Комплексный обзор и анализ водонагревателей с тепловым насосом на CO₂

В контексте Монреальского протокола CO₂ рассматривается как подходящий природный хладагент с нулевым потенциалом разрушения озонового слоя (ODP) и потенциалом глобального потепления (GWP), равным единице. Водонагреватель с тепловым насосом на CO₂ (HPWH) способен обеспечивать горячее водоснабжение при относительно высоком коэффициенте преобразования (COP) и потреблять значительно меньше энергии, чем полностью электрические или газовые водонагреватели. В настоящем исследовании рассматриваются и анализируются существующие системы CO₂ HPWH в промышленном и бытовом секторах; низко- и высокотемпературные системы классифицируются по температуре подачи теплоты — ниже и выше 80 °C соответственно. Также обобщаются значение и особенности существующих систем CO₂ HPWH. Кроме того, обсуждаются ограничения производительности современных систем CO₂ HPWH с учетом согласования температурного скольжения, а также технических ограничений, связанных с компрессорами CO₂ и теплообменниками. Из-за резкого изменения теплоёмкости CO₂ в зависимости от температуры и давления процесс теплообмена между сверхкритическим CO₂ (sCO₂) и водой ограничивается точкой сближения температур. Согласование температурного скольжения можно улучшить путем оптимизации параметров как на стороне CO₂, так и на стороне воды, применения зеотропных смесей хладагентов либо добавления новых устройств или циклов к существующей системе CO₂. Еще одним способом повышения производительности системы является увеличение давления или температуры нагнетания; однако современные поршневые компрессоры CO₂ имеют верхние пределы температуры и давления нагнетания, составляющие соответственно 140 °C и 140 бар, а также ряд ограничений, связанных с теплообменниками. В связи с риском разложения смазочного масла в компрессоре описаны два типа безмасляных компрессоров — турбокомпрессоры и спиральные компрессоры. Однако установлено, что турбокомпрессору трудно обеспечить конкурентоспособную эффективность при высоком давлении, тогда как в спиральном компрессоре наблюдается значительная утечка потока.