图片来源:Mayekawa
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在为我们的出版物研究和撰写有关构建产品的文章时环保建筑资讯在过去的二十多年里，我有机会报道一些令人着迷的突破性产品和技术。几周前我曾写过一项这样的技术，即使用二氧化碳作为热泵的工作流体。
但让我回顾一下制冷剂的背景。这些液体用于冰箱、空调和热泵，将热量从一个地方转移到另一个地方，从而冷却或加热一个空间。这种“蒸汽压缩循环”设备利用了压缩气体吸收热量，膨胀气体释放热量的原理，所以这是一种将热量从一个地方转移到另一个地方的方法。
当这种压缩和膨胀循环导致相变(将液体转化为气体或反之亦然)时，大量的热量可以被吸收和释放。
制冷剂的问题
在过去的35年里，制冷剂受到了抨击——因为它们对地球保护性臭氧层的影响以及它们的全球变暖潜能值(GWP)。HCFC-22 (R-22)是一种氢氯氟烃，长期以来一直是最常见的制冷剂。但根据保护地球臭氧层的国际条约，它正在逐步被淘汰。
这是一件好事，因为R-22既是一种重要的臭氧消耗者，也是一种重要的温室气体。从臭氧消耗的角度来看，取代HCFC-22的HFC(氢氟碳化合物)制冷剂要好得多(臭氧消耗潜能值或ODP为0)，但它们仍然是非常重要的温室气体(高全球变暖潜能值)。
使用二氧化碳作为制冷剂
这些对HCFC和HFC制冷剂的担忧导致了对其他可用作制冷剂的化学物质的兴趣，其中之一是二氧化碳(CO2)。日本人把相当多的注意力集中在基于二氧化碳的热泵上，一家日本公司，Mayekawa几年来，该公司一直在北美销售商用规模的二氧化碳热泵。
Mayekawa提供三种不同的二氧化碳热泵EcoCute水对水热泵Unimo空转水热泵(PDF下载)和Sirocco水转空气热泵。(产品名称EcoCute，从日文翻译过来有点糟糕。“Eco”在美国是“ecological”的缩写，而“cute”则源自日语kyA«助教“EcoCute”一词通常被一些日本制造商使用，他们的开发工作是由政府和电力公司东京电力公司资助的。
这三台Mayekawa热泵都有25千瓦(kW)的电机，所以它们比家庭用的热泵大得多。
高效率是这种系统的一个重要优点;它们的性能系数(COP)约为4.0。如果它们被配置为除了热水之外还提供空间冷却(只是水到水和空气到水的模型)，COP可以高达8.0。
更高的输出温度
从性能的角度来看，基于二氧化碳的热泵的最大区别在于它们可以产生更高的温度输出。确切地说，为什么它们能做到这一点是复杂的，与二氧化碳是一种“跨临界”制冷剂有关，并且不像其他制冷剂那样完全改变相-我在这里就不赘述了，尽管我在论文中对此进行了描述关于Mayekawa热泵的文章我为八月号写的环保建筑资讯(需要订阅BuildingGreen.com)。
EcoCute水对水热泵和Unimo空气对水热泵可以产生高达194华氏度的水，远高于标准热泵产生的水。这是很重要的，因为这使得它们可以用于水循环(踢脚板热水)加热。正如我的朋友、能源工程师马克·罗森鲍姆(Marc Rosenbaum)告诉我的那样，如果这能以经济实惠的方式完成，它将是“游戏规则的改变者”。
基于二氧化碳的热泵的一个挑战是它们需要相当大的提升温度来操作。这是加热回路中供给温度和回流温度之间的温差。
一个标准的燃气或燃油锅炉可以提供180°F的水用于水力循环加热，并在通过底板散热器传递热量后，以150°F的温度将水回流到加热回路中。因此，锅炉必须将水从150华氏度“提升”到180华氏度。这对于一个二氧化碳热泵来说是不够的。EcoCute需要至少45°F的升力才能有效工作。
更高的压力
另一个挑战是，二氧化碳制冷剂循环运行的压力远远高于标准的蒸汽压缩循环设备。在蒸发器一侧，压力可以达到约600磅/平方英寸(psi)，而在气体冷却器(在标准压缩循环设备中取代冷凝器)，压力可以达到1500至1800 psi。
更高的压力以及需要更坚固(更昂贵)的组件来承受这种压力，减缓了二氧化碳热泵的发展。
基于二氧化碳的热泵的未来
我收集到一些流行的微型裂热泵制造商正在开发住宅规模的基于二氧化碳的热泵，这些热泵目前正在进行测试。
我们将拭目以待。让我兴奋的是，这样的热泵增加了我们使用太阳能发电来提供更多能源需求的潜力，作为燃烧化石燃料的替代品。当然也有挑战，但这样的产品可以帮助我们过渡到太阳能的未来。
Alex是BuildingGreen公司。和执行主编环保建筑资讯。2012年，他创立了弹性设计院。要跟上Alex的最新文章和思考，你可以注册他的推特账号。
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10评论
良好的概述
作为制冷剂的二氧化碳概述不错，亚历克斯。你在一开始说了一句话，但那并不完全正确。
压缩气体使温度升高，膨胀则使温度降低。这并不等同于增加或减少热量，这两个过程分别发生在蒸发器和冷凝线圈中。是相变导致了热量的增加或减少，而不是压缩和膨胀。
为了使工作流体的温度足够高或足够低，压缩和膨胀是必要的，这样热力学第二定律就可以起作用。热量从高温流到低温。
几年前，我写了一篇关于蒸汽压缩(又名制冷)循环的详细解释:
寒冷的魔力
其他人也在关注二氧化碳
最近的一个kickstarter项目试图利用二氧化碳作为其工作流体。http://www.kickstarter.com/projects/1876426552/supercritical-co2-turbine-generator?ref=category
也许这两者可以结合起来。
三洋……
.．.已经在欧洲销售一种家用二氧化碳制冷剂空气转水热泵系统超过五年了:
http://www.elektricno-ogrevanje.si/db/file/SANYO_CO2_ECO_v2.pdf
http://www.transitionedinburghsouth.org.uk/blog/sanyo-co2-eco-air-source-heat-pump-operation
9千瓦的热输出(30,000 BTU/小时)对于一座巨型豪宅来说是很小的，但足够给美国气候5区(以及许多6区)的2500' IRC 2009代码最低的房子供暖。
除了对空调的需求(空对空R410A系统在这里更容易销售)，我不清楚是什么原因阻止了它们进入北美市场。
这并不是一项新技术，我预计它将在不久的将来取代R410A的许多应用，特别是在R410A作为温室气体受到更多监管之后，因为它的全球变暖潜能值(~2088倍CO2)甚至高于R22(~1810倍CO2)，以100年为基准。在欧洲，CO2已经取代HFC134a (~1400x CO2 GWP)成为汽车空调应用的新标准——更多这类技术即将问世。
马丁的下一篇文章……
Dana，如果这些三洋(现在是松下?)或类似的单位来到美国，马丁将可以写另一篇文章——“太阳能热(真的)死了”。
三洋二氧化碳热泵
丹娜,
几年前，我还看到了三洋关于这些住宅二氧化碳热泵的文献，但自从松下收购三洋后，我就没有看到过任何关于它们的东西。你知道这个二氧化碳热泵生产线在欧洲是否还在继续吗?
碳封存?
经常认为和听说碳封存是一种降低碳足迹的方法……
我想这在那个部门不会走得太远....？没有很多LBS的冷藏。在一个系统中……
而且/或者他们会制造二氧化碳放入这些容器中，而不是捕获…哈哈
但我认为在一个更大的商业应用中——如果安装在数百个地点，可能会略有意义。
高的T要求很有趣，围绕它设计会很有趣。
松下停止了三洋系统，保留了技术
看到的:http://www.r744.com/companies/view/panasonic(看起来只是商业应用)
不知怎的，我错过了那条生产线的停产。这项技术的部件仍然存在，但显然不再作为家庭供暖系统捆绑销售。松下在接管后不久就在欧洲推出了一款使用R410A的“Aquarea”空气对水热泵系统，与大金的Altherma空气对水热泵系统(也是R410A)直接竞争，这可能是停产的一个因素。看到的:http://www.pmcoppack.com/shop/datasheets/product_datasheets/Aquarea.pdf
SFAIK松下Aquarea也没有(尚未)在美国上市(但大金Altherma是)。
斯特拉斯克莱德大学(University of Strathclyde)工程系对三洋系统进行了一系列测试，其中的亮点可以在这里找到:
http://www.esru.strath.ac.uk/EandE/Web_sites/10-11/ASHP_CO2/introduction.html
http://www.esru.strath.ac.uk/EandE/Web_sites/10-11/ASHP_CO2/lit-sanyoEcoCute.html
效率呢?
我所看到的数据表明，在典型用途中，CO2的效率低于R410A。异丁烷似乎表现出更好的效果。
效率低下只是一个方面……
是的，对于低温系统，二氧化碳低于R410A和R22系统，但对于高温操作，这些HFC系统效率下降，二氧化碳具有非常明显的优势。设计高效的CO2热输送系统的问题之一是要求制冷剂循环上的delta-Ts大于25C，与纯蒸汽制冷剂系统相比，完全相变制冷剂不具有这一限制。
热泵前的辐射板
也许，如果二氧化碳需要一个更大的增量，将回流到基板后的辐射板中，以降低回流温度。
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