張信榮，劉 勇，李林鳳

(1.北京大學工學院能源與資源工程系 北京100084；北京大學工學院包頭研究院熱能工程研究所內蒙古包頭014030；2.北京大學工學院能源與資源工程系 北京100084)

應用技術

一種新型高效、環(huán)保熱泵技術
——跨臨界CO2熱泵

張信榮1,2，劉 勇1,2，李林鳳1

(1.北京大學工學院能源與資源工程系 北京100084；北京大學工學院包頭研究院熱能工程研究所內蒙古包頭014030；2.北京大學工學院能源與資源工程系 北京100084)

隨著我國對環(huán)境保護的重視，采用常規(guī)制冷劑的熱泵機組面臨著淘汰和替換。采用自然工質 CO2作為制冷劑的跨臨界CO2熱泵機組，因其具有高效、節(jié)能、環(huán)保等特點被廣泛的應用和推廣。闡述了跨臨界CO2熱泵技術國內外研究現(xiàn)狀及工作原理，并介紹了跨臨界CO2熱泵技術的應用情況。

跨臨界CO2熱泵 環(huán)保 節(jié)能

0 引 言

國內外廣泛應用的制冷空調和熱泵系統(tǒng)，由于本身耗能和傳統(tǒng)制冷劑對環(huán)境的破壞，使系統(tǒng)的節(jié)能和制冷劑的替代研究成為工程熱物理學科的前沿課題。CFCs、HCFCs等傳統(tǒng)制冷劑對地球臭氧層的破壞和導致的溫室效應危害比較嚴重，因此尋找高效、綠色環(huán)保制冷工質成為當前國際社會共同關注的問題。采用CO2工質作為制冷劑的跨臨界熱泵機組，因其對環(huán)境無污染、無破壞，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、設備緊湊并具有較高的系統(tǒng)能效比，已成為一種高效、節(jié)能、環(huán)保的新型技術被廣泛的開發(fā)和應用。因此，跨臨界CO2熱泵機組具有較強的市場競爭力，有著廣闊的市場空間和前景。[1]

1 跨臨界CO2熱泵技術國內外研究及應用現(xiàn)狀

國內對跨臨界 CO2循環(huán)技術的研究剛剛起步，基本上都以理論分析為主。如天津大學馬一太教授獲得國家自然科學重點基金的資助，研究分析家用跨臨界CO2空調系統(tǒng)，并對水源熱泵、地源熱泵進行了理論研究，特別是對跨臨界CO2膨脹機進行了理論研究，但還處于初級實驗研究階段，未進行工程實踐應用。

我國上海交通大學也進行了跨臨界 CO2循環(huán)研究工作，研究主要集中在汽車空調領域。與上汽集團合作投資數(shù)百萬元開展轎車用 CO2汽車空調的研究，對系統(tǒng)高壓換熱器進行了優(yōu)化設計，試制了中國第一臺CO2汽車空調，樣機制冷量達4.5,kW，與設計標準5,kW接近，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性等有待進一步提高。[2]

在國外，歐美日都在競相開發(fā)新型的熱泵機組，以提高空調機組在建筑供暖和制冷過程中的效率，尤其是針對跨臨界CO2熱泵機組的研發(fā)和應用。

在日本，CO2熱泵以其良好的節(jié)能生態(tài)性能贏得了“生態(tài)精靈”的稱號。2002年，日本“大金”公司、“松下”公司各自推出了自己的跨臨界CO2熱泵機組系統(tǒng)。投放市場以來，銷售量穩(wěn)步上升。2003年日本跨臨界 CO2熱泵機組的產銷量為7萬套，到2008年達到60萬套，市場發(fā)展十分迅速。根據(jù)制熱量、水箱容量和地區(qū)適應性的不同，現(xiàn)今日本市場上有10家公司共計16種以上不同類型的CO2熱泵機組。[3]

到目前為止，國際上對跨臨界 CO2熱泵及其各部件性能的研究已趨于成熟，并且在日本、挪威、美國、意大利、巴西等國家已有為較廣泛的商業(yè)應用。兆瓦級的跨臨界 CO2熱泵機組在國際上正處于快速市場化推廣階段，特別是在日本和挪威，“兆瓦級跨臨界CO2熱泵機組”已經開始應用于民用、工業(yè)和能源資源領域，如超市、商場、酒店、影劇院、學校、辦公樓、醫(yī)院、游泳池等商用及公共服務領域的別墅空調系統(tǒng)。[4]

2 跨臨界CO2熱泵技術介紹

筆者帶領的團隊在 15年前即對 CO2超臨界及跨臨界熱力學循環(huán)進行研究，并取得了一系列豐碩的研究成果。

跨臨界 CO2熱泵機組是一種熱量提升裝置，其作用是從周圍環(huán)境中吸取熱量，并把它傳遞給被加熱的對象(溫度較高的物體)?？缗R界CO2熱泵在工作時，本身消耗一部分能量，把環(huán)境介質中貯存的能量加以挖掘，通過傳熱工質循環(huán)系統(tǒng)提高溫度進行利用，而整個熱泵裝置所消耗的功僅為輸出功中的一小部分，因此，采用跨臨界CO2熱泵技術可以節(jié)約大量高品位能源。[4]

跨臨界 CO2熱泵工作原理如圖 1所示，低溫氣態(tài)制冷劑CO2由壓縮機吸氣閥經壓縮機壓縮，變成高溫高壓 CO2氣體進入氣體冷卻器，被冷水吸熱冷卻，然后進入回熱器。在回熱器中與來自氣液分離器的低溫低壓 CO2氣體進行熱交換后，再經過毛細管節(jié)流元件成為氣液兩相流體，進入蒸發(fā)器中，經過與循環(huán)水的換熱，進入氣液分離器，再進入回熱器，最后回到壓縮機壓縮，開始一個新的循環(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作為中間介質在熱泵中循環(huán)使用。[5]

圖1 跨臨界CO2熱泵工作原理Fig.1 W orking princip le of a transcritical CO2heat pum p

跨臨界CO2熱泵技術是一種高效節(jié)能、經濟環(huán)保、安全穩(wěn)定、冷暖兩用、運行靈活的新型中央空調系統(tǒng)。它可以利用火電廠或核電廠的循環(huán)冷卻水、江河水、海水、工業(yè)廢水及生活廢水中的熱量，借助熱泵系統(tǒng)，既能制冷、又能制熱，是一種高效建筑節(jié)能技術。實踐證明，采用跨臨界 CO2熱泵機組供熱，真正實現(xiàn)了零污染、零排放，高效節(jié)能，投資費用與運行費用較傳統(tǒng)熱泵技術大大降低。跨臨界 CO2熱泵技術節(jié)能原理如圖2所示。

圖2 跨臨界CO2熱泵技術節(jié)能原理圖Fig.2 Schematic diagram of the energy-saving princip le of the transcritical CO2heat pump technology

跨臨界CO2熱泵機組采用自然工質CO2作為機組內部循環(huán)工質進行冷暖聯(lián)供，具有集熱效率高、供熱性能系數(shù)高、形式多樣、布置靈活、一機多用、應用范圍廣、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點。在整個供暖周期內，跨臨界 CO2熱泵機組的平均 COP值可以達到4.5，在制冷周期內，機組的EER值可以達到5，遠大于普通熱泵機組的COP值(3)和EER值(2.5)，[6]由此也具有良好的節(jié)能效果和較低的運行成本。并且跨臨界 CO2熱泵可以制取高溫高壓的熱水，應用范圍廣。傳統(tǒng)熱泵制取的熱水溫度一般不超過 55,℃，很難達到城市熱網(wǎng)要求和其他需要高溫熱水的工業(yè)行業(yè)，而跨臨界 CO2熱泵由于跨臨界循環(huán)能制得95,℃的高溫熱水，完全可以滿足城市集中供熱的二次管網(wǎng)對于供暖熱水的供/回水溫度(65,℃/85,℃)要求，也可以滿足大部分需要高溫熱水的工業(yè)行業(yè)。同時跨臨界 CO2熱泵具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，系統(tǒng)自動化程度高，且設備運行穩(wěn)定性高，使用壽命可以達到 15年以上，而普通熱泵空調機組的壽命一般在10年以內，溴化鋰吸收式的壽命更短，一般為5年。[7]此外，跨臨界CO2熱泵環(huán)保性良好，其采用自然工質CO2作為機組內部循環(huán)工質進行冷暖聯(lián)供，與普通熱泵相比可以有效避免氟利昂等傳統(tǒng)有機制冷劑對環(huán)境的破壞。

3 跨臨界CO2熱泵技術應用現(xiàn)狀

跨臨界CO2熱泵機組可以廣泛應用于民用、工業(yè)、農林水產、交通和能源資源等領域。[8]在民用領域跨臨界 CO2熱泵機組主要應用于家庭、商業(yè)和公共服務領域，以熱水供應和供暖供冷為主；在工業(yè)領域可用于化工、氯堿、制藥、制鹽、造紙、紡織、橡膠、冶金、玻璃等行業(yè)；在農林水產領域可用于種子加工、水產品加工、茶葉加工、水產養(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；在交通領域可用于港口船運、汽車公路、客車鐵路等；在能源資源領域可用于油田、沼氣生產、煤礦、電力、水廠、淡化海水、廢水處理等。[9]

隨著國家節(jié)能減排政策的大力推行，以及能源價格的節(jié)節(jié)攀升，用熱節(jié)能在工商業(yè)領域的應用已日益擴大。CO2熱泵技術作為一種節(jié)能技術，在節(jié)約能源、保護環(huán)境等方面具有獨特的優(yōu)勢，跨臨界 CO2熱泵機組供熱出水溫度最高可達95,℃，大大拓展了應用范圍。本文作者帶領的研發(fā)團隊對兆瓦級跨臨界 CO2熱泵回收利用電廠余熱技術、跨臨界 CO2熱泵供熱技術進行了大量的研究開發(fā)，目前已在國內相關領域得到了實踐和應用，并且與多家企業(yè)達成了長期的戰(zhàn)略合作意向。主要成果如下：

3.1 100,kW跨臨界CO2熱泵樣機

研發(fā)團隊自主研發(fā)設計了1臺100,kW跨臨界CO2熱泵樣機，實驗研究表明機組可長時間穩(wěn)定運行，平均 COP≥4.5，可制取50～90,℃熱水。

3.2 泉州CaCO3廠跨臨界CO2熱泵余熱利用項目(見圖3)目前已完成泉州CaCO3廠余熱回收熱泵制熱水系統(tǒng)調試運行，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、安全，COP可達4.5以上。

圖3 泉州CaCO3廠跨臨界CO2熱泵余熱利用技術Fig.3 Schematic diagram of the waste-heat utilization technology in a CaCO3Plant in Quanzhou，China

3.3 陽泉陽光電廠CO2熱泵工業(yè)廢熱回收利用技術項目

回收利用電廠冷卻水作為熱源，系統(tǒng)跨臨界 CO2水源熱泵的COP值達到4.5以上，運行成本低，維護方便，系統(tǒng)采用自動化控制，設備運行穩(wěn)定，使用壽命可達15年以上。該電廠每年創(chuàng)造的經濟效益超過1,200萬元，CO2減排12萬t，節(jié)能效果明顯。

3.4 全國各大型酒店跨臨界CO2熱泵供熱技術

跨臨界 CO2熱泵供熱技術在酒店工程的應用主要是制取熱水，典型案例為：北京北新橋如家快捷酒店、上海浦江飯店、昆明中玉酒店等，主要用于酒店客房、餐廳、桑拿、洗浴等日常生活熱水供應。一年內可節(jié)省費用上百萬元，系統(tǒng) COP達5以上，一年四季可制取生活熱水，不受環(huán)境影響，節(jié)能效果突出。

其中，上海浦江飯店 CO2熱泵機組可提供飯店 137間客房、200人餐廳以及桑拿的熱水供應，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能效比高，COP達5.4，整個系統(tǒng)還采用了全自動智能控制，現(xiàn)場無人操作的運行方式。實踐證明，該熱泵機組運行費用是普通電熱水器的1/4，燃油熱水器的1/3，煤氣熱水器的1/2，普通太陽能的 2/3。與常規(guī)熱水供應設備相比，跨臨界 CO2熱泵熱水制備全年耗電約為 10萬度，與傳統(tǒng)燃油蒸汽鍋爐熱水制備耗電量相比可節(jié)省10倍以上，一年可節(jié)省運行費用87萬元，同比燃油蒸汽鍋爐能耗降幅為 90%左右，兩年即可回收成本，CO2減排670,t，不僅節(jié)約了酒店的成本，并在一定程度上緩解了環(huán)境問題。

跨臨界 CO2熱泵研發(fā)團隊通過前期大量的實驗研究和開發(fā)，目前在全國各大型酒店和電廠余熱廢熱回收中成功應用了跨臨界CO2熱泵機組?？缗R界CO2熱泵機組在外部水源水溫10～20,℃的情況下，酒店在供/回水溫度為55,℃/50,℃的情況下，COP值可以達到 5.3，平均每家大型酒店年最低可節(jié)省70萬元以上，系統(tǒng)能在熱水供應溫度范圍內穩(wěn)定運行15年。

4 結 語

跨臨界 CO2熱泵機組可以減少 CO2和其他有害氣體排放，屬于節(jié)能、環(huán)保、綠色型技術，這對實現(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?？缗R界 CO2熱泵機組系統(tǒng)采用 CO2作為制冷工質，對臭氧層破壞潛能為 0，溫室效應潛能較小，COP值可達4.5以上，具有良好的節(jié)能效果和較低的運行成本。隨著我國對環(huán)境保護的重視，采用常規(guī)制冷劑熱泵機組面臨著淘汰和替換。[10]采用自然工質 CO2作為制冷劑的跨臨界CO2熱泵機組，因其具有高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，有著廣闊的市場空間和應用前景?！?/p>

［1］ 沈裕浩. 二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)[J]. 流體機械，1995，23(5)：58-62.

［2］ 季建剛，黎立新，蔣維鋼. 跨臨界循環(huán)二氧化碳制冷系統(tǒng)研究進展[J]. 機電設備，2002(4)：23-27.

［3］ 婁駿. 二氧化碳跨臨界循環(huán)換熱器傳熱與強度實驗研究[D]. 上海：上海交通大學，2001.

［4］ 楊亮，丁國良，黃冬平，等. 亞臨界二氧化碳換熱特性研究進展[J]. 制冷學報，2003(4)：28-34.

［5］ Geir Skaugen，Morten Chr Svensson. Dynam ic modeling and simulation of a transcritical CO2heat pump unit[A]. In：IF-IIR-Section B and E [C]. Oslo Norway，1998.

［6］ Heyl P，Quack H. Free piston expander-compressor for CO2-design，applications and results[EB/OL]. http：//www. docin. com/p-86179662. htm l.

［7］ Reihard R. CO2compressor-expander analysis in ARTI 21-CR Research Project6 11-10060 [DB/CD].

［8］ 蔡操平，劉業(yè)鳳，蘇強. 跨臨界 CO2熱泵熱水器系統(tǒng)的試驗研究[J]. 制冷與空調，2011(1)：66-70.

［9］ Kim ManHoe，Bullard W Clark. Development of a microchannel evaporator model for a CO2air-conditioning system [J]. Energy，2001，26(10)：931-948.

［10］ Neeraj Agrawal，Souvik Bhattacharyya. Performance evaluation of a non-adiabatic capillary tube in a transcritical CO2heat pump cycle[J]. International Journal of Thermal Sciences，2008，47(4)：423-430.

Transcritical CO2Heat Pum p：A Novel Highly Efficient and Environmental Friend ly Heat Pump Technology

ZHANG Xinrong1,2，LIU Yong1,2，LI Linfeng1
(1. Department of Energy and Resources Engineering，College of Engineering，Peking University，Beijing 100084，China；2. Thermal Engineering Institute，Baotou Research Institute of College of Engineering，Peking University，Baotou 014030，Inner Mongolia Autonomous Region，China)

Along w ith the advocating for environmental protection in China，heat pump sets adopting conventional cooling agents are becoming obsolete and w ill be replaced in the future. A transcritical heat pump set which adopts CO2，a natural working medium，as the cooling agent was described in this paper. This machine set has been w idely adopted as it has the advantages of high efficiency，energy saving and environmental protection. In the paper，research status of the transcritical CO2heat pump technology both at home and abroad was discussed，its working principle was introduced and its applications were presented.

transcritical CO2heat pump；environmental protection；energy-saving

TB657.5

：A

：1006-8945(2015)03-0025-03

2015-02-11