《推动热泵行业高质量发展行动方案》指出，需加大跨临界 CO2热泵技术的研发力度。因此提高能效和绿色环保是目前制冷热泵领域的重要发展方向。

      使用 CO2等自然工质是制冷剂替代的可靠方案。自然工质 CO2因其良好的热力学和输运性质，成为具有应用前景的制冷剂之一。然而，当用于房间供暖时，较高的回水温度导致跨临界CO2热泵系统的节流损失大、能效偏低，制约了其推广应用。机械过冷技术是提升 CO2热泵供暖系统能效的可靠方案。一些专家学者在该领域做了大量的理论和实验研究。R290 作为自然工质的代表性制冷剂，其ODP、GWP均为零，但存在可燃性，须限制其充注量。
　　
　　近日国内有研究采用 R290 作为机械过冷循环制冷剂的CO2热泵供暖系统的实验台，对其运行特性进行了测试和分析，可为跨临界CO2热泵系统的能效提升提供实验参考。


      由跨临界 CO2子系统（主循环）、R290 机械过冷子系统（辅助循环）、水路系统、数据采集系统以及控制系统5部分组成。跨临界CO2子系统包括CO2压缩机、油分离器、气体冷却器（以下简称：气冷器）、高压电子膨胀阀、CO2储液罐、低压电子膨胀阀、蒸发器和气液分离器。R290 机械过冷子系统包括 R290 压缩机、冷凝器、R290储液罐、R290电子膨胀阀和过冷器。主循环和辅助循环通过过冷器进行耦合，系统设备技术参数如下表所示。


      CO2进入压缩机被压缩至超临界状态，进入气体冷却器加热热水，冷却后的CO2流入过冷器进一步冷却，而后依次流经高压电子膨胀阀、储液罐和低压电子膨胀阀变为气液两相流体，流入蒸发器吸收体积进入压缩机，主循环完成。CO2 的初始充注量为4580g。
　　
　　R290 被压缩机吸入压缩至过热气，进入冷凝器加热热水，过冷后的 R290 进入膨胀阀节流后进入过冷器，冷却从气体冷却器流出的 CO2流体，而后变为过热气进入压缩机，辅助循环完成。R290 的初始充注量为812g，满足IEC标准规定。


       通 过 PLC（可 编 程 逻 辑 控 制 器 ，programmable logic controller）控制系统输出4~20 mA电流信号调节高、低压电子膨胀阀的开度，分别对 CO2排气压力和蒸发器过热度进行控制。通过 PID（比例-积分-微分，proportional-integral-derivative）闭环自动控制调节水路加热冷却系统调节气冷器和冷凝器的进口水温控制精度为±0. 5 ℃，且2个热汇侧的恒温水箱分别控制气冷器和冷凝器水路的进口水温。通过变频器改变R290压缩机频率以调节CO2过冷度。
　　
　　分别对常规CO2热泵系统（baseline system，Base）和 R290机械过冷 CO2热泵系统（dedicated mechanical subcooling system，DMS）进行了测试。测量仪器的量程范围和不确定度如表 2 所示。设定的测试工况如表 3 所示，供回水温差固定为 20 ℃，CO2蒸发温度为5 ℃，CO2和R290的过热度均控制为5 ℃，控制精度为±0. 5 ℃。对于Base系统，需进一步调节其排气压力，其控制精度为±0. 03 MPa；对于 DMS 系统，除了排气压力，还需通过调节 R290 压缩机频率以进一步调节其过冷度。


      结果表明，系统存在最优排气压力和最优过冷度。在蒸发温度为5 ℃，供回水为50/30 ℃工况下，最大COP为3. 89，最优排气压力和过冷度分别为8. 4 MPa和17. 3 ℃。随着供回水温度的升高，DMS和Base系统最大COP均呈逐渐降低趋势，DMS系统相对Base系统的COP提升率逐步增大，对应的最优排气压力也逐步增大。DMS系统的COP高于Base系统，最优排气压力低于Base系统。当供回水温度从50/30 ℃升至58/38 ℃时，COP提升率从9. 6%提高至16. 7%，R290压缩机与CO2压缩机的功耗比呈现近似增加的趋势，由21. 0%提高至27. 7%。

     卡士妥34E系列CO2高压电子膨胀阀，其最高工作压力可以达到140Bar，最大开启压差也达到了90Bar。除了实现蒸发器膨胀阀的功能外，其还可应用于CO2系统的气冷器出口压力调节阀；闪发气体旁通的降压膨胀阀。卡士妥还创新的在膨胀阀体上增加了一体式的组合球阀，以便于在系统断电等阀体无法执行时可手动截止。

    卡士妥在二氧化碳系统阀件发展过程中，始终是头部的二氧化碳机组厂商和项目方案提供商，在客户不断优化系统设计的同时，卡士妥也在不断更新改进和推出更适用于新设计方案的产品，保持跟整个行业最前沿的发展方向同步前进。