• 传输性能
– 运动粘度低，可减小制冷剂管路压降 – 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） – 表面张力较小，蒸发换热系数较高
2. CO2工质的特性
• 热物理性能
– 临界温度低（31.1℃），临界压 力较高（7.3MPa）； – 气体密度高，单位容积制冷量高； – 分子量比高分子化合物小，相对 于一定的蒸发温度，蒸发潜热较大； – 绝热指数高，存在使压缩机排气 温度偏高的问题； – 压缩比比常规的工质低，压缩机 容积效率可维持在较高水平； – 蒸发器的可耐压降较大（R134a的 9倍）； – 运行压力较高。
5. CO2热泵热水器的优化和改进
• 带膨胀机的循环
待解决的问题：
• 解决膨胀机中静止与转动部件以及转动部件间的高压 CO2 超临界流体的泄漏问题； • 解决由于气蚀、液击引起的部件表面的损伤； • 解决膨胀过程的振动和噪声控制。
谢谢大家!
3. CO2跨临界循环
• 特点：
①冷却器出口温度tk》tc，冷却压力pk》pc； ②高压侧压力和温度相互独立； ③工质在高压侧 的换热通过显 热来完成； ④放热过程有 较大的温度滑 移；
3. CO2跨临界循环
⑤当蒸发温度、气体冷却器出口温度保持不变时，随着高压侧 压力变化，循环COP存在最大值； ⑥排气压力较高，在系统可靠性设计和安全运行方面有较高的 要求。
易结垢、效率低、运行费用高、需专人维护
太阳能受季节日照的影响
热泵热水机国外发展概况
1924年空气源热泵技术发明 2％ 50％
20世纪70年代热泵热水机发明
商用 30％ 家用
20世纪90年代至21世纪初 热泵热水机市场导入和发展期
即将进入市场高速发展期
家用热泵热水器目前的全球市 场容量约为100万台占2％左 右，未来5年估计会达到500 万台。最终家用占30％，商用 占50％的热水器市场份额。
4. CO2热泵热水器特性
将水从10℃加热至60℃
R744等熵系数取0.8，R134a等熵系数取0.7，压缩机吸气过热10℃
4. CO2热泵热水器特性
• 循环特性分析：
①蒸发温度对CO2跨循环 性能影响 提高蒸发温 度可有效提高系统的 性能系数. ②热水出水温度对CO2热 泵热水器循环性能影响 随着热水出水温 度升高，系统性能系数 下降.
2
CO2工质的特性
3 CO2跨临界循环 4 CO2热泵热水器特性
5 CO2热泵热水器优化和改进
1. CO2制冷剂的发展历史
1.船舶制冷系统 2.空调制冷系统
美国
Alexander Twining
被CFCs制冷工质取代
1930年80%的船舶采用CO2制冷机
G.Lorentzen设计跨 临界CO2循环系统
热泵热水器的应用背景 及国内外发展概况
热泵热水机应用背景
节能、环保是二十一世纪经济发展面临的重大问题。随 着社会经济的不断发展和人民生活水平的不断提高，人 们对生活卫生热水的要求不断提高。 常见热水供应设备 燃油热水炉 ■ 燃气热水炉 ■电热水炉 ■太阳能 存在的问题
燃油燃气炉污染问题 燃油、燃气炉、电热水炉存在漏油漏气漏电等安全隐患
热泵热水机国内发展动态
煤锅炉 电锅炉 油锅炉 气锅炉 电热水器 气热水器 太阳能 热泵产品
热水设备国内市场占有率
热泵热水设备近五年的销售增长
空气源热泵热水系统
空气源热泵热水机组为国
家专利产品。它采用热泵
工作原理，利用压缩机驱 动制冷工质进行逆卡诺循 环，从室外空气中吸收热 量产生高品质的热水，满
1. CO2制冷剂的发展历史
①节流损失非常大； ②高放热温度下，COP较低； ③运行压力高,制冷剂防泄漏困难.
2. CO2工质的特性
• 环境和安全性能
– ODP=0，GWP=1 – 无毒，不可燃
• 来源和价格
– 资源丰富（天然资源和工业副产品） – 价格便宜，无回收问题
• 稳定性和相容性
– 物理化学性能稳定 – 与润滑油的共溶性良好
4. CO2热泵热水器特性
CO2热泵热水器系统流程图
4. CO2热泵热水器特性
4. CO2热泵热水器特性
气体冷却器中温度和压力彼此独立； 气体冷却器中具有较大的温度滑移，与
冷却水的温升相匹配；
• 压缩机具有较高的排气温度； • 可以得到90℃的热水； • 需要动态控制高压侧压力， 应设置储液器。
4. CO2热泵热水器特性
③气体冷却器出口温度对CO2热泵热水器循环性能影响 a.随着气体冷 却器出口温度升高， 系统性能系数下降.
4. CO2热泵热水器特性
b.储水箱构造影响气体冷却器出口温度，进而 会影响到系统性能。
4. CO2热泵热水器特性
④吸气过热度对性能系数的影响： a.冷却压力较低时， 提高吸气过热度可显著 提高系统性能； b.冷却器出口温度 越高，吸气过热度对系 统性能的影响越明显；
高温
90℃ 75℃ 50℃ 45℃ 60℃ 50℃ 40℃ 30℃ 冷凝 进水 温度 50℃ 65℃ 水温不断升高导致机组压力高、 功耗大、效率下降 105 ℃
循环式
高温
出水 温度 55℃
冷凝 进水 温度 20℃ 40℃ 进水温度低 出水温度恒定 运行平稳高效
CO2热泵热水器特性分析
1
CO2制冷剂的发展历史
C.当冷却压力较高 时，提高吸气过热度并 不能明显提高系统性能；
d.提高吸气过热度， 会使压缩机排气温度升 高，吸气比容增大，容 积制冷量减小。
4. CO2热泵热水器特性
⑤冷却压力对CO2热泵热水器循环性能影响
a.系统存在 最佳冷却压力，使 得达到COP最大值.
b.随着环 境温度的变化，冷 却压力需作相应的 调整，以保证系统 有较高的性力下CO2热泵热水器循环性能
4. CO2热泵热水器特性
⑥蒸发温度、气体冷却器出口温度对最优冷却压力的影响 蒸发温度对最 优冷却压力影响不大， 气体冷却器出口温度 对最优压力影响较大.
tk变化时，应 使冷却压力作相应的 调整，以保证循环具 有较高的性能系数.
4. CO2热泵热水器特性
足人们生活、生产的需要
空气源热泵热水机组分类
1.直热式：一次加热式
水循环式：循环加热式 2.循环式：循环加热式 氟循环式：循环加热式
空气源热泵热水系统
水循环系统
热水箱
用水
循环水泵
特点： ☆主机工况不稳定； ☆总体效率不高；
补水
主机
空气源热泵热水系统
氟循环系统
特点： ☆主机工况不稳定； ☆系统在使用一些时间后效 率会下降；
⑦气体冷却器出口温度、压力对制冷量的影响 a.随着tk变大，制冷量减小； b. pk较小时，制冷量受冷却压力影响较 大
5. CO2热泵热水器的优化和改进
存在问题：
• 工作压力高于传统压缩机，吸排气的压差与温差较大。 压缩机防泄漏设计、零部件的选用、高压油路设计、 排气阀设计均应特殊考虑； • 如何在小管径、高质量流速的情况下，提高换热器的 传热效率； • 气体冷却器出口与蒸发端压差大，因此如何设计高效 率的膨胀过程来减少膨胀损失，降低压缩功； • 采用电子检测控制技术，根据环境需求，进行压力调 节； • 研究CO2高压系统的动态特性、高压运转时振动和噪声 的抑制，也是CO2压缩机所需解决的技术难题。
用水 补水
热水箱 主机
空气源热泵热水系统
直热系统 高温热水
热水箱
特点： ☆主机工况稳定； ☆总体效率高； ☆水箱利用率高； ☆及时补水能力好； ☆对主水箱水温下降后的 升温效果好；
自来水
热水到用户
空气源热泵热水系统
一 更高能效，费用更省，平均能效比4.6，最高能效比达5.7 1、直热式设计， 直热式
5. CO2热泵热水器的优化和改进
• 带膨胀机的循环
• CO2膨胀比为2-4， 为其他工质的 1/10； • 膨胀功所占的比 例20-30%.
• 理想的膨胀机循环：1—2s—3— 4s—1； • 采用节流阀的循环： 1—2—3— 4h—1； • 考虑压缩机、膨胀机效率后的膨 胀机循环： 1—2—3—4—1。