CO2热泵热水器的应用与发展.pdf

曼 塑璺塑趔璺竺堡堡里 型塑 l 窒皇塾壁 C 0 2 热泵热水器的 应用与发展 上海理工大学制冷技术研究所陆蕾颖L uL e i y i n g 张华Z h a n gH u a 赵巍Z h a oW e i 1 引言 随着 蒙特利尔议定书 的签订 绿 色环保天然工质C 0 以其无毒 对臭氧层 无影响 不产生温室效应 和良好的热力 学性质等优点 再度受到了人们的重视 此外 C 0 跨临界循环系统所具有的较高 排气温度和气体冷却器较大的温度滑移 使其在热泵热水器应用领域具有其它工质 无法比拟的优势 因此 具有环保性 高 效率的C 0 工质 在热泵热水器市场上有 着极为广阔的发展空间 2C O 的特性 C 0 在常温下是一种无色 无嗅的气 体 作为地球生物圈内的天然物质之一 它产量丰富 价格低廉 方便得到 0 的物性参数 以及它与其它制冷剂的性能 比较见表l 由表1 可以看出 C 0 无毒 不可燃 具有很好的安全 性 消耗臭氧潜能值0 D P 0 O z o n e D e p l e t i o nP o t e n t i a l 全球变暖潜能值 G W P 1 G l o b a lw a r m i n gP o t e n t i a l 有着优良的经济性且无回收问题 在环 境方面具有友好性 的效率较高 C 0 分子量比高分子化合物的小得多 因此相对于一定的蒸发温度 它的蒸发 汽化 潜热r 较大 此外 高的工作压力 使压缩机吸气比容较小 单位容积制冷量 较大 可减小尺寸 使系统结构紧凑 c 0 低的临界温度 使其在热泵系统循 环中处于跨临界状态 在放热过程中较大 的温度滑移可以和变温热源较好的匹配 正因为c O 具有良好的环保性 优良 的传热特性 和相当大的单位容积制冷量 等优点 前国际制冷学会主席G L o r e n t z e n 认为C 0 是无可取代的制冷工 E j I 矗r 嘲 E 田E 嘲日冤E 雹孺j 咖 踟j 嘲瞩 分子式 c o c H C 吃c H 2 F c F 3 R 3 2 12 5 13 4 aR 3 2 R 12 5 c H 3 c H 2 c H 3 分子量度M 4 40 18 64 81 0 20 38 627 25 6 1 0 k g k m 0 绝热指数k 3 0 12 0112 O D P000 5 50O00 3 70 G W P 1 年 117 0 013 1 6 1 1 O3 临界温度T c 3 119 6010 1 78 737 259 67 临界压力P c M p a 73 7 2 49 7 440 5 546 349 4 94 2 5 凝固点温度t c 一5 65 5 1 6 0 1 1 5一一一1 8 77 标准沸点t o C 一7 84 4 08 2 62 4 38 5 15 6 4 22 0 c 时容积制冷量 2 2 6 4 3 4 42 8 6 0 2 9 4 74 19 03 8 7 0 k J m 3 安全等级评价 A 1A 1A 1A 1A 1A 3 质 并提出跨临界 循环理论 指出其 在热泵领域将发挥 着重要的作用I 3C 0 2 热泵循环系 统 由于C 0 临界 温度较低 31 1 其热泵循环的 流程与普通的蒸汽压缩式制冷循环略有不 同 采用的是跨临界循环 此种循环不仅 可避免受环境温度冷却截止温度的影响 而且还可发挥出它作制冷工质的其它有利 因素 图1 是c O 用于热水加热的热泵循 环原理图 其吸热过程 蒸发 压缩 在 亚临界条件下进行 换热主要依靠潜热来 完成 而冷凝过程则是在接近或超过临界 点的区域内进行 放热依靠显热来完成 4 3 万方数据 研究 探讨 是一个伴随有较大温度滑移的变温过程 工作 0 0 2 热泵热水器从而得到了广泛和深 c o P 值也随之提高 s a n y o 公司研发出 这正好可与水加热时的温升相匹配 自然远的发展 特别是在发达国家和地区 可减少高压侧不可逆传热引起的能量损 失 因此 这种特殊的洛伦兹循环 特别 适合于家用热水的加热 可得到较高的热 泵效率 圈1C O 热泵热水器的热力学优势 由图1 可知 C 0 热泵循环系统与传统 的亚临界热泵循环系统之间的区别 5 传统 的亚临界系统 制冷剂在冷凝器出口的焓 值仅是温度的函麴而在C q 跨临界热泵循 环系统中 超临界压力区内并无两相区域 存在 温度和压力间彼此独立 为相互独立 的变数 则高压侧压力对制冷剂焓值也有 影响 高压侧压力变化对制冷量 压缩机功 耗和C O P 值也会产生影响 因此能够实现 满足实际需要的多种控制策略 经试验研 究分析可得 c O 跨临界循环的高压侧存在 着一个最优的运行控制压力 在该压力下 循环的性能系数C o P 可达到最大 c O 热泵系统的基本组成主要由四大 部件构成 压缩机 气体冷却器 蒸发器 和节流装置 有时 热泵系统还设有内部 热交换器 回热器 储液器 油分离器 及 其它一些辅助设备 如 根据实际需要 控 制系统高压侧压力的自动控制装置和为了 保证系统安全而增设的安全阀等等 通过 对C O 热泵装置的不断改善 系统的经济 性能可以得到提高 4C O 热泵热水器的研究发展现状 C O 作为制冷剂具有独特的优势 加上 目前的国际大环境 使得许多研究院和相关 厂商对其工质系统作出了大量的深人的研究 竺 1 9 9 4 年 挪威S 叮E F 能源研究所的 G L o r e I l t z e n 与N e k s aP e t t e r 等人率先对c 0 跨临界循环在热泵上的应用作了理论和实 验E 的研究 分析了其流动性和跨临界循 环水一水热泵的特性 讨论了c O 作 为工质时 系统设计的前提 研究表 明 C 0 跨临界循环不仅具有高的供 热系数 而且系统紧凑 产生的热水 温度高 在工业和民用两方面都具有 相当大的发展潜力 与传统的热泵相 比具有很强的竞争性 随后他们制作了C 0 热泵热水器 样机 对共性能和系统设计进行了试 验研究 实验结果表明 在蒸发温度为 0 时 水温可以从9 加热到6 0 其热 泵系数可高达4 3 同时 比起电热水器和 燃气热水器 它的能耗可降低7 5 甚至 更多 6 7 J 此外 他们发现c o 热泵系统最 为显著的优点是它易于提供9 0 的热水 这是传统热泵热水器所不及的 在日本 家庭 对热水的需求逐年 上升 热水所消耗的 能源占家庭总耗能 圈2 二氧化碳热水器 的3 4 因此 为了 节约能源 日本对c O 热泵热水器的研究 开发也起步较早 目前的相关技术也较为 成熟 早在1 9 9 5 年 日本c R I E P I 东 京电力公司和DENSO 公司的M Ss i k a w a K K u s a I a r 一 等人就开始合作 研究C 0 热泵系统 开发家用以C 0 为工质 的热泵热水器 通过对J 眭能的计算 相关 的理论分析 搭建原形试验台进行试验研 究 实现了热泵热水器的商业化 见图2 当时该机组经改善后 C O P 可人于3 O 产品 自2 0 0 2 年投放市场后 销售量稳步上升 它以其节能 环保 高效的性能享有 生 态精灵 E c Oc u E 的称号 日本三洋 大金等公司也相继研制开 发推出了各有特色的c q 热泵热水器 且 了高效多功能天然工质c O 热泵式加热 器 其制热功率为7 k w 可广泛应用于地 板 浴室加热系统和除湿系统 通过环境 测试 储水罐加热c 0 P 值可达4 0 此外 他们还研制了寒带气候用天然工质C O 热 泵式热水器 成功的解决r 适用于c 0 的 新型压缩机和水一C O 热交换器等技术难 题 可使产品在室外温度为 2 0 的情况 下 仍能保持高达45 k w 的制热能力 还 有带有内部冷却器 内部热交换器 且压 缩机系统的效率高于传统使用R 1 3 4 a 的 压缩机系统的新型双级C 0 压缩机 见图 3 等相关零部件也不断推向市场m 除了产品的陆续问世 系统的改进 图3 新型双级c 0 2 压缩机 仿真模拟和优化设计也在继续研究着 S a r k a r J 1 等人通过计算模拟 对热泵系 统的传热和流体流动的具体情况进行了火 用分析 对系统的优化 系统的节能提供 了有用的帮助 相对其他发达国家 我国对c O 热泵 的研究稍晚一些 天津大学 上海交通大 学 西安交通大学 长沙铁道学院等单位 对此进行了多方面深入的研究 天津人学 的马一一太n 4 7 1 等人对C O 跨临界制冷热泵 系统做了可靠性分析 并通过所建的c O 水一水热泵实验台 见图4 先后对运行 控制策略和方法做了探讨 对单级加热与 双级加热两种形式的c o 跨临界循环热泵 热水系统进行试验分析对比和运行参数的 分析 对C 0 跨临界膨胀机做了试验研 究 试验结果表明 系统运行时的最大 制冷 热 系数取决于系统的蒸发温度和 气体冷却器出口温度 c o 跨临界循环热 万方数据 鱼 堕堡垒旦业璺 塑里塑翌型里业I 窒壁登塑 泵较之传统工质热泵具有较大优势 尤其 是在高温热泵领域 从而总结系统性能的 影响因素 改善系统 使系统达到最佳状 态 上海交通大学的丁国良 黄冬平 张 春路 1 8 2 0 1 等人建立了c 0 跨临界循环系统 稳态仿真模型 对几种不同的跨临界c O 循环进行了性能比较 对c O 循环时的换 热特性做了研究 提供了多种管内流动换 热的关联式 对系统进行了优化和仿真 此外 还有很多学校 单位对c 0 系统气 体冷却器的热力设计进行了探讨 对C 0 跨临界循环系统的结构强度等多方面做了 理论分析与试验研究 必须考虑系统承受高压性能 高压保护 压 缩机的选择 润滑油的选择等一系列问题 在小管径 高质量流率的C 0 工质流动 时 提高热传效率的研究 例如通过管排 型式 对高效跨临界循环热交换器的设计 开发等 由于冷凝出口端与蒸发端的压差大 因 此 降低膨胀部分的损失 是解决效率的有 效途径 利用膨胀机的输出功率驱动压缩机 完成压缩过程 设计高效率的膨胀过程 就 成了另一个重要的关键 需要突破的部分 对高科技的电子感测与控制技术的研 究 针对各种环境需求 进行压力与冷暖 图4C 0 跨临界循环热泵实验装置流程图 5 展望与发展 无论从环保的角度还是从节能角度来 看 只要系统设计合理 c 0 热泵热水器的 c o P 绝对可以实现与传统工质的热泵热水 器系统相当 同时 将c O 热泵与储水箱 组合也将是未来的发展趋势之一 因为它 可以利用夜间低谷电 提高系统经济性 并 起到 削峰填谷 的作用 但由于c 0 具 有穿越临界点的热力特性 所以 目前c 0 热泵热水器所面临的问题主要在于继续提 高效率和不断降低成本 因此在设计上还 有许多有待突破 改进的技术 目前 热泵热水器使用的制冷剂主要有 R 2 2 R 1 3 4 a l 潮7 c 等 以5 5 为冷凝温 度时 冷凝压力分别为2 1 7 5 3 M P a 1 4 9 1 7 M P a 2 2 1 5 3 M P a 而C q 热泵热水器 放热过程的压力达到9 1 0 M p a 吸排气压 差很大 由于其在高压状态下运行 因此 房能力的最优匹配控制 合理利用低品味能源或可再生能源并探 讨热水供应与其它供热方式的耦合问题 其他如对高压系统动能特性的掌控 高 压负荷运转时所产生的振动噪音的防止 也是研究c 0 压缩机所需面临的重要技 术课题 总之 随着技术的不断进步 可以预 见在不久的将来 c O 热泵热水器会在该 市场领域中占据一定的市场份额 并独领 一方 y 参考文献 1 王如竹 丁国良主编 制冷空调新技术进展 上海交通大学出版杜2 0 0 1 2 余炳丰主蝙 制冷与空调新技术 化工工业出版 社 2 0 0 2 3L O r e n t 趵nG T h eu s eO fn a t u 阳Ir e f r i g e 旧n t s a c O m O I e t es O I u t i o nt Ot h eC F C H C F C p r e d i c a m e n t I n t J R e f r i g 1 9 9 5 1 8 3 4G L O r e n t z e n J P e t t e r s e n An e we f f i c i e n ta n d e n V i r O n m e n t a yb e n l g ns y s t e mf o rc a ra i r c o n d i l i o n j n g I n l JR e f r i g 1 9 9 3 16 1 4 12 5 马一太 李丽新 C 0 2 跨临界低温地热源水一水热 泵的实验研兄太阳能学报 d 2 3N 0 4 A u g2 0 0 2 6 N e k s a P e l t e r C 0 2 H e a tp u m ps y s l e m sI n t J R e 们g2 0 0 2 p 4 2 1 4 2 7 7 N e k s a P e l l e r C 0 2 h e a tp u m pw a t e rh e a t e r c h a 怕c e n 鲥c s s y s t e md e s l 9 na n de x p 酬m e m a I r e s u I t s I n tJR e f n g 1 9 9 8p 1 7 2 1 7 9 8S a i k a w aM H a s h i m O l Ok o b a y a k a w aT e t a I D e v e I o p m e m0 f p 嗍p ea f c 0 2 h e a t p u m p w a l e r h e a l e rf O rr e s I d e n t i a fu s e I n4 t hI I RG u s t a v L O r e n 乜e nc o n f e 怕n c eO nn a t u 曙1w 0 水i n g 伺u i d s P u r d u eU n i v e r s i t y U S A 2 0 0 0 5 1 5 8 9M u k a i y a m aH K u w a b a r a E x p e r i m e n t a Ir e s u l t s a n de v a l u a t i O nO fr e s i d e n t i a lC 0 2h e a tp u m p w a t e rh e a t e r 1 n 4 t hI I RG u s t a vL 0 r e n l z e n c o n f e r e n c eO nn a t u r a lw o r k i n gn u i d s P u r d u e U n i V e r S i t y U S A 2 0 0 0 6 7 7 4 1 0