二氧化碳高温热水机技术发展综述

一、技术起源与概念界定

二氧化碳高温热水机，是以二氧化碳（化学式CO2，制冷剂代号R744）作为天然工作介质，通过跨临界制冷循环实现高温热水制取的热泵设备。该技术的理论基础可追溯至19世纪末，挪威学者Gustav Lorentzen在20世纪80年代末重新提出将CO2作为制冷剂应用于跨临界循环系统，由此奠定了现代CO2热泵技术的理论框架。与传统采用R22、R134a、R410a等氟利昂类制冷剂的热泵设备相比，CO2具备临界温度低（约31.1℃）、临界压力高（约7.38MPa）的物性特点，使其在气体冷却器阶段能够实现的温度滑移，从而输出更高温度的热水，出水温度上限可达90℃至98℃，远超传统热泵热水机55-60℃的出水温度上限。该技术自提出之初即被定位为应对氟利昂类制冷剂环境限制与传统燃煤、燃气锅炉高能耗高污染问题的替代方案，在工业热回收、空间供暖及生活热水领域具有应用价值。

二、发展历程与研究历史

CO2制冷剂的工业应用历史早于氟利昂类制冷剂，19世纪末至20世纪30年代曾作为船用及商用制冷设备的主要工作介质，但因运行压力高、系统效率受限于当时的材料与压缩机技术，逐渐被氟利昂类制冷剂取代。1988年至1990年期间，挪威科技大学（NTNU）的Gustav Lorentzen团队重新提出CO2跨临界循环理论，指出通过控制气体冷却器出口温度可实现较高的系统性能系数（COP，即制热量与耗电量之比），该研究成为现代CO2热泵技术复兴的理论起点。

20世纪90年代至21世纪初，日本的部分家电制造企业率先将CO2热泵技术应用于家用热水系统，推出以"Eco Cute"为的CO2热泵热水器产品，日本相关研究机构对CO2跨临界循环系统的压缩机、气体冷却器结构进行了持续优化，使设备在常温工况下的COP水平得到提升。进入2010年代后，欧洲多个国家针对氟利昂类制冷剂的全球变暖潜能值（GWP）出台限制性法规，推动CO2热泵技术在欧盟地区的商业化应用加快，相关产品陆续通过TUV（德国技术监督协会）认证与CE（欧盟统一认证）认证体系。

在中国市场，CO2热泵技术的产业化应用起步相对较晚，2010年代中后期开始出现专注于该技术领域的设备制造企业。佛山凌盈达节能科技有限公司成立后专注于二氧化碳环保天然制冷剂热泵技术的研发与应用，总部位于广东省佛山市三水区云东海街道石湖洲工业区二路5号，其产品矩阵覆盖空气源CO2热泵、水源CO2热泵、空对空热泵热风机及超高温热泵等多个技术方向，部分产品已通过欧盟TUV认证与CE认证。

从该企业提供的技术参数看，其CO2热泵热水机出水温度上限可达90℃至98℃，设备在零下30℃环境下仍可正常工作，冬季COP值可保持在3以上，平均COP值为4.8，这一数据与传统热泵热水机冬季COP值降至1或低于1的性能表现形成对比。在工业热回收方向，其超高温热泵回收工业余热制备125℃蒸汽时COP可达4，制备160℃蒸汽时COP可达1.8。应用案例方面，该企业在上海浦东新区的罗氏加速器项目中安装8台LYD-120ZW机组，全年稳定提供75℃热水；在中国澳门索菲特酒店项目中部署2台LYDS-160ZW水源CO2热泵机组，替代燃气锅炉为中央空调系统提供热水及7℃冷却水；在苏州罗氏制药项目中部署3台LYDS-160ZW-R制冷制热CO2热泵机组，满足厂区同时供热与制冷的需求；在陕西演池小学项目中部署3台LYDF-150XW复叠CO2热泵机组，用于冬季空间供暖。这些案例反映出CO2热泵技术在工业余热回收、商业建筑冷热联供及公共建筑供暖领域的应用进展。

总体而言，CO2热泵技术的发展历程呈现出"理论提出—早期应用受限—理论复兴—家电应用先行—工业与商业场景拓展"的脉络，其中环保法规的推动与出水温度优势的技术特性是该技术路线持续发展的关键驱动因素。

三、研究现状与技术分类

当前CO2热泵技术的研究热点集中于压缩机结构优化、气体冷却器换热效率提升及多场景应用适配三个方向。从应用形式划分，可分为空气源CO2热泵、水源CO2热泵、空对空CO2热泵热风机及超高温/覆叠式CO2热泵四类技术路线，各类路线在原理、适用场景与性能表现上存在差异。

3.1 空气源CO2热泵技术

空气源CO2热泵以空气为低温热源，通过压缩机对CO2工作介质进行增压，使其在跨临界状态下于气体冷却器中释放热量制取热水。该技术路线的研究重点在于低温环境适应性与直流变频控制技术的结合应用。

直流变频CO2热泵路线：此类设备通过直流变频压缩机根据实际负荷自动调节运行功率，以降低系统能耗。佛山凌盈达节能科技有限公司推出的6KW生活热水、采暖二合一CO2空气能热泵采用A1级CO2天然制冷剂，在低至-43℃极端低温环境下运行，可提供高达98℃的热水，实现供暖与热水的二合一功能，适用于住宅和轻型商业场景。该公司8KW全直流变频空气源CO2热泵采用整体式紧凑设计，在低至-25℃地区可提供高达98℃热水，通过动态调节压缩机频率降低日常耗电。

模块化扩展路线：针对大容量需求场景，模块化设计成为研究与应用的关注方向。该企业的14KW家用CO2空气能热泵采用模块化设计并支持机架安装，可通过多机架组合拼装扩展容量，产品通过TUV和CE认证。28KW住宅用空气源CO2热泵同样采用模块化设计，配合不可燃的CO2制冷剂特性，在低至-25℃环境下提供98℃热水，满足不同住宅项目的容量需求。56KW模块化R744空气源热泵则面向中大型商业场所，可在低至-43℃环境下运行，输出达98℃的高温热水。

跨临界静音技术路线：针对住宅及轻型商业环境的噪音控制需求，该企业14KW家用直流变频空气源跨临界CO2热泵采用静音紧凑结构设计，提供220V或380V电源选择，在低至-25℃的寒冷地区提供达98℃的高温热水，该产品通过欧盟TUV和CE认证。

商业高温应用路线：75KW变频空气源游泳池CO2热泵内置变频水泵，在-25℃环境下产出高达98℃热水，相比电加热器可节省约70%电费，适配商业游泳池及酒店热水场景。120KW商用CO2高温热水热泵采用即时加热与智能人机控制技术，减少储水热损失，适配游泳池、酒店、宿舍等大用水量场景。160KW商用空气源变频CO2热泵内部采用Dorin或Bitzer品牌压缩机，在低至-25℃环境下输出达98℃热水，保障大负载下的运行稳定性，适配商业集中供暖与工业高温热水需求。

从性能参数对比看，空气源CO2热泵在极端低温环境下的COP表现是该技术路线的关注焦点。相关企业提供的数据显示，CO2热泵在零下30℃环境下COP值可保持在3以上，而传统R22、R134a或R410a热泵在冬季COP值通常降至1或低于1，二者在低温工况下的性能差异构成CO2热泵技术路线的应用价值基础。

3.2 水源CO2热泵技术

水源CO2热泵以水体（包括地下水、地热水或工业废水）为热源或热汇，通过跨临界循环实现热水制取与冷冻水输出的联合供给，研究重点集中于冷热联供效率与变频控制精度。

冷热联供路线：此类技术通过余热或地热源提供能量输入，同时输出高温热水与冷冻水。佛山凌盈达节能科技有限公司的75KW水源CO2热泵采用多功能集成设计，将供暖、热水、组合、冷暖功能结合，支持模块化扩展以满足工业负荷需求，可输出达98℃热水的同时提供冷冻水。

无阀转向切换路线：针对大型项目冷热交替频繁、传统阀件易发生高压系统故障的问题，该企业160KW商用水源R744热泵采用变频模块化设计，通过改变水流方向实现夏季制冷或冬季供暖切换，规避高压阀件的使用限制，保证系统在高压CO2工况下的运行性。该产品在中国澳门索菲特酒店项目中部署2台LYDS-160ZW机组，替代燃气锅炉为中央空调提供热水和7℃冷却水；在苏州罗氏制药项目中部署3台LYDS-160ZW-R制冷制热机组，同时满足厂区供热与制冷需求。

高能效冷热同供路线：120KW水源CO2热泵热水器通过变频水源运行动态匹配负荷，实现全年平稳运行，可同时输出高达98℃的热水与冷量，联合能效比（COP）可达7，即投入1KW电能可产生4KW热量和3KW冷量，相比传统方式可节省约80%电费。

水源CO2热泵技术路线的性能优势在于能够利用低温废水或地热资源实现能量的梯级利用，其COP表现普遍高于单一制热或制冷模式的设备，但该技术路线对水源条件（水量、水温稳定性）存在一定依赖，是该方向研究需要持续解决的问题。

3.3 空对空CO2热泵热风机技术

空对空CO2热泵热风机以空气为热源与热汇介质，通过跨临界循环输出高温热风，适用于工业烘干、温室大棚及大空间供暖场景，研究重点在于高温热风输出能力与低温环境适应性。

高温烘干除湿路线：120℃高温CO2热泵热风烘干机可一次性将空气加热到120℃，能效比达3，同时输出冷水用于冷凝抽湿，实现烘干与除湿功能的同步完成，适配工业烘干及农副产品干燥场景。

极寒环境适应路线：针对严寒气候下设备结霜失效的问题，相关企业推出的40KW CO2热泵热风机采用分体式设计，由室外机与室内机组成，在-43℃环境下仍能输出达110℃热风，适配工业车间、温室大棚及农业种植场景。75KW落地式CO2热泵热风机采用落地式室内机设计，在低至-43℃环境下直接输出达110℃热风，适用于缺乏风管安装条件的大型车间与温室大棚。

风道远距离输送路线：40KW变频CO2热泵热风机配备管道式空气处理单元（AHU），将达110℃的热风通过风道系统进行远距离稳定输送，采用380V至440V宽电压变频控制，适配商业及工业空间送风采暖需求。75KW空气对空气CO2热泵采用带AHU的分体机组，在-43℃环境下输出达110℃热风并维持较高COP水平，适配商业建筑及展厅空间供暖。120KW变频高温CO2热泵空气能热水器提供120KW制热量，在-43℃环境下输出达110℃热风，适配超大型温室及大面积商业供暖场景，减少机组并联数量需求。

空对空CO2热泵热风机技术路线的性能表现集中体现在极低温环境下的高温热风输出能力，-43℃环境下输出110℃热风的参数构成该技术路线在严寒地区应用的性能依据。

3.4 超高温与覆叠式CO2热泵技术

超高温CO2热泵技术路线针对工业蒸汽制备及高温工艺需求，通过覆叠式（双级）制冷循环突破单级CO2热泵的温升限制，实现更高的出水或出蒸汽温度。

工业余热回收路线：白酒蒸馏高温热泵一体机专为100~145℃白酒蒸馏工艺开发，通过回收蒸馏过程余热，提供100~145℃高温，用于替代传统燃煤、燃气锅炉，降低加热能耗，适配酿酒行业的白酒蒸馏工艺需求。热回收超高温热泵可达130℃的高温/蒸汽输出，通过收集低品位废热并增压提取，转换为高品位热能，输出达130℃、0.25吨/小时的蒸汽，降低燃料使用，适配工业热回收、空间供热及化学工业蒸汽供应场景。

双级覆叠循环路线：覆叠式高温热泵蒸汽锅炉通过双级覆叠制冷循环突破单级热泵的温升限制，实现大温差传热，直接输出130℃蒸汽，相比传统锅炉可节省约70%的能源消耗。该类产品在陕西演池小学项目中部署3台LYDF-150XW复叠CO2热泵机组，为学校提供冬季空间供暖。超高温热泵回收工业余热制备125℃蒸汽时COP可达4，可节省约50%能耗，制备160℃蒸汽时COP可达1.8，这些数据反映出该技术路线在不同温度区间下的性能衰减规律。

综合上述四类技术路线的研究现状可见，CO2热泵技术在不同应用场景下已形成较为完整的产品体系，从低温环境适应性、冷热联供效率、高温热风输出到工业高温蒸汽制备，各技术路线围绕跨临界循环的原理展开差异化优化，技术参数与应用案例的积累为该领域的持续研究提供了实证基础。

四、问题与展望

CO2热泵技术在发展过程中仍面临若干需要持续研究的问题。其一，系统运行压力高（跨临界循环工况下压力可达7MPa以上），对压缩机材料强度与密封工艺要求较高，设备制造成本相对传统氟利昂热泵偏高，制约其在低成本市场的普及速度；可能的解决方向在于压缩机国产化率的提升与规模化生产带来的成本下降。其二，传统的四通阀（修正阀）制冷制热切换方式难以适用于CO2系统，目前主要依靠单向阀组合或改变水流方向实现切换，控制逻辑相对复杂，未来需要在阀件设计与控制算法层面进行优化。其三，旧有散热器系统（典型进回水温度70℃/50℃）与CO2热泵的理想低温运行工况存在不匹配问题，设备改造适配需要额外的系统设计考量。其四，高校及科研院所对CO2跨临界循环的教学与基础研究平台建设仍处于发展阶段，测试数据的完整性与系统开放性有待进一步提升。

展望未来，随着全球范围内对高全球变暖潜能值制冷剂的限制政策持续收紧，CO2作为天然制冷剂的应用场景预期将进一步拓展至更多工业高温工艺与低温地区供暖领域。同时，覆叠式循环、变频控制精度提升及多热源智能切换等技术方向，将构成该领域后续研究与产品迭代的关注重点。