《二氧化碳热泵发展白皮书》解读

编者按：7月26日-28日，由中国节能协会主办，中国节能协会热泵专委会承办，以“低碳供热，热泵先行”为主题的“2022中国热泵行业年会”，在济南成功举办。会议期间，中国节能协会热泵专业委员会联合天津大学、上海交通大学、中国科学院理化技术研究所、中国建筑科学研究院有限公司、珠海格力电器股份邮箱公司、浙江盾安人工环境股份有限公司、松下压缩机(大连)有限公司等行业相关机构及企业共同发布了《二氧化碳热泵发展白皮书》，天津大学热能研究所李敏霞教授代表编写工作组对《二氧化碳热泵发展白皮书》进行了解读。

白皮书主编单位有中国节能协会热泵专业委员会、天津大学热能研究所、上海交通大学制冷与低温工程研究所。

白皮书全部内容共分为九章(如上图所示)。

一、背景

第一章主要讲全球气候变暖、碳达峰、碳中和与热泵、CO₂的关系。

工业革命以来，由于化石燃料的大量使用，大气里面的CO₂浓度不断升高，造成了全球气候变暖。为了缓解这个状况，2015年，国际上达成了《巴黎协议》，削减温室气体成为国际共识。温室气体的主要贡献来源于CO₂，占比50%。

2020年底，中国向世界宣布2030年碳达峰，2060年碳中和。热泵技术作为一种可再生能源技术，在碳中和进程中将发挥巨大的作用，具有广阔的前景，中国节能协会热泵专业委员会发布的《热泵助力碳中和白皮书》中对此有详细的介绍。

热泵工质的选择也会对碳中和产生影响。2016年，197国通过《蒙特利尔议定书基加利修正案》，开启了HFCs淘汰时间表，发展中国家需要在2024年冻结，2045年削减80%，而发达国家2019年已经开始冻结。所以热泵工质替代是一个不得不面对的问题，那么采用自然工质必然成为一条可行的发展途径，其中CO₂的ODP=0,GWP=1也受到了越来越多的关注，与热泵的结合也将会促进热泵的发展。

二、CO₂热泵技术原理

第二章介绍了CO₂热泵技术原理、二氧化碳的性质、二氧化碳的热泵循环。

1850年，CO₂就作为制冷剂开始使用了，直到上个世纪初人工制冷剂投入使用，它才逐渐开始淡出人们的视野，直到人工冷剂出现了问题，才在1993年又被重新提出作为制冷剂使用。

CO₂作为制氧的副产品，具有廉价、环境友好、无毒不燃等特点，并具有一些良好的热力学特性，比如容积制冷量大，粘度、表面张力小，这些都是非常优良的特点。

CO₂热泵循环的循环形式是比较多的，白皮书里介绍了其中几种循环方式。其中包括最基本的跨临界循环、双级压缩跨临界循环、复叠循环、部分复叠循环。从理论分析来讲，CO₂跨临界循环非常适合于供热。

三、CO₂安全性

第三章的内容是关于CO₂热泵的安全性。

虽然二氧化碳无毒不燃，但是它也有一个“允许体积浓度”，而且它的运行压力较高。所以在运行期间也需要有安全措施来保障运行。

四、 CO₂热泵关键部件进展

第四章主要内容是CO₂热泵压缩机、蒸发器、气体冷却器、电子阀等关键部件的进展。

CO₂热泵系统部件的生产和制造是CO₂热泵应用的基础，所以CO₂热泵部件的发展是至关重要的。首先是CO₂压缩机，目前国内大部分用的是活塞压缩机，容量可以达到50匹。而我们国产的二氧化碳CO₂压缩机大部分容量比较小，大部分都是转子式的压缩机，最高容量可以达到10匹，而涡旋压缩机正在开发中。

对于大容量CO₂制冷与热泵系统，就要采用多机头平行压缩机组。2022年北京冬奥会就采用了多机头平行压缩机组来实现CO₂制冰，同时回收热量，提高了能源综合利用效率。

对于其他的部件，蒸发器、气体冷却器我们国内是可以生产的，主要问题就是注意它的耐压程度。电子膨胀阀和专用阀由于压力高、批量小，所以现在使用的很多的都是国外的品牌，但是目前我们国内的一些公司已经陆续推出了自己的产品。

五、 CO₂热泵应用的发展

第五章的内容是对CO₂热泵应用的一些领域的介绍，例如CO₂热泵的采暖、汽车空调以及干燥。

2009年，日本国内CO₂的热泵热水器就已经实现了商业化，到2020年，产量突破了700万台。

在国内，其实我们很多厂家是能够生产CO₂热泵热水器的，但是家用热泵热水器由于价格原因推广非常困难。可喜的是国内很多厂家已经开始了推广使用CO₂热泵热水器。比如浙江盾安、浙江正理生能、苏州苏净安发、昆明东启、青岛海信日立、浙江德富、甘肃一德、安徽正刚等都推出了自己的CO₂热泵热水机。从这些数据里可以看到，CO₂热泵热水器非常适合在低环温情况下运行，能够实现65℃甚至80℃-90℃的出水温度。

2006年，欧盟通过了含氟温室气体的法规的要求：自2017年1月1日起禁止所有的汽车空调使用GWP值大于150的制冷剂。2015年又推出了CO₂汽车空调的VDA的标准，推动了CO₂技术的推广。目前，奔驰、大众、上汽、东风集团、北汽新能源、蔚来汽车、一汽等都开展了相关研究，推出了CO₂跨临界循环汽车用空调系统。此系统在国内的产业链是比较完整的，所有关键部件都可以实现独立生产。

六、CO₂热泵的标准及法规

对于CO₂热泵产品，目前已经有三个相关标准，一个是低于16kw的热泵热水器的产品标准，一个是高于16kw的热泵热水器的产品标准，第三个是二氧化碳空气源热泵通用技术规范。

CO₂热泵相关部件的相关标准同样有三个，其中两个分别是不同容量的压缩机的的相关标准，第三个是关于换热器的。而汽车空调的压缩机、电磁阀、电子膨胀阀的相关标准都在制定中。

七、其它自然工质和近自然工质应用简介

对于不能使用自然工质的地方，可以使用R32系统，因为基加利修订案提到，2045年保留了GWP冻结量的20%。如果使用R32，可以估算出用量是2045年制冷剂总量的1%。R290是一种环保制冷剂，可用于民用空调系统，但是由于R290的可燃性，所以对充灌量有严格限制，使用期间也有非常严格安全措施。氨是作为工业制冷剂的很不错的选择，但由于安全性低不能用于商用或者民用，并且有很严格的使用标准。水蒸汽的压缩式热泵应用于工业，主要用于溶液的浓缩，对于负压下的水蒸气的压缩式制冷目前还在研发中。

八、自然工质热泵发展展望

在低碳发展的战略情况下，由于热泵可以有效的降低碳排放，已经被列为了可再生能源技术。因此全球对热泵的需求是非常旺盛的。但是国际协议以及各国的法规对HFCs是有控制的，所以，使用低GWP工质必然是未来制冷热泵领域的发展方向，而自然工质有着天然的优势，CO₂等自然工质热泵每一个都有自己独特的运行优势。比如CO₂系统在冷热综合利用领域应用潜力更大。目前CO₂制冷与热泵循环的各个关键部件的制造在国内已经有了很大的进步，但是还缺少多样化的选择和广泛的供应，所以如果有更多的国内企业开展CO₂系统研究，将有助于CO₂热泵系统产业链的形成。同时CO₂等自然工质热泵具有环保优势，应该针对它们来制定一定的计算标准来评估它的可再生能源的开采能力和环保能力，并将这种评估纳入到对产品的评价中去。

九、结论

最后得出结论，CO₂是一种极具发展潜力的绿色环保工质，它在研究上和市场应用上都取得了很大的进步。而我国的CO₂热泵产品还应该进一步的系列化、标准化，并提高用能的效率。CO₂系统在应用的时候还有一些难题，因此要加大CO₂系统的各部件的研究，加快推广CO₂系统的应用。这些都具有重要的环境和社会意义。未来碳中和时代没有化石燃料可供燃烧供热，所以热泵供热是一个很重要的技术。假设热泵产品的增长率按10%计算，从2024年到2045年，工质的积累量可达500~600万吨，CO₂等自然工质能够满足《蒙特利尔议定书》意大利修订案的要求，而使用高GWP工质，对于碳中和反而是负作用，跟我们碳中和的目的是相抵触的。所以，自然工质和热泵相结合是一条可行的发展途径。

最后非常感谢我们的各个参编单位、编委以及参编人员，谢谢大家。

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