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工业、商业及民用领域中，热水供应一般是能耗最大的产业之一。研究显示，采用热泵系统进行热水供应可以每年节省相当于MW的基础能源消耗率，节能空间十分广阔。考虑到跨临界CO2循环优异的高温制热性能，该技术在热水或供暖领域已得到充分发展，能够在几乎所有环境条件下稳定制备80℃以上的生活热水及55～75℃的供暖热水。因此，本文我们就来探讨下跨临界CO2热泵热水器技术应用。（本图仅供参考，不对应文中具体产品）1、直热式热泵热水技术由于优异的一次加热式高温出水特性，跨临界CO2循环适宜被用作直热式热泵热水器，该循环以及p-h图如下图所示。由图可知，随着排气压力上升，制热量呈现出先快速上升，后缓慢上升的趋势，而压缩功率的上升几乎保持线性。因此，循环COP也将呈现出先增大后减小的趋势，衍生了最优排气压力的概念。同时，由于循环中高低压差巨大，节流过程中存在显著的不可逆损失，因此一般性能较差，如何在不同应用场合下提升跨临界CO2循环性能？1.1回热器的引入增加吸气过热度虽然能够增加循环制冷/制热焓差，但同时减小了吸气密度和制冷剂流量，因此跨临界CO2循环引入回热器后，性能提升与否仍需结合物性进一步讨论。带与不带回热器的跨临界CO2循环的性能对比如下图所示，发现循环内存在一个临界效应，主要体现在排气压力和气体冷却器出口温度两个参数上。当跨临界CO2循环的排气压力低于某一临界压力值，且气体冷却器出口温度高于某一临界温度值时，循环引入回热器具有正面效果;反之则会使系统性能出现衰减。S．G．Kim等的研究证明了该结论。除了这两个主要参数外，蒸发温度同样应作为一个重要的独立变量。然而，若从火用效率的角度考虑，跨临界CO2循环中引入回热器必然会增大系统内各个位置的不可逆损失，因此整个系统的火用效率必然降低。上述研究中，回热器的引入可使跨临界CO2循环性能提升约10%～15%。然而，考虑到多数制热工况下热流媒介的进口温度较低而循环的排气压力较高，回热器一般不适用于制热工况。1.2双级压缩跨临界CO2循环中实现双级压缩有两种方式:闪发器与经济器，如下图所示。带闪发器的双级压缩跨临界CO2循环较为简单，只需将膨胀过程和压缩过程各自分为两级，两级膨胀装置之间放置闪发器，一级膨胀后产生的气相部分被引入二级压缩机吸气口即可。这样不仅能够大幅增加制热量，还可以有效降低循环的最优排气压力及相应排气温度，为系统安全性提供了保障，适宜在较低环境温度下使用。由双级压缩的固有属性可以推断，除最优排气压力外，双级压缩系统中还必定存在另一个可优化量，即最优中间压力，上述两个可优化量均受到气体冷却器出口温度、蒸发温度、系统部件几何特性等工况参数的影响。除闪发器外，引入经济器的双级压缩跨临界CO2循环同样可以大幅提升性能，不仅在－23.3～7.2℃蒸发温度范围内使COP增加30%以上，且系统内最优排气压力及相应排气温度均有效降低。C．Baek等针对闪发器、经济器、闪发器加回热器等3种双级压缩跨临界CO2循环的实现方式进行了深入的研究，结果表明，虽然上述3种循环实现方式均能有效提升循环整体性能，但经济器方式的提升效果最好、工况适应性最强，是最为值得推广的性能提升方式。2、循环式热泵热水技术户用型跨临界CO2热泵热水器在日本等国家发展迅速。类似的，国内市场冬季供暖领域对于热水的需求量十分巨大，温度需求一般在55～75℃，分别对应地暖工况和散热片工况，为跨临界CO2循环的使用和推广提供了很大空间。典型的跨临界CO2供暖系统如下图所示。供暖应用条件下热泵系统的进水温度可达40～50℃，而跨临界CO2循环的性能严重受制于气体冷却器出口温度，若该温度过高，循环高压放热过程的焓差将会急剧下降，因此供暖工况对跨临界CO2循环的性能提出了挑战。为了使该技术能够更好地适用于供暖等循环加热式热泵热水器领域，众多学者纷纷提出了不同的性能提升方法。2.1平行压缩解决方案类似于直接加热式的热泵热水器中的双级压缩系统，循环加热式跨临界CO2热泵中首先引入了平行压缩的概念。两种平行压缩解决方案如下图所示，气体冷却器出口温度(即可反映循环进水温度)被固定在30～60℃范围内。研究显示，两种循环的理论性能十分接近，而上图(a)中所示的闪发器平行压缩循环在某些条件下具有十分微小的性能优势。此外，除了性能稍有提升，系统的最优排气压力及相应排气温度也有显著的下降趋势。研究指出，虽然平行压缩跨临界CO2循环的制热性能有了进一步的提升，但系统内除了最优排气压力外，还多了另一个可优化量，即最优中间压力，或最优压缩机理论容积比。实际运行中的平行压缩循环往往不具备理论计算的性能提升强度，因为现实中闪发器的气液分离存在一定效率。因此，理论模型的完善程度也是制约平行压缩循环推广的难题。虽然平行压缩可以有效提升跨临界CO2循环在循环加热工况下的性能，但为了克服高回水温度对气体冷却器出口温度的影响，循环的排气压力仍普遍高于12MPa，其安全性、稳定性仍存在一定隐患。因此，其他更好的性能提升方案仍需进一步开发。2.2外部过冷解决方案针对高回水温度的特点，J．Sarkar提出了一种外部过冷的循环方法，如下图(a)所示。通过在气体冷却器出口处附加一个热电制冷模块，消耗部分电能将气体冷却器出口较高温度的CO2直接强制冷却至较低温度，再进行下一步流程。同时热电模块的热能产出被转移至热水中，有效提升跨临界CO2循环性能的同时也充分利用了所有的能量。研究显示，带热电模块的跨临界CO2循环制热能效比可提升25.6%，最优排气压力可下降约15.4%。天津商业大学刘圣春及代宝民团队提出一种热电过冷器与膨胀机耦合的跨临界CO2循环形式，并从能量转化效率及火用效率两方面对系统进行了深入分析，结果显示，不仅热电过冷能够显著提升循环效率，且膨胀机应该使用在中压位置回收跨临界CO2循环中的两相段膨胀功。由于热电模块本身的属性制约，学者们更倾向于采用压缩式制冷循环为跨临界CO2循环提供过冷，或对循环水进水提供预冷，典型的系统结构如上图(b)所示。该系统中，附加制冷系统的制冷量用来实现CO2的过冷，其制热量也被使用于热水加热。研究指出，在供暖工况下，过冷系统的制热COP总是高于基本循环，并且系统进水温度越高，过冷技术对性能的提升比例越大。近年来，国内学者将过冷技术引入供暖应用领域，并进行了一系列理论和实验研究，辅助循环为Ｒa制冷循环。在其预冷作用下，循环水进水温度可从50℃冷却至30℃再进入跨临界CO2气体冷却器。辅助制冷循环的引入，不仅会改变跨临界CO2循环的最优排气压力值，而且会引入一个新的可优化量，即最优中间温度(被预冷的循环水进入气体冷却器前的温度)，而上述两个可优化量会跟随环境温度、进水温度与循环水供水温度等工况参数的改变而发生显著变化。推荐阅读：制冷人，这6种制冷方式你知道吗？风机的静压、动压、全压、余压这，就是气液分离器！专业：板式热交换器强度计算变频多联机部件结构应如何设计？冰箱斜排管翅式全接触蒸发器，你知道多少？RA在水平双侧强化管外的冷凝换热特性制冷系统经济器是个什么鬼？有什么用？空调换热器内螺纹铜管的齿形参数如何设计？中央空调风管设计指导PPT，太专业了！这，就是地铁蒸发式冷凝冷媒直膨空调！干货：7大蒸发冷却冷凝技术热泵应该使用什么低GWP制冷剂？电动汽车热泵空调该用什么冷媒？这，就是离心式压缩机！版权声明：本文作者宋昱龙等，由HETA小编编辑整理，文章有较大删减修改，版权归属原作者，文章观点不代表本

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