R744熱泵特點(diǎn)

R744熱泵，流行于日本，是使用二氧化碳為工質(zhì)的新一代熱泵！

隨著蒙特婁議定書與京都議定書的發(fā)展，HCFC的替代技術(shù)愈來愈受到重視，因此如何選用適當(dāng)?shù)睦涿脚c使用較節(jié)能的設(shè)備，便成為刻不容緩的議題。冷媒在冷凍空調(diào)與熱泵系統(tǒng)中扮演工作流體的角色，而理想的冷媒應(yīng)具備穩(wěn)定的化性與惰性，且擁有良好的熱傳特性與流體流動(dòng)的性質(zhì)。此外，它必須與其它物質(zhì)相容、與潤滑油互溶、無毒、成本低及符合環(huán)保的特性。

當(dāng)然，并非所有的物質(zhì)都符合這些特性，因此許多不同種類的冷媒開始發(fā)展，并應(yīng)用于HVAC&R的系統(tǒng)中。隨著冷媒的發(fā)展與蒙特婁議定書的管制，使用的冷媒由CFC、HCFC到HFC，雖已漸漸不再嚴(yán)重威脅我們生存的環(huán)境，但不可否認(rèn)的是，我們的環(huán)境仍受所使用的冷媒種類所影響。

在CFC尚未問世前，自然冷媒在冷凍空調(diào)系統(tǒng)中扮演著重要的角色。

CO2在地球上是取之不盡、用之不竭的自然物質(zhì)，早在二十世紀(jì)初就已使用在工業(yè)與漁業(yè)的冷凍系統(tǒng)中，冷媒代號(hào)為R-744。CO2具有高容積比的體積冷凍能力特性，與HCFC-22相比較高出約5倍，因此在系統(tǒng)的尺寸上可大幅縮小。表1為CO2的特性，表2為CO2與R-134a熱力性質(zhì)比較。由于CO2具有較小的表面張力與液態(tài)黏滯度，而較小的表面張力促成氣泡的形成，因此產(chǎn)生較高的熱傳系數(shù)；另外，較小的液態(tài)黏滯度將使CO2在管道中的壓力降較小。

其它的特點(diǎn)包括：

（1）不破壞臭氧層。

（2）全球暖化潛勢(shì)（GWP）為1。

（3）取得容易（可從工業(yè)廢氣中取得），成本極低。

（4）對(duì)人體健康與居住環(huán)境無短、中、長期之害處，故不需回收或再處理。

（5）無毒且不會(huì)分解出刺激性物質(zhì)。

（6）不可燃（Non-Flammable）與不會(huì)爆炸（Non-Explosive）。

（7）極佳的熱力性質(zhì)。

（8）CO2冷媒系統(tǒng)可使用傳統(tǒng)的礦物類潤滑油。

（9）CO2系統(tǒng)在一般夏季外氣條件之散熱過程為穿越臨界點(diǎn)或超越臨界點(diǎn)的過程，因無實(shí)際上的冷凝現(xiàn)象，故散熱用熱交換器，稱之為氣體冷卻器。

（10）對(duì)相同的氣體冷卻器出口溫度而言，壓縮機(jī)吐出壓力愈高則制冷能力愈大。

（11）壓縮比低。當(dāng)R-134a之冷凝溫度50℃，蒸發(fā)溫度0℃時(shí)，壓縮比為4.3；而CO2氣體冷卻器出口溫度37℃，蒸發(fā)溫度0℃時(shí)，壓縮比為2.6。同時(shí)，壓縮機(jī)的壓縮比降低，壓縮過程可更接近等熵壓縮而使效率提升。

（12）氣體冷卻器的漸近溫度（approach temperature）比R-134a的10~15°K小許多。

（13）相同體積的蒸發(fā)器，CO2的管徑小、管排數(shù)多。

（14）因?yàn)橄到y(tǒng)壓力大，CO2于蒸發(fā)器中之冷媒分布較均勻。

（15）氣體密度高，可降低使用的管路與壓縮機(jī)尺寸，而使系統(tǒng)重量減輕、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小。

熱泵熱水器為供給家用熱水、空調(diào)暖氣、加熱進(jìn)入室內(nèi)的冬季寒冷外氣、鍋爐供水預(yù)熱或其他制程，是相當(dāng)具有效率與經(jīng)濟(jì)效益的方法。

熱泵熱水器的優(yōu)點(diǎn)包含減少加熱所需之天然氣與燃料用量以及減少冷凝器散熱至外界的熱污染，其應(yīng)用對(duì)象包括：中溫?zé)崴?0~60℃）需求大、冷氣需求?。ɑ虿恍枰┑膱?chǎng)所，鍋爐用戶（補(bǔ)給水預(yù)熱），住宅、宿舍、有淋浴設(shè)施的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所，醫(yī)院、旅館和溫泉區(qū)有熱水與再加熱的需求場(chǎng)所。

溫帶至寒帶國家由于日常生活熱水需求量大，以日本為例，家用熱水的能源消耗占家庭能源支出的30%，且大多是采用熱水鍋爐。高緯度國家對(duì)于臭氧層破壞、全球暖化等議題特別重視，因此諸如歐洲、日本等較先進(jìn)的開發(fā)國家便極力發(fā)展CO2熱泵熱水器。

CO2所具備的高效率是有目共睹的，伴隨著加工技術(shù)的成熟，使用CO2這類高壓的自然冷媒不再是遙不可及。在保護(hù)環(huán)境的相關(guān)法令下，尋求另一解決冷媒需求的途徑是刻不容緩的。由其他國家在相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展中，不難發(fā)現(xiàn)，在安全許可的考量下，使用自然冷媒可充分改善當(dāng)前替代冷媒的問題，不但提升相關(guān)技術(shù)與促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，更重要的是使環(huán)境不再受到危害。

電子式熱泵水加熱器”ECO Cute”使用自然冷媒CO2，這是一種高效率的水加熱系統(tǒng)，這也使得該類技術(shù)越來越受重視。這個(gè)技術(shù)的制造技術(shù)重要時(shí)期－”ECO Cute”在水加熱器領(lǐng)域受到高度的期望，因?yàn)樵擃惣訜崞鞯臒嵩炊喟胧怯?、瓦斯或電力?

”ECO Cute”成為受到注目的產(chǎn)品，這是由于它在政府及工業(yè)界間的定位，它減少了CO2是保護(hù)環(huán)境產(chǎn)品，符合京都議定中的全球暖化潛勢(shì)。由于它具有高效率的優(yōu)點(diǎn)，日本政府由2002年10月開始補(bǔ)助”ECO Cute”產(chǎn)品的開發(fā)，所以它將會(huì)在2003年大幅度的成長。盡管”ECO Cute”的初始成本比傳統(tǒng)的電子式水加熱器高，但是主要的成本僅在產(chǎn)品研發(fā)的前五年。更進(jìn)一步來說，”ECO Cute”藉由熱泵的原理已達(dá)到高能源效率的成果(COP超卨3.0)。因此，采用”ECO Cute”的產(chǎn)品已經(jīng)可以預(yù)期可達(dá)到全球環(huán)境保護(hù)的重要目標(biāo)?！盓CO Cute”也儼然成為家電業(yè)的重要指標(biāo)，它不但解決尋找新能源的問題，更使得它的發(fā)展更往前邁進(jìn)了一大步。當(dāng)日本政府于2002年10月開始補(bǔ)助”ECO Cute”的研發(fā)，它就已經(jīng)大幅度的漫延開了。使用與熱泵空調(diào)的相同原理，CO2熱泵水加熱器使得由開放空間的空氣中吸收熱來加熱水更有效率。

自然冷媒CO2所具備的高效率，它具有使水加熱到90℃而不影響0、20、40、60、80、100、120、140、1000個(gè)交換單元的能力。在2001、2002、2003、2004、2005年的”ECO Cute”市場(chǎng)預(yù)測(cè)中，它具有保護(hù)環(huán)境的因素在內(nèi)?！盓CO Cute”比過去使用氟碳化物冷媒的熱泵具有更佳的能力（傳統(tǒng)的熱泵僅能加熱到60℃）。如同熱泵空調(diào)機(jī)一般，它具有一個(gè)戶外機(jī)（熱泵單元），利用壓縮機(jī)壓縮冷媒．并有效地吸收開放空間空氣中的熱，將熱傳至熱水儲(chǔ)存槽加熱。

已有三家制造商制造該類熱泵系統(tǒng)，包括Denso、Daikin、Sanyo。Denso提供其它制造商OEM，Daikin則制造完全屬于他們的產(chǎn)品，Sanyo則試圖拓展”ECO Cute”的多樣化商品的目標(biāo)。這些制造商努力的使”ECO Cute”的商品被稱為全電氣化商品的一部份。當(dāng)使用夜間的低成本電力，則驅(qū)動(dòng)時(shí)的成本將降的更低

由于CO2系統(tǒng)穿越了臨界點(diǎn)的熱力特性，因此在設(shè)計(jì)上有許多待突破的技術(shù)，包括：

（1）由于其工作壓力高于傳統(tǒng)許多，而且吸排氣的壓差與溫差皆頗大，因此壓縮機(jī)之各部零件的機(jī)械結(jié)構(gòu)、壓縮室的防泄漏設(shè)計(jì)、傳動(dòng)軸上的軸承選用、高壓環(huán)境的潤滑油與油路設(shè)計(jì)、吐出口部位的排氣閥設(shè)計(jì)等，均應(yīng)特別注意。

（2）應(yīng)用于密閉型壓縮機(jī)時(shí)，耐高壓的馬達(dá)結(jié)構(gòu)、高啟動(dòng)負(fù)荷的馬達(dá)選用、低馬達(dá)轉(zhuǎn)子慣性、小體積高扭矩及高效率的馬達(dá)性能等設(shè)計(jì)，皆是不可忽略的。

（3）如何在小管徑、高質(zhì)量流率的CO2冷媒流動(dòng)時(shí)，提高熱傳效率。例如設(shè)計(jì)出高熱傳效果的管排型式與空氣流路、強(qiáng)化吸排熱風(fēng)扇的風(fēng)速與風(fēng)量等為熱交換器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)。

（4）其他如因高壓系統(tǒng)之動(dòng)態(tài)特性掌控、高壓負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)之振動(dòng)噪音的防制，也是研究CO2壓縮機(jī)所需面臨之重要技術(shù)課題。

按熱源種類不同分為：空氣源熱泵，水源熱泵，地源熱泵，雙源熱泵（水源熱泵和空氣源熱泵結(jié)合）等。

熱泵空氣源熱泵

原理

空氣源熱泵在運(yùn)行中，蒸發(fā)器從空氣中的環(huán)境熱能中吸取熱量以蒸發(fā)傳熱工質(zhì)，工質(zhì)蒸氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后壓力和溫度上升，高溫蒸氣通過黏結(jié)在貯水箱外表面的特制環(huán)形管時(shí)，冷凝器冷凝成液體，將熱量傳遞給空氣源熱泵貯水箱中的水。

熱泵工質(zhì)

空氣源熱泵傳熱工質(zhì)是一種特殊物質(zhì)，常壓下其沸點(diǎn)為零下40℃，凝固點(diǎn)為零下100℃以下，該物質(zhì)冷的時(shí)候是液體，但很容易被蒸發(fā)成氣體，反之亦然。在實(shí)際運(yùn)行中，空氣源熱泵中傳熱工質(zhì)的蒸發(fā)極限溫度為零下20℃左右，因此5℃的環(huán)境溫度對(duì)如此低的溫度也是“熱”的，甚至下雪的溫度，比如說0℃，相比之下也是熱的，因此，仍可交換一些熱能。

熱泵水源熱泵

原理

地球表面淺層水源（一般在1000 米以內(nèi)），如地下水、地表的河流、湖泊和海洋，吸收了太陽進(jìn)入地球的相當(dāng)?shù)妮椛淠芰?，并且水源的溫度一般都十分穩(wěn)定。水源熱泵技術(shù)的工作原理就是：通過輸入少量高品位能源（如電能），實(shí)現(xiàn)低溫位熱能向高溫位轉(zhuǎn)移。水體分別作為冬季熱泵供暖的熱源和夏季空調(diào)的冷源，即在夏季將建筑物中的熱量“取”出來，釋放到水體中去，由于水源溫度低，所以可以高效地帶走熱量，以達(dá)到夏季給建筑物室內(nèi)制冷的目的；而冬季，則是通過水源熱泵機(jī)組，從水源中“提取”熱能，送到建筑物中采暖。

優(yōu)勢(shì)

與鍋爐（電、燃料）和空氣源熱泵的供熱系統(tǒng)相比，水源熱泵具明顯的優(yōu)勢(shì)。鍋爐供熱只能將90%～98%的電能或70%～90%的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱量，供用戶使用，因此地源熱泵要比電鍋爐加熱節(jié)省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省二分之一以上的能量；由于水源熱泵的熱源溫度全年較為穩(wěn)定，一般為10～25℃，其制冷、制熱系數(shù)可達(dá)3.5～4.4，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運(yùn)行費(fèi)用為普通中央空調(diào)的50%～60%。因此，近十幾年來，水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在北美及中、北歐等國家取得了較快的發(fā)展，中國的水源熱泵市場(chǎng)也日趨活躍，使該項(xiàng)技術(shù)得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，成為一種有效的供熱和供冷空調(diào)技術(shù)。

熱泵地源熱泵

地源熱泵是一種利用淺層地?zé)豳Y源（也稱地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)設(shè)備。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源（如電能），實(shí)現(xiàn)由低溫位熱能向高溫位熱能轉(zhuǎn)移。地能分別在冬季作為熱泵供熱的熱源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把地能中的熱量取出來，提高溫度后，供給室內(nèi)采暖；夏季，把室內(nèi)的熱量取出來，釋放到地能中去。通常地源熱泵消耗1kWh的能量，用戶可以得到4kWh以上的熱量或冷量。

熱泵高溫空氣能熱泵

高溫空氣能熱泵從字面來理解是指制熱出水溫度高于60℃（即：高溫?zé)崴┗虺鲲L(fēng)溫度能夠達(dá)到 80 ℃以上的熱泵（即：高溫烘干熱泵）。相對(duì)今天市場(chǎng)上熱銷的常規(guī)熱泵而言，常規(guī)熱水溫度一般是55℃以下，而新一代高溫空氣能熱泵可制取高達(dá)85℃左右的高溫?zé)崴軌蜻\(yùn)用于電鍍，巴氏消毒，屠宰，玻璃清洗，印染等行業(yè)。

工作原理

高溫空氣能熱泵工作原理是：利用逆卡諾循環(huán)原理，通過自然能(空氣蓄熱)獲取低溫?zé)嵩?，?jīng)系統(tǒng)高效集熱整合后成為高溫?zé)嵩?，用來?供)暖、干燥或供應(yīng)熱水。

優(yōu)點(diǎn)

高溫空氣能熱泵的四大優(yōu)點(diǎn)：第一，節(jié)能，有利于能源的綜合利用，高溫空氣能熱泵是把空氣中的低溫?zé)崮芪者M(jìn)來，經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后轉(zhuǎn)化為高溫?zé)崮?，其?jié)能效果相當(dāng)顯著；第二，有利于環(huán)境保護(hù)；第三，冷熱結(jié)合，設(shè)備應(yīng)用率高，節(jié)省出投資，第四，因?yàn)樗请婒?qū)動(dòng)，調(diào)控比較方便。相比電鍋爐，可以節(jié)約50%以上的電力消耗，而且減少了經(jīng)常更換電熱管的麻煩；相比傳統(tǒng)煤鍋爐和燃油鍋爐，無污染，無排放，安全，省去了每年例行的安檢，省去了專業(yè)的鍋爐工，全自動(dòng)控溫，運(yùn)行費(fèi)用也大幅降低50%以上。高溫?zé)岜媚軌蛲瓿赡撤N特殊領(lǐng)域供熱供冷需求的熱泵。一般來講，高溫空氣能熱泵采用專門的熱泵壓縮機(jī)，特殊的制冷劑及系統(tǒng)。

根據(jù)熱泵所利用能源的不同，熱泵可作如下分類：

一、空氣源熱泵

以空氣作為“源體”，空氣源熱泵，通過冷媒作用，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移。目前的產(chǎn)品主要是家用熱泵空調(diào)器、商用單元式熱泵空調(diào)機(jī)組和熱泵冷熱水機(jī)組。熱泵空調(diào)器已占到家用空調(diào)器銷量的40—50%，年產(chǎn)量為400余萬臺(tái)。熱泵冷熱水機(jī)組自90年代初開始，在夏熱冬冷地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，該地區(qū)部分城市中央空調(diào)冷熱源采用熱泵冷熱水機(jī)組的已占到20—30%，而且應(yīng)用范圍繼續(xù)擴(kuò)大并有向此移動(dòng)的趨勢(shì)。

二、水源熱泵

以地下水作為冷熱"源體"，在冬季利用熱泵吸收其熱量向建筑物供暖，在夏季熱泵將吸收到的熱量向其排放、實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物供冷。雖然目前空氣能熱泵機(jī)組在我國有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，但它存在著熱泵供熱量隨著室外氣溫的降低而減少和結(jié)霜問題，而水源熱泵克服了以上不足，而且運(yùn)行可靠性又高，近年來國內(nèi)應(yīng)用有逐漸擴(kuò)大的趨勢(shì)。

三、地源熱泵

地源熱泵是以大地為熱源對(duì)建筑進(jìn)行空調(diào)的技術(shù)，冬季通過熱泵將大地中的低位熱能提高對(duì)建筑供暖，同時(shí)蓄存冷量，以備夏用；夏季通過熱泵將建筑物內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下對(duì)建筑進(jìn)行降溫，同時(shí)蓄存熱量，以備冬用。由于其節(jié)能、環(huán)保、熱穩(wěn)定等特點(diǎn)，引起了世界各國的重視。歐美等發(fā)達(dá)國家地源熱泵的利用已有幾十年的歷史，特別是供熱方面已積累了大量設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行方面的資料和數(shù)據(jù)。

四、復(fù)合熱泵 為了彌補(bǔ)單一熱源熱泵存在的局限性和充分利用低位能量，運(yùn)用了各種復(fù)合熱泵。如空氣-空氣熱泵機(jī)組、空氣-水熱泵機(jī)組、水-水熱泵機(jī)組、水-空氣熱泵機(jī)組、太陽-空氣源熱泵系統(tǒng)、空氣回?zé)釤岜?、太?水源熱泵系統(tǒng)、熱電水三聯(lián)復(fù)合熱泵、土壤-水源熱泵系統(tǒng)等。

1、太陽-空氣熱源熱泵系統(tǒng) 太陽-空氣熱源熱泵系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的空氣熱源熱泵系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用太陽能熱源而新開發(fā)的系統(tǒng)。它可以制冷、供熱、供生活熱水，是一種利用自然能源、無污染、適用性廣、效率高的新型冷熱源系統(tǒng)。

2、土壤-水熱泵系統(tǒng) 土壤-水熱泵（下稱土壤熱泵）可利用低品位的土壤熱能提供熱水或向建筑物供暖。美國、德國及瑞典等北歐國家，已有上萬臺(tái)此類熱泵裝置在運(yùn)行，土壤熱泵技術(shù)已趨成熟，并迅速地加以推廣使用。目前正在制訂土壤熱泵用于供暖的技術(shù)規(guī)范。

3、太陽能-水源熱泵空調(diào)系統(tǒng) 太陽能水源熱泵系統(tǒng)由三部分組成，即太陽能集熱系統(tǒng)、水源熱泵系統(tǒng)和熱水供應(yīng)系統(tǒng)。其系統(tǒng)是將建筑物的消防水池作為蓄水供應(yīng)系統(tǒng)。以解決太陽能的間歇性和不穩(wěn)定性。當(dāng)環(huán)路水溫高于35℃時(shí)，水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)同消防水池?cái)嚅_，冷卻塔投入運(yùn)行，當(dāng)環(huán)路水溫在15~35℃之間時(shí)，太陽能作為冷卻塔停止運(yùn)行，生活熱水供應(yīng)的熱源收集的太陽能用來加熱生活用水；當(dāng)環(huán)路水溫低于15℃時(shí)，環(huán)路與消防水池連通，太陽能水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)吸收太陽能。若仍有多余的太陽能時(shí)，可繼續(xù)加熱生活用水。 熱泵除上述四類以外，還有噴射式熱泵、吸收式熱泵、工質(zhì)變濃度容量調(diào)節(jié)式熱泵及以CO2為工質(zhì)的熱泵系統(tǒng)。