二氧化碳热泵工作原理是什么？优势介绍

二氧化碳热泵的工作原理

二氧化碳热泵主要是采用二氧化碳新冷媒作为制冷剂来工作。

其通过冷媒或制冷剂吸收空气的二氧化碳，同时释放到水中，压缩机将回流的冷媒进行压缩，再变成高温高压气体排出，高温高压的冷媒气体热量经铜管传导到水箱内，在压力的持续作用下变成液态，经膨胀阀后进入蒸发器，由于蒸发器的压力骤然降低，因此液态的冷媒在此迅速蒸发变成气态，并吸收大量的热量。同时在风扇作用下，大量空气流过蒸发器外表面，空气中能量被蒸发器吸收，温度迅速降低，变成冷气被排除，随后吸收了一定能量的冷媒回流到压缩机，进入下一个循环。

二氧化碳热泵的发展历程

1824年，法国工程师尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺提出卡诺循环理论。卡诺循环包括四个步骤:等温吸热，绝热膨胀，等温放热，绝热压缩。随后1850年英国科学家开尔文在该理论基础上提出冷冻装置可以用于加热。该热力学理论奠定了热泵发展的理论基础。

1866年，美国Thaddeus S.C.引入二氧化碳作为制冷剂。

1880年，Franz Windhausen设计了一个二氧化碳制冷设备，并于1886年建造了一个可运行的二氧化碳制冷压缩机。1889 年，一种非常成功的用于工业应用的两级二氧化碳机器被研发。

1924年，空气源热泵技术发明面世。1927年英国苏格兰安装了第一台空气源热泵并 试验其运行情况。该台热泵以空气为热源作热水供应和采暖使用。

1992年，挪威科学家洛伦岑首先提出了共跨临界循环理论，极大地推动了二氧化碳在热泵领域地研究和发展。

1995年，日本CRIEPI、东京电力公司和DENSO公司合作研究二氧化碳热泵系统，建立热泵热水器样机实验台。通过计算分析，发现二氧化碳热泵热水器供应热水时性能高于传统热泵。

2002年：空气能热水器于2002年前后进入广东。由于它的超级节能和全天候的特点，在60"C以下的热水市场中,迅速普及到酒店、校园、厂、体育馆等企事业单位设施中。

2008年：日本家用二氧化碳热泵热水器在本土市场积累出售约180万套。

2011年：南威斯特法利亚大学的应用科学系安装了一个高温二氧化碳热泵系统。热泵利用通风设施和冷藏设施中的废热，并且为大学的食堂提供热水。

2013年：大众宣布旗下全部车型将都使用二氧化碳作为制冷剂。

2021年：大众汽车ID车型搭载二氧化碳热泵空调已批量生产。

二氧化碳热泵的发展历程

二氧化碳热泵优势

(1)CO₂单位容积制冷量是其他制冷剂的数倍，其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。

(2)CO₂冷媒 对臭氧层的破坏几乎无破坏作用，GWP(全球变暖潜能值)也低。

(3)高热效率的CO₂冷媒配合夜间离峰电费将大大降低操作成本。

(4)良好的性和化学稳定性，CO₂安全无毒，不可燃，适应各种润滑油及常用机械零部件材料，即便在高温下也不分解产生有害气体。

(5)具有与制冷循环和设备相适应的热力学性质，CO₂的蒸发潜热较大。

(6)与常规制冷剂相比，CO₂跨临界循环的压缩比较小，约为2.5~3.0， 可以提高压缩机的运行效率，从而提高系统的性能系数。

(7)采用CO₂排气温度较高，可以得到更高温度的热水，55~90摄氏度范围内可调; CO₂热泵可在-20摄氏度环境下工作，即使在严寒环境也可供应90摄氏度热水。

(8)CO₂在地球上是取之不尽、用之不竭的自然物质，作为一种天然冷媒工质，凭借其环保、无毒以及优良的跨临界循环等特点，被看作是氟氯碳化物冷媒的最佳替代物。

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参考资料

《新能源汽车行业热管理专题：二氧化碳热泵从1到N-220217(25页).pdf》

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