二氧化碳是熱泵系統工質替代中最有潛力的天然工質之一。二氧化碳跨臨界系統氣體冷卻器端的溫度滑移可以與變溫熱源較好的匹配，它在熱泵熱水器方面的應用具有其它供熱方式無法比擬的優勢。日本主要家電公司聯合科研院所紛紛對二氧化碳熱泵熱水器進行了深入的研究和開發，本文對其研究開發現狀進行了分析，總結了開了中存在的問題和關鍵技術。結果表明二氧化碳熱泵熱水器與電或燃氣熱水器相比較具有較高的性能系統（COP），其商業開發已經初步開始，市場前景極為廣闊。
1 引言
二氧化碳作為製冷工質具有一些獨特的優勢：對環境無害的自然界天然存在的物質（ODP=0，GWP=1）；優良的經濟性，且無回收問題；良好的安全性和化學穩定性，二氧化碳安全無毒，不可燃，適應各種潤滑油及常用機械零部件材料，即便在高溫下也不分解產生有害氣體；具有與製冷循環和設備相適應的熱力學性質，二氧化碳的蒸發潛熱較大，單位容積製冷量相當高；具有良好的輸運和傳熱性質，二氧化碳優良的流動和傳熱特性，可顯著減小壓縮機與系統的尺寸，使整個系統非常緊湊。由於二氧化碳的臨界溫度很低（304.21K），因此二氧化碳的放熱過程不是在兩相區冷凝，而是在接近或超過臨界點的區域的氣體冷卻器中放熱。在二氧化碳跨監界製冷循環中，其放熱過程為變溫過程，有較大的溫度滑移。這種溫度滑移正好與所需的變溫熱源相匹配，是一種特殊的勞倫茲循環，當用於熱泵循環時，有較高的放熱系統，如圖1所示。在超臨界壓力下，二氧化碳無飽和狀態，溫度和壓力彼此獨立，能夠實現滿足實際需要的多種控制策略。當蒸發溫度、氣體冷卻器出口溫度保持恆定時，隨著高壓側壓力的變化，循環系統的COP存在最大值，通過優化調節可節省壓縮功。與常規製冷劑相比，二氧化碳跨臨界循環的壓縮比較小，約為2.5~3.0，可以提高壓縮機的運行效率，從而提高系統的性能係數。所以前國際製冷學生主席G.Lorentzen[1]認為二氧化碳是無可取代的製冷工質，並提出跨臨界循環理論，指出其可望在熱泵領域發揮重要作用。
二氧化碳熱泵熱水器的熱力學分析
在世界大多數家庭的能量需求中，約有1/4~1/3來源於對熱水的需求。日本在過去30年中，家庭對熱水的需求量逐年上升，到1999年家用熱水耗能已佔家庭總耗能的34%[2]。因為在日最高溫度低於0℃的寒冷地區，傳統空氣源熱泵的制熱量和效率隨環境溫度的降低下降很快，熱泵的使用受到限制，主要應用燃油和電熱熱水器。由於二氧化碳熱泵熱水器的低溫性能良好，因此開發二氧化碳熱泵熱水器市場前景廣闊，意義重大。2 日本家用二氧化碳熱泵熱水器的研究開發現狀
在日本，二氧化碳熱泵熱水器以其良好的節能生態性能贏得了「EcoCute（生態精靈）」的稱號。從2001年投放市場以來，銷售量穩步上升。由於它價格較貴（超過5000美元），從2002年10月開始採用政府補貼的辦法促進銷售。2003年日本二氧化碳熱泵熱水器的產銷量為7萬套，預計到2010年將達到近50萬套，市場發展十分迅速。根據制熱量、水箱容量和地區適應性的不同，現今日本市場上有16種不同類型的二氧化碳熱泵熱水器[3]。
日本二氧化碳熱泵熱水器的市場預測
日本電力工業中央研究院（CRIEPI）與東京電力公司（TEPCO）及DENSO公司的M.Saikawa，K.Hashimoto，K.Kusakari等人[4]合作於1998年9月開始進行二氧化碳熱泵熱水器的基礎理論研究，通過對其進行的性能計算及相應的循環特性理論分析，得出二氧化碳熱泵熱水器的性能高於傳統工質熱磁的結論。1999年，M.Saikawa，K.Hashimoto，K.Kusakari等人建起了二氧化碳熱泵熱水器（8035100cm）原型機實驗台。原型機的額定供熱功率為4.5kW，所用壓縮機為直流變頻電動機驅動的半封閉渦旋壓縮機，所用的膨脹閥由針閥和步進電機組成，可以將膨脹閥由關閉到完全打開分為400級，便於對膨脹閥開度的控制。在對原型機的性能測試中分別測了膨脹閥開度對系統性能的影響和膨脹閥開度對氣體冷卻器溫度隨供熱量的變化輪廓的影響。空氣熱源的溫度選取東京冬季23點到7點的平均溫度值，這8個小時為用電低峰期，自來水溫度8.3℃，熱水溫度65℃，結果表明：隨膨脹閥開度的增大（80~160級），壓縮機出口壓力下降，供熱量下降，輸入電功率下降，COP逐漸上升，膨脹閥開度增大到110級后趨於常數，約為2.7。膨脹閥的開度分別調為（90、110、149）級以進行對比，氣體冷卻器中二氧化碳出口處與水入口處的溫差由小變大，二氧化碳隨供熱量變化的溫度曲線拐點處溫度與水的溫度差由大變小，因為此時壓縮機出口處的壓力由高變低。2000年，他們又對原型機進行了改進，並在DE
