CO2 冷热源系统在高速公路建设中的应用

摘要：二氧化碳空气源热泵是以CO2作为冷媒，基于逆卡诺循环原理建立起来的一种节能、环保的制冷制热技术。系统利用压缩机做功，从自然界的空气中获取低品位热能，提供可被人们所用的高品位热能。CO2热泵由于改变了传统的燃煤、燃油供热模式，电能利用率较高，因此，它与常规热泵相比，除了制冷工质更加环保以外，还可以制取高温热水，比普通空气能热泵适用范围宽，可以在较低的环境温度下工作，扩大了热泵的应用领域；CO2热泵的使用与当地地质条件无关，减少施工风险和缩短工期，扩展了热泵的应用范围。它充分利用了可再生资源——空气的能量，替代现有的燃煤、燃气、燃油或电锅炉等传统的供热方式，减少矿物能源的消耗，杜绝了温室气体、污染物的直接排放，具有显著的节能环保效果和经济效益。1.技术概况二氧化碳空气源热泵是以

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作为冷媒，基于逆卡诺循环原理建立起来的一种节能环保的制冷、制热技术。系统利用压缩机做功，从自然界的空气中获取低品位热能，提供可被人们所用的高品位热能。空气中的热量通过冷媒搬运到水中，用以冬季供暖、夏季制冷，同时可提供生活热水。CO2

热泵机组可应用范围广，尤其适用于一些不方便接引热力管网的高速公路收费站及办公楼等建筑的采暖制冷与生活热水需求。2.技术原理

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冷热源系统是由压缩机、气体冷却器、膨胀阀、蒸发器、储液器、回收罐组成的封闭回路。低温低压的CO2

气体在压缩机中压缩至超临界然后进入气体冷却器中被冷却介质（水或空气）冷却，离开气体冷却器后，经膨胀阀节流降压使温度下降，部分被液化，湿蒸汽进入蒸发器中汽化进入储液器，低压侧吸热量后成为过热蒸气进入压缩机升压提温，如此反复循环运动。由于热泵系统采取冬夏季双工况运行，两季的运行工况及冷热负荷不同，造成系统中零部件的配置及工质的填充量不同。通常冬季负荷小，夏季负荷大。系统中回收罐的设计就是为了在冬季低负荷运行时回收夏季多余的工质。本设计采用两组蒸发器并联设计，通过切换两组蒸发器来适应冬夏季的不同工况。夏季负荷大，同时使用两组蒸发器。冬季负荷小，使用一组蒸发器，另一组作为回收罐使用，这样很好地满足了冬夏季工况的差异，实现了蒸发器最大效率的使用。蒸发器和储液器一体化设计，不但减少了占地空间，而且节约了材料成本。其技术原理见图1。图

1技术原理图3.技术创新点普通的空气能热泵和地源热泵等制冷

/供热设备都曾先后使用氟利昂作为制冷剂，如R12、R22、R407A、R407C等。氟利昂制冷剂被证明对环境有破坏作用，一是对大气臭氧层的破坏，二是具有温室效应。根据《京都议定书》要求，R12已经停止使用，其他氟利昂类制冷剂到2020年已停止使用。因此，CO2

制冷剂的应用显得十分及时和重要。

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制冷剂在热泵系统中作为工质其优点为

：（1）CO2

制冷剂是地球本身就有的气体，是一种天然物质，绿色环保，无回收问题

；（2）具有良好的安全性和化学稳定性，高温下不分解

；（3）具有良好的热力学特性，导热系数高；（4）单位容积制冷量高，设备尺寸可显著减小，节省材料

；（5）在低温环境条件下，也可以拥有很高的效率

；（6）可以轻松获得70℃~90℃的高温热水。中国的高等学校较早注意

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跨循环的原理，进行基础研究和应用基础研究，国家在自然科学基金、博士点基金、863支撑计划等对CO2

跨循环热泵技术给予充分的重视，已经有很多企业针对

CO2跨循环热泵技术进行试制和研发。4.技术应用情况该技术属于空调领域，适用于采暖、制冷、通风等人工环境领域。国内对

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冷热源系统的研究起步较晚，目前天津大学、上海交通大学、西安交通大学已先后开始了理论和试验研究工作，并且建立了

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冷热源系统模拟试验台，但是由于其工作压力高、零配件成本高等特点，目前仍存在着许多待突破和待改进的地方。目前国内有3~5家CO2

冷热源系统生产企业，CO2

冷热源系统市场容量约占热泵市场1%~2%份额。廊涿高速鹿泉服务区

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空气源热泵替代燃煤锅炉综合节能改造项目，供暖面积

2950m2。一个供暖期的运行数据如表1所示，经济效益如表2所示。表

1鹿泉服务区一个供暖期降碳数据表2鹿泉服务区一个供暖期经济效益数据5.节能降碳效益测算评价5.1节能低碳效益CO2

冷热源系统利用了可再生资源——空气的能量，替代现有的燃煤、燃气、燃油或电锅炉等传统的供热方式，减少矿物能源的消耗，杜绝了温室气体、污染物的直接排放，具有显著的节能环保效果和经济效益。尤其对我国工业、供热具有重大意义，其应用潜力巨大，发展前景非常可观。5.2社会效益CO2

冷热源系统由于改变了传统的燃煤、燃油供热模式，电能利用率较高，因此，它与常规热泵相比除了制冷工质更加环保以外，还可以制取高温热水，比普通空气能热泵适用范围宽，可以在较低的环境温度下工作，扩大了热泵的应用领域

；应用范围广，与当地地质条件无关，减少施工