熱性能系數分別是2.0、1.9、1.8、1.6～1.7。因此，證明了CO2熱泵熱水器在寒冷氣候地區作為空間空暖和提供生活熱水是節能的。

（2）由于在冬季室外氣溫低，蒸發器的壓力低，壓縮機的壓比大，因此宜采用直流變頻兩級壓縮帶中間補氣的熱泵循環。

（3）由于冬季最低氣溫的時間有限，從整機的制造和運行成本出發，在貯水箱內設置輔助電加熱器是合理的。

4 結論

寒冷氣候地區使用的CO2熱泵熱水器有廣闊的市場，是發展方向。

由三部分換熱器組成的一體化CO2氣體冷卻器具有最高的COP。

同時提供空間供暖熱水和生活熱水的CO2熱泵熱水器的SPF隨DHW加熱需求比而變化。

[1] Tetsuji OkadaDevelopment of CO2heatpump water heater.Mitsubishi Electric Advance Vol 120 03

[2] J.STENE，INTEGRATED CO2HEAT PUMP SYSTEMS FOR SPACEHEATING AND HOT WATERHEATING IN LOWENER GY HOUSES AND PASSIVE HOUSESInternational Energy Agency（IEA）Heat Pump Programme-Annex32-Workshop in Kyoto，Japan-December 6th，2007

[3] Sanyo CO2ECO Heating System，catalogue