二氧化碳熱泵供熱技術(shù)及其應用

二氧化碳熱泵供熱技術(shù)及其應用第一頁，共三十五頁，2022年，8月28日二氧化碳熱泵特點與綠色經(jīng)濟二氧化碳熱泵關鍵技術(shù)與創(chuàng)新二氧化碳熱泵供熱工程應用前景與展望3214二氧化碳熱泵供熱技術(shù)及應用2第二頁，共三十五頁，2022年，8月28日二氧化碳熱泵特點與綠色經(jīng)濟隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，無論在工業(yè)生產(chǎn)或日常需求上，對供熱的需求越來越多，供熱系統(tǒng)消耗的能耗也越來越大。供熱量需求占總耗能的53%挪威奧斯陸市60m2建筑能耗分析3第三頁，共三十五頁，2022年，8月28日二氧化碳熱泵特點與綠色經(jīng)濟什么是二氧化碳熱泵？二氧化碳熱泵是以二氧化碳氣體作為制冷工質(zhì)的熱泵。為什么選擇二氧化碳氣體作為工質(zhì)？

CO2不破壞大氣臭氧層，ODP=0；

CO2的全球氣候變暖指數(shù)很小，GWP=1；

CO2是天然工質(zhì)，價格低廉，且無回收問題；良好的安全性、化學穩(wěn)定性；在低溫的條件下，也可以擁有很高的效率；可以很輕松的獲得90℃的高溫熱水。4第四頁，共三十五頁，2022年，8月28日二氧化碳熱泵特點與綠色經(jīng)濟制冷劑類型ODPGWPR22HCFC0.0551700R134aHFC01300R410aHFC01700R744（co2）自然工質(zhì)01CO2與其他制冷劑的比較從上表可以看出，二氧化碳作為制冷工質(zhì)有著優(yōu)良的環(huán)保特性。前國際制冷學會主席G.Lorentzen教授認為CO2是無可取代的制冷工質(zhì)。5第五頁，共三十五頁，2022年，8月28日二氧化碳熱泵特點與綠色經(jīng)濟61341＋Electricity3HeatfromtheAir＝4HWSupplyEnergy二氧化碳熱泵循環(huán)示意圖6第六頁，共三十五頁，2022年，8月28日二氧化碳熱泵特點與綠色經(jīng)濟跨臨界循環(huán)

由于CO2氣體的獨特特性，臨界溫度為31.1℃，臨界壓力為7.37MPa，熱泵供熱循環(huán)采用跨臨界循環(huán)。高壓可以達到120bar，低壓也在20bar以上。

壓力大、壓比小

雖然高壓和低壓都較常規(guī)熱泵高，但壓縮比小于常規(guī)熱泵。7第七頁，共三十五頁，2022年，8月28日二氧化碳熱泵特點與綠色經(jīng)濟CO2的放熱過程溫差較大，非常適合于熱水的加熱。氣體冷卻器放熱過程8第八頁，共三十五頁，2022年，8月28日二氧化碳熱泵特點與綠色經(jīng)濟名稱熱泵熱水器燃氣熱水器電熱水器太陽能熱水器能源種類電源天然氣電源電+熱單價0.8元/度3.2元/m30.8元/度0.8元/度(輔助)熱效率410%85%95%300%熱水費用/噸7.94元34.69元34.27元11.27元安全性安全危險較危險安全環(huán)保性無污染輕污染無污染無污染初投資較高低低高產(chǎn)品壽命12-15年8年8年8年實用性供水量大水溫恒定區(qū)域性用水間斷性供水受天氣影響注：太陽能熱水器以每年陰雨天數(shù)120天計算，需輔助電加熱。9第九頁，共三十五頁，2022年，8月28日二氧化碳熱泵特點與綠色經(jīng)濟

二氧化碳熱泵可以制取高溫熱水用于熱水的供應和建筑物的供熱，替代現(xiàn)有的燃煤、燃氣、燃油或電鍋爐等傳統(tǒng)的供熱方式，減少礦物能源的消耗，降低溫室氣體、粉塵和廢熱排放。

與常規(guī)熱泵相比，除了工質(zhì)更環(huán)保以外，二氧化碳熱泵可以制取高溫熱水擴大了熱泵的應用領域，并且可以在較低的環(huán)境溫度下正常使用，擴展了熱泵的應用范圍，尤其對北方地區(qū)的建筑供熱具有重大意義。

日本是世界上二氧化碳熱泵發(fā)展最快和應用最多的國家，據(jù)日本熱泵蓄熱中心(HPTCJ)的2007年研究報告表明,在日本采用熱泵技術(shù)可以削減10%的二氧化碳排放量，其中的2%是用二氧化碳熱泵熱水器更換現(xiàn)有熱水器的貢獻。10第十頁，共三十五頁，2022年，8月28日二氧化碳熱泵特點與綠色經(jīng)濟二氧化碳熱泵關鍵技術(shù)與創(chuàng)新二氧化碳熱泵供熱工程應用前景與展望3214二氧化碳熱泵供熱技術(shù)及應用11第十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日二氧化碳熱泵關鍵技術(shù)與創(chuàng)新

二氧化碳熱泵技術(shù)為一系統(tǒng)技術(shù)，包含了壓縮機、換熱器、控制閥件、控制系統(tǒng)、生產(chǎn)設備、測試設備、系統(tǒng)組裝等。其核心為壓縮機、換熱器和控制系統(tǒng)。12第十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日二氧化碳熱泵關鍵技術(shù)與創(chuàng)新熱水出冷水進二氧化碳熱泵系統(tǒng)示意圖13第十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日二氧化碳熱泵關鍵技術(shù)與創(chuàng)新二氧化碳熱泵研發(fā)過程中需要解決的關鍵技術(shù)有：二氧化碳熱泵關鍵部件設計（包括氣體冷卻器、回熱器、蒸發(fā)器、儲液器）。二氧化碳熱泵系統(tǒng)集成設計?；谀苄П茸顑?yōu)化的系統(tǒng)控制技術(shù)。二氧化碳熱泵系統(tǒng)油溫控制技術(shù)。二氧化碳熱泵化霜技術(shù)。出水溫度精確控制技術(shù)。二氧化碳熱泵系統(tǒng)應用整體解決方案。14第十四頁，共三十五頁，2022年，8月28日二氧化碳熱泵關鍵技術(shù)與創(chuàng)新技術(shù)點一、二氧化碳熱泵關鍵部件設計關鍵部件除壓縮機和電子膨脹閥需要進口外，氣體冷卻器、回熱器、蒸發(fā)器、儲液器關鍵部件均為我公司自行開發(fā)設計。氣體冷卻器是二氧化碳氣體與水換熱唯一部件，相當于常規(guī)熱泵的冷凝器，正常運行中的二氧化碳側(cè)的高壓可以達到120bar。國外的設計方案有套管式、雙層套管式、微通道換熱器、板式換熱器。微通道換熱器纏繞式換熱器15第十五頁，共三十五頁，2022年，8月28日二氧化碳熱泵關鍵技術(shù)與創(chuàng)新技術(shù)點一、二氧化碳熱泵關鍵部件設計考慮到熱泵系統(tǒng)運行時的高壓和國內(nèi)水質(zhì)的狀況，為保證效率和設備的可靠性，我司采用單層套管式形式，管內(nèi)為水管，外管為氣管，材質(zhì)選用無縫不銹鋼管以滿足強度要求。單層套管換熱器16第十六頁，共三十五頁，2022年，8月28日二氧化碳熱泵關鍵技術(shù)與創(chuàng)新技術(shù)點一、二氧化碳熱泵關鍵部件設計回熱器也被稱為內(nèi)部換熱器，其功能是實現(xiàn)壓縮機吸氣與氣冷出來的高壓氣體之間的換熱，以提高熱泵的效率?？梢赃x擇的形式有釬焊板式換熱器、并聯(lián)管式換熱器、板翅式換熱器等，我司設計為獨特的多通道殼管式換熱器，高壓側(cè)多通道、低壓側(cè)單通道。并聯(lián)管式換熱器板式換熱器17第十七頁，共三十五頁，2022年，8月28日二氧化碳熱泵關鍵技術(shù)與創(chuàng)新技術(shù)點一、二氧化碳熱泵關鍵部件設計蒸發(fā)器是從空氣中吸熱的部件，在設計形式上選擇管翅形式，翅片間距加大，片型設計為不開窗波紋片，銅管耐壓需要達到80bar。儲液器是對系統(tǒng)運行中多余的二氧化碳進行存儲的容器，便于控制系統(tǒng)對壓力進行調(diào)節(jié)，此外還要增設回油孔，便于系統(tǒng)回油。儲液器使用壓力要能能承受80bar。蒸發(fā)器儲液器18第十八頁，共三十五頁，2022年，8月28日二氧化碳熱泵關鍵技術(shù)與創(chuàng)新技術(shù)點二、二氧化碳熱泵系統(tǒng)集成設計技術(shù)

二氧化碳熱泵各部件之間的連接和裝配，解決了以下問題：1、冷媒在高壓運行時防止泄漏的連接工藝和材料；2、二氧化碳在超臨界狀況下的對密封材料的影響分析；3、潤滑油在各部件之間的滯留和回油分析；4、管路的設計和布置要盡可能減小震動，避免震動帶來的影響；5、系統(tǒng)的過壓過載等保護功能設計；6、冷媒充注量和潤滑油充注量的確定。19第十九頁，共三十五頁，2022年，8月28日二氧化碳熱泵關鍵技術(shù)與創(chuàng)新技術(shù)點三、基于能效比最優(yōu)的系統(tǒng)高壓控制技術(shù)。在CO2跨臨界熱泵循環(huán)系統(tǒng)中，超臨界壓力區(qū)內(nèi)并無兩相區(qū)域存在，溫度和壓力間彼此獨立，為相互獨立的變數(shù)，則高壓側(cè)壓力對制冷劑焓值也有影響，高壓側(cè)壓力變化對制熱量、壓縮機功耗和COP值也會產(chǎn)生影響。經(jīng)試驗研究分析可得，CO2跨臨界循環(huán)的高壓側(cè)存在著一個最優(yōu)的運行控制壓力，在該壓力下，循環(huán)的性能系數(shù)COP可達到最大。我公司建立了高壓壓力控制模型，結(jié)合氣體冷卻器出口溫度、蒸發(fā)壓力、環(huán)境溫度等參數(shù)的綜合分析，控制最優(yōu)的高壓壓力目標值，使熱泵的效率達到最優(yōu)狀態(tài)。20第二十頁，共三十五頁，2022年，8月28日二氧化碳熱泵關鍵技術(shù)與創(chuàng)新技術(shù)點四、二氧化碳熱泵系統(tǒng)油溫控制技術(shù)油溫是二氧化碳熱泵系統(tǒng)正常運行需要控制的一個重要指標，油溫需要控制在35℃-60℃之間，以保證壓縮機處于良好的潤滑狀態(tài)。用空氣冷卻時，要注意氣溫變化對油溫冷卻的影響。我公司通過多次試驗和測試，成功的掌握了油溫的控制技術(shù)。技術(shù)點五、二氧化碳熱泵化霜技術(shù)

二氧化碳熱泵目前沒有專用的四通閥可以進行換向化霜，即使有四通閥，由于水流溫升大，流量小，也不可能從水里吸熱化霜。我司針對化霜的技術(shù)難點，先后采取了多種綜合措施，成功的解決了化霜問題。21第二十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日二氧化碳熱泵關鍵技術(shù)與創(chuàng)新技術(shù)點六、出水溫度精確控制技術(shù)

為達到需要的熱水出水溫度并保持穩(wěn)定，需要對水流量進行精確的控制，在環(huán)境溫度、進水溫度不斷改變的條件下，我司對出水溫度控制采用水泵變頻調(diào)節(jié)技術(shù)結(jié)合高壓側(cè)最優(yōu)調(diào)節(jié)技術(shù)綜合實現(xiàn)，使水溫能精確地穩(wěn)定在設定溫度上。22第二十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日二氧化碳熱泵關鍵技術(shù)與創(chuàng)新技術(shù)點七、二氧化碳熱泵系統(tǒng)應用整體解決方案

二氧化碳熱泵在熱水供熱系統(tǒng)和采暖供熱系統(tǒng)上或者熱水采暖聯(lián)合供熱系統(tǒng)上均與常規(guī)熱泵方式有所不同，主要區(qū)別在于通過綜合熱水應用技術(shù)，保證二氧化碳熱泵的進水溫度盡可能的低，以確保二氧化碳氣體在氣體冷卻器的出口溫度較低，從而保證熱泵的較高效率。供熱系統(tǒng)解決方案，分為生活熱水供熱系統(tǒng)解決方案，飲用熱水供熱系統(tǒng)解決方案，采暖供熱系統(tǒng)解決方案。23第二十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日二氧化碳熱泵關鍵技術(shù)與創(chuàng)新生活熱水供熱系統(tǒng)解決方案示意圖24第二十四頁，共三十五頁，2022年，8月28日二氧化碳熱泵關鍵技術(shù)與創(chuàng)新飲用熱水供熱系統(tǒng)解決方案示意圖25第二十五頁，共三十五頁，2022年，8月28日二氧化碳熱泵關鍵技術(shù)與創(chuàng)新采暖供熱系統(tǒng)解決方案示意圖26第二十六頁，共三十五頁，2022年，8月28日二氧化碳熱泵關鍵技術(shù)與創(chuàng)新額定制熱量kW62供水溫度℃15出水溫度℃65熱水流量L/h1000最高出水溫度℃90給水溫度范圍℃3-35壓縮機額定功率kW18額定運轉(zhuǎn)電流A34.8使用環(huán)境溫度℃-25～40噪聲dB（A）70冷媒類型

co2充注量g14000電源

380V～50Hz設備重量kg880設備尺寸mm2670×1400×2150二氧化碳熱泵27第二十七頁，共三十五頁，2022年，8月28日二氧化碳熱泵特點與綠色經(jīng)濟二氧化碳熱泵關鍵技術(shù)與創(chuàng)新二氧化碳熱泵供熱工程應用前景與展望3214二氧化碳熱泵供熱技術(shù)及應用28第二十八頁，共三十五頁，2022年，8月28日二氧化碳熱泵供熱工程應用沈陽市兒童醫(yī)院洗浴熱水項目：每天制取生活熱水60噸，采用太陽能與二氧化碳空氣源熱泵相結(jié)合，太陽能集熱器面積200平方米，二氧化碳空氣源熱泵熱水機2臺。已經(jīng)運行1年。沈陽市兒童醫(yī)院熱水項目熱水供熱項目29第二十九頁，共三十五頁，2022年，8月28日二氧化碳熱泵供熱工程應用

武漢大學學生飲用開水項目：選用CO2空氣源熱泵1臺，與電鍋爐配合使用，為學生提供飲用熱水。項目已經(jīng)運行1年。武漢大學飲用開水項目熱水供熱項目30第三十頁，共三十五頁，2022年，8月28日二氧化碳熱泵供熱工程應用

太原市建龍洗浴中心熱水供熱項目：該項目為洗浴中心用熱水項目，每天熱水需求量70噸，原使用燃煤鍋爐供熱水，后因政府拆除鍋爐，選用3臺二氧化碳熱泵制取熱水。熱水出水溫度50℃。該項目已經(jīng)使用3年，運行良好。據(jù)用戶測算，每年可以節(jié)省供熱費用12萬元，節(jié)省燃煤330噸。熱水供熱項目31第三十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日二氧化碳熱泵供熱工程應用采暖供熱項目

該項目為青藏鐵路的一個新建維修工區(qū)的采暖，建筑面積3000平方米，選用3臺二氧化碳熱泵。該地區(qū)海拔高度4800米，最低氣溫-30℃，是國內(nèi)安裝海拔最高的、使用環(huán)境溫度最低的熱泵項目。青海省青藏鐵路布瑪?shù)鹿^(qū)32第三十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日二氧化碳熱泵供熱工程應用煙臺古現(xiàn)鎮(zhèn)政府采暖

該公共機構(gòu)建筑面積2400平方米，原使用煤鍋爐采暖,因節(jié)能減排需要，改用2臺CO2熱泵機組，室內(nèi)采用暖氣片散熱，已經(jīng)運行1個冬季，采暖效果良好。采暖供熱項目33第三十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日二氧化碳熱泵供熱工程應用甘肅白銀市鐵路供電工區(qū)采暖該工區(qū)采暖面積1000平方米，建于30年前，原使用200kW煤鍋爐采暖，暖氣片