Тепловой насос с использованием диоксида углерода в качестве хладагента

Исследуя и описывая продукты, касающиеся строительной отрасли, для нашего издания Environmental Building News в течение последних двадцати с лишним лет, я имел возможность охватить некоторые интересные прорывные продукты и технологии. Одной из таких технологий, о которой я ​​писал несколько недель назад, является использование углекислого газа в качестве рабочей жидкости для тепловых насосов.

Но позвольте мне вернуться немного назад в контексте хладагентов. Это жидкости, используемые в холодильниках, кондиционерах и тепловых насосах, для передачи тепла от одного места к другому при охлаждении или нагревании пространства. Это оборудование «парокомпрессионного цикла» использует принцип, что при сжатии газ поглощает тепло, а при расширении он отводит тепло — так что это способ перемещения тепла из одного места в другое.

Поскольку цикл сжатия и расширения приводит к изменению фазы (превращая жидкость в газ или наоборот), может быть поглощено и высвобождено большое количество тепла.

Проблемы с хладагентами
В последние 35 лет хладагенты находятся под огнём критики — как за их воздействие на защитный озоновый слой Земли, так и за их потенциал глобального потепления (GWP). HCFC-22 (R-22), гидрохлорфторуглерод, долгое время был наиболее распространённым хладагентом. Но в настоящее время его использование прекращается в соответствии с международным договором по защите озонового слоя Земли.

И это хорошо, так как R-22 является и сильным разрушителем озона, и сильным парниковым газом. Хладагенты HFC (гидрофторуглероды), которые заменили HCFC-22, намного лучше с точки зрения разрушения озона (потенциал разрушения озона, или ODP, равен 0), но они всё ещё очень заметные парниковые газы (высокий GWP).

Использование CO₂ в качестве хладагента
Эти проблемы с HCFC и HFC привели к интересу к другим химическим веществам, которые можно использовать в качестве хладагентов, одним из которых является двуокись углерода (CO₂). Японцы сосредоточили значительное внимание на тепловых насосах на основе CO₂, и одна японская компания, Mayekawa, занимается в Северной Америке продажей в промышленных масштабах тепловых насосов на основе CO₂ в течение нескольких лет.

Mayekawa предлагает три различных CO₂ тепловых насоса, водо-водяной тепловой насос EcoCute, тепловой насос воздух-вода Unimo и водо-воздушный тепловой насос Sirocco. (Название продукта, EcoCute, получилось из комбинации слов. «Эко» является сокращением от «экологический» в США, в то время как «cute» происходит от японского kyūtō , что означает «поставка горячей воды»). Термин «EcoCute» используется обобщённо рядом японских производителей, чьи усилия в области разработки финансировались правительством и коммунальной компанией TEPCO.
Все три тепловых насоса Mayekawa имеют двигатели в 25 кВт, поэтому они значительно больше, чем тепловые насосы, используемые для домов.
Высокая эффективность является важным преимуществом таких систем, они работают с коэффициентом полезного действия (СОР) около 4,0. Если они настроены, чтобы обеспечить охлаждение пространства в дополнение к горячей воде (только модели вода-вода и воздух-вода), СОР может достигать 8,0.

Более высокие выходные температуры
С точки зрения производительности, большим отличием тепловых насосов на основе CO₂ является то, что они могут производить гораздо более высокую выходную температуру. Почему именно они могут это делать — это сложно для понимания и связано с тем, что CO₂ является «транскритическим» хладагентом и не в полной мере изменяет фазу, как другие хладагенты — я избавлю вас здесь от подробностей, хотя я объяснил это в статье о тепловых насосах Mayekawa, которую я написал для августовского номера (требуется подписка на BuildingGreen.com).

Тепловые насосы вода-вода EcoCute и воздух-вода Unimo могут производить воду с температурой до 194°F (90°C) — намного горячее, чем производимая стандартными тепловыми насосами. Это имеет большое значение, потому что это делает их жизнеспособными для гидравлического (плинтусного) отопления. Как мой друг и инженер по энергетике Марк Розенбаум, P.E., сказал мне, если это может быть сделано по доступной цене, то это «изменит правила игры».

Одной из проблем с тепловыми насосами на основе CO₂ является то, что они нуждаются в довольно большом подъёме температуры при эксплуатации. Это разница температур в тепловом контуре между подающей и обратной температурами.

Стандартные газовые или мазутные котлы могут обеспечить воду для плинтусного отопления с температурой 180°F (82°С), и вернуть воду в контур с температурой 150°F (66°С) после доставки её тепла через плинтусные радиаторы. Таким образом, котёл должен «поднять» воду от 150°F до 180°F. Для теплового насоса на основе CO₂ этого подъёма недостаточно. Для эффективного функционирования EcoCute требуется подъём минимум около 45°F.

Более высокое давление
Другой проблемой является то, что циклы с хладагентом CO₂ работают при гораздо более высоком давлении, чем борудование со стандартным парокомпрессионным циклом. На стороне испарителя давление может составлять приблизительно 600 фунтов на квадратный дюйм, а в охладителе газа (который заменяет конденсатор устройства со стандартным циклом сжатия), давление может быть от 1500 до 1800 фунтов на квадратный дюйм.
Более высокое давление и потребность в более надёжных (и более дорогих) компонентах замедлило развитие тепловых насосов на основе CO₂.

Будущее тепловых насосов на основе CO₂
Я заключаю, что несколько производителей мини-сплитов — тепловых насосов развивают тепловые насосы на основе CO₂ для жилых помещений, и что эти тепловые насосы в настоящее время проходят тестирование.

Будет интересно посмотреть, что получится. Что возбуждает меня в том, что такие тепловые насосы повышают потенциал обеспечения большинства наших энергетических потребностей за счёт использования электроэнергии, вырабатываемой солнечными лучами в качестве альтернативы сжиганию ископаемого топлива. Есть проблемы, конечно, но такие продукты могли бы помочь нам перейти в будущем к солнечной энергетике.

Алекс является основателем BuildingGreen, Inc. и исполнительным редактором Environmental Building News (https://www.buildinggreen.com/ecommerce/ebn.cfm). В 2012 году он основал Resilient Design Institute (http://www.resilientdesign.org/). Чтобы не отставать от последних статей и размышлений Алекса, вы можете подписаться в его Твиттере.
http://twitter.com/atwilson