R744热泵热泵热水器

在CFC尚未问世前，自然冷媒在冷冻空调系统中扮演着重要的角色。

CO2在地球上是取之不尽、用之不竭的自然物质，早在二十世纪初就已使用在工业与渔业的冷冻系统中，冷媒代号为R-744。CO2具有高容积比的体积冷冻能力特性，与HCFC-22相比较高出约5倍，因此在系统的尺寸上可大幅缩小。表1为CO2的特性，表2为CO2与R-134a热力性质比较。由于CO2具有较小的表面张力与液态黏滞度，而较小的表面张力促成气泡的形成，因此产生较高的热传系数；另外，较小的液态黏滞度将使CO2在管道中的压力降较小。

其它的特点包括：

（1）不破坏臭氧层。

（2）全球暖化潜势（GWP）为1。

（3）取得容易（可从工业废气中取得），成本极低。

（4）对人体健康与居住环境无短、中、长期之害处，故不需回收或再处理。

（5）无毒且不会分解出刺激性物质。

（6）不可燃（Non-Flammable）与不会爆炸（Non-Explosive）。

（7）极佳的热力性质。

（8）CO2冷媒系统可使用传统的矿物类润滑油。

（9）CO2系统在一般夏季外气条件之散热过程为穿越临界点或超越临界点的过程，因无实际上的冷凝现象，故散热用热交换器，称之为气体冷却器。

（10）对相同的气体冷却器出口温度而言，压缩机吐出压力愈高则制冷能力愈大。

（11）压缩比低。当R-134a之冷凝温度50℃，蒸发温度0℃时，压缩比为4.3；而CO2气体冷却器出口温度37℃，蒸发温度0℃时，压缩比为2.6。同时，压缩机的压缩比降低，压缩过程可更接近等熵压缩而使效率提升。

（12）气体冷却器的渐近温度（approach temperature）比R-134a的10~15°K小许多。

（13）相同体积的蒸发器，CO2的管径小、管排数多。

（14）因为系统压力大，CO2于蒸发器中之冷媒分布较均匀。

（15）气体密度高，可降低使用的管路与压缩机尺寸，而使系统重量减轻、结构紧凑、体积小。

R744热泵，流行于日本，是使用二氧化碳为工质的新一代热泵！

随着蒙特娄议定书与京都议定书的发展，HCFC的替代技术愈来愈受到重视，因此如何选用适当的冷媒与使用较节能的设备，便成为刻不容缓的议题。冷媒在冷冻空调与热泵系统中扮演工作流体的角色，而理想的冷媒应具备稳定的化性与惰性，且拥有良好的热传特性与流体流动的性质。此外，它必须与其它物质相容、与润滑油互溶、无毒、成本低及符合环保的特性。

当然，并非所有的物质都符合这些特性，因此许多不同种类的冷媒开始发展，并应用于HVAC&R的系统中。随着冷媒的发展与蒙特娄议定书的管制，使用的冷媒由CFC、HCFC到HFC，虽已渐渐不再严重威胁我们生存的环境，但不可否认的是，我们的环境仍受所使用的冷媒种类所影响。

热泵热水器为供给家用热水、空调暖气、加热进入室内的冬季寒冷外气、锅炉供水预热或其他制程，是相当具有效率与经济效益的方法。

热泵热水器的优点包含减少加热所需之天然气与燃料用量以及减少冷凝器散热至外界的热污染，其应用对象包括：中温热水（40~60℃）需求大、冷气需求小（或不需要）的场所，锅炉用户（补给水预热），住宅、宿舍、有淋浴设施的运动场所，医院、旅馆和温泉区有热水与再加热的需求场所。

温带至寒带国家由于日常生活热水需求量大，以日本为例，家用热水的能源消耗占家庭能源支出的30%，且大多是采用热水锅炉。高纬度国家对于臭氧层破坏、全球暖化等议题特别重视，因此诸如欧洲、日本等较先进的开发国家便极力发展CO2热泵热水器。

CO2所具备的高效率是有目共睹的，伴随着加工技术的成熟，使用CO2这类高压的自然冷媒不再是遥不可及。在保护环境的相关法令下，寻求另一解决冷媒需求的途径是刻不容缓的。由其他国家在相关领域的发展中，不难发现，在安全许可的考量下，使用自然冷媒可充分改善当前替代冷媒的问题，不但提升相关技术与促进产业升级，更重要的是使环境不再受到危害。

电子式热泵水加热器”ECO Cute”使用自然冷媒CO2，这是一种高效率的水加热系统，这也使得该类技术越来越受重视。这个技术的制造技术重要时期－”ECO Cute”在水加热器领域受到高度的期望，因为该类加热器的热源多半是油、瓦斯或电力。

”ECO Cute”成为受到注目的产品，这是由于它在政府及工业界间的定位，它减少了CO2是保护环境产品，符合京都议定中的全球暖化潜势。由于它具有高效率的优点，日本政府由2002年10月开始补助”ECO Cute”产品的开发，所以它将会在2003年大幅度的成长。尽管”ECO Cute”的初始成本比传统的电子式水加热器高，但是主要的成本仅在产品研发的前五年。更进一步来说，”ECO Cute”藉由热泵的原理已达到高能源效率的成果(COP超卨3.0)。因此，采用”ECO Cute”的产品已经可以预期可达到全球环境保护的重要目标。”ECO Cute”也俨然成为家电业的重要指标，它不但解决寻找新能源的问题，更使得它的发展更往前迈进了一大步。当日本政府于2002年10月开始补助”ECO Cute”的研发，它就已经大幅度的漫延开了。使用与热泵空调的相同原理，CO2热泵水加热器使得由开放空间的空气中吸收热来加热水更有效率。

自然冷媒CO2所具备的高效率，它具有使水加热到90℃而不影响0、20、40、60、80、100、120、140、1000个交换单元的能力。在2001、2002、2003、2004、2005年的”ECO Cute”市场预测中，它具有保护环境的因素在内。”ECO Cute”比过去使用氟碳化物冷媒的热泵具有更佳的能力（传统的热泵仅能加热到60℃）。如同热泵空调机一般，它具有一个户外机（热泵单元），利用压缩机压缩冷媒．并有效地吸收开放空间空气中的热，将热传至热水储存槽加热。

已有三家制造商制造该类热泵系统，包括Denso、Daikin、Sanyo。Denso提供其它制造商OEM，Daikin则制造完全属于他们的产品，Sanyo则试图拓展”ECO Cute”的多样化商品的目标。这些制造商努力的使”ECO Cute”的商品被称为全电气化商品的一部份。当使用夜间的低成本电力，则驱动时的成本将降的更低

由于CO2系统穿越了临界点的热力特性，因此在设计上有许多待突破的技术，包括：

（1）由于其工作压力高于传统许多，而且吸排气的压差与温差皆颇大，因此压缩机之各部零件的机械结构、压缩室的防泄漏设计、传动轴上的轴承选用、高压环境的润滑油与油路设计、吐出口部位的排气阀设计等，均应特别注意。

（2）应用于密闭型压缩机时，耐高压的马达结构、高启动负荷的马达选用、低马达转子惯性、小体积高扭矩及高效率的马达性能等设计，皆是不可忽略的。

（3）如何在小管径、高质量流率的CO2冷媒流动时，提高热传效率。例如设计出高热传效果的管排型式与空气流路、强化吸排热风扇的风速与风量等为热交换器设计时应注意的事项。

（4）其他如因高压系统之动态特性掌控、高压负荷运转之振动噪音的防制，也是研究CO2压缩机所需面临之重要技术课题。

按热源种类不同分为：空气源热泵，水源热泵，地源热泵，双源热泵（水源热泵和空气源热泵结合）等。

热泵空气源热泵

原理

空气源热泵在运行中，蒸发器从空气中的环境热能中吸取热量以蒸发传热工质，工质蒸气经压缩机压缩后压力和温度上升，高温蒸气通过黏结在贮水箱外表面的特制环形管时，冷凝器冷凝成液体，将热量传递给空气源热泵贮水箱中的水。

热泵工质

空气源热泵传热工质是一种特殊物质，常压下其沸点为零下40℃，凝固点为零下100℃以下，该物质冷的时候是液体，但很容易被蒸发成气体，反之亦然。在实际运行中，空气源热泵中传热工质的蒸发极限温度为零下20℃左右，因此5℃的环境温度对如此低的温度也是“热”的，甚至下雪的温度，比如说0℃，相比之下也是热的，因此，仍可交换一些热能。

热泵水源热泵

原理

地球表面浅层水源（一般在1000 米以内），如地下水、地表的河流、湖泊和海洋，吸收了太阳进入地球的相当的辐射能量，并且水源的温度一般都十分稳定。水源热泵技术的工作原理就是：通过输入少量高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。水体分别作为冬季热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在夏季将建筑物中的热量“取”出来，释放到水体中去，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量，以达到夏季给建筑物室内制冷的目的；而冬季，则是通过水源热泵机组，从水源中“提取”热能，送到建筑物中采暖。

优势

与锅炉（电、燃料）和空气源热泵的供热系统相比，水源热泵具明显的优势。锅炉供热只能将90%～98%的电能或70%～90%的燃料内能转化为热量，供用户使用，因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量；由于水源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为10～25℃，其制冷、制热系数可达3.5～4.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的50%～60%。因此，近十几年来，水源热泵空调系统在北美及中、北欧等国家取得了较快的发展，中国的水源热泵市场也日趋活跃，使该项技术得到了相当广泛的应用，成为一种有效的供热和供冷空调技术。

热泵地源热泵

地源热泵是一种利用浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调设备。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现由低温位热能向高温位热能转移。地能分别在冬季作为热泵供热的热源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把地能中的热量取出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。通常地源热泵消耗1kWh的能量，用户可以得到4kWh以上的热量或冷量。

热泵高温空气能热泵

高温空气能热泵从字面来理解是指制热出水温度高于60℃（即：高温热水）或出风温度能够达到 80 ℃以上的热泵（即：高温烘干热泵）。相对今天市场上热销的常规热泵而言，常规热水温度一般是55℃以下，而新一代高温空气能热泵可制取高达85℃左右的高温热水，能够运用于电镀，巴氏消毒，屠宰，玻璃清洗，印染等行业。

工作原理

高温空气能热泵工作原理是：利用逆卡诺循环原理，通过自然能(空气蓄热)获取低温热源，经系统高效集热整合后成为高温热源，用来取(供)暖、干燥或供应热水。

优点

高温空气能热泵的四大优点：第一，节能，有利于能源的综合利用，高温空气能热泵是把空气中的低温热能吸收进来，经过压缩机压缩后转化为高温热能，其节能效果相当显著；第二，有利于环境保护；第三，冷热结合，设备应用率高，节省出投资，第四，因为它是电驱动，调控比较方便。相比电锅炉，可以节约50%以上的电力消耗，而且减少了经常更换电热管的麻烦；相比传统煤锅炉和燃油锅炉，无污染，无排放，安全，省去了每年例行的安检，省去了专业的锅炉工，全自动控温，运行费用也大幅降低50%以上。高温热泵能够完成某种特殊领域供热供冷需求的热泵。一般来讲，高温空气能热泵采用专门的热泵压缩机，特殊的制冷剂及系统。

根据热泵所利用能源的不同，热泵可作如下分类：

一、空气源热泵

以空气作为“源体”，空气源热泵，通过冷媒作用，进行能量转移。目前的产品主要是家用热泵空调器、商用单元式热泵空调机组和热泵冷热水机组。热泵空调器已占到家用空调器销量的40—50%，年产量为400余万台。热泵冷热水机组自90年代初开始，在夏热冬冷地区得到了广泛应用，据不完全统计，该地区部分城市中央空调冷热源采用热泵冷热水机组的已占到20—30%，而且应用范围继续扩大并有向此移动的趋势。

二、水源热泵

以地下水作为冷热"源体"，在冬季利用热泵吸收其热量向建筑物供暖，在夏季热泵将吸收到的热量向其排放、实现对建筑物供冷。虽然目前空气能热泵机组在我国有着相当广泛的应用，但它存在着热泵供热量随着室外气温的降低而减少和结霜问题，而水源热泵克服了以上不足，而且运行可靠性又高，近年来国内应用有逐渐扩大的趋势。

三、地源热泵

地源热泵是以大地为热源对建筑进行空调的技术，冬季通过热泵将大地中的低位热能提高对建筑供暖，同时蓄存冷量，以备夏用；夏季通过热泵将建筑物内的热量转移到地下对建筑进行降温，同时蓄存热量，以备冬用。由于其节能、环保、热稳定等特点，引起了世界各国的重视。欧美等发达国家地源热泵的利用已有几十年的历史，特别是供热方面已积累了大量设计、施工和运行方面的资料和数据。

四、复合热泵 为了弥补单一热源热泵存在的局限性和充分利用低位能量，运用了各种复合热泵。如空气-空气热泵机组、空气-水热泵机组、水-水热泵机组、水-空气热泵机组、太阳-空气源热泵系统、空气回热热泵、太阳-水源热泵系统、热电水三联复合热泵、土壤-水源热泵系统等。

1、太阳-空气热源热泵系统 太阳-空气热源热泵系统是在传统的空气热源热泵系统的基础上，利用太阳能热源而新开发的系统。它可以制冷、供热、供生活热水，是一种利用自然能源、无污染、适用性广、效率高的新型冷热源系统。

2、土壤-水热泵系统 土壤-水热泵（下称土壤热泵）可利用低品位的土壤热能提供热水或向建筑物供暖。美国、德国及瑞典等北欧国家，已有上万台此类热泵装置在运行，土壤热泵技术已趋成熟，并迅速地加以推广使用。目前正在制订土壤热泵用于供暖的技术规范。

3、太阳能-水源热泵空调系统 太阳能水源热泵系统由三部分组成，即太阳能集热系统、水源热泵系统和热水供应系统。其系统是将建筑物的消防水池作为蓄水供应系统。以解决太阳能的间歇性和不稳定性。当环路水温高于35℃时，水源热泵空调系统同消防水池断开，冷却塔投入运行，当环路水温在15~35℃之间时，太阳能作为冷却塔停止运行，生活热水供应的热源收集的太阳能用来加热生活用水；当环路水温低于15℃时，环路与消防水池连通，太阳能水源热泵空调系统吸收太阳能。若仍有多余的太阳能时，可继续加热生活用水。 热泵除上述四类以外，还有喷射式热泵、吸收式热泵、工质变浓度容量调节式热泵及以CO2为工质的热泵系统。