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二氧化碳热泵供热技术及应用山东美琳达再生能源开发有限公司李钢总工程师sdligang@163.com13371503598国内首创绿色低碳供热技术第五届国际制冷空调节能环保技术论坛—北京2二氧化碳热泵特点与绿色经济二氧化碳热泵关键技术与创新二氧化碳热泵供热工程应用前景与展望3214二氧化碳热泵供热技术及应用第五届国际制冷空调节能环保技术论坛—北京3二氧化碳热泵特点与绿色经济•随着经济的发展和人们生活水平的提高，无论在工业生产或日常需求上，对供热的需求越来越多，供热系统消耗的能耗也越来越大。•供热量需求占总耗能的53%挪威奥斯陆市60m2建筑能耗分析第五届国际制冷空调节能环保技术论坛—北京4二氧化碳热泵特点与绿色经济什么是二氧化碳热泵？二氧化碳热泵是以二氧化碳气体作为制冷工质的热泵。为什么选择二氧化碳气体作为工质？CO2不破坏大气臭氧层，ODP=0；CO2的全球气候变暖指数很小，GWP=1；CO2是天然工质，价格低廉，且无回收问题；良好的安全性、化学稳定性；在低温的条件下，也可以拥有很高的效率；可以很轻松的获得90℃的高温热水。第五届国际制冷空调节能环保技术论坛—北京5二氧化碳热泵特点与绿色经济制冷剂类型ODPGWPR22HCFC0.0551700R134aHFC01300R410aHFC01700R744（co2）自然工质01CO2与其他制冷剂的比较从上表可以看出，二氧化碳作为制冷工质有着优良的环保特性。前国际制冷学会主席G.Lorentzen教授认为CO2是无可取代的制冷工质。第五届国际制冷空调节能环保技术论坛—北京6二氧化碳热泵特点与绿色经济61341＋Electricity3HeatfromtheAir＝4HWSupplyEnergy二氧化碳热泵循环示意图第五届国际制冷空调节能环保技术论坛—北京7二氧化碳热泵特点与绿色经济•跨临界循环由于CO2气体的独特特性，临界温度为31.1℃，临界压力为7.37MPa，热泵供热循环采用跨临界循环。高压可以达到120bar，低压也在20bar以上。•压力大、压比小虽然高压和低压都较常规热泵高，但压缩比小于常规热泵。第五届国际制冷空调节能环保技术论坛—北京8二氧化碳热泵特点与绿色经济CO2的放热过程温差较大，非常适合于热水的加热。气体冷却器放热过程第五届国际制冷空调节能环保技术论坛—北京9二氧化碳热泵特点与绿色经济名称热泵热水器燃气热水器电热水器太阳能热水器能源种类电源天然气电源电+热单价0.8元/度3.2元/m30.8元/度0.8元/度(辅助)热效率410%85%95%300%热水费用/吨7.94元34.69元34.27元11.27元安全性安全危险较危险安全环保性无污染轻污染无污染无污染初投资较高低低高产品寿命12-15年8年8年8年实用性供水量大水温恒定区域性用水间断性供水受天气影响注：太阳能热水器以每年阴雨天数120天计算，需辅助电加热。第五届国际制冷空调节能环保技术论坛—北京10二氧化碳热泵特点与绿色经济二氧化碳热泵可以制取高温热水用于热水的供应和建筑物的供热，替代现有的燃煤、燃气、燃油或电锅炉等传统的供热方式，减少矿物能源的消耗，降低温室气体、粉尘和废热排放。与常规热泵相比，除了工质更环保以外，二氧化碳热泵可以制取高温热水扩大了热泵的应用领域，并且可以在较低的环境温度下正常使用，扩展了热泵的应用范围，尤其对北方地区的建筑供热具有重大意义。日本是世界上二氧化碳热泵发展最快和应用最多的国家，据日本热泵蓄热中心(HPTCJ)的2007年研究报告表明,在日本采用热泵技术可以削减10%的二氧化碳排放量，其中的2%是用二氧化碳热泵热水器更换现有热水器的贡献。第五届国际制冷空调节能环保技术论坛—北京11二氧化碳热泵特点与绿色经济二氧化碳热泵关键技术与创新二氧化碳热泵供热工程应用前景与展望3214二氧化碳热泵供热技术及应用第五届国际制冷空调节能环保技术论坛—北京12二氧化碳热泵关键技术与创新二氧化碳热泵技术为一系统技术，包含了压缩机、换热器、控制阀件、控制系统、生产设备、测试设备、系统组装等。其核心为压缩机、换热器和控制系统。第五届国际制冷空调节能环保技术论坛—北京13二氧化碳热泵关键技术与创新热水出冷水进二氧化碳热泵系统示意图第五届国际制冷空调节能环保技术论坛—北京14二氧化碳热泵关键技术与创新二氧化碳热泵研发过程中需要解决的关键技术有：•二氧化碳热泵关键部件设计（包括气体冷却器、回热器、蒸发器、储液器）。•二氧化碳热泵系统集成设计。•基于能效比最优化的系统控制技术。•二氧化碳热泵系统油温控制技术。•二氧化碳热泵化霜技术。•出水温度精确控制技术。•二氧化碳热泵系统应用整体解决方案。第五届国际制冷空调节能环保技术论坛—北京15二氧化碳热泵关键技术与创新•技术点一、二氧化碳热泵关键部件设计关键部件除压缩机和电子膨胀阀需要进口外，气体冷却器、回热器、蒸发器、储液器关键部件均为我公司自行开发设计。气体冷却器是二氧化碳气体与水换热唯一部件，相当于常规热泵的冷凝器，正常运行中的二氧化碳侧的高压可以达到120bar。国外的设计方案有套管式、双层套管式、微通道换热器、板式换热器。微通道换热器缠绕式换热器第五届国际制冷空调节能环保技术论坛—北京16二氧化碳热泵关键技术与创新•技术点一、二氧化碳热泵关键部件设计考虑到热泵系统运行时的高压和国内水质的状况，为保证效率和设备的可靠性，我司采用单层套管式形式，管内为水管，外管为气管，材质选用无缝不锈钢管以满足强度要求。单层套管换热器第五届国际制冷空调节能环保技术论坛—北京17二氧化碳热泵关键技术与创新•技术点一、二氧化碳热泵关键部件设计回热器也被称为内部换热器，其功能是实现压缩机吸气与气冷出来的高压气体之间的换热，以提高热泵的效率。可以选择的形式有钎焊板式换热器、并联管式换热器、板翅式换热器等，我司设计为独特的多通道壳管式换热器，高压侧多通道、低压侧单通道。并联管式换热器板式换热器第五届国际制冷空调节能环保技术论坛—北京18二氧化碳热泵关键技术与创新•技术点一、二氧化碳热泵关键部件设计蒸发器是从空气中吸热的部件，在设计形式上选择管翅形式，翅片间距加大，片型设计为不开窗波纹片，铜管耐压需要达到80bar。储液器是对系统运行中多余的二氧化碳进行存储的容器，便于控制系统对压力进行调节，此外还要增设回油孔，便于系统回油。储液器使用压力要能能承受80bar。蒸发器储液器第五届国际制冷空调节能环保技术论坛—北京19二氧化碳热泵关键技术与创新•技术点二、二氧化碳热泵系统集成设计技术二氧化碳热泵各部件之间的连接和装配，解决了以下问题：1、冷媒在高压运行时防止泄漏的连接工艺和材料；2、二氧化碳在超临界状况下的对密封材料的影响分析；3、润滑油在各部件之间的滞留和回油分析；4、管路的设计和布置要尽可能减小震动，避免震动带来的影响；5、系统的过压过载等保护功能设计；6、冷媒充注量和润滑油充注量的确定。第五届国际制冷空调节能环保技术论坛—北京20二氧化碳热泵关键技术与创新技术点三、基于能效比最优的系统高压控制技术。在CO2跨临界热泵循环系统中，超临界压力区内并无两相区域存在，温度和压力间彼此独立，为相互独立的变数，则高压侧压力对制冷剂焓值也有影响，高压侧压力变化对制热量、压缩机功耗和COP值也会产生影响。经试验研究分析可得，CO2跨临界循环的高压侧存在着一个最优的运行控制压力，在该压力下，循环的性能系数COP可达到最大。我公司建立了高压压力控制模型，结合气体冷却器出口温度、蒸发压力、环境温度等参数的综合分析，控制最优的高压压力目标值，使热泵的效率达到最优状态。第五届国际制冷空调节能环保技术论坛—北京21二氧化碳热泵关键技术与创新技术点四、二氧化碳热泵系统油温控制技术油温是二氧化碳热泵系统正常运行需要控制的一个重要指标，油温需要控制在35℃-60℃之间，以保证压缩机处于良好的润滑状态。用空气冷却时，要注意气温变化对油温冷却的影响。我公司通过多次试验和测试，成功的掌握了油温的控制技术。技术点五、二氧化碳热泵化霜技术二氧化碳热泵目前没有专用的四通阀可以进行换向化霜，即使有四通阀，由于水流温升大，流量小，也不可能从水里吸热化霜。我司针对化霜的技术难点，先后采取了多种综合措施，成功的解决了化霜问题。第五届国际制冷空调节能环保技术论坛—北京22二氧化碳热泵关键技术与创新技术点六、出水温度精确控制技术为达到需要的热水出水温度并保持稳定，需要对水流量进行精确的控制，在环境温度、进水温度不断改变的条件下，我司对出水温度控制采用水泵变频调节技术结合高压侧最优调节技术综合实现，使水温能精确地稳定在设定温度上。第五届国际制冷空调节能环保技术论坛—北京23二氧化碳热泵关键技术与创新技术点七、二氧化碳热泵系统应用整体解决方案二氧化碳热泵在热水供热系统和采暖供热系统上或者热水采暖联合供热系统上均与常规热泵方式有所不同，主要区别在于通过综合热水应用技术，保证二氧化碳热泵的进水温度尽可能的低，以确保二氧化碳气体在气体冷却器的出口温度较低，从而保证热泵的较高效率。供热系统解决方案，分为生活热水供热系统解决方案，饮用热水供热系统解决方案，采暖供热系统解决方案。第五届国际制冷空调节能环保技术论坛—北京24二氧化碳热泵关键技术与创新生活热水供热系统解决方案示意图第五届国际制冷空调节能环保技术论坛—北京25二氧化碳热泵关键技术与创新饮用热水供热系统解决方案示意图第五届国际制冷空调节能环保技术论坛—北京26二氧化碳热泵关键技术与创新采暖供热系统解决方案示意图第五届国际制冷空调节能环保技术论坛—北京27二氧化碳热泵关键技术与创新额定制热量kW62供水温度℃15出水温度℃65热水流量L/h1000最高出水温度℃90给水温度范围℃3-35压缩机额定功率kW18额定运转电流A34.8使用环境温度℃-25～40噪声dB（A）70冷媒类型co2充注量g14000电源380V～50Hz设备重量kg880设备尺寸mm2670×1400×2150二氧化碳热泵第五届国际制冷空调节能环保技术论坛—北京28二氧化碳热泵特点与绿色经济二氧化碳热泵关键技术与创新二氧化碳热泵供热工程应用前景与展望3214二氧化碳热泵供热技术及应用第五届国际制冷空调节能环保技术论坛—北京29二氧化碳热泵供热工程应用沈阳市儿童医院洗浴热水项目：每天制取生活热水60吨，采用太阳能与二氧化碳空气源热泵相结合，太阳能集热器面积200平方米，二氧化碳空气源热泵热水机2台。已经运行1年。沈阳市儿童医院热水项目热水供热项目第五届国际制冷空调节能环保技术论坛—北京30二氧化碳热泵供热工程应用武汉大学学生饮用开水项目：选用CO2空气源热泵1台，与电锅炉配合使用，为学生提供饮用热水。项目已经运行1年。武汉大学饮用开水项目热水供热项目第五届国际制冷空调节能环保技术论坛—北京31二氧化碳热泵供热工程应用太原市建龙洗浴中心热水供热项目：该项目为洗浴中心用热水项目，每天热水需求量70吨，原使用燃煤锅炉供热水，后因政府拆除锅炉，选用3台二氧化碳热泵制取热水。热水出水温度50℃。该项目已经使用3年，运行良好。据用户测算，每年可以节省供热费用12万元，节省燃煤330吨。热水供热项目第五届国际制冷空调节能环保技术论坛—北京32二氧化碳热泵供热工程应用采暖供热项目该项目为青藏铁路的一个新建维修工区的采暖，建筑面积3000平方米，选用3台二氧化碳热泵。该地区海拔高度4800米，最低气温-30℃，是国内安装海拔最高的、使用环境温度最低的热泵项目。青海省青藏铁路布玛德工区第五届国际制冷空调节能环保技术论坛—北京33二氧化碳热泵供热工程应用烟台古现镇政府采暖该公共机构建筑面积2400平方米，原使用煤锅炉采暖,因节能减排需要，改用2台CO2热泵机组，室内采用暖气片散热，已经运行1个冬季，采暖效果良好。采暖供热项目第五届国际制冷空调节能环保技术论坛—北京34二氧化碳热泵供热工程应用甘肃白银市铁路供电工区采暖该工区采暖面积1000平方米，建于30年前，原使用200kW煤锅炉采暖，暖气片散热，配置2个司炉工，能耗和费用均