在世界大多数家庭的能量需求中，约有1/4~1/3来源于对热水的需求。日本在过去30年中，家庭对热水的需求量逐年上升，到1999年家用热水耗能已占家庭总耗能的34%[2]。因为在日最高温度低于0℃的寒冷地区，传统空气源热泵的制热量和效率随环境温度的降低下降很快，热泵的使用受到限制，主要应用燃油和电热热水器。由于CO2热泵热水器的低温性能良好，因此开发CO2热泵热水器市场前景广阔，意义重大。 日本家用CO2热泵热水器的研究开发现状
日本家用CO2热泵热水器的研究开发现状
在日本，CO2热泵热水器以其良好的节能生态性能赢得了“Eco Cute(生态精灵)”的称号。从2001年投放市场以来，销售量稳步上升。由于它价格较贵(超过5000美元)，从2002年10月开始采用政府补贴的办法促进销售。2003年日本CO2热泵热水器的产销量为7万套，预计到2010年将达到近50万套，市场发展十分迅速。根据制热量、水箱容量和地区适应性的不同，现今日本市场上有16种不同类型的CO2热泵热水器[3]。
日本电力工业中央研究院(CRIEPI)与东京电力公司(TEPCO)及DENSO公司的M. Saikawa，K. Hashimoto，K. Kusakari等人[4]合作于1998年9月开始进行CO2热泵热水器的基础理论研究，通过对其进行的性能计算及相应的循环特性理论分析，得出CO2热泵热水器的性能高于传统工质热磁的结论。
1999年，M. Saikawa，K. Hashimoto，K. Kusakari等人建起了CO2热泵热水器(8035100cm)原型机实验台。原型机的额定供热功率为4.5kW，所用压缩机为直流变频电动机驱动的半封闭涡旋压缩机，所用的膨胀阀由针阀和步进电机组成，可以将膨胀阀由关闭到完全打开分为400级，便于对膨胀阀开度的控制。在对原型机的性能测试中分别测了膨胀阀开度对系统性能的影响和膨胀阀开度对气体冷却器温度随供热量的变化轮廓的影响。空气热源的温度选取东京冬季23点到7点的平均温度值，这8个小时为用电低峰期，自来水温度8.3℃，热水温度65℃，结果表明：随膨胀阀开度的增大(80~160级)，压缩机出口压力下降，供热量下降，输入电功率下降，COP逐渐上升，膨胀阀开度增大到110级后趋于常数，约为2.7。膨胀阀的开度分别调为(90、110、149)级以进行对比，气体冷却器中CO2出口处与水入口处的温差由小变大，CO2随供热量变化的温度曲线拐点处温度与水的温度差由大变小，因为此时压缩机出口处的压力由高变低。2000年，他们又对原型机进行了改进，并在DENSO人工环境实验室按照东说冬季工况进行了测试。
改进型CO2热泵热水器：热泵单元(813164cm)，热水箱单元(9540130cm，200litters)。测试参数如下：空气热源温度3.3℃，自来水温度7.2℃，热水温度88.1℃，水流率0.783L/min，CO2压缩机的出口压力11.6MPa，入口压力2.9MPa，CO2质流率56.7kg/h，供热功率4.44kW，压缩机所耗电功率1.59kW，则COP为2.79。可见改进型CO2热泵热水器的性能系数比原来提高了不少。他们还在TEPCO(东京电力公司)对改进型CO2热泵热水器的全年平均性能系数进行了测算，结果表明包括风扇和水泵耗功在内的全年系统平均COP值仍可高达3.0，而且改进型系统在外界空气热源为零下20℃时，系统仍可提供高达90℃的热水。他们认为虽然该系统还需在细节上进行完善，但是技术开发已基本可以结束，市场前景广阔。2001年1月再次进行了改进，并且已于2002年推向市场。
日本三洋电器公司研发总部生态能源系统研究中心的Hiroshi Mukaiyama等人[5]研制了一台供热功率为4kW的家用CO2热泵热水器。他们采用带20~120Hz的变频电动机的双级滚动活塞压缩机，较有特色。室外热交换器因为要承受较高的压力，故采用外径7.0mm，壁厚0.8mm内壁光滑的铜管。为防止除霜后的水重新结冰，将从气体冷却器出来的高压工质通到室外蒸发器的底部，即使在日本较冷的地区(Hokkaido)测试也没有发现有重结冰现象发生。他们[6]在恒温室中对该系统在不同温度、湿度的性能进行了测试。计算结果表明CO2热泵热水器总有效温室效应指数(TWEI)比其它方式的热水器降低了近一半。在考虑供水泵和室外风扇耗功的情况下，系统年均供热COP随气体冷却器中热水出口温度的升高而下降，本文作者根据其实验结果拟合出公式：COPh=-0.0325t+5.632,t=[65℃~95℃]。
2002年，日本大金公司[7]推出了采用单级摆动转子式压缩机的CO2热泵热水器。系统额定耗功1.21kW，蒸发器置于室外，可提供65~90℃的热水，储水箱容量为300升/370升，其额定制热量4.5kW，标准状况下(室外空气温度16℃/12℃，进水温度17℃，出水65℃)COP可达3.72，噪声45分贝。同期，松下也推出了自己的水箱容量为370升的CO2热泵热水器。
