CO2熱泵壓縮機應用現狀與前景.pdf

1、1/36 2023年中國制冷展 2023 CO2熱泵壓縮機應用現狀與前景 許平飛許平飛 2023.4.7 2/36 2023年中國制冷展 2 一、背景 二、CO2跨臨界熱泵循環 三、應用現狀與前景 四、CO2跨臨界活塞壓縮機 五、總結 目錄 CONTENTS 3/36 2023年中國制冷展 3 01 PART ONE 背景 Background 4/36 2023年中國制冷展 背景 1850年 CO2制冷技術起步 快速發展 重新成為熱點 1890年 1930年 1993年 Twing提出CO2作為蒸氣壓縮式制冷劑 1850年 Lowe第一次實現CO2在商業制冷機應用，證實CO2制冷劑的可能性

2、1869年 人工合成制冷劑開發，CO2制冷劑逐漸淘汰 1931年 最后一臺船用CO2制冷機停止工作 1950年 前國際制冷學會主席G.Lorentzen 提出二氧化碳跨臨界循環理論，指出其在熱泵領域的重要作用 1993年 二氧化碳在冷熱領域重新得到重視，二氧化碳跨臨界熱泵技術不斷發展 21世紀 Linde開發了CO2為工質的制冷機 1882年 Harrison設計出了CO2制冷裝置 1884年 Windhausen設計出了CO2壓縮機，1890年投產，從此CO2制冷劑快速發展 1886年 至今 逐漸淡出 5/36 2023年中國制冷展 背景 零ODP、低GWP的環境友好型制冷劑 無毒、不可燃，

3、具有良好的安全性、化學穩定性 來源豐富，無須回收，經濟性好 普通潤滑油相溶 應用有較長的歷史，技術成熟 制冷劑 R744 R717 R290 R22 R32 R134a 環境可接受性 可燃性 毒性 幾種常用熱泵制冷劑 6/36 2023年中國制冷展 背景 CO2工質特點 制冷劑 R744 R717 R290 R22 R134A 臨界壓力/Mpa 7.372 11.52 4.25 4.974 4.055 臨界溫度/oC 31.1 132.4 96.7 96 101.7 絕熱指數 1.30 1.30 1.16 1.20 1.12-15 C容積制冷量/(kJ/m3)7940 2157 1860 21

4、00 1228-15 C飽和液體運動粘度/(cSt)0.1346 0.3024 0.2780 0.2025 0.225 運行壓力高 系統壓降影響小 密度大，系統管路，壓縮機尺寸更小 絕熱指數大 排溫高，熱泵應用中提供更高的溫度 熱物性好 容積制冷量大 傳熱性能好 運動粘度低 7/36 2023年中國制冷展 背景 環境熱源 電能 1 kWh 4 kWh 熱量熱量 電供熱 電能 1 kWh 1 kWh 熱量熱量 天然氣 1 kWh 1 kWh 熱量熱量 燃氣（燃煤)供熱 熱泵供熱 節能 低碳 環保 資源有限 污染環境 碳排放高 不節能 高品位能源損失 燃氣鍋爐改用熱泵的家庭的能源賬單節省 供熱方式

5、對比 數據源自國際能源署 8/36 2023年中國制冷展 背景 蒸氣噴射式熱泵 所需工作蒸氣的壓力高 流動損失大，效率低 氣體壓縮式熱泵、熱電式熱泵、化學熱泵、效率較高，適用范圍廣 發展歷史悠久，技術成熟 市場主流熱泵技術 蒸氣壓縮式熱泵 熱泵類型 吸收式熱泵 性能系數較壓縮式低 鋼材和冷卻水的消耗量大 9/36 2023年中國制冷展 背景 亞臨界亞臨界 跨臨界跨臨界 二氧化碳 P-T圖 CO2跨臨界熱泵系統 綠色 低碳 安全 高效 節能 環保 10/36 2023年中國制冷展 02 PART TWO CO2跨臨界熱泵循環 Carbon Dioxide Transcritical Cycle

6、for Heat Pump 11/36 2023年中國制冷展 CO2跨臨界熱泵循環 放熱過程CO2工質和熱匯溫度分布曲線更加接近,溫差不可逆損失減小,提高循環系統的COP 熱水的出口溫度達到常規工質難以實現的90 高溫 壓比小，壓縮機的絕熱效率提高,循環的COP提高 12/36 2023年中國制冷展 CO2跨臨界熱泵循環 a 等熵效率提高，COP上升 蒸發溫度提高，COP上升 COP受熱水進水溫度影響較大，進水溫度降低，COP明顯上升 b 13/36 2023年中國制冷展 CO2跨臨界熱泵循環 減低節流閥前氣體溫度，降低節流損失 提高壓縮機進口過熱度，防止壓縮機帶液運行，保護設備 提高系統CO

7、P 不帶回熱：帶回熱：帶回熱器循環 14/36 2023年中國制冷展 CO2跨臨界熱泵循環 噴射器和回熱器降低節流損失 噴射器提高壓縮機進氣壓力減小壓縮功耗 提高壓縮機吸氣密度，提高循環質量流量，提高制熱量 提高了蒸發器的單位制冷量 蒸發器的質量流量和壓縮機的質量流量不同 帶噴射器循環 制熱量：制冷量：壓縮功：噴射效率：15/36 2023年中國制冷展 CO2跨臨界熱泵循環 中間補氣雙級壓縮循環 各級壓縮機的進出口壓差較小，提高容積效率，等熵效率 減小部件的應力變形，提高設備壽命 降低高壓級進氣溫度，單位質量功耗減小，COP提高 增加氣冷器CO2質量流量，增加制熱量 16/36 2023年中國

8、制冷展 03 PART THREE 應用現狀與前景 Application Status and Prospect 17/36 2023年中國制冷展 應用現狀與前景 CO2熱泵應用現狀 家用型 25 kW 以空氣源為主 主要應用于家用熱泵熱水器 發達國家已得到廣泛的應用 25130 kW 地源、水源或空氣源 適用于辦公場所、賓館、酒店熱水器或中央空調 國際上得到廣泛推廣應用 商用型 1MW 適用于啤酒、牛奶、水產、種子加工等工業生產應用 大型超市、商業應用 兆瓦級 超大型系列 10 MW 工業生產應用或大型超市、大型商業應用 尚處于研發階段。18/36 2023年中國制冷展 應用現狀與前景 C

9、O2熱泵熱水器 氣冷器采用逆流式換熱方式 從水箱頂部取60至95度熱水，并與城市冷水混合，提供50至55度生活熱水 水泵調整氣冷器冷卻水流量優化壓力，提高COP 采用多個水箱串聯 熱水箱熱水箱 60-95 oC 生活熱水生活熱水（50-55 oC）城市冷水城市冷水（5-20 oC）泵泵 熱水箱熱水箱 1#60-95 oC 熱水箱熱水箱 2#熱水箱熱水箱 3#熱水箱熱水箱 4#城市冷水城市冷水（5-20 oC）泵泵 熱水分配熱水分配 19/36 2023年中國制冷展 應用現狀與前景 熱水+供暖集成系統 Return 緩緩沖沖罐罐 熱熱水水罐罐 城市冷水城市冷水 生活熱水（生活熱水（DHW）供暖（

10、供暖（SH）CO2熱泵熱泵 供暖供暖(SH)/生活熱水生活熱水(DHW)20/36 2023年中國制冷展 應用現狀與前景 熱水+供暖集成系統 先預熱生活熱水 再進行供暖 最后再加熱生活熱水 有效提高系統COP 提供高溫供暖和熱水 供暖和供熱水不可同時提供 可同時提供高溫供暖和熱水 同時運行時COP較低 同時提供熱水與供暖 不可提供高溫熱水 同時運行時COP較低 同時提供熱水與供暖 不可提供高溫供暖 同時運行時COP較低 單氣冷器 兩氣冷器并聯 兩氣冷器串聯 兩氣冷器串聯 三氣冷器串聯 21/36 2023年中國制冷展 應用現狀與前景 CO2熱泵熱水器應用場合 酒店 辦公樓 啤酒廠 屠宰場 乳制

11、品廠 食堂 22/36 2023年中國制冷展 應用現狀與前景 CO2熱泵壓縮機應用現狀 高壓差所造成的泄漏損失 運行壓力高,這對壓縮機的材料強度、密封要求更加苛刻 工作壓力高，需特別考慮軸封問題 排量大，主要用于大型工商業應用。技術難度高、工程造價大 在國外大型項目試驗性應用 離心壓縮機 螺桿壓縮機 高壓力對轉子剛性以及軸承要求高 運動機件表面多為曲面形狀，加工難度大 主要應用于CO2亞臨界循環 23/36 2023年中國制冷展 應用現狀與前景 CO2熱泵壓縮機應用現狀 活塞壓縮機 渦旋式壓縮機 轉子式壓縮機 機件之間保持一定運動間隙達到密封 高壓差加劇氣體通過間隙泄漏 需高精度的加工設備及精

12、確的調心裝配技術 固定內容積比，工況變化時可能出現過壓縮或欠壓縮 滑片與氣缸壁間泄露和磨損大 影響其工作壽命和效率 主要部件一旦磨損，性能明顯下降 對系統的潔凈度要求高 僅適用于小型化設計 未實現市場化 排氣量范圍較廣 不受壓比影響，適用壓力范圍廣 殼體材料承壓高 運行穩定，噪音低 技術上較成熟，生產使用上積累了豐富的經驗 目前應用最廣泛的主流CO2熱泵壓縮機 24/36 2023年中國制冷展 應用現狀與前景 CO2熱泵壓縮機應用前景 化石燃料滿足供暖份額 STEPS：既定政策情景 APS：宣布承諾情景 熱泵容量增長 采用化石燃料滿足供暖比例逐步降低 到2030年，全球熱泵的總容量按照既定政策

13、情景（STEPS）將翻一番 我國的具有巨大的熱泵潛在市場，2030年按APS將占全球五分之一的供暖需求 數據源自國際能源署 25/36 2023年中國制冷展 應用現狀與前景 我國熱泵行業將迎來高速增長 熱泵熱水器的市場潛力巨大 被列為節能環保產業 二氧化碳熱泵壓縮機逐漸市場化 CO2熱泵壓縮機應用前景 26/36 2023年中國制冷展 04 PART FOUR CO2跨臨界活塞壓縮機 CO2 Reciprocating Compressor 27/36 2023年中國制冷展 CO2跨臨界活塞壓縮機 半封閉壓縮機，避免軸封泄露問題 設計壓力高達160bar 共21種型號，型號齊全 排量范圍4.4

14、-25.5m3/h，功率范圍6-40HP SPT系列CO2跨臨界半封閉活塞壓縮機 28/36 2023年中國制冷展 CO2跨臨界活塞壓縮機 SPT系列CO2跨臨界半封閉活塞壓縮機 運行穩定 安全高效 應用壓力最高可達140bar 排氣溫度最高140 oC 未來朝著應用于兆瓦級熱泵方向開發更高排量的壓縮機 壓縮機配置泄壓閥，防止壓縮機壓力過高 配有電機保護模塊，確保壓縮機安全運行 內置油泵及油加熱器等配件，保證壓縮機穩定運行 29/36 2023年中國制冷展 二氧化碳熱泵熱水機組 HPCW1-10 HPCW1-20 HPCW1-30 HPCW1-50 加熱能力（kW）36.4 74.4 100.

15、5 180.0 制熱能效 485%486%495%500%二氧化碳熱泵熱水機組 注：名義工況環境溫度20，進/出水溫度15/55 注：名義工況環境溫度-12，供/回水65/45 二氧化碳熱泵采暖機組 HPCaH50 HPCaH110 名義制熱量（kW）52.0 119.1 制熱能效 232%231%二氧化碳熱泵采暖機組 水源型二氧化碳熱泵熱水機組 注：熱水側進/出水溫度：15/55；冷水側進/出水溫度12/7 水源型二氧化碳熱泵熱水機組 SFYRS-75 SFYRS-160 名義制熱量（kW）71.0 155.0 綜合能效（冷/熱）963%970%CO2熱泵機組 制冷展創新產品 30/36 2

16、023年中國制冷展 CO2熱泵機組 生活熱水應用案例 用水量：10m/天 供水溫度：65 COP：4.6 采暖應用案例 采暖面積：800m2 供/回水溫度：60/40 平均COP：2.71 31/36 2023年中國制冷展 05 PART FIVE 總結 Conclusion 32/36 2023年中國制冷展 總結 熱泵作為低碳環保的節能設備，目前在國外已經得到大力推廣；在雙碳目標下，我國冷熱產業結構升級，熱泵具有巨大的潛在市場；CO2熱泵由于其在高溫熱泵的優勢，在國外市場已經廣泛應用，國內也將逐步得到推廣，未來將往兆瓦級、超大型系列發展；CO2熱泵壓縮機作為CO2熱泵系統的關鍵設備，是國內外的研究熱點，隨著CO2熱泵不斷發展，未來也將大有可為；活塞壓縮機目前為CO2熱泵壓縮機市場主流，向高效率、大排量方向發展；同時渦旋壓縮機、轉子壓縮機等壓縮機在CO2熱泵領域開發應用逐漸興起；CO2熱泵壓縮機的發展將助力國家能源結構轉型、實現雙碳目標。33/36 2023年中國制冷展 Thank You!請各位專家批評指正！2023