在環(huán)保的壓力下，空氣源熱泵領(lǐng)域的制冷劑替代進(jìn)程不斷推進(jìn)，自然工質(zhì)，如CO?將會成為市場主力軍。

隨著環(huán)保壓力的增加，國務(wù)院頒布了《消耗臭氧層物質(zhì)管理?xiàng)l例》，開始施行日為2010年6月1日。由表6-2可以看出，二氧化碳的全球變暖潛能值GWP為1，臭氧層消耗指數(shù)ODP為0，低于其他制冷劑。雖然R134a的臭氧層消耗指數(shù)ODP也是0，但它的GWP比CO?高出一千多倍。而且二氧化碳大部分是作為化工行業(yè)的副產(chǎn)品被生產(chǎn)出來的，如果使用它做制冷劑，就恰巧回收了廢物，而這部分廢物原本是要排向大氣的，那么這些二氧化碳的GWP就應(yīng)該為0。與CO?相比，氯、溴類制冷劑及其混合物不僅會增加溫室效應(yīng)，而且很有可能產(chǎn)生其他副作用，因此CO?在環(huán)境保護(hù)這方面的優(yōu)勢是顯而易見的。

隨著社會的發(fā)展，熱泵和空調(diào)的銷售量逐漸增長，隨之逐年增長的便是各種制冷工質(zhì)的需求量，所以在選擇和確定制冷工質(zhì)時(shí)就要慎重考慮環(huán)保的問題。由于自然工質(zhì)不會對人類賴以生存的地球環(huán)境造成威脅，自然而然受到極大關(guān)注。由此可見，CO?作為自然工質(zhì)，成了一種環(huán)境友好型的制冷劑。此外，二氧化碳的制冷效率較高，所以在以上的幾種常見制冷劑當(dāng)中，二氧化碳是空氣源熱泵比較適宜的制冷劑。

二氧化碳不易燃燒，分解后其產(chǎn)物是無毒的，在高溫情況下不會分解，所以它不會損害人的身體健康。但對于氟利昂類工質(zhì)（R134a、R22）而言，其分解產(chǎn)物大部分威脅環(huán)境的安全，例如，在太陽光的作用下，R134a的分解產(chǎn)物不僅僅有毒，而且還是加劇溫室效應(yīng)的酸性物質(zhì)。二氧化碳遇水則生成弱酸性物質(zhì)，會腐蝕普通金屬，長期腐蝕后，會對各種碳鋼類的普通金屬設(shè)備造成一定程度上的損害，致使設(shè)備在運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障，但不會損害不銹鋼和銅類金屬。當(dāng)輸送的CO?含水率小于8×10-6時(shí)，不會生成弱酸性物質(zhì)，因此不會對普通的碳鋼產(chǎn)生影響。

如圖所示，CO?臨界壓力較高，跨臨界二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行壓力最高可達(dá)10MPa，是常用CFC類和HCFC類制冷劑的7～8倍，因此必須考慮高壓下的安全運(yùn)行問題。在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)必須保證如果系統(tǒng)發(fā)生超壓則二氧化碳能夠快速泄放，所以系統(tǒng)中必須安裝安全閥或者泄壓閥。除此之外，還必須保證在特殊情況下的安全性，如果系統(tǒng)發(fā)生破裂時(shí)，制冷劑膨脹所釋放的能量和壓力波應(yīng)能夠通過安全通道釋放。但隨著焊接等技術(shù)的不斷發(fā)展，即便使用普通銅管，也可以滿足跨臨界CO?制冷壓縮循環(huán)的高壓要求。

幾種常見制冷工質(zhì)飽和狀態(tài)時(shí)壓力隨溫度的變化圖

CO?熱泵只需要消耗少量的電能而不需要其他燃料就可以獲取大量的熱能，所以熱泵在運(yùn)行過程中不會產(chǎn)生燃料泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，并且不會排放任何有害氣體、溫室氣體等。因此，CO?熱泵行業(yè)近年來發(fā)展迅速。

二氧化碳是一種自然工質(zhì)，來源廣泛，價(jià)格相對低廉，回收或再生操作與運(yùn)行的費(fèi)用也較低。此外，在我國的渤海灣、松遼、蘇北等多地發(fā)現(xiàn)了大量的CO?氣田，而且可利用的CO?儲量極大，其中黃橋CO?氣田、萬金塔CO?氣田等已經(jīng)開始開采利用。

相較于其他工質(zhì)的熱物性，二氧化碳相對較好，跨臨界循環(huán)的壓力偏高，這就要求有較小的壓縮機(jī)吸氣比體積；0℃時(shí)二氧化碳的制冷量是其他制冷劑的10倍左右，這一特性就使得系統(tǒng)設(shè)備的尺寸小了很多，降低了材料費(fèi)用，就此整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就相對緊湊，因而降低了熱泵前期的投資成本。

二氧化碳熱泵無需傳統(tǒng)燃料，這樣就減少了燃料費(fèi)及燃料運(yùn)輸費(fèi)和儲存費(fèi)，還有鍋爐修建費(fèi)和年檢費(fèi)；同時(shí)，空氣源熱泵的安裝位置沒有要求，可安裝在屋頂、陽臺、庭院、地下室等位置，不需要單獨(dú)機(jī)房，不占用永久性居住面積。此外，在人工操作方面也節(jié)省了一筆費(fèi)用。空氣源熱泵省去了冷卻水系統(tǒng)和冷卻塔、冷卻水泵、管網(wǎng)及其水處理設(shè)備，節(jié)省了這部分投資和運(yùn)行費(fèi)用。

從環(huán)保性、安全性、熱物性及經(jīng)濟(jì)性幾個(gè)方面可以看出，二氧化碳空氣源熱泵具備其自身的特殊優(yōu)勢，值得推廣。但即使如此，由于二氧化碳跨臨界循環(huán)的特殊性，即臨界壓力高和臨界溫度低，其自身的問題也就顯現(xiàn)出來了，那么傳統(tǒng)的系統(tǒng)及部件也就不符合二氧化碳跨臨界循環(huán)的要求，因而需要開發(fā)適合它的系統(tǒng)和部件。二氧化碳的臨界溫度是31.1℃，臨界壓力是7.4MPa。二氧化碳跨臨界系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，其高壓側(cè)的壓力很高，甚至可以達(dá)到10MPa以上。因此，為了保證跨臨界系統(tǒng)順利運(yùn)行，對于跨臨界系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備和零部件耐壓強(qiáng)度就有更大的要求，例如設(shè)備及零部件材料、構(gòu)造的承壓能力。確定的CO?空調(diào)系統(tǒng)換熱器最小爆裂壓力如表所示。

確定的CO?空調(diào)系統(tǒng)換熱器最小爆裂壓力

注：1bar=105Pa。