在《“十二五”節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》節(jié)能產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)能技術(shù)和裝備專(zhuān)欄1節(jié)能產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)中提到CO2熱泵技術(shù)用于熱泵熱水系統(tǒng)等，相對(duì)普通熱水器節(jié)能75%，研發(fā)重點(diǎn)是壓縮機(jī)和熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，解決系統(tǒng)和部件的耐壓和強(qiáng)度問(wèn)題.
1 .CO2空氣能熱泵機(jī)組簡(jiǎn)介
空氣能，即空氣中所蘊(yùn)含的低品位熱能，又稱空氣源?，F(xiàn)在常說(shuō)的“空氣能”是一類(lèi)產(chǎn)品的簡(jiǎn)稱。其實(shí)是指“空氣能熱水機(jī)”，也稱“空氣能熱水器”、“空氣能熱泵熱水器”。空氣能熱泵熱水器實(shí)質(zhì)上是利用制冷原理（逆卡諾循環(huán)工作原理），它通過(guò)從周?chē)h(huán)境中獲取低品位熱能，經(jīng)過(guò)電力做工提升溫度后輸出到冷凝端，產(chǎn)生可被人們所用的較高品位熱能的設(shè)備。采用制冷劑的能量傳遞特點(diǎn)，讓制冷劑壓縮機(jī)的作用下循環(huán)工作，不斷地在蒸發(fā)器中被蒸發(fā)而吸收空氣（或水）中的熱能，同時(shí)又不斷地在冷凝器中釋放熱量從而使制冷劑循環(huán)工作，最大程度地減少熱傳遞所需的用電量，達(dá)到高效節(jié)能的目的。
一臺(tái)空氣能熱水器，主要由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和膨脹閥四部分組成，通過(guò)讓工質(zhì)不斷完成蒸發(fā)（吸取環(huán)境中的熱量）→壓縮→冷凝（放出熱量）→節(jié)流→再蒸發(fā)的熱力循環(huán)過(guò)程，從而將環(huán)境里的熱量轉(zhuǎn)移到水中。
CO2熱泵就是采用CO2作為制冷劑的熱泵或空調(diào)，普通熱泵一般采用氟利昂作為制冷劑，兩者的工作原理基本是一樣的，都屬于蒸汽壓縮式，但也稍有不同，CO2熱泵屬于超臨界循環(huán)，即在冷凝器端，CO2是不會(huì)被冷凝成液體的，而氟利昂冷媒在冷凝器端是被冷凝成液體再節(jié)流的。
為什么要用CO2，最主要的原因是目前大量使用的氟利昂如R12、R22等被證明對(duì)環(huán)境有破壞作用，一個(gè)破壞作用是對(duì)臭氧層的破壞，一個(gè)是具有溫室效應(yīng)，而CO2是地球本身就有的氣體，來(lái)自于地球，即使排放到地球?qū)Νh(huán)境也沒(méi)有影響。CO2是熱泵系統(tǒng)工質(zhì)替代中最有潛力的天然工質(zhì)之一。
CO2作為制冷工質(zhì)具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：對(duì)環(huán)境無(wú)害的自然界天然存在的物質(zhì)（ODP=0，GWP=1）；優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)性，且無(wú)回收問(wèn)題；良好的安全性和化學(xué)穩(wěn)定性，CO2安全無(wú)毒，不可燃，適應(yīng)各種潤(rùn)滑油及常用機(jī)械零部件材料，即便在高溫下也不分解產(chǎn)生有害氣體；具有與制冷循環(huán)和設(shè)備相適應(yīng)的熱力學(xué)性質(zhì)，CO2的蒸發(fā)潛熱較大，單位容積制冷量相當(dāng)高；具有良好的輸運(yùn)和傳熱性質(zhì)，CO2優(yōu)良的流動(dòng)和傳熱特性，可顯著減小壓縮機(jī)與系統(tǒng)的尺寸，使整個(gè)系統(tǒng)非常緊湊。由于CO2的臨界溫度很低（304.21K），因此CO2的放熱過(guò)程不是在兩相區(qū)冷凝，而是在接近或超過(guò)臨界點(diǎn)的區(qū)域的氣體冷卻器中放熱。在CO2跨監(jiān)界制冷循環(huán)中，其放熱過(guò)程為變溫過(guò)程，有較大的溫度滑移。這種溫度滑移正好與所需的變溫?zé)嵩聪嗥ヅ洌且环N特殊的勞倫茲循環(huán)，當(dāng)用于熱泵循環(huán)時(shí)，有較高的放熱系統(tǒng)。在超臨界壓力下，CO2無(wú)飽和狀態(tài)，溫度和壓力彼此獨(dú)立，能夠?qū)崿F(xiàn)滿足實(shí)際需要的多種控制策略。當(dāng)蒸發(fā)溫度、氣體冷卻器出口溫度保持恒定時(shí)，隨著高壓側(cè)壓力的變化，循環(huán)系統(tǒng)的COP存在最大值，通過(guò)優(yōu)化調(diào)節(jié)可節(jié)省壓縮功。與常規(guī)制冷劑相比，CO2跨臨界循環(huán)的壓縮比較小，約為2.5~3.0，可以提高壓縮機(jī)的運(yùn)行效率，從而提高系統(tǒng)的性能系數(shù)。前國(guó)際制冷學(xué)會(huì)主席G.Lorentzen認(rèn)為CO2是無(wú)可取代的制冷工質(zhì)，并提出跨臨界循環(huán)理論，指出其可望在熱泵領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
CO2跨臨界系統(tǒng)氣體冷卻器端的溫度滑移可以與變溫?zé)嵩摧^好的匹配，它在熱泵熱水器方面的應(yīng)用具有其它供熱方式無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。CO2作為一種天然冷媒工質(zhì)，憑借其環(huán)保、無(wú)毒以及優(yōu)良的跨臨界循環(huán)等特點(diǎn)，被看作是氟氯碳化物冷媒的最佳替代物。應(yīng)用了CO2冷媒技術(shù)的空氣源熱水器不僅在節(jié)能、環(huán)保層面有進(jìn)一步的提升，同時(shí)在噪音、使用地區(qū)、出熱水量等多個(gè)方面有突破性的進(jìn)展。
但CO2作為制冷劑的熱泵系統(tǒng)，其工作壓力超高，高壓超過(guò)100kgf/cm2，而R22的熱泵系統(tǒng)高壓一般為2.5kgf/cm2，因此，CO2熱泵系統(tǒng)的配件、銅管等都需要耐高壓，由此導(dǎo)致其成本比一般的熱泵系統(tǒng)高很多。但作為CO2熱泵來(lái)說(shuō)，采用CO2還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是其排氣溫度較高，而且在低溫下的效果比較好，這就意味著可以得到更高溫度的熱水，如90℃；也可以在更低環(huán)境溫度下工作，如-15℃等。
目前，世界上掌控著CO2熱泵熱水器最先進(jìn)技術(shù)的是日本和歐盟。天津大學(xué)馬一太教授指出，很久以來(lái)，日本和歐盟實(shí)行CO2熱泵技術(shù)封鎖，造成我國(guó)難以取得突破性的進(jìn)展，只有解決了專(zhuān)用壓縮機(jī)等零部件批量生產(chǎn)后，CO2熱泵在我國(guó)會(huì)很有前途。
在世界大多數(shù)家庭的能量需求中，約有1/4-1/3來(lái)源于對(duì)熱水的需求。日本家用熱水耗能已占家庭總耗能的34%。因?yàn)樵谌毡咀罡邷囟鹊陀?/SPAN>0℃的寒冷地區(qū)，傳統(tǒng)空氣源熱泵的制熱量和效率隨環(huán)境溫度的降低下降很快，熱泵的使用受到限制，主要應(yīng)用燃油和電熱水器。由于CO2熱泵熱水器的低溫性能良好，日本主要家電公司聯(lián)合科研院所紛紛對(duì)CO2熱泵熱水器進(jìn)行了深入的研究和開(kāi)發(fā)，結(jié)果表明CO2熱泵熱水器與電或燃?xì)鉄崴飨啾容^具有較高的性能系統(tǒng)（COP），其商業(yè)開(kāi)發(fā)已經(jīng)初步開(kāi)始，市場(chǎng)前景極為廣闊，意義重大。
2 國(guó)外CO2熱泵熱水器的研究開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀
上世紀(jì)90年代初，挪威NTH大學(xué)的Lorentzen教授根據(jù)CO2的特殊物性提出跨臨界CO2循環(huán)，極大地推動(dòng)了CO2系統(tǒng)在制冷領(lǐng)域的發(fā)展。在過(guò)去的十幾年中，國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)對(duì)跨臨界CO2循環(huán)投入了大量的研究，成為制冷界的一個(gè)研究熱點(diǎn)?？缗R界CO2系統(tǒng)在高壓側(cè)的較大溫度變化（約80—100℃）的放熱過(guò)程，非常適合用于熱水加熱，因此，對(duì)熱泵領(lǐng)域的研究最先開(kāi)始于熱泵熱水器。
1996年，挪威SINTEF研究所的Nesk和Petterson在NTNU－SINTEF熱能實(shí)驗(yàn)室建成了世界上第一臺(tái)熱泵熱水系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)。原型機(jī)電動(dòng)機(jī)的效率為 0.9，當(dāng)蒸發(fā)溫度為0℃，氣體冷卻器入口水溫從8℃，供水溫度80℃時(shí)，系統(tǒng)性能系數(shù)COP仍然高達(dá)3.6，而且該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠提供90℃的熱水。研究結(jié)果表明，CO2熱泵熱水器比電熱水器節(jié)約能耗75％左右。
2000年，挪威科技大學(xué)Zakeri和Nesk等人在挪家生產(chǎn)半成品食品的ASEggprodukt工廠建立了第一臺(tái)示范性工業(yè)用CO2熱泵熱水器。初步實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：蒸發(fā)溫度14.3℃，吸氣壓力 50bar，壓縮機(jī)吸氣溫度26℃，排氣溫度100℃，放熱壓力113bar，氣體冷卻器CO2出口溫度9.2℃，水的進(jìn)出口溫度6.7/66℃，水的質(zhì)流率0.26m3/hr，供熱功率18.43kw，壓縮機(jī)耗功3.2kw，系統(tǒng)供熱性能系數(shù)可高達(dá)5.77。R. Kern（2006）將冷熱水分層水箱應(yīng)用于CO2熱泵熱水器中，冷水從水箱底部進(jìn)入熱水器，熱水則從水箱頂部提供，從而提高了CO2熱泵熱水器性能。
2005年，挪威科技大學(xué)Stene設(shè)計(jì)了三段逆流式氣體冷卻器以更好的與其溫度滑移相匹配。氣體冷卻器低溫段用于水的預(yù)熱，中溫段用于低溫空間供熱，高溫段用于將水加熱到 60℃~70℃。
3日本CO?熱泵熱水器的研究開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀
日本電力工業(yè)中央研究院（CRIEPI）與東京電力公司（TEPCO）及DENSO公司的M.Saikawa，K.Hashimoto，K.Kusakari等人合作于1998年9月開(kāi)始進(jìn)行CO2熱泵熱水器的基礎(chǔ)理論研究，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行的性能計(jì)算及相應(yīng)的循環(huán)特性理論分析，得出CO2熱泵熱水器的性能高于傳統(tǒng)工質(zhì)熱磁的結(jié)論。
1999年，M.Saikawa，K.Hashimoto，K.Kusakari等人建起了CO2熱泵熱水器（8035100cm）原型機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。原型機(jī)的額定供熱功率為4.5kW，所用壓縮機(jī)為直流變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的半封閉渦旋壓縮機(jī)，所用的膨脹閥由針閥和步進(jìn)電機(jī)組成，可以將膨脹閥由關(guān)閉到完全打開(kāi)分為400級(jí)，便于對(duì)膨脹閥開(kāi)度的控制。在對(duì)原型機(jī)的性能測(cè)試中分別測(cè)了膨脹閥開(kāi)度對(duì)系統(tǒng)性能的影響和膨脹閥開(kāi)度對(duì)氣體冷卻器溫度隨供熱量的變化輪廓的影響?？諝鉄嵩吹臏囟冗x取東京冬季23點(diǎn)到7點(diǎn)的平均溫度值，這8個(gè)小時(shí)為用電低峰期，自來(lái)水溫度8.3℃，熱水溫度65℃，結(jié)果表明：隨膨脹閥開(kāi)度的增大（80-160級(jí)），壓縮機(jī)出口壓力下降，供熱量下降，輸入電功率下降，COP逐漸上升，膨脹閥開(kāi)度增大到110級(jí)后趨于常數(shù)，約為2.7。膨脹閥的開(kāi)度分別調(diào)為（90、110、149）級(jí)以進(jìn)行對(duì)比，氣體冷卻器中CO2出口處與水入口處的溫差由小變大，CO2隨供熱量變化的溫度曲線拐點(diǎn)處溫度與水的溫度差由大變小，因?yàn)榇藭r(shí)壓縮機(jī)出口處的壓力由高變低。
2000年，他們又對(duì)原型機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，并在DENSO人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室按照東說(shuō)冬季工況進(jìn)行了測(cè)試。改進(jìn)型CO2熱泵熱水器：熱泵單元，熱水箱單元（200litters）。 測(cè)試參數(shù)如下：空氣熱源溫度3.3℃，自來(lái)水溫度7.2℃，熱水溫度88.1℃，水流率0.783L/min，CO2壓縮機(jī)的出口壓力11.6MPa，入口壓力2.9MPa，CO2質(zhì)流率56.7kg/h，供熱功率4.44kW，壓縮機(jī)所耗電功率1.59kW，則COP為2.79。
可見(jiàn)改進(jìn)型CO2熱泵熱水器的性能系數(shù)比原來(lái)提高了不少。他們還在TEPCO（東京電力公司）對(duì)改進(jìn)型CO2熱泵熱水器的全年平均性能系數(shù)進(jìn)行了測(cè)算，結(jié)果表明包括風(fēng)扇和水泵耗功在內(nèi)的全年系統(tǒng)平均COP值仍可高達(dá)3.0，而且改進(jìn)型系統(tǒng)在外界空氣熱源為零下30℃時(shí)，系統(tǒng)仍可提供高達(dá)90℃以上的熱水。他們認(rèn)為雖然該系統(tǒng)還需在細(xì)節(jié)上進(jìn)行完善，但是技術(shù)開(kāi)發(fā)已基本可以結(jié)束，市場(chǎng)前景廣闊。2001年1月再次進(jìn)行了改進(jìn)，并且已于2002年推向市場(chǎng)。
日本三洋電器公司研發(fā)總部生態(tài)能源系統(tǒng)研究中心的Hiroshi Mukaiyama等人研制了一臺(tái)供熱功率為4kW的家用CO2熱泵熱水器。他們采用帶20-120Hz的變頻電動(dòng)機(jī)的雙級(jí)滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)，較有特色。室外熱交換器因?yàn)橐惺茌^高的壓力，故采用外徑7.0mm，壁厚0.8mm內(nèi)壁光滑的銅管。為防止除霜后的水重新結(jié)冰，將從氣體冷卻器出來(lái)的高壓工質(zhì)通到室外蒸發(fā)器的底部，即使在日本較冷的地區(qū)（Hokkaido）測(cè)試也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有重結(jié)冰現(xiàn)象發(fā)生。他們?cè)诤銣厥抑袑?duì)該系統(tǒng)在不同溫度、濕度的性能進(jìn)行了測(cè)試。計(jì)算結(jié)果表明CO2熱泵熱水器總有效溫室效應(yīng)指數(shù)（TWEI）比其它方式的熱水器降低了近一半。在考慮供水泵和室外風(fēng)扇耗功的情況下，系統(tǒng)年均供熱COP隨氣體冷卻器中熱水出口溫度的升高而下降，根據(jù)其實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合出公式：COPh=-0.0325t+5.632,t=[65℃-95℃]。
2002年，日本大金公司推出了采用單級(jí)擺動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的CO2熱泵熱水器。系統(tǒng)額定耗功1.21kW，蒸發(fā)器置于室外，可提供65-90℃的熱水，儲(chǔ)水箱容量為300升/370升，其額定制熱量4.5kW，標(biāo)準(zhǔn)狀況下（室外空氣溫度16℃/12℃，進(jìn)水溫度17℃，出水65℃）COP可達(dá)3.72，噪聲45分貝。同期，松下也推出了自己的水箱容量為370升的CO2熱泵熱水器。
日本東京大學(xué)環(huán)境研究所JianfengWang和EijiHihara對(duì)CO2熱泵熱水器建立了住址模型并與R22熱泵熱水器進(jìn)行了對(duì)比運(yùn)算。仿真結(jié)果表明：CO2熱泵熱水器的COP小于R22熱泵熱水器；當(dāng)帶有內(nèi)部熱交換器時(shí)，將達(dá)到與R22熱泵熱水器相當(dāng)?shù)乃剑菈嚎s機(jī)出口溫度將會(huì)明顯上升，最優(yōu)冷凝壓力下的供熱量也會(huì)明顯下降。由于其仿真的結(jié)果未經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該模型尚有待進(jìn)一步完善。
4 日本CO?熱泵熱水器的市場(chǎng)
日本是目前家用空氣能熱泵熱水器最為普及的國(guó)家。日本空氣能熱水器發(fā)展的最大特點(diǎn)是其領(lǐng)先的技術(shù)，主要機(jī)型是EcoCute（CO2熱泵熱水器），該產(chǎn)品外形小巧，結(jié)構(gòu)精致，性能卓越，最大特點(diǎn)是在水側(cè)以較大溫升換熱過(guò)程中，仍然保持較高的熱力效率。額定運(yùn)行溫度一般可達(dá)到60℃，最高出水溫度可達(dá)90℃，因此EcoCute從開(kāi)發(fā)之初就沒(méi)有局限在提供衛(wèi)生用熱水的應(yīng)用范圍，許多產(chǎn)品兼具采暖應(yīng)用功能。
據(jù)了解，自2001年進(jìn)入日本市場(chǎng)以后，該機(jī)組的銷(xiāo)售量一直保持持續(xù)上升。根據(jù)制熱量、水箱容量和地區(qū)適應(yīng)性的不同，現(xiàn)今日本市場(chǎng)上有Mitsubishi、Daikin、Sanyo、Hitachi、Matsushita、Toshiba、Denso、Chofu等各公司共計(jì)16種以上不同類(lèi)型的CO2熱泵熱水器。
2007年家庭普及率已達(dá)10%.近兩年受經(jīng)濟(jì)危機(jī)影響，EcoCute產(chǎn)品的銷(xiāo)售量與預(yù)期有一定差距，但累計(jì)銷(xiāo)售已接近400萬(wàn)臺(tái)。日本冷凍空調(diào)工業(yè)會(huì)2010年4月發(fā)布報(bào)告稱，日本國(guó)內(nèi)家用空調(diào)出貨量同比大減27.8%,創(chuàng)下2009年11月以來(lái)最大下滑幅度。另一方面，EcoCute出貨量則同比大增11.4%。
2009年12月日本政府提出了建設(shè)清潔能源大國(guó)的目標(biāo)。在發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)的進(jìn)程中，政府、企業(yè)、大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)在發(fā)展目標(biāo)、技術(shù)開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和推廣等方面通力合作，各司其職，取得了良好效果。目前，日本正在大力推進(jìn)“無(wú)氣化家庭”的計(jì)劃，安裝計(jì)劃熱泵熱水器的家庭普及率要達(dá)到80%以上。
此外，以松下等企業(yè)正在探討新型的智能小區(qū)，旨在通過(guò)智能小區(qū)建立一種新型環(huán)保城市開(kāi)發(fā)業(yè)務(wù)模式，要將其作為東日本大地震后的小區(qū)重建模式推進(jìn)。比較更進(jìn)一步推進(jìn)Ecocute的應(yīng)用。
在日本EcoCute產(chǎn)品的發(fā)展中，政府的政策導(dǎo)向起了關(guān)鍵性的作用，首先，因?yàn)橛姓难a(bǔ)貼，消費(fèi)者才會(huì)購(gòu)買(mǎi)這種產(chǎn)品。其次，因?yàn)檎闹匾?，企業(yè)才有可能投入大量的經(jīng)費(fèi)進(jìn)行研發(fā)。有好的產(chǎn)品、有人買(mǎi)，這樣市場(chǎng)自然被推動(dòng)起來(lái)了。
在EcoCute面世初期，其銷(xiāo)售價(jià)格為使用氟碳制冷劑熱泵熱水器的數(shù)倍，為促進(jìn)EcoCute產(chǎn)品的銷(xiāo)售，日本政府實(shí)施了相當(dāng)于產(chǎn)品銷(xiāo)售價(jià)格30%~40%的高額補(bǔ)貼政策。在政策的激勵(lì)下，政府和企業(yè)形成合力，共同推進(jìn)行業(yè)發(fā)展。據(jù)了解，目前在日本除專(zhuān)業(yè)熱水器廠商外，松下、大金工業(yè)、三洋電機(jī)、三菱電機(jī)等綜合家電廠商均推出了以CO2作為熱媒的空氣能熱泵熱水器產(chǎn)品。
一些企業(yè)大多擁有很強(qiáng)的研發(fā)實(shí)力，在技術(shù)上精益求精，目前仍舊不斷推陳出新，幾大公司又接連推出了換代新品，日本大金工業(yè)公司將推出6款通過(guò)優(yōu)化燒水控制提高節(jié)能性能的自然冷媒熱泵熱水器“Ecocute”的“X系列產(chǎn)品”.這些產(chǎn)品不僅可供應(yīng)熱水，還可自動(dòng)完成給浴盆注水、保溫以及補(bǔ)充熱水。
日立電器公司陸續(xù)上市采用自主開(kāi)發(fā)的自來(lái)水直壓熱水供應(yīng)方式的自然制冷劑Ecocute新品，隸屬“Niagara熱水供應(yīng)”系列，采用新開(kāi)發(fā)的熱泵單元，提高了節(jié)能性能，年熱水供應(yīng)保溫效率（JIS）比上一年度產(chǎn)品提高了3%.三菱電機(jī)公司起陸續(xù)推出68款自然冷媒CO2熱泵熱水器“EcocuteHP”系列產(chǎn)品，包括4款配備3種節(jié)能技術(shù)的高端機(jī)型。
新產(chǎn)品不僅降低了耗電量，提高了保溫性能，同時(shí)還提高了效率。所有機(jī)型均強(qiáng)化了作為停電及斷水等緊急情況下生活基礎(chǔ)設(shè)施的功能。在寒冷地區(qū)型號(hào)中，增加了業(yè)界首款大型的550升儲(chǔ)水槽。日本松下電工公司上市了的Ecocute新產(chǎn)品，可用于餐飲業(yè)及福利設(shè)施等商用領(lǐng)域。同時(shí)還增加了即使外部氣溫在零下20℃也可使用的寒冷地區(qū)款。
日本政府的支持、眾企業(yè)的不斷創(chuàng)新和推廣使EcoCute日益成為家喻戶曉的熱水產(chǎn)品，目前，很多新建的小區(qū)和商用樓都把熱泵熱水器作為首選的家庭供熱中心。由此可見(jiàn)，日本CO2熱泵熱水器之家的發(fā)展已經(jīng)取得了較好成績(jī)，獲得了市場(chǎng)的肯定。
4 CO?熱泵熱水器的國(guó)內(nèi)研究開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀
目前中國(guó)CO2熱泵熱水器市場(chǎng)還處于起步階段，雖然我國(guó)大部分地區(qū)具有CO2熱泵熱水器及其相關(guān)產(chǎn)品應(yīng)用的適宜條件，但是CO2熱泵熱水器的推廣和發(fā)展速度仍然相當(dāng)緩慢。即使國(guó)內(nèi)巨頭諸如海爾等的大力推進(jìn)，仍然見(jiàn)效甚微。據(jù)業(yè)界分析，發(fā)展緩慢的最大原因是壓縮機(jī)功率和一些零部件的問(wèn)題。相對(duì)來(lái)說(shuō)，空氣源熱水器在我國(guó)起步則比較晚，自從進(jìn)入中國(guó)以來(lái)，空氣源熱水器的引領(lǐng)與決定行業(yè)走勢(shì)的始終是國(guó)外品牌，代表行業(yè)領(lǐng)先水平的CO2冷媒技術(shù)一直掌握在少數(shù)歐美、日本的科研機(jī)構(gòu)手中。
GB/T23137-2008《家用和類(lèi)似用途熱泵熱水器》已經(jīng)發(fā)布，于2009年9月1日起開(kāi)始實(shí)施，該標(biāo)準(zhǔn)以附錄形式對(duì)CO2熱泵熱水器提出了要求，主要參照了日本制冷空調(diào)協(xié)會(huì)發(fā)布的JRA4050《家用熱泵熱水器》的內(nèi)容；同時(shí)，用于CO2跨臨界循環(huán)熱泵裝置專(zhuān)用壓縮機(jī)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也在制定之中。與此同時(shí)，中國(guó)企業(yè)生產(chǎn)的采用CO2跨臨界循環(huán)技術(shù)的家用電冰箱等產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)。
中國(guó)現(xiàn)已有3家壓縮機(jī)生產(chǎn)企業(yè)正在進(jìn)行CO2跨臨界循環(huán)熱泵系統(tǒng)專(zhuān)用壓縮機(jī)的開(kāi)發(fā)工作。上海日立、西安慶安和廣東美芝目前均具備向用戶提供樣機(jī)的能力，可喜的是這幾家企業(yè)都是立足于自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)，并掌握了相關(guān)核心技術(shù)。除了前幾年若干學(xué)校和科研機(jī)構(gòu)對(duì)CO2跨臨界循環(huán)技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行了卓有成效的研究外，近年又有多家生產(chǎn)企業(yè)啟動(dòng)了CO2跨臨界熱泵產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。北京九陽(yáng)實(shí)業(yè)公司致力于新能源技術(shù)的推廣與應(yīng)用，早在2008年就開(kāi)始利用平板太陽(yáng)能集熱結(jié)合空氣源熱泵輔助能源推廣應(yīng)用，近年來(lái)專(zhuān)注于高效CO2熱泵與太陽(yáng)能結(jié)合在冬季采暖，制熱水方面的應(yīng)用。
麥克爾公司于2010年與中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所聯(lián)合研究CO2熱泵跨臨界循環(huán)技術(shù)的應(yīng)用，經(jīng)過(guò)一年多研究于2011年3月推出應(yīng)用性強(qiáng)的商用機(jī)組，所有零部件均自主研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造，采用其他國(guó)家研究機(jī)構(gòu)均未使用的全新技術(shù)方案，在全球范圍內(nèi)導(dǎo)入新的技術(shù)理念，使CO2熱泵跨臨界循環(huán)技術(shù)的應(yīng)用及性能方面得到了質(zhì)的飛躍，植入7大創(chuàng)新點(diǎn)：1、采用即熱補(bǔ)水、浸泡式加熱，使系統(tǒng)穩(wěn)定高效；2、多級(jí)蓄能技術(shù)，杜絕混水，出熱水率高；3、利用CO2作為熱泵系統(tǒng)的工質(zhì)，安全、節(jié)能、環(huán)保；4、利用噴射循環(huán)大幅度提高吸氣壓力，減少節(jié)流損失，提升COP值；5、采用廢余熱回收系統(tǒng)，提升COP值、降低化霜概率和次數(shù)；6、采用換熱式化霜系統(tǒng)，高效、節(jié)能；7、利用人工智能控制系統(tǒng)，穩(wěn)定、高效、節(jié)能、人性化、便捷方便。并對(duì)該機(jī)組進(jìn)行了環(huán)境溫度從低溫（-30℃）到高溫（53℃）及高水溫（93℃以上）段的一系列嚴(yán)酷的測(cè)試，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)均處于國(guó)際一流水平。
總體研究?jī)?nèi)容：1、研究新型CO2熱泵（空調(diào)）系統(tǒng)的運(yùn)行理論及特性；2、研究CO2超臨界換熱理論及特性；3、研究具有較高引射效率的引射器；3、研究及改進(jìn)CO2熱泵（空調(diào)）產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)；5、研究最優(yōu)控制模式及方案。
其研究的主要內(nèi)容及需突破的關(guān)鍵技術(shù)：CO2熱泵系統(tǒng)循環(huán)優(yōu)化配置及熱力學(xué)理論分析；引射器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)分析（由中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所負(fù)責(zé)）；一次性加熱（即熱式）氣體冷卻器的研制；CO2熱泵除霜及其控制研究；CO2熱泵廢余熱回收研究：CO2熱泵自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研究與實(shí)驗(yàn)；CO2跨臨界系統(tǒng)最佳運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)研究；無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控、維護(hù)、診斷管理系統(tǒng)的研究與實(shí)驗(yàn)；通過(guò)對(duì)全球CO2熱泵系統(tǒng)在多種工況下的所有運(yùn)行數(shù)據(jù)的執(zhí)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)，制定最佳的控制方案。
2012年9月26日，科技部高新司在廣東順德組織召開(kāi)了由廣東省科技廳組織實(shí)施的“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“CO2熱泵關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化”驗(yàn)收會(huì)。項(xiàng)目于2009年批復(fù)立項(xiàng)。3年多來(lái)，項(xiàng)目牽頭單位美的集團(tuán)有限公司會(huì)同廣東萬(wàn)和新電氣股份有限公司、廣東美芝制冷設(shè)備有限公司等國(guó)內(nèi)知名家電企業(yè)以及西安交通大學(xué)、廣東華南家電研究院等單位聯(lián)合攻關(guān)，研究并掌握了CO2熱泵一系列關(guān)鍵技術(shù)，成功研制出滿足熱泵熱水器整機(jī)應(yīng)用要求的CO2旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)及專(zhuān)用換熱器，開(kāi)發(fā)了適應(yīng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)環(huán)境的CO2熱泵熱水器及商用制冷系統(tǒng)，并形成每年10萬(wàn)臺(tái)CO2熱泵熱水器的生產(chǎn)能力。項(xiàng)目的實(shí)施為CO2熱泵在全國(guó)范圍內(nèi)的推廣應(yīng)用奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)于促進(jìn)廣東乃至全國(guó)白色家電行業(yè)的技術(shù)升級(jí)具有重要意義。
5 CO?熱泵熱水器的問(wèn)題與對(duì)策
CO2熱泵熱水器所面臨的問(wèn)題主要在于繼續(xù)提高效率和不斷降低成本。技術(shù)進(jìn)步與工業(yè)化批量生產(chǎn)是降低成本的主要?jiǎng)恿?，而效率的提高則只能依賴于技術(shù)的進(jìn)步。CO2熱泵系統(tǒng)能否安全可靠的運(yùn)行，與其基本材料的選擇，以及零件、儀表等承壓能力是否足夠強(qiáng)等也都有著莫大的關(guān)聯(lián)。一般的配件和材料承受不了CO2熱泵的壓力要求，而因?yàn)樵趪?guó)內(nèi)沒(méi)有市場(chǎng)需求，CO2熱泵需要的一些材料和配件，國(guó)內(nèi)廠家?guī)缀鯖](méi)有生產(chǎn)，致使相關(guān)零部件的研發(fā)比較滯后。可見(jiàn)，CO2熱泵壓縮機(jī)和零部件的問(wèn)題還需全方面的研發(fā)跟進(jìn)。
目前來(lái)說(shuō)，CO2熱泵熱水器提高效率的主要途徑有以下幾條：
①、新型高效CO2壓縮機(jī)的開(kāi)發(fā)與改進(jìn)。例如，以日本三洋公司開(kāi)發(fā)的雙級(jí)滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)為代表的雙級(jí)壓縮機(jī)使結(jié)構(gòu)更緊湊，系統(tǒng)布置更靈活，而且雙級(jí)壓縮會(huì)減小壓差，減小泄露和機(jī)械損失，能夠顯著地提高系統(tǒng)效率和壓縮機(jī)的效率，將是未來(lái)壓縮機(jī)發(fā)展的一個(gè)方向。
②、膨脹壓縮機(jī)的研制。在CO2跨臨界循環(huán)中，降低膨脹部分的損失，是解決效率的有效途徑。利用膨脹機(jī)的輸出功率驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)完成壓縮過(guò)程，使膨脹機(jī)與壓縮機(jī)組成一體而形成膨脹壓縮機(jī)，這種膨脹壓縮機(jī)將成為CO2循環(huán)中特有的組成部分。
③、高效CO2跨臨界循環(huán)換熱器的研制。例如日本三洋公司開(kāi)發(fā)的防止重結(jié)冰的新型換熱器。
④、合理利用低品味能源或可再生能源并探討熱水供應(yīng)與其它供熱方式的耦合問(wèn)題。例如北京九陽(yáng)實(shí)業(yè)公司正在開(kāi)發(fā)的平板太陽(yáng)能+CO2空氣源熱泵熱水及采暖新技術(shù)，可以節(jié)能85%以上。
⑤、CO2熱泵熱水器先進(jìn)控制方式的研究。
結(jié)論：
CO2熱泵熱水器與傳統(tǒng)燃?xì)鉄崴飨啾染哂械湍芎模ㄒ话憧晒?jié)能約70%），對(duì)環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)；與傳統(tǒng)熱泵熱水器相比具有供熱水溫度范圍大，能提供高溫?zé)崴膬?yōu)點(diǎn)。
將CO2熱泵與儲(chǔ)水箱組合可以利用夜間低谷電，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。若將CO2熱泵熱水器與蓄熱系統(tǒng)組合，可使儲(chǔ)水箱體積減小，則整個(gè)系統(tǒng)更為小巧輕便。開(kāi)發(fā)適于CO2熱泵熱水器的高效壓縮機(jī)和耐用高壓的高效換熱器以及完善的控制策略將是以后CO2熱泵熱水器研究的重點(diǎn)。相信隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，CO2熱泵將會(huì)以其特有的優(yōu)勢(shì)成為21世紀(jì)熱水器市場(chǎng)上最為耀眼的明星。 |
