R744熱泵系統(tǒng)瓶頸

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)，早在二十世紀初就已使用在工業(yè)與漁業(yè)的冷凍系統(tǒng)中，冷媒代號為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。

其它的特點包括：

（1）不破壞臭氧層。

（2）全球暖化潛勢（GWP）為1。

（3）取得容易（可從工業(yè)廢氣中取得），成本極低。

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

（5）無毒且不會分解出刺激性物質(zhì)。

（6）不可燃（Non-Flammable）與不會爆炸（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或超越臨界點的過程，因無實際上的冷凝現(xiàn)象，故散熱用熱交換器，稱之為氣體冷卻器。

（10）對相同的氣體冷卻器出口溫度而言，壓縮機吐出壓力愈高則制冷能力愈大。

（11）壓縮比低。當R-134a之冷凝溫度50℃，蒸發(fā)溫度0℃時，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，壓縮比為2.6。同時，壓縮機的壓縮比降低，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）因為系統(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尺寸，而使系統(tǒng)重量減輕、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小。

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?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，雖已漸漸不再嚴重威脅我們生存的環(huán)境，但不可否認的是，我們的環(huán)境仍受所使用的冷媒種類所影響。

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

熱泵熱水器的優(yōu)點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)用對象包括：中溫熱水（40~60℃）需求大、冷氣需求?。ɑ虿恍枰┑膱鏊?，鍋爐用戶（補給水預(yù)熱），住宅、宿舍、有淋浴設(shè)施的運動場所，醫(yī)院、旅館和溫泉區(qū)有熱水與再加熱的需求場所。

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前替代冷媒的問題，不但提升相關(guān)技術(shù)與促進產(chǎn)業(yè)升級，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。這個技術(shù)的制造技術(shù)重要時期－”ECO Cute”在水加熱器領(lǐng)域受到高度的期望，因為該類加熱器的熱源多半是油、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是保護環(huán)境產(chǎn)品，符合京都議定中的全球暖化潛勢。由于它具有高效率的優(yōu)點，日本政府由2002年10月開始補助”ECO Cute”產(chǎn)品的開發(fā)，所以它將會在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。更進一步來說，”ECO Cute”藉由熱泵的原理已達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)期可達到全球環(huán)境保護的重要目標?！盓CO Cute”也儼然成為家電業(yè)的重要指標，它不但解決尋找新能源的問題，更使得它的發(fā)展更往前邁進了一大步。當日本政府于2002年10月開始補助”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個交換單元的能力。在2001、2002、2003、2004、2005年的”ECO Cute”市場預(yù)測中，它具有保護環(huán)境的因素在內(nèi)。”ECO 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)機一般，它具有一個戶外機（熱泵單元），利用壓縮機壓縮冷媒．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。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。當使用夜間的低成本電力，則驅(qū)動時的成本將降的更低

由于CO2系統(tǒng)穿越了臨界點的熱力特性，因此在設(shè)計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，因此壓縮機之各部零件的機械結(jié)構(gòu)、壓縮室的防泄漏設(shè)計、傳動軸上的軸承選用、高壓環(huán)境的潤滑油與油路設(shè)計、吐出口部位的排氣閥設(shè)計等，均應(yīng)特別注意。

（2）應(yīng)用于密閉型壓縮機時，耐高壓的馬達結(jié)構(gòu)、高啟動負荷的馬達選用、低馬達轉(zhuǎn)子慣性、小體積高扭矩及高效率的馬達性能等設(shè)計，皆是不可忽略的。

（3）如何在小管徑、高質(zhì)量流率的CO2冷媒流動時，提高熱傳效率。例如設(shè)計出高熱傳效果的管排型式與空氣流路、強化吸排熱風扇的風速與風量等為熱交換器設(shè)計時應(yīng)注意的事項。

（4）其他如因高壓系統(tǒng)之動態(tài)特性掌控、高壓負荷運轉(zhuǎn)之振動噪音的防制，也是研究CO2壓縮機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，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)，常壓下其沸點為零下40℃，凝固點為零下100℃以下，該物質(zhì)冷的時候是液體，但很容易被蒸發(fā)成氣體，反之亦然。在實際運行中，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，吸收了太陽進入地球的相當?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組，從水源中“提取”熱能，送到建筑物中采暖。

優(yōu)勢

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。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3.5～4.4，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運行費用為普通中央空調(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也日趨活躍，使該項技術(shù)得到了相當廣泛的應(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熱資源（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：高溫熱水）或出風溫度能夠達到 80 ℃以上的熱泵（即：高溫烘干熱泵）。相對今天市場上熱銷的常規(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85℃左右的高溫熱水，能夠運用于電鍍，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)獲取低溫熱源，經(jīng)系統(tǒng)高效集熱整合后成為高溫熱源，用來取(供)暖、干燥或供應(yīng)熱水。

優(yōu)點

高溫空氣能熱泵的四大優(yōu)點：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熱能吸收進來，經(jīng)過壓縮機壓縮后轉(zhuǎn)化為高溫熱能，其節(jié)能效果相當顯著；第二，有利于環(huán)境保護；第三，冷熱結(jié)合，設(shè)備應(yīng)用率高，節(jié)省出投資，第四，因為它是電驅(qū)動，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，全自動控溫，運行費用也大幅降低50%以上。高溫熱泵能夠完成某種特殊領(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，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)機組和熱泵冷熱水機組。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。熱泵冷熱水機組自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，該地區(qū)部分城市中央空調(diào)冷熱源采用熱泵冷熱水機組的已占到20—30%，而且應(yīng)用范圍繼續(xù)擴大并有向此移動的趨勢。

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、實現(xiàn)對建筑物供冷。雖然目前空氣能熱泵機組在我國有著相當廣泛的應(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，而且運行可靠性又高，近年來國內(nèi)應(yīng)用有逐漸擴大的趨勢。

三、地源熱泵

地源熱泵是以大地為熱源對建筑進行空調(diào)的技術(shù)，冬季通過熱泵將大地中的低位熱能提高對建筑供暖，同時蓄存冷量，以備夏用；夏季通過熱泵將建筑物內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下對建筑進行降溫，同時蓄存熱量，以備冬用。由于其節(jié)能、環(huán)保、熱穩(wěn)定等特點，引起了世界各國的重視。歐美等發(fā)達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、施工和運行方面的資料和數(shù)據(jù)。

四、復(fù)合熱泵 為了彌補單一熱源熱泵存在的局限性和充分利用低位能量，運用了各種復(fù)合熱泵。如空氣-空氣熱泵機組、空氣-水熱泵機組、水-水熱泵機組、水-空氣熱泵機組、太陽-空氣源熱泵系統(tǒng)、空氣回熱熱泵、太陽-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，已有上萬臺此類熱泵裝置在運行，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。當環(huán)路水溫高于35℃時，水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)同消防水池斷開，冷卻塔投入運行，當環(huán)路水溫在15~35℃之間時，太陽能作為冷卻塔停止運行，生活熱水供應(yīng)的熱源收集的太陽能用來加熱生活用水；當環(huán)路水溫低于15℃時，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，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)。