热泵技术大全123：制冷剂CO₂的综合评价

在环保的压力下，空气源热泵领域的制冷剂替代进程不断推进，自然工质，如CO₂将会成为市场主力军。

随着环保压力的增加，国务院颁布了《消耗臭氧层物质管理条例》，开始施行日为2010年6月1日。由表6-2可以看出，二氧化碳的全球变暖潜能值GWP为1，臭氧层消耗指数ODP为0，低于其他制冷剂。虽然R134a的臭氧层消耗指数ODP也是0，但它的GWP比CO₂高出一千多倍。而且二氧化碳大部分是作为化工行业的副产品被生产出来的，如果使用它做制冷剂，就恰巧回收了废物，而这部分废物原本是要排向大气的，那么这些二氧化碳的GWP就应该为0。与CO₂相比，氯、溴类制冷剂及其混合物不仅会增加温室效应，而且很有可能产生其他副作用，因此CO₂在环境保护这方面的优势是显而易见的。

随着社会的发展，热泵和空调的销售量逐渐增长，随之逐年增长的便是各种制冷工质的需求量，所以在选择和确定制冷工质时就要慎重考虑环保的问题。由于自然工质不会对人类赖以生存的地球环境造成威胁，自然而然受到极大关注。由此可见，CO₂作为自然工质，成了一种环境友好型的制冷剂。此外，二氧化碳的制冷效率较高，所以在以上的几种常见制冷剂当中，二氧化碳是空气源热泵比较适宜的制冷剂。

二氧化碳不易燃烧，分解后其产物是无毒的，在高温情况下不会分解，所以它不会损害人的身体健康。但对于氟利昂类工质（R134a、R22）而言，其分解产物大部分威胁环境的安全，例如，在太阳光的作用下，R134a的分解产物不仅仅有毒，而且还是加剧温室效应的酸性物质。二氧化碳遇水则生成弱酸性物质，会腐蚀普通金属，长期腐蚀后，会对各种碳钢类的普通金属设备造成一定程度上的损害，致使设备在运行过程中出现故障，但不会损害不锈钢和铜类金属。当输送的CO₂含水率小于8×10-6时，不会生成弱酸性物质，因此不会对普通的碳钢产生影响。

如图所示，CO₂临界压力较高，跨临界二氧化碳循环系统的运行压力最高可达10MPa，是常用CFC类和HCFC类制冷剂的7～8倍，因此必须考虑高压下的安全运行问题。在系统正常运行时必须保证如果系统发生超压则二氧化碳能够快速泄放，所以系统中必须安装安全阀或者泄压阀。除此之外，还必须保证在特殊情况下的安全性，如果系统发生破裂时，制冷剂膨胀所释放的能量和压力波应能够通过安全通道释放。但随着焊接等技术的不断发展，即便使用普通铜管，也可以满足跨临界CO₂制冷压缩循环的高压要求。

几种常见制冷工质饱和状态时压力随温度的变化图

CO₂热泵只需要消耗少量的电能而不需要其他燃料就可以获取大量的热能，所以热泵在运行过程中不会产生燃料泄漏的风险，并且不会排放任何有害气体、温室气体等。因此，CO₂热泵行业近年来发展迅速。

二氧化碳是一种自然工质，来源广泛，价格相对低廉，回收或再生操作与运行的费用也较低。此外，在我国的渤海湾、松辽、苏北等多地发现了大量的CO₂气田，而且可利用的CO₂储量极大，其中黄桥CO₂气田、万金塔CO₂气田等已经开始开采利用。

相较于其他工质的热物性，二氧化碳相对较好，跨临界循环的压力偏高，这就要求有较小的压缩机吸气比体积；0℃时二氧化碳的制冷量是其他制冷剂的10倍左右，这一特性就使得系统设备的尺寸小了很多，降低了材料费用，就此整个系统结构就相对紧凑，因而降低了热泵前期的投资成本。

二氧化碳热泵无需传统燃料，这样就减少了燃料费及燃料运输费和储存费，还有锅炉修建费和年检费；同时，空气源热泵的安装位置没有要求，可安装在屋顶、阳台、庭院、地下室等位置，不需要单独机房，不占用永久性居住面积。此外，在人工操作方面也节省了一笔费用。空气源热泵省去了冷却水系统和冷却塔、冷却水泵、管网及其水处理设备，节省了这部分投资和运行费用。

从环保性、安全性、热物性及经济性几个方面可以看出，二氧化碳空气源热泵具备其自身的特殊优势，值得推广。但即使如此，由于二氧化碳跨临界循环的特殊性，即临界压力高和临界温度低，其自身的问题也就显现出来了，那么传统的系统及部件也就不符合二氧化碳跨临界循环的要求，因而需要开发适合它的系统和部件。二氧化碳的临界温度是31.1℃，临界压力是7.4MPa。二氧化碳跨临界系统在运行时，其高压侧的压力很高，甚至可以达到10MPa以上。因此，为了保证跨临界系统顺利运行，对于跨临界系统的各个设备和零部件耐压强度就有更大的要求，例如设备及零部件材料、构造的承压能力。确定的CO₂空调系统换热器最小爆裂压力如表所示。

确定的CO₂空调系统换热器最小爆裂压力

注：1bar=105Pa。