欧美热泵发展历程

欧美热泵发展史摘要：简要介绍热泵空调系统在欧美地区的发展历史，以及各种类型热泵的使用及技术改进。关键词：空气源热泵水源热泵地源热泵美国欧洲发展随着工业革命的发展，19世纪初，人们对能否将热量从温度较低的介质“泵”送到温度较高的介质中这一问题发生了浓厚的兴趣。热泵的理论起源于十九世纪早期法国科学家萨迪.卡诺(Sadikarnot),卡诺在1824年首次以论文提出“卡诺循环”理论，30年后，英国科学家开尔文(L.Kelvin)于1850年初提出:冷冻装置可以用于加热,之后许多科学家和工程师对热泵进行了大量研究。1852年,W.Thomson教授(即大家熟知的LordKelvin勋爵)发表论文，他指出制冷机也可用于供热并第一个提出了热量倍增器(HeatMultiplier)的概念，首次描述了热泵的设想。1912年瑞士的苏黎世成功安装一套以河水作为低位热源的热泵设备用于供暖，这是早期的水源热泵系统，也是世界上第一套热泵系统。霍尔丹(Haldane)于1927~1928年实现了热泵供暖，在他的伦敦办公室和埃斯科的住宅安装了热泵系统，其工质为氨，用空气为热源，共室内采暖及水加热用。霍尔丹的热泵已发展到了较高的技术水平，可以认为这一装置是现代蒸汽压缩式热泵的真正原型。同时，在他的论文中，已经认识到通过简单的切换制冷循环来实现现装置在冬季供热，夏季制冷的可能性。20世纪30年代，热泵首次进入商用阶段，并在20世纪40年代到50年代早期得到迅速发展，家用热泵和工业建筑用的热泵开始进入市场，热泵进入了早期发展阶段。在美国，1930年，阿里萨拉州特斯康的一间房间采用热泵供暖方式。尤其1931年，洛杉矶一幢13层的办公大楼配备了一套1628kW的制冷装置，主要用于冷却办公室，但其中1/4的能量用于供暖。1937~1940年该公司在四幢大楼内安装了热泵。其他公司于1934~1940年在美国东部为8幢大楼配了热泵。1936~1940年间在加利福尼亚还安装了5台热泵。1935年左右一些私人住宅实现热泵采暖。1938年在洛杉矶同时安装了20台装置。在1940年前美国已安装了约50台热泵。在此期间，一些制冷设备制造商已经认识到热泵作为家用空调与供暖设备的市场潜力和重要性。美国开始工厂化装配热泵空调机组，最早的工厂化装配机组起源于盖尔森(Galson),它提出的全年运行空调机组的方法至今仍用于美国。1938年，洛杉矶的塞梅多电器制造公司造了20台配有3马力压缩机的空气/空气热泵机组，安装于单元住宅，收到了好的效果。1940年威斯汀豪斯公司制造了第一台用于供暖和供冷的便携式机组，用空气做热源。虽然该机组还没有融霜系统，但已经用了首次大批生产的制冷剂循环换向阀。在瑞士，1938年苏黎世市政厅安装了供热热泵；1939年在大型建筑物内安装了热泵的空调系统。采用透平式压缩机，以泉水作为低温热源。20世纪40年代，美国开始对热泵有了进一步的认识。到1948年小型空气源热泵的开发工作有了很大的进展，家用热泵和工业建筑用热泵大批投放市场。到20世纪50年代，美国市场上开始出现以地下水或者河湖水作为热源的地源热泵系统，并利用它来实现采暖，但由于采用的是直接式系统，很多系统在投入使用10年左右的时间由于土壤中化学物质腐蚀等问题就失效了，地下水源热泵系统的可靠性受到了人们的质疑。与此同时，欧洲也开始了研究地源热泵的第一次高潮，但由于当时的能源价格较低，这种系统并不经济，因而未得到推广。由此热泵的发展进入低潮。土壤耦合热泵在英国和美国于1950年左右问世，一些家庭用热泵开始采用地下埋管作热源，并开始了土壤耦合热泵的研究工作。但是由于这个时期能源价格低、土壤源热泵系统的投资高，使得这种系统并不经济，且由于计算复杂、土壤对金属地下埋管的腐蚀等原因，土壤源热泵系统的早期研究高潮持续到20世纪50年代中期将就基本停止了。在20世纪50~60年代初(1952~1963)这十年中，由于家用空气/空气热泵可以把这制冷与采暖合用一套装置，而热泵若在电力充足而电能价格又便宜的地区使用时，其运行费用低。因此，用户对热泵产生兴趣，家用空气/空气热泵在美国市场上取得了相当大的成功。美国1952年约出厂1000套热泵，1954年产量翻一番，约生产2000套热泵，1957年则增长到10倍，而到1963年发货量增加到76000套/年。20世纪60年代和70年代初期，热泵因其可靠性低和设备费用高几乎毁坏了空气源热泵工业。又因60年代电价持续下降，电加热器以其可靠性和额滴电费吸引着人们，使电加热器的应用不断增加，成了热泵发展的主要对手，限制了热泵的发展，空气源热泵工业进入了10年左右的徘徊状态。尽管如此，在此期间全世界范围内还是扩大了热泵的应用。瑞典、法国等国家生产了以室外空气为热源的小型家用热泵，至于大型热泵装置，则越来越与商业和公共建筑的热回收方案结合起来。20世纪70年代至80年代初，能源危机的出现，热泵又以其回收低温废热、节约能源特点，又受到人们的关注。通过改进,水源热泵机组扩大了进水温度范围，加之欧洲板式换热器的引进，闭式地下水源热泵逐渐得到广泛应用。与此同时，人们也开始关注土壤源热泵系统。在美国能源部(DOE)的支持下，美国橡树山(OakRidgeNationalLaborato-ry,ORNL)和布鲁克海文(BrookhavenNationalLaboratory，BNL)等国家实验室和俄克拉荷马州立大学(OklahomaStateUniversity,OSU)等研究机构进行了大量的研究。主要研究工作集中在地下换热器的传热特性、土壤的热物性、不同形式埋管换热器性能的比较研究等。为了解决土壤中化学物质腐蚀问题，地埋管也由金属管变成了聚乙烯等塑料管。至此，美国进行了多种形式的地下埋管换热器的研究、安装和测试工作。而当时欧洲经济共同体(EWG)和欧洲自由贸易联盟(EFTA)都在致力于通过太阳能的研究来解决能源问题，直到第二次石油危机之后，欧洲才开始关注热泵系统，逐步引入了利用室外空气、通风系统中的排气、土壤、地下水等为热源的热泵机组，与美洲不同，欧洲的热泵系统一般仅用来供热或提供生活热水。20世纪80年代，美国和欧洲一些国家迎来了热泵发展的新时期。在80年代，热泵技术日益进步，热泵设计在理论和技术的问题几乎都已解决，热泵的可靠性大大提高，而且用户对热泵的了解与认识日益深刻，各国政府及公用事业也采取措施以推动热泵的发展。正因为这样，空气源热泵在美国的应用非常普及，尤其在住宅，美国在此期间开始用空气/空气热泵代替空调机。欧洲在80年代，由于住宅用空调还不普及和能源价格问题，其热泵市场有限。但是欧洲一些国家致力于大型热泵装置的研究，主要用于集中供热或区域供热。在此期间，瑞典建立了一批以湖/海水、地下水为热源的大型热泵站，1982年丹麦建造了最早的海水源热泵供区域供热。另外，在20世纪80年代里，世界各国对土壤耦合热泵的研究工作和学术交流十分活跃，同时不算扩大了应用范围。但是土壤耦合热泵系统直到20世纪80年代后期才在商业、民用建筑的空调设计中采用。截至1985年，美国共有14000台地源热泵，瑞典有6000套大地耦合热泵。20世纪90年代，人们普遍开始重视节能与环境问题，许多国家把推广应用热泵作为节能、开发与利用低温自然能，减少CO2排放的一种有效技术手段。因此，热泵技术在一些国家又开始了一个快速成长期。美国的土壤耦合热泵供暖与供冷是发展最快的工业之一，仅1944~1945年土壤耦合热泵的应用从18%发展到30%，1997年后每年以10%的速度稳步增长。欧洲一些国家由于采取积极的促进政策，使得欧洲热泵市场得到快速发展，1997年欧洲发展基金会重新提出热泵发展计划。这期间，欧美地源热泵的研究工作十分活跃，其研究的热点依然集中在土壤源热泵的地下埋管换热器的换热机理、强化传热等方面，与前阶段的研究不同，最新的研究更多地关注相互耦合的传热、传质模型，以便更好的模拟地下埋管的真实换热；研究物性更好的回填材料，以强化埋管在土壤中的导热过程；为进一步优化系统，而研究埋管换热器与热泵装置的匹配问题，从而使土壤源热泵的应用和发展进入了一个新的发展阶段。进入21世纪后，美国地源热泵的使用量随着建筑规模的扩大也逐渐增加。美国地源热泵年平均增长率保持在15%以上。从2005年到2007年美国地源热泵呈现快速增长趋势，截至2009年，美国在运行的地源热泵系统约为100万套。在欧洲，地源热泵系统在瑞典、奥地利、德国发展的数量比较多，整体容积量比较大，丹麦、希腊的平均机组容量最大。而且瑞典以每年安装约4万套地源热泵系统，居欧洲第一，除瑞典外，德国、