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日本家用CO2热泵热水器研究开发现状

信息来源:互联网更新日期:09-07-11 点击:

CO2是热泵系统工质替代中最有潜力的天然工质之一。CO2跨临界系统气体冷却器端的温度滑移可以与变温热源较好的匹配,它在热泵热水器方面的应用具有其它供热方式无法比拟的优势。日本主要家电公司联合科研院所纷纷对CO2热泵热水器进行了深入的研究和开发,本文对其研究开发现状进行了分析,总结了开了中存在的问题和关键技术。结果表明CO2热泵热水器与电或燃气热水器相比较具有较高的性能系统(COP),其商业开发已经初步开始,市场前景极为广阔。

1 引言
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,如图1所示。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[1]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。

在世界大多数家庭的能量需求中,约有1/4~1/3来源于对热水的需求。日本在过去30年中,家庭对热水的需求量逐年上升,到1999年家用热水耗能已占家庭总耗能的34%[2]。因为在日最高温度低于0℃的寒冷地区,传统空气源热泵的制热量和效率随环境温度的降低下降很快,热泵的使用受到限制,主要应用燃油和电热热水器。由于CO2热泵热水器的低温性能良好,因此开发CO2热泵热水器市场前景广阔,意义重大。

2 日本家用CO2热泵热水器的研究开发现状
在日本,CO2热泵热水器以其良好的节能生态性能赢得了“Eco Cute(生态精灵)”的称号。从2001年投放市场以来,销售量稳步上升。由于它价格较贵(超过5000美元),从2002年10月开始采用政府补贴的办法促进销售。2003年日本CO2热泵热水器的产销量为7万套,预计到2010年将达到近50万套,市场发展十分迅速。根据制热量、水箱容量和地区适应性的不同,现今日本市场上有16种不同类型的CO2热泵热水器[3]。


日本电力工业中央研究院(CRIEPI)与东京电力公司(TEPCO)及DENSO公司的M. Saikawa,K. Hashimoto,K. Kusakari等人[4]合作于1998年9月开始进行CO2热泵热水器的基础理论研究,通过对其进行的性能计算及相应的循环特性理论分析,得出CO2热泵热水器的性能高于传统工质热磁的结论。
1999年,M. Saikawa,K. Hashimoto,K. Kusakari等人建起了CO2热泵热水器(8035100cm)原型机实验台。原型机的额定供热功率为4.5kW,所用压缩机为直流变频电动机驱动的半封闭涡旋压缩机,所用的膨胀阀由针阀和步进电机组成,可以将膨胀阀由关闭到完全打开分为400级,便于对膨胀阀开度的控制。在对原型机的性能测试中分别测了膨胀阀开度对系统性能的影响和膨胀阀开度对气体冷却器温度随供热量的变化轮廓的影响。空气热源的温度选取东京冬季23点到7点的平均温度值,这8个小时为用电低峰期,自来水温度8.3℃,热水温度65℃,结果表明:随膨胀阀开度的增大(80~160级),压缩机出口压力下降,供热量下降,输入电功率下降,COP逐渐上升,膨胀阀开度增大到110级后趋于常数,约为2.7。膨胀阀的开度分别调为(90、110、149)级以进行对比,气体冷却器中CO2出口处与水入口处的温差由小变大,CO2随供热量变化的温度曲线拐点处温度与水的温度差由大变小,因为此时压缩机出口处的压力由高变低。2000年,他们又对原型机进行了改进,并在DENSO人工环境实验室按照东说冬季工况进行了测试。改进型