图片来源:Mayekawa
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为我们的出版物研究和撰写建筑产品环境建设新闻在过去的二十多年来，我有机会涵盖一些迷人的突破性产品和技术。几个星期前我写的一种这样的技术是使用二氧化碳作为热泵的工作流体。
但是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，在冷却或加热空间时将热量从一个地方转移到另一个地方。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——所以它是一种将热量从一个地方转移到另一个地方的方法。
当这种压缩和扩展周期导致相变（将其从液体转换为气体或反之亦然），可以吸收和释放显着的热量。
制冷剂问题
在过去的35年里，制冷剂受到了抨击——因为它们对保护地球臭氧层的影响以及它们的全球变暖潜力(GWP)。HCFC-22 (R-22)是一种氢氯氟烃，长期以来一直是最常用的制冷剂。但根据保护地球臭氧层的国际条约，它正在逐步淘汰。
这是一件好事，因为R-22都是一个重要的臭氧渗透表和显着的温室气体。已替代HCFC-22的HFC（氢氟碳）制冷剂从臭氧耗尽立场（臭氧耗尽电位或ODP为0），但它们仍然是非常显着的温室气体（高GWP）。
使用二氧化碳作为制冷剂
HCFC和HFC制冷剂引起了人们对其他可作为制冷剂的化学物质的兴趣，其中之一就是二氧化碳(CO2)。日本人非常关注基于二氧化碳的热泵，一家日本公司，梅斯卡川几年来，该公司一直在北美销售商用二氧化碳热泵。
Mayekawa提供了三种不同的二氧化碳热泵ecocute.水对水热泵Unimo空-水热泵（PDF下载）和西罗科水 - 空气热泵。（产品名称，Ecocute，从日本人出现了一点点僵硬。“Eco”在美国的“生态”是短暂的，而“可爱”是来自日本人的“可爱”kyA«助教，意思是“供应热水”。）术语“Ecocute”是一般的，一系列日本制造商在一起，其开发努力由政府和电汇Tepco提供资金。
Mayekawa的三个热泵都有25千瓦的电机，所以它们比家庭用的热泵要大得多。
高效率是此类系统的重要益处;它们在约4.0的性能系数（COP）的系数下运行。如果它们被配置为提供空间冷却，除了热水（只是水 - 水和空气到水模型），COP可以高达8.0。
高输出的温度
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。他们能做到这一点的确切原因很复杂，而且与二氧化碳是“跨临界”制冷剂有关，不像其他制冷剂那样完全改变相——我在这里就不详细讲了，尽管我在关于Mayekawa热泵的文章我为八月刊写的文章环境建设新闻(需要订阅BuildingGreen.com)。
EcoCute水到水热泵和Unimo空气到水热泵可以产生高达194°F的水-远高于标准热泵产生的温度。这是很重要的，因为这使得它们可以进行循环(踢脚板热水)加热。就像我的朋友、能源工程师马克·罗森鲍姆(Marc Rosenbaum)告诉我的那样，如果这项技术能够负担得起，它将是一个“游戏规则改变者”。
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运作。这是供应和返回温度之间的加热环中的温度差异。
标准的气体或燃油锅炉可以为液体加热提供180°F水，并在通过底板辐射器输送其热量之后在150°F的温度下返回水中的水。因此，锅炉必须从150°F到180°F将水“提升”。这对基于二氧化碳的热泵来说是不够的。Ecocute需要最小约45°F的升力功能。
较高的压力
另一个挑战是二氧化碳制冷剂循环的工作压力远远高于标准的蒸汽压缩循环设备。在蒸发器一侧，压力可达600磅/平方英寸(psi)，而在气体冷却器(取代标准压缩循环设备中的冷凝器)，压力可达1500至1800磅/平方英寸。
更高的压力以及需要更坚固(和更昂贵)的组件来控制压力，减缓了基于二氧化碳的热泵的发展。
二氧化碳热泵的未来
据我所知，一些流行的微型热泵制造商正在开发住宅级二氧化碳基热泵，这些热泵目前正在进行测试。
这将是令人着迷的看到什么出现。让我兴奋的是，这种热泵增加了利用太阳能发电替代燃烧化石燃料来满足我们更多能源需求的潜力。当然，这是有挑战的，但这些产品可以帮助我们过渡到太阳能的未来。
亚历克斯是BuildingGreen公司．《纽约时报》执行主编环境建设新闻．2012年，他创立了弹性设计研究所．要跟上亚历克斯的最新文章和想法，你可以注册他的Twitter账号．
10评论
良好的概述
很好地概述了二氧化碳作为制冷剂的作用，亚历克斯。不过，你一开始就说了一件事，那不太正确。
压缩气体会使温度升高，膨胀气体会使温度降低。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盘管中。是相变导致了热量的增加或减少，而不是压缩和膨胀。
压缩和膨胀是必要的，以使工作流体的温度足够高或足够低，以便热力学第二定律可以接管。热量从较高的温度流向较低的温度。
几年前，我写了一篇关于蒸汽压缩(又称制冷)循环的详细解释:
寒冷的魔力
其他人也在寻找二氧化碳
最近kickstarter上的一个项目试图利用二氧化碳作为它的工作流体。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......
．..已经在欧洲销售了超过五年的住宅二氧化碳制冷剂空气-水热泵系统:
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
在9千瓦的热输出(30000 BTU/hr)，这是一个小的一侧的豪宅，但足以加热~2500' IRC 2009 code-min房屋在美国气候区5(和许多在6区)。
对我来说，除了对空调的需求之外，我对北美市场留下了什么，这对他们来说是什么，除了对空调的需求（空运到空中的R410A系统，在这里是一个易于卖点。）
这不是新的技术，我希望它能够在不太遥远的未来中取代R410A的许多应用，特别是在R410A变得更加受制于温室气体之后，因为它的GWP（〜2088x CO2）甚至高于R22（〜1810x）CO2）在100年的基础上。二氧化碳最近已成为欧洲新标准位移HFC134A（〜1400倍二氧化碳GWP），用于汽车空调应用 - 更多这项技术即将到来。
马丁的下一篇文章…
Dana，如果那些三洋(现在是松下?)或类似的单位来美国，马丁将能够写另一篇文章——“太阳能热(真的)死了”。
三洋二氧化碳热泵
丹娜,
几年前，我也看到了三洋关于这些住宅二氧化碳热泵的文献，但自从松下收购了三洋之后，我就没有看到任何关于它们的文献。你知道这个二氧化碳热泵生产线在欧洲是否已经继续?
碳封存?
经常思考和听到碳封存作为一种降低碳足迹的方法等等。
我想这在那个部门不会有太大的影响....？不是很多磅的冰箱。在一个系统…
而且/或者他们会把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程序上，如果安装在数百个位置，可能会有轻微的影响。
高的T要求很有趣，围绕它进行设计会很有趣。
松下停止三洋系统，保留了这项技术
见：http://www.r744.com/companies/view/panasonic(看起来仅适用于商业应用)
不知怎么的，我错过了那条生产线的关闭。这种技术仍然存在，但显然不再作为家庭供暖系统捆绑销售。松下有一个竞争的“Aquarea”空气到水热泵系统使用R410A在欧洲推出后不久，以直接竞争大金的Altherma空气到水热泵系统(也R410A)，这可能是一个因素，在停止。见：http://www.pmcoppack.com/shop/datasheets/product_datasheets/Aquarea.pdf
sfak松下Aquarea还没有在北美市场销售(但大金Altherma是)。
斯特拉斯克莱德大学工程学系对三洋系统进行了一系列测试，其中的重点可以在这里找到:
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，对于典型用途，CO2产生的效率低于R410A。异丁烷似乎表现出更好的结果。
较低的效率只是一个方面......
是的，在低温系统中，CO2低于R410A和R22系统，但在较高温度的操作中，当HFC系统效率下降时，CO2具有非常明显的优势。设计高效的CO2热传递系统的一个问题是，制冷剂回路的delta-Ts要求大于25℃，完全相变制冷剂与纯蒸汽制冷剂系统相比，不存在这个限制。
热泵前的辐射板
也许如果CO2需要更大的增量，则在仓库后将返回返回到辐射面板中放弃返回温度。
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