當前環境問題已成為一個重要的全球問題，其中臭氧層破壞和溫室效應問題引起人們高度重視。傳統的熱泵熱水器以氟利昂作為工質，不符合環保要求，而人工合成的制冷劑又可能對環境造成潛在的、不可預知的危害。因此，開發環保意義上的熱泵熱水器具有重要價值。
熱泵熱水器是以消耗少部分電能為代價，通過熱力循環，將環境介質水、地熱源、空氣等儲存的能量加以發掘利用，用來生產熱水。CO2作為自然工質，以其環保性、經濟性、安全性、優良的傳熱特性、大單位容積制冷量等綜合優勢，成為熱泵工質的首選。由于其較低的臨界溫度，循環一般處于跨臨界狀態下運行。所謂跨臨界循環就是壓縮機的吸氣壓力低于臨界壓力，但是排氣壓力高于臨界壓力，工質在高壓側換熱主要通過顯熱交換完成，其蒸發溫度低于臨界溫度，循環吸熱過程仍在亞臨界條件下，換熱依靠潛熱，高壓側溫度和壓力相互獨立，使得系統多了一個自由度或者可控參數。相較于常規亞臨界循環，CO2跨臨界循環中氣體冷卻器所具有的較高排氣溫度和較大溫度滑移正好和冷卻介質的溫升過程相匹配，溫差不可逆損失減小，有利于提高系統性能，非常適用于家用水的加熱。而且CO2跨臨界循環的容積膨脹比為2~4，是常規工質的1/10，膨脹功約占壓縮功的20％~40％，將其回收用于驅動壓縮機，可以輔助提高系統效率。
本項目開發的是一種較大容量跨臨界二氧化碳熱泵系統，由離心壓縮機、氣體冷卻器、透平膨脹機、蒸發器等主要部件構成。該系統具有供熱系數高，結構緊湊，生產熱水溫度高，膨脹比小，膨脹功大的特點。采用透平膨脹機回收膨脹功，可有效減少節流損失，提高系統COP值及效率。系統采用離心壓縮機，具有體積小、振動噪音小、氣量大且供熱集中的優點。所以，本項目所開發的二氧化碳熱泵循環系統，不但在環境保護方面具有很大優勢，而且節能潛力非常大，所以市場應用前景廣闊。
產品性能優勢：
項目組通過研究自行建立了跨臨界二氧化碳熱泵系統的數學模型，對系統各部件進行了數學建模；計算確定了系統各狀態點的熱力參數，研究了各參數的取值范圍，以及各參數對系統COP及效率的影響規律；采用多目標優化方法對系統進行優化，確定了最優參數組合，使得系統COP及效率達到最高。
系統中的離心式壓縮機，采用兩級壓縮、中間冷卻的設計方案，對壓縮機進行了詳細設計。通過對系統的研究確定透平膨脹機的進出口參數，編制膨脹機熱力設計計算程序，設計了膨脹機蝸殼、噴嘴、工作輪、擴壓器的基本幾何參數。對壓縮機和膨脹機建立了三維模型，數值計算網格模型，并進行數值計算分析，對葉片流道及工作輪流道進行優化，獲得高效的壓縮機和膨脹機方案。
由于二氧化碳的臨界溫度只有31.1℃，臨界壓力為7.38MPa，它的臨界溫度通常低于空調和熱泵系統的排氣溫度，因此本系統采用跨臨界循環模式。而冷卻放熱的高壓側壓力高達9~11MPa，低壓側壓力在3MPa左右，節流部分壓差高達6-8MPa，結合近臨界區二氧化碳特殊的熱物性和傳輸性，所以常規二氧化碳跨臨界循環系統性能并不高，提高整個系統性能的關鍵在于降低節流部分的損失。本項目采取兩級壓縮以及單級膨脹回收膨脹功的方式來提高系統性能，可以獲得高性能的跨臨界二氧化碳熱泵系統。
市場前景及應用：
本項目主要應用于城市居民或企業大規模供熱系統，以及低溫熱源的再利用和能源回收等系統。由于二氧化碳的特性，以及跨臨界系統循環的特性，本項目研制的熱泵系統有供熱熱水溫度較高，系統結構緊湊簡潔，占地面積小，可以代替熱水鍋爐進行采暖和生活熱水供應，也可用于汽車空調的研發。二氧化碳熱泵目前來說是一個新生事物，但是由于工質以及循環特性，有較高的研究價值和應用前景。
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