在《“十二五”节能环保产业发展规划》节能产业重点领域节能技术和装备专栏1节能产业关键技术中提到CO2热泵技术用于热泵热水系统等，相对普通热水器节能75%，研发重点是压缩机和热泵系统的设计和优化，解决系统和部件的耐压和强度问题.
1 .CO2空气能热泵机组简介
空气能，即空气中所蕴含的低品位热能，又称空气源。现在常说的“空气能”是一类产品的简称。其实是指“空气能热水机”，也称“空气能热水器”、“空气能热泵热水器”。空气能热泵热水器实质上是利用制冷原理（逆卡诺循环工作原理），它通过从周围环境中获取低品位热能，经过电力做工提升温度后输出到冷凝端，产生可被人们所用的较高品位热能的设备。采用制冷剂的能量传递特点，让制冷剂压缩机的作用下循环工作，不断地在蒸发器中被蒸发而吸收空气（或水）中的热能，同时又不断地在冷凝器中释放热量从而使制冷剂循环工作，最大程度地减少热传递所需的用电量，达到高效节能的目的。
一台空气能热水器，主要由蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀四部分组成，通过让工质不断完成蒸发（吸取环境中的热量）→压缩→冷凝（放出热量）→节流→再蒸发的热力循环过程，从而将环境里的热量转移到水中。
CO2热泵就是采用CO2作为制冷剂的热泵或空调，普通热泵一般采用氟利昂作为制冷剂，两者的工作原理基本是一样的，都属于蒸汽压缩式，但也稍有不同，CO2热泵属于超临界循环，即在冷凝器端，CO2是不会被冷凝成液体的，而氟利昂冷媒在冷凝器端是被冷凝成液体再节流的。
为什么要用CO2，最主要的原因是目前大量使用的氟利昂如R12、R22等被证明对环境有破坏作用，一个破坏作用是对臭氧层的破坏，一个是具有温室效应，而CO2是地球本身就有的气体，来自于地球，即使排放到地球对环境也没有影响。CO2是热泵系统工质替代中最有潜力的天然工质之一。
CO2作为制冷工质具有一些独特的优势：对环境无害的自然界天然存在的物质（ODP=0，GWP=1）；优良的经济性，且无回收问题；良好的安全性和化学稳定性，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；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，单位容积制冷量相当高；具有良好的输运和传热性质，CO2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。由于CO2的临界温度很低（304.21K），因此CO2的放热过程不是在两相区冷凝，而是在接近或超过临界点的区域的气体冷却器中放热。在CO2跨监界制冷循环中，其放热过程为变温过程，有较大的温度滑移。这种温度滑移正好与所需的变温热源相匹配，是一种特殊的劳伦兹循环，当用于热泵循环时，有较高的放热系统。在超临界压力下，CO2无饱和状态，温度和压力彼此独立，能够实现满足实际需要的多种控制策略。当蒸发温度、气体冷却器出口温度保持恒定时，随着高压侧压力的变化，循环系统的COP存在最大值，通过优化调节可节省压缩功。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。前国际制冷学会主席G.Lorentzen认为CO2是无可取代的制冷工质，并提出跨临界循环理论，指出其可望在热泵领域发挥重要作用。
CO2跨临界系统气体冷却器端的温度滑移可以与变温热源较好的匹配，它在热泵热水器方面的应用具有其它供热方式无法比拟的优势。CO2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。应用了CO2冷媒技术的空气源热水器不仅在节能、环保层面有进一步的提升，同时在噪音、使用地区、出热水量等多个方面有突破性的进展。
但CO2作为制冷剂的热泵系统，其工作压力超高，高压超过100kgf/cm2，而R22的热泵系统高压一般为2.5kgf/cm2，因此，CO2热泵系统的配件、铜管等都需要耐高压，由此导致其成本比一般的热泵系统高很多。但作为CO2热泵来说，采用CO2还有一个优点就是其排气温度较高，而且在低温下的效果比较好，这就意味着可以得到更高温度的热水，如90℃；也可以在更低环境温度下工作，如-15℃等。
目前，世界上掌控着CO2热泵热水器最先进技术的是日本和欧盟。天津大学马一太教授指出，很久以来，日本和欧盟实行CO2热泵技术封锁，造成我国难以取得突破性的进展，只有解决了专用压缩机等零部件批量生产后，CO2热泵在我国会很有前途。
在世界大多数家庭的能量需求中，约有1/4-1/3来源于对热水的需求。日本家用热水耗能已占家庭总耗能的34%。因为在日本最高温度低于0℃的寒冷地区，传统空气源热泵的制热量和效率随环境温度的降低下降很快，热泵的使用受到限制，主要应用燃油和电热水器。由于CO2热泵热水器的低温性能良好，日本主要家电公司联合科研院所纷纷对CO2热泵热水器进行了深入的研究和开发，结果表明CO2热泵热水器与电或燃气热水器相比较具有较高的性能系统（COP），其商业开发已经初步开始，市场前景极为广阔，意义重大。
2 国外CO2热泵热水器的研究开发现状
上世纪90年代初，挪威NTH大学的Lorentzen教授根据CO2的特殊物性提出跨临界CO2循环，极大地推动了CO2系统在制冷领域的发展。在过去的十几年中，国内外许多研究机构对跨临界CO2循环投入了大量的研究，成为制冷界的一个研究热点。跨临界CO2系统在高压侧的较大温度变化（约80—100℃）的放热过程，非常适合用于热水加热，因此，对热泵领域的研究最先开始于热泵热水器。
1996年，挪威SINTEF研究所的Nesk和Petterson在NTNU－SINTEF热能实验室建成了世界上第一台热泵热水系统试验台。原型机电动机的效率为 0.9，当蒸发温度为0℃，气体冷却器入口水温从8℃，供水温度80℃时，系统性能系数COP仍然高达3.6，而且该实验系统能够提供90℃的热水。研究结果表明，CO2热泵热水器比电热水器节约能耗75％左右。
2000年，挪威科技大学Zakeri和Nesk等人在挪家生产半成品食品的ASEggprodukt工厂建立了第一台示范性工业用CO2热泵热水器。初步实验参数如下：蒸发温度14.3℃，吸气压力 50bar，压缩机吸气温度26℃，排气温度100℃，放热压力113bar，气体冷却器CO2出口温度9.2℃，水的进出口温度6.7/66℃，水的质流率0.26m3/hr，供热功率18.43kw，压缩机耗功3.2kw，系统供热性能系数可高达5.77。R. Kern（2006）将冷热水分层水箱应用于CO2热泵热水器中，冷水从水箱底部进入热水器，热水则从水箱顶部提供，从而提高了CO2热泵热水器性能。
2005年，挪威科技大学Stene设计了三段逆流式气体冷却器以更好的与其温度滑移相匹配。气体冷却器低温段用于水的预热，中温段用于低温空间供热，高温段用于将水加热到 60℃~70℃。
3日本CO₂热泵热水器的研究开发现状
日本电力工业中央研究院（CRIEPI）与东京电力公司（TEPCO）及DENSO公司的M.Saikawa，K.Hashimoto，K.Kusakari等人合作于1998年9月开始进行CO2热泵热水器的基础理论研究，通过对其进行的性能计算及相应的循环特性理论分析，得出CO2热泵热水器的性能高于传统工质热磁的结论。
1999年，M.Saikawa，K.Hashimoto，K.Kusakari等人建起了CO2热泵热水器（8035100cm）原型机实验台。原型机的额定供热功率为4.5kW，所用压缩机为直流变频电动机驱动的半封闭涡旋压缩机，所用的膨胀阀由针阀和步进电机组成，可以将膨胀阀由关闭到完全打开分为400级，便于对膨胀阀开度的控制。在对原型机的性能测试中分别测了膨胀阀开度对系统性能的影响和膨胀阀开度对气体冷却器温度随供热量的变化轮廓的影响。空气热源的温度选取东京冬季23点到7点的平均温度值，这8个小时为用电低峰期，自来水温度8.3℃，热水温度65℃，结果表明：随膨胀阀开度的增大（80-160级），压缩机出口压力下降，供热量下降，输入电功率下降，COP逐渐上升，膨胀阀开度增大到110级后趋于常数，约为2.7。膨胀阀的开度分别调为（90、110、149）级以进行对比，气体冷却器中CO2出口处与水入口处的温差由小变大，CO2随供热量变化的温度曲线拐点处温度与水的温度差由大变小，因为此时压缩机出口处的压力由高变低。
2000年，他们又对原型机进行了改进，并在DENSO人工环境实验室按照东说冬季工况进行了测试。改进型CO2热泵热水器：热泵单元，热水箱单元（200litters）。 测试参数如下：空气热源温度3.3℃，自来水温度7.2℃，热水温度88.1℃，水流率0.783L/min，CO2压缩机的出口压力11.6MPa，入口压力2.9MPa，CO2质流率56.7kg/h，供热功率4.44kW，压缩机所耗电功率1.59kW，则COP为2.79。
可见改进型CO2热泵热水器的性能系数比原来提高了不少。他们还在TEPCO（东京电力公司）对改进型CO2热泵热水器的全年平均性能系数进行了测算，结果表明包括风扇和水泵耗功在内的全年系统平均COP值仍可高达3.0，而且改进型系统在外界空气热源为零下30℃时，系统仍可提供高达90℃以上的热水。他们认为虽然该系统还需在细节上进行完善，但是技术开发已基本可以结束，市场前景广阔。2001年1月再次进行了改进，并且已于2002年推向市场。
日本三洋电器公司研发总部生态能源系统研究中心的Hiroshi Mukaiyama等人研制了一台供热功率为4kW的家用CO2热泵热水器。他们采用带20-120Hz的变频电动机的双级滚动活塞压缩机，较有特色。室外热交换器因为要承受较高的压力，故采用外径7.0mm，壁厚0.8mm内壁光滑的铜管。为防止除霜后的水重新结冰，将从气体冷却器出来的高压工质通到室外蒸发器的底部，即使在日本较冷的地区（Hokkaido）测试也没有发现有重结冰现象发生。他们在恒温室中对该系统在不同温度、湿度的性能进行了测试。计算结果表明CO2热泵热水器总有效温室效应指数（TWEI）比其它方式的热水器降低了近一半。在考虑供水泵和室外风扇耗功的情况下，系统年均供热COP随气体冷却器中热水出口温度的升高而下降，根据其实验结果拟合出公式：COPh=-0.0325t+5.632,t=[65℃-95℃]。
2002年，日本大金公司推出了采用单级摆动转子式压缩机的CO2热泵热水器。系统额定耗功1.21kW，蒸发器置于室外，可提供65-90℃的热水，储水箱容量为300升/370升，其额定制热量4.5kW，标准状况下（室外空气温度16℃/12℃，进水温度17℃，出水65℃）COP可达3.72，噪声45分贝。同期，松下也推出了自己的水箱容量为370升的CO2热泵热水器。
日本东京大学环境研究所JianfengWang和EijiHihara对CO2热泵热水器建立了住址模型并与R22热泵热水器进行了对比运算。仿真结果表明：CO2热泵热水器的COP小于R22热泵热水器；当带有内部热交换器时，将达到与R22热泵热水器相当的水平，但是压缩机出口温度将会明显上升，最优冷凝压力下的供热量也会明显下降。由于其仿真的结果未经实验验证，该模型尚有待进一步完善。
4 日本CO₂热泵热水器的市场
日本是目前家用空气能热泵热水器最为普及的国家。日本空气能热水器发展的最大特点是其领先的技术，主要机型是EcoCute（CO2热泵热水器），该产品外形小巧，结构精致，性能卓越，最大特点是在水侧以较大温升换热过程中，仍然保持较高的热力效率。额定运行温度一般可达到60℃，最高出水温度可达90℃，因此EcoCute从开发之初就没有局限在提供卫生用热水的应用范围，许多产品兼具采暖应用功能。
据了解，自2001年进入日本市场以后，该机组的销售量一直保持持续上升。根据制热量、水箱容量和地区适应性的不同，现今日本市场上有Mitsubishi、Daikin、Sanyo、Hitachi、Matsushita、Toshiba、Denso、Chofu等各公司共计16种以上不同类型的CO2热泵热水器。
2007年家庭普及率已达10%.近两年受经济危机影响，EcoCute产品的销售量与预期有一定差距，但累计销售已接近400万台。日本冷冻空调工业会2010年4月发布报告称，日本国内家用空调出货量同比大减27.8%,创下2009年11月以来最大下滑幅度。另一方面，EcoCute出货量则同比大增11.4%。
2009年12月日本政府提出了建设清洁能源大国的目标。在发展新能源产业的进程中，政府、企业、大学和研究机构在发展目标、技术开发、生产和推广等方面通力合作，各司其职，取得了良好效果。目前，日本正在大力推进“无气化家庭”的计划，安装计划热泵热水器的家庭普及率要达到80%以上。
此外，以松下等企业正在探讨新型的智能小区，旨在通过智能小区建立一种新型环保城市开发业务模式，要将其作为东日本大地震后的小区重建模式推进。比较更进一步推进Ecocute的应用。
在日本EcoCute产品的发展中，政府的政策导向起了关键性的作用，首先，因为有政府的补贴，消费者才会购买这种产品。其次，因为政府的重视，企业才有可能投入大量的经费进行研发。有好的产品、有人买，这样市场自然被推动起来了。
在EcoCute面世初期，其销售价格为使用氟碳制冷剂热泵热水器的数倍，为促进EcoCute产品的销售，日本政府实施了相当于产品销售价格30%~40%的高额补贴政策。在政策的激励下，政府和企业形成合力，共同推进行业发展。据了解，目前在日本除专业热水器厂商外，松下、大金工业、三洋电机、三菱电机等综合家电厂商均推出了以CO2作为热媒的空气能热泵热水器产品。
一些企业大多拥有很强的研发实力，在技术上精益求精，目前仍旧不断推陈出新，几大公司又接连推出了换代新品，日本大金工业公司将推出6款通过优化烧水控制提高节能性能的自然冷媒热泵热水器“Ecocute”的“X系列产品”.这些产品不仅可供应热水，还可自动完成给浴盆注水、保温以及补充热水。
日立电器公司陆续上市采用自主开发的自来水直压热水供应方式的自然制冷剂Ecocute新品，隶属“Niagara热水供应”系列，采用新开发的热泵单元，提高了节能性能，年热水供应保温效率（JIS）比上一年度产品提高了3%.三菱电机公司起陆续推出68款自然冷媒CO2热泵热水器“EcocuteHP”系列产品，包括4款配备3种节能技术的高端机型。
新产品不仅降低了耗电量，提高了保温性能，同时还提高了效率。所有机型均强化了作为停电及断水等紧急情况下生活基础设施的功能。在寒冷地区型号中，增加了业界首款大型的550升储水槽。日本松下电工公司上市了的Ecocute新产品，可用于餐饮业及福利设施等商用领域。同时还增加了即使外部气温在零下20℃也可使用的寒冷地区款。
日本政府的支持、众企业的不断创新和推广使EcoCute日益成为家喻户晓的热水产品，目前，很多新建的小区和商用楼都把热泵热水器作为首选的家庭供热中心。由此可见，日本CO2热泵热水器之家的发展已经取得了较好成绩，获得了市场的肯定。
4 CO₂热泵热水器的国内研究开发现状
目前中国CO2热泵热水器市场还处于起步阶段，虽然我国大部分地区具有CO2热泵热水器及其相关产品应用的适宜条件，但是CO2热泵热水器的推广和发展速度仍然相当缓慢。即使国内巨头诸如海尔等的大力推进，仍然见效甚微。据业界分析，发展缓慢的最大原因是压缩机功率和一些零部件的问题。相对来说，空气源热水器在我国起步则比较晚，自从进入中国以来，空气源热水器的引领与决定行业走势的始终是国外品牌，代表行业领先水平的CO2冷媒技术一直掌握在少数欧美、日本的科研机构手中。
GB/T23137-2008《家用和类似用途热泵热水器》已经发布，于2009年9月1日起开始实施，该标准以附录形式对CO2热泵热水器提出了要求，主要参照了日本制冷空调协会发布的JRA4050《家用热泵热水器》的内容；同时，用于CO2跨临界循环热泵装置专用压缩机的国家标准也在制定之中。与此同时，中国企业生产的采用CO2跨临界循环技术的家用电冰箱等产品已经开始进入市场。
中国现已有3家压缩机生产企业正在进行CO2跨临界循环热泵系统专用压缩机的开发工作。上海日立、西安庆安和广东美芝目前均具备向用户提供样机的能力，可喜的是这几家企业都是立足于自有知识产权进行研究和开发，并掌握了相关核心技术。除了前几年若干学校和科研机构对CO2跨临界循环技术及其应用进行了卓有成效的研究外，近年又有多家生产企业启动了CO2跨临界热泵产品的产业化开发项目。北京九阳实业公司致力于新能源技术的推广与应用，早在2008年就开始利用平板太阳能集热结合空气源热泵辅助能源推广应用，近年来专注于高效CO2热泵与太阳能结合在冬季采暖，制热水方面的应用。
麦克尔公司于2010年与中国科学院广州能源研究所联合研究CO2热泵跨临界循环技术的应用，经过一年多研究于2011年3月推出应用性强的商用机组，所有零部件均自主研发、设计、制造，采用其他国家研究机构均未使用的全新技术方案，在全球范围内导入新的技术理念，使CO2热泵跨临界循环技术的应用及性能方面得到了质的飞跃，植入7大创新点：1、采用即热补水、浸泡式加热，使系统稳定高效；2、多级蓄能技术，杜绝混水，出热水率高；3、利用CO2作为热泵系统的工质，安全、节能、环保；4、利用喷射循环大幅度提高吸气压力，减少节流损失，提升COP值；5、采用废余热回收系统，提升COP值、降低化霜概率和次数；6、采用换热式化霜系统，高效、节能；7、利用人工智能控制系统，稳定、高效、节能、人性化、便捷方便。并对该机组进行了环境温度从低温（-30℃）到高温（53℃）及高水温（93℃以上）段的一系列严酷的测试，各项技术参数均处于国际一流水平。
总体研究内容：1、研究新型CO2热泵（空调）系统的运行理论及特性；2、研究CO2超临界换热理论及特性；3、研究具有较高引射效率的引射器；3、研究及改进CO2热泵（空调）产品的结构及系统；5、研究最优控制模式及方案。
其研究的主要内容及需突破的关键技术：CO2热泵系统循环优化配置及热力学理论分析；引射器的优化设计及实验分析（由中国科学院广州能源研究所负责）；一次性加热（即热式）气体冷却器的研制；CO2热泵除霜及其控制研究；CO2热泵废余热回收研究：CO2热泵自动化控制系统的研究与实验；CO2跨临界系统最佳运行状态的实验研究；无线远程监控、维护、诊断管理系统的研究与实验；通过对全球CO2热泵系统在多种工况下的所有运行数据的执行远程监测与统计，制定最佳的控制方案。
2012年9月26日，科技部高新司在广东顺德组织召开了由广东省科技厅组织实施的“十一五”国家科技支撑计划项目“CO2热泵关键技术及产业化”验收会。项目于2009年批复立项。3年多来，项目牵头单位美的集团有限公司会同广东万和新电气股份有限公司、广东美芝制冷设备有限公司等国内知名家电企业以及西安交通大学、广东华南家电研究院等单位联合攻关，研究并掌握了CO2热泵一系列关键技术，成功研制出满足热泵热水器整机应用要求的CO2旋转式压缩机及专用换热器，开发了适应国内市场环境的CO2热泵热水器及商用制冷系统，并形成每年10万台CO2热泵热水器的生产能力。项目的实施为CO2热泵在全国范围内的推广应用奠定了良好的技术基础，对于促进广东乃至全国白色家电行业的技术升级具有重要意义。
5 CO₂热泵热水器的问题与对策
CO2热泵热水器所面临的问题主要在于继续提高效率和不断降低成本。技术进步与工业化批量生产是降低成本的主要动力，而效率的提高则只能依赖于技术的进步。CO2热泵系统能否安全可靠的运行，与其基本材料的选择，以及零件、仪表等承压能力是否足够强等也都有着莫大的关联。一般的配件和材料承受不了CO2热泵的压力要求，而因为在国内没有市场需求，CO2热泵需要的一些材料和配件，国内厂家几乎没有生产，致使相关零部件的研发比较滞后。可见，CO2热泵压缩机和零部件的问题还需全方面的研发跟进。
目前来说，CO2热泵热水器提高效率的主要途径有以下几条：
①、新型高效CO2压缩机的开发与改进。例如，以日本三洋公司开发的双级滚动活塞压缩机为代表的双级压缩机使结构更紧凑，系统布置更灵活，而且双级压缩会减小压差，减小泄露和机械损失，能够显著地提高系统效率和压缩机的效率，将是未来压缩机发展的一个方向。
②、膨胀压缩机的研制。在CO2跨临界循环中，降低膨胀部分的损失，是解决效率的有效途径。利用膨胀机的输出功率驱动压缩机完成压缩过程，使膨胀机与压缩机组成一体而形成膨胀压缩机，这种膨胀压缩机将成为CO2循环中特有的组成部分。
③、高效CO2跨临界循环换热器的研制。例如日本三洋公司开发的防止重结冰的新型换热器。
④、合理利用低品味能源或可再生能源并探讨热水供应与其它供热方式的耦合问题。例如北京九阳实业公司正在开发的平板太阳能+CO2空气源热泵热水及采暖新技术，可以节能85%以上。
⑤、CO2热泵热水器先进控制方式的研究。
结论：
CO2热泵热水器与传统燃气热水器相比具有低能耗（一般可节能约70%），对环境友好的优点；与传统热泵热水器相比具有供热水温度范围大，能提供高温热水的优点。
将CO2热泵与储水箱组合可以利用夜间低谷电，提高系统经济性。若将CO2热泵热水器与蓄热系统组合，可使储水箱体积减小，则整个系统更为小巧轻便。开发适于CO2热泵热水器的高效压缩机和耐用高压的高效换热器以及完善的控制策略将是以后CO2热泵热水器研究的重点。相信随着技术的不断进步，CO2热泵将会以其特有的优势成为21世纪热水器市场上最为耀眼的明星。 |
