目前流行于日本，是使用二氧化碳为工质的新一代热泵！

随着蒙特娄议定书与京都议定书的发展，HCFC的替代技术愈来愈受到重视，

因此如何选用适当的冷媒与使用较节能的设备，便成为目前刻不容缓的议题。

冷媒在冷冻空调与热泵系统中扮演工作流体的角色，而理想的冷媒应具备稳定的化性与惰性，

且拥有良好的热传特性与流体流动的性质。

此外，它必须与其它物质相容、与润滑油互溶、无毒、成本低及符合环保的特性。

当然，并非所有的物质都符合这些特性，因此许多不同种类的冷媒开始发展

并应用于HVAC&R的系统中。随着冷媒的发展与蒙特娄议定书的管制，

使用的冷媒由CFC、HCFC到HFC，虽已渐渐不再严重威胁我们生存的环境，

但不可否认的是，我们的环境仍受所使用的冷媒种类所影响。

CO2的特点

在CFC尚未问世前，自然冷媒在冷冻空调系统中扮演着重要的角色。

CO2在地球上是取之不尽、用之不竭的自然物质，早在二十世纪初就已

使用在工业与渔业的冷冻系统中，冷媒代号为R-744。

CO2具有高容积比的体积冷冻能力特性，与HCFC-22相比较高出约5倍，

因此在系统的尺寸上可大幅缩小。表1为CO2的特性，表2为CO2与R-134a热力性质比较。

由于CO2具有较小的表面张力与液态黏滞度，而较小的表面张力促成气泡的形成，

因此产生较高的热传系数；另外，较小的液态黏滞度将使CO2在管道中的压力降较小。

其它的特点包括：

（1）不破坏臭氧层。

（2）全球暖化潜势（GWP）为1。

（3）取得容易（可从工业废气中取得），成本极低。

（4）对人体健康与居住环境无短、中、长期之害处，故不需回收或再处理。

（5）无毒且不会分解出刺激性物质。

（6）不可燃（Non-Flammable）与不会爆炸（Non-Explosive）。

（7）极佳的热力性质。

（8）CO2冷媒系统可使用传统的矿物类润滑油。

（9）CO2系统在一般夏季外气条件之散热过程为穿越临界点或超越临界点的过程，因无实际上的冷凝现象，故散热用热交换器，称之为气体冷却器。

（10）对相同的气体冷却器出口温度而言，压缩机吐出压力愈高则制冷能力愈大。

（11）压缩比低。当R-134a之冷凝温度50℃，蒸发温度0℃时，压缩比为4.3；而CO2气体冷却器出口温度37℃，蒸发温度0℃时，压缩比为2.6。同时，压缩机的压缩比降低，压缩过程可更接近等熵压缩而使效率提升。

（12）气体冷却器的渐近温度（approach temperature）比R-134a的10~15°K小许多。

（13）相同体积的蒸发器，CO2的管径小、管排数多。

（14）因为系统压力大，CO2于蒸发器中之冷媒分布较均匀。

（15）气体密度高，可降低使用的管路与压缩机尺寸，而使系统重量减轻、结构紧凑、体积小。

CO2热泵热水器

热泵热水器为供给家用热水、空调暖气、加热进入室内的冬季寒冷外气、

锅炉供水预热或其他制程，是相当具有效率与经济效益的方法。

热泵热水器的优点包含减少加热所需之天然气与燃料用量

以及减少冷凝器散热至外界的热污染，其应用对象包括：

中温热水（40~60℃）需求大、冷气需求小（或不需要）的场所，

锅炉用户（补给水预热），住宅、宿舍、有淋浴设施的运动场所，

医院、旅馆和温泉区有热水与再加热的需求场所。

温带至寒带国家由于日常生活热水需求量大，以日本为例，

家用热水的能源消耗占家庭能源支出的30%，且大多是采用热水锅炉。

高纬度国家对于臭氧层破坏、全球暖化等议题特别重视，因此诸如欧洲、

日本等较先进的开发国家便极力发展CO2热泵热水器。

“ECO Cute”CO2热泵加热器

电子式热泵水加热器”ECO Cute”使用自然冷媒CO2，

这是一种高效率的水加热系统，这也使得该类技术越来越受重视。

这个技术的制造技术重要时期－”ECO Cute”在水加热器领域受到高度的期望，

因为该类加热器的热源多半是油、瓦斯或电力。

”ECO Cute”成为受到注目的产品，这是由于它在政府及工业界间的定位，

它减少了CO2是保护环境产品，符合京都议定中的全球暖化潜势。

由于它具有高效率的优点，日本政府由2002年10月开始补助”ECO Cute”产品的开发，

所以它将会在2003年大幅度的成长。

尽管”ECO Cute”的初始成本比传统的电子式水加热器高，

但是主要的成本仅在产品研发的前五年。更进一步来说，

”ECO Cute”藉由热泵的原理已达到高能源效率的成果(COP超卨3.0)。

因此，采用”ECO Cute”的产品已经可以预期可达到全球环境保护的重要目标。

”ECO Cute”也俨然成为家电业的重要指标，它不但解决寻找新能源的问题，

更使得它的发展更往前迈进了一大步。当日本政府于2002年10月开始补助”ECO Cute”的研发，

它就已经大幅度的漫延开了。使用与热泵空调的相同原理，

CO2热泵水加热器使得由开放空间的空气中吸收热来加热水更有效率。

自然冷媒CO2所具备的高效率，它具有使水加热到90℃而不影响

0、20、40、60、80、100、120、140、1000个交换单元的能力。

在2001、2002、2003、2004、2005年的”ECO Cute”市场预测中，

它具有保护环境的因素在内。”ECO Cute”比过去使用氟碳化物冷媒的热泵具有更佳的能力

（传统的热泵仅能加热到60℃）。如同热泵空调机一般，它具有一个户外机

（热泵单元），利用压缩机压缩冷媒．并有效地吸收开放空间空气中的热，

将热传至热水储存槽加热。

目前已有三家制造商制造该类热泵系统，包括Denso、Daikin、Sanyo。Denso提供

其它制造商OEM，Daikin则制造完全属于他们的产品，Sanyo则试图拓展

”ECO Cute”的多样化商品的目标。这些制造商努力的使”ECO Cute”

的商品被称为全电气化商品的一部份。当使用夜间的低成本电力，则驱动时的成本将降的更低

CO2系统的瓶颈

由于CO2系统穿越了临界点的热力特性，因此在设计上有许多待突破的技术，包括：

（1）由于其工作压力高于传统许多，而且吸排气的压差与温差皆颇大，因此压缩机之各部零件的机械结构、压缩室的防泄漏设计、传动轴上的轴承选用、高压环境的润滑油与油路设计、吐出口部位的排气阀设计等，均应特别注意。

（2）应用于密闭型压缩机时，耐高压的马达结构、高启动负荷的马达选用、低马达转子惯性、小体积高扭矩及高效率的马达性能等设计，皆是不可忽略的。

（3）如何在小管径、高质量流率的CO2冷媒流动时，提高热传效率。例如设计出高热传效果的管排型式与空气流路、强化吸排热风扇的风速与风量等为热交换器设计时应注意的事项。

（4）其他如因高压系统之动态特性掌控、高压负荷运转之振动噪音的防制，也是研究CO2压缩机所需面临之重要技术课题。

结论

CO2所具备的高效率是有目共睹的，伴随着加工技术的成熟，

使用CO2这类高压的自然冷媒不再是遥不可及。在保护环境的相关法令下，

寻求另一解决冷媒需求的途径是刻不容缓的。由其他国家在相关领域的发展中，

不难发现，在安全许可的考量下，使用自然冷媒可充分改善当前替代冷媒

的问题，不但提升相关技术与促进产业升级，更重要的是使环境不再受到危害。