二氧化碳热泵的节能和环境效益及产品特点
一. 引言
随着能源和环境问题的日益突出，如何将环境中各种不能利用的分散的能源，如何尽可能多地集中起来合理利用成为新时期中国政府和各用能企业的一个重要方向。热泵是以消耗一部分高质能(机械能、电能等)或高温位能为代价，通过热力循环，把热能由低温物体转移到高温物体的能量利用系统。把热泵作为空调系统的冷热源，可以把自然界中不便于利用的低品位热源转变为暖通空调系统中可利用的再生热能，为人类提出了一条节约矿物燃料进而减少温室气体排放，提高能源利用率进而减轻环境污染的新途径。
二. 热泵的节能原理
根据热力学第二定律，热量是不会从自动从低温区向高温区传递的，必须向热泵输入一部分驱动能量才能实现这种热量的传递。如图1所示，虽然热泵需要消耗一定量的驱动能，但根据热力学第一定律，所供给用户使用的热量为消耗的驱动能与吸收的低位热能的总和。即通过热泵得到热量永远要大于所消耗的驱动能。
热泵技术是一种提高能量品位的技术，它不是单一能量转换的过程，所以不像电加热或锅炉那样受输入能量耗费的转换效率极限100％的制约，而是遵守逆卡诺原理。其搬运的能量与驱动热泵的电能之比称为制热性能系数又称为能效比（用COP来表示）。能效比COP值越大越节能。因此，热泵空调技术是一种有效的节能手段。有研究表明，电驱动热泵的制热系数只要大于3.0，则从能源利用观点来看就会比热效率为80%的锅炉房用能节省。目前，因此，热泵是一种节能装置。
图1 热泵基本原理与能量转换示意
三. 新时期二氧化碳冷媒的优势
CO2作为制冷工质具有一些独特的优势：对环境无害的自然界天然存在的物质（ODP=0，GWP=1）；优良的经济性，且无回收问题；良好的安全性和化学稳定性，CO2安全无毒，不可燃，适应各种润滑油及常用机械零部件材料，即便在高温下也不分解产生有害气体；具有与制冷循环和设备相适应的热力学性质，CO2的蒸发潜热较大，单位容积制冷量相当高；具有良好的输运和传热性质，CO2优良的流动和传热特性，可显著减小压缩机与系统的尺寸，使整个系统非常紧凑。由于CO2的临界温度很低（304.21K），因此CO2的放热过程不是在两相区冷凝，而是在接近或超过临界点的区域的气体冷却器中放热。在CO2跨监界制冷循环中，其放热过程为变温过程，有较大的温度滑移。这种温度滑移正好与所需的变温热源相匹配，是一种特殊的劳伦兹循环，当用于热泵循环时，有较高的放热系统。在超临界压力下，CO2无饱和状态，温度和压力彼此独立，能够实现满足实际需要的多种控制策略。当蒸发温度、气体冷却器出口温度保持恒定时，随着高压侧压力的变化，循环系统的COP存在最大值，通过优化调节可节省压缩功。与常规制冷剂相比，CO2跨临界循环的压缩比较小，约为2.5~3.0，可以提高压缩机的运行效率，从而提高系统的性能系数。所以前国际制冷学生主席G. Lorentzen认为CO2是无可取代的制冷工质，并提出跨临界循环理论，指出其可望在热泵领域发挥重要作用
四. 东启公司二氧化碳热泵特点
1、 绿色环保
环境性能优良。 作为制冷剂的CO2是自然界天然存在的物质，它的臭氧层破坏潜能（ODP）为零，其温室效应潜能极小（GWP=1）。而现在作为推荐替代工质HFC及其混合物，其ODP虽为零，但GWP却比CO2高1000~2000倍。CO2制冷剂无毒、不可燃，化学稳定性好，机组使用安全，无烟尘、燃烧、废弃物排放；没有燃料泄露、火灾、爆炸等安全隐患。
2、 经济节能
以东启公司一台制热量为74.625kW的热泵为例，按每天运行15小时计算，一年可产生热量： 74.625kW × 15h × 365天 = 408572kW
所消耗电量： 408572kW ÷4.5 = 90794kW
所节约能量：408572kW — 90794kW = 317778kW
相当于标准煤：317778 kW × 0.1229kg ÷ 1000 = 39吨
图2 与其它能源制热方式对比图
测算条件：
(1) 制热侧：进水/出水温度：15℃/60℃
(2) 加热能力：71.8kW 消耗功率：16.2kW
(3) 全年运行时间：5000小时/年
(4) 设备效率：CO2热泵450% 电加热器效率98%
燃油锅炉系统效率75% 燃气锅炉系统效率85%
(5) 1kWh=0.1229kg 标准煤
(6) CO2排放系数：2.439kg CO2/kg标准煤
从以上计算可以看出CO2热泵节能量大，经济效益显著。二氧化碳热泵以电为驱动源，从空气中吸取热量，经济效益高，COP≥4.0，东启公司生产的R744空气源热泵机组COP为4.2，最高可达4.5，可大大较少运行费用；是生产生活用热水、商业用水，投资小运行费用最低，节能最明显的制热设备；
3、 性能优良
机组采用自主研发的换热器，拥有较高的换热效率，同时优异的结构设计大大减低水垢的产生，增加热泵机组使用寿命；
机组出水温度高，一次性制热，水温55℃~85℃动态可调，高出水温度意味着高蓄热量，减小水箱体积，节约材料，同时冬季运行也不用怕水箱水温会低于需求水温；
具有良好的低温性能。机组可在零下-10℃高效、稳定运行，出水温度不会降低，开机迅速达到目标水温，无需用户长时间等待，亦无需电辅加热，运行成本稳定受控；
4、 稳定、可靠
采用国际著名品牌都凌压缩机，原装进口设备，保证机组长时间运行；同时独创的冷媒系统管路设计和先进的水路设计，使机组运转压力始终维持在设计压力以下，使压缩机处于稳定负荷运转状态，延长压缩机使用寿命；
5、
基于ABB公司定制PLC开发的专用控制系统，确保机组运行的稳定可靠，系统控制方式实现全日制24小时供热水，能够进行故障自动检测、报警功能，整个系统全自动运转，无须专人值守；
专门设计的系统除霜回路，智能除霜控制模块，在低温、高湿度的环境也能稳定运行，使得机组在运行环境温度范围内（-10℃~43℃）可全天候运行。除霜过程控制简单，系统稳定、可靠。
五. 结语
二氧化碳热泵自1989年挪威科学家G. Lorentzen提出跨临界循环技术以来，以其高效，对环境影响极小的特点迅速得到发展，在欧洲和日本得到了广泛的应用。在国内，东启公司是第一家通过合肥通用机械研究所检验并取得生产许可证的热泵生产企业。从本文所介绍的内容看，二氧化碳热泵不仅有节能环保的特点，而且能够工作在低温环境下，并能制高达的85℃的热水。运行在低温环境意味着能够在中国绝大多数的地方适用。高温水功能意味着更高的蓄热容量和满足更广泛的使用。值得大力推广。
参考文献：
1、张昌《热泵技术与应用》；机械工业出版社 2008年；
2、丁国良 黄东平 《二氧化碳制冷技术》；化学工业出版社，2007年
3、张国庆.傅李鹏.吴忠杰.饶中浩 《环境友好型跨临界CO2制冷工质的应用与研究进展》[期刊论文]-材料研究与应用 2008（4）
4、李丽霞，姬长发，赵文秀 《C02制冷系统的技术进展》 [期刊论文]- 应用能源技术 2008年第7期(总第127期)
