０ 引言

 

  熱泵技術于１８５４年提出之后，經歷了曲折的發展過程，目前已進入了全面高速發展階段，尤其在能源危機和全球變暖的環境壓力下，熱泵技術成為了各國關注的焦點，對各類熱泵技術的研究、應用及推廣也上升到了一個持續關注的高度。由國際能源組織熱泵中心（ＩＥＡ Ｈｅａｔ Ｐｕｍｐ Ｃｅｎｔｒｅ）主辦的國際能源組織熱泵大會（簡稱國際熱泵大會）每三年舉行一次，是國際熱泵界的最高學術會議。

 

  會議匯集了全球熱泵技術研究與應用進展以及市場的最新信息。參會各國普遍關注的均為當前熱泵技術發展的熱點，同時討論熱泵技術未來的發展趨勢。第１０屆國際熱泵大會在日本舉行，會議的主題為“Ｔｈｅ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｆｏｒ ａ Ｌｏｗ Ｃａｒｂｏｎ Ｗｏｒｌｄ”。

 

  筆者對本次大會參會論文進行綜述，總結目前國際熱泵發展的熱點，并對國際熱泵發展的趨勢和研究方向進行分析。

 

  １ 熱泵市場發展分析

 

  回顧熱泵技術在世界范圍內的發展歷程，每一次熱泵技術的發展都與能源緊密關聯，因此，在礦物能源匱乏的歐洲和日本，熱泵技術的研究和發展一直處于領先地位。圖１為瑞士、德國和芬蘭近年來的熱泵市場變化情況，圖２為日本的熱泵市場變化情況。可以看出，從２０世紀９０年代至今，熱泵發展總體處于上升趨勢，尤其是進入２１世紀后，更是增速顯著。這與熱泵技術的發展和各國能源環境的壓力是分不開的，同時熱泵市場的發展也與各國經濟發展水平息息相關。

 

  從圖１可以看出，德國和芬蘭的熱泵市場發展在２００８年處于頂峰，之后的兩年均有不同程度的下滑；只有瑞士２０１０年的數據勉強與２００９年持平。這是由全球性的經濟衰退影響造成的，由于各國的能源政策及價格出現了變動，而各類熱泵系統的初投資高于常規系統，因此經濟的下滑直接影響了熱泵市場走向。

 

  與熱泵市場不斷發展相對應的是熱泵制造技術的不斷進步和熱泵性能的不斷提升。圖３給出了日本各類熱泵機組性能系數ＣＯＰ 的逐年變化曲線，可以看出，當前熱泵機組的性能與十幾年前相比均有了較大幅度的提升，尤其對于２．２ｋＷ 的房間空調器來說，提升幅度超過９０％。

 

  熱泵技術應用規模的不斷擴大，推動了熱泵產品能效水平的不斷提升，高能效的熱泵產品由于更具節能、環保優勢又作用于市場，使規模進一步擴大，當前熱泵技術已進入一個循環促進、良性發展的階段。

 

  ２ 地源熱泵技術發展分析

 

  ２０世紀７０年代之前，地源熱泵受初投資高、當時的能源價格低等多種因素的影響，一直發展遲緩，在經歷了之后的能源危機后，才重新受到人們的重視。尤其在進入２１世紀后，經十幾年發展，各國地源熱泵的應用規模不斷擴大。圖４為地源熱泵在美國、加拿大、法國和瑞士的應用規模變化情況。由圖４可見，地源熱泵應用發展迅猛，相關研究工作也十分活躍。總結本次大會的論文，發現地源熱泵技術研究的焦點集中在以下幾個方面。

 

  ２．１ 豎直地埋管換熱器的數值模擬及新型換熱器研究Ｊａｌａｌｕｄｄｉｎ等人利用計算流體力學（ＣＦＤ）技術，對單Ｕ、雙Ｕ 和多管的豎直地埋管換熱器，在連續運行與間歇運行兩種工況下進行了模擬分析和實驗驗證，得到的模擬結果與實驗數據可以較好地吻合，且３種豎直地埋管換熱器在２２ｈ的運行周期內，間歇運行比連續運行的換熱率分別提高了１７．１％，２２．５％和１６．５％［１］。Ｆａｎ Ｒｕｉ等人用模擬方法研究了土壤導熱系數、地下水流速、豎直鉆孔參數及運行策略對地埋管換熱量及出水溫度的影響，并進行了線性及非線性回歸，為地源熱泵的簡化設計提供了思路［２］。Ａｃｕｎａ等人研發的新型地埋管換熱器由一個絕熱中心管和若干個周圍細管組成，他們對沿管深方向的流體溫度分布進行了測量，結果證明周圍細管為吸熱主體，且與中心管間無熱短路發生［３］。Ｇｒｕｎｉｇｅｒ等人研發了一種以ＣＯ２為介質的虹吸式地埋管換熱器，并對其流體特性和傳熱特性進行了模擬，計算得出其季節性能系數可比傳統地埋管提高１５％～２０％［４］。

 

  ２．２ 復合式地源熱泵系統研究

 

  Ｏｏｋａ等人將太陽能、土壤能和空氣源等多種能源方式結合作為熱泵的低溫熱源，模擬計算其與傳統熱泵系統的能耗差別，結果顯示多源熱泵系統夏季最大可減少電力消耗４４％，冬季可減少３９％［５］。Ｋｕｒｍａｎｎ等人針對采用太陽能、蓄熱與地源熱泵相結合系統的單體居住建筑采用遺傳算法進行優化模擬設計，實測結果顯示熱泵短期效率得到了大幅提升，同時也驗證了不合理的運行策略是導致系統能效下降的主要原因［６］。Ｗａｋａｙａｍａ等人基于實際運行數據對樁基短期蓄能地源熱泵系統進行研究，結果顯示，白天供冷與夜間供生活熱水的運行模式可使地源熱泵系統取得更高的效率［７］。潘玉亮等人以北京地區別墅建筑為例，對地源熱泵與太陽能復合系統進行了模擬，模擬結果顯示，當地埋管換熱器換熱能力不足時，采用復合系統可以明顯改善系統性能［８］。

 

  ２．３ 地源熱泵系統的ＳＰＦ（系統性能系數）及能效的研究Ｚｏｔｔｌ等人指出計算系統邊界直接影響著測量計算ＳＰＦ 參數所需的裝置，提出了測量指導方法及對測試裝置的精度要求，同時通過對１０個實際地源熱泵項目的測試驗證了指導方法［９］。

 

  Ｅｄｗａｒｄｓ等人建立了地源熱泵的數學模型，在循環水泵均為定流量情況下計算ＳＰＦ，結果顯示輔助元件的能耗在總能耗中占很大比例。同時，在供冷、供熱時，部分負荷情況下ＳＰＦ 值均有所下降［１０］。Ｋａｔｓｕｒａ等人對采用多聯機及變流量控制的地源熱泵系統進行了３年的實測研究，證實變流量與定流量系統相比可以使循環水泵的電耗降低約８０％，使ＳＰＦ 值達到４．５１［１１］。肖龍等人提出了系統化的地源熱泵設計方法，強調在地源熱泵設計全過程中合理科學地應用設計軟件的必要性，采用系統化的方法可以大大提高地源熱泵設計的合理性、可靠性［１２］。

 

  ３ 空氣源熱泵發展分析

 

  空氣源熱泵的低溫熱源隨處可得，且空氣源熱泵具有安裝使用方便，運行管理簡單，初投資相對較低等特點，因此得到了廣泛應用，尤其在能源危機之后更是得到了大力推廣。但是隨著室外環境溫度的降低，空氣源熱泵的性能受到較大影響，在應用中也存在著許多問題，因此當前空氣源熱泵的研究多集中在以下幾個方面。

 

  ３．１ 空氣源熱泵在低溫下應用的研究

 

  Ｍｉｎｅａ提出了一種采用丙烷鍋爐作為輔助熱源的變速空氣源熱泵系統，該系統可以解決北美地區傳統空氣源熱泵電輔助加熱造成的高峰用電緊張問題，同時將低溫環境下空氣源熱泵的平衡點溫度由－５ ℃降低至－９ ℃［１３］。Ｎｏｇａｗａ等人在標準房間中應用變頻雙壓縮機空氣源熱泵，針對低溫環境部分負荷工況進行了模擬和實測研究，實測結果表明ＣＯＰ 可達到２．６［１４］。Ｗａｎｇ Ｗｅｉ等人在北京地區極端天氣下對空氣源熱泵進行了連續８０ｈ的監測，以研究其低溫特性，結果顯示當室外氣溫為－１１℃時機組ＣＯＰ 可達到２．２１，供熱量滿足要求；同時指出誤除霜和頻繁啟停是影響供熱穩定性的主要原因［１５］。Ａｂｄｅｌａｚｉｚ等人對熱泵在美國的應用作了總結，對熱泵在低溫地區應用時可采取的措施進行了歸納分析，并針對美國市場提出了低溫地區應用高效熱泵機組的建議［１６］。

 

  ３．２ 空氣源熱泵的除霜研究

 

  Ｋｗａｋ等人通過測試肋片管的結霜厚度和結霜量來分析影響多肋片管結霜的因素，研究顯示其與空氣流量和肋片表面溫度相關［１７］。Ｏｌｔｅｒｓｄｏｒｆ等人指出空氣／水熱泵機組每年的除霜耗電量占熱泵總耗電量的５％，解決這一問題的途徑是采用蓄熱自然循環除霜來代替電除霜，電能僅作驅動能源。并針對制冷能力為２ｋＷ 的機組設計了流量分配及除霜方案，使蒸發器具備同時利用兩種熱源的能力［１８］。Ｂｙｒｎｅ等人對空氣源熱泵兩相熱虹吸管除霜技術進行了研究，該空氣源熱泵系統有空氣／制冷劑和水／制冷劑兩個蒸發器，在兩個蒸發器間設熱虹吸管，回收制冷循環過冷熱用于除霜，模擬結果表明系統ＣＯＰ 可提高１２％［１９］。Ｗａｎｇ Ｗｅｉ等人對新型光電傳感器在空氣源熱泵除霜控制中的應用進行了研究，結果表明光電傳感器可以顯著延長除霜時間間隔，避免誤除霜現象，可使測試機組ＣＯＰ 提高８％［２０］。

 

  ３．３ 空氣源熱泵的能效研究

 

  Ｍｏｒｔａｄａ等人研發了采用迷你流道換熱器的小型熱泵機組，減少了傳統空氣源熱泵配置高于建筑負荷需求造成的能源浪費，并對應用Ｒ１２３４ｙｆ和Ｒ１３４ａ兩種制冷劑的示范項目進行了能效水平研究［２１］。Ｇａｓｓｅｒ等人通過模擬和實驗研究，得出了通用有效的設計準則，通過控制壓縮機和風機以實現空氣／水熱泵系統的高效性、可靠性和經濟性。

 

  研究結果表明，采用連續控制的熱泵機組其季節性能系數比開／關控制的機組提高約１０％ ～６０％［２２ ２３］。Ｆａｒｄｏｕｎ等人用ＭＡＴＬＡＢ軟件建立空氣源熱泵熱水器的數學模型來研究其能效特性，結果顯示熱水生產率隨蓄熱水箱容積減小而上升，整體ＣＯＰ 隨室外環境溫度升高而增大。

 

  ３．４ 空氣源熱泵噪聲影響的研究

 

  Ｊｏｈａｎｓｓｏｎ等人對空氣／空氣熱泵機組的噪聲問題進行了研究，通過對不同噪聲機組的對比研究發現，室內噪聲水平與室外環境無關，與風機的類型和轉速有直接關系。而室外機組噪聲則隨天氣而變化，有些噪聲是由部分負荷運行產生的。

 

  ４ 系統及組成部分研究

 

  組成熱泵機組的關鍵部件及控制系統對機組能效有著至關重要的影響，同時，熱泵主機能否發揮其全部節能潛力與系統又是息息相關的，因此系統及熱泵組成部件一直受到業內的廣泛關注，當前的研究工作主要集中在以下幾個方面。

 

  ４．１ 新型制冷劑在熱泵中的應用研究

 

  Ｔａｉｒａ等人指出由于熱泵在各國應用的氣候區、運行工況、使用方式及各國的法律條例均不同，因此選擇制冷劑的標準也不同，應針對不同地區、不同應用條件，選取不同的制冷劑替代方案。

 

  Ｍｕｒｐｈｙ等人通過實驗評估了制冷劑Ｒ１３４ａ和其替代制冷劑Ｒ１２３４ｙｆ在家用電驅動熱泵中的應用，測試結果顯示采用Ｒ１２３４ｙｆ時的ＣＯＰ 比采用Ｒ１３４ａ時約低６％，可采用更換熱力膨脹閥的方法進行改善［２８］。Ｗｉｎａｎｄｙ等人對適用于Ｒ４０７Ｃ和Ｒ４１０Ａ的熱泵機組進行了優化設計，研究以實際壓縮過程為基礎，結果表明在最新蒸氣渦旋壓縮技術下，Ｒ４１０Ａ的性能優于Ｒ４０７Ｃ［２９］。Ｐａｌｍ討論了新型制冷劑選擇的標準及關注的信息，并對即將上市的新型制冷劑Ｒ１２３４ｙｆ及相近的Ｒ１２３４ｚｅ進行了介紹［３０］。Ｋｏｙａｍａ等人對非共沸二元制冷劑熱泵循環進行了實驗研究，結果表明當采用Ｒ１２３４ｚｅ和Ｒ３２（質量分數比為２０％∶８０％）的二元制冷劑時熱泵ＣＯＰ 與采用Ｒ４１０Ａ時幾乎相同［３１］。

 

  ４．２ 變制冷劑流量熱泵系統理論及實踐應用研究Ｏｈｎｏ等人指出由于變制冷劑流量系統運行及控制方式多變，其性能系數難以估計，因此建立了實驗測試裝置，對具有４個末端裝置的系統穩態下的性能系數進行了測試研究分析。而后他們又指出僅采用實驗來驗證系統能效具有一定的局限性，因此對變制冷劑流量系統建立數學模型，進行非穩態模擬，并通過實驗驗證了模型的正確性，可以采用該模型預測系統實際運行工況［３２ ３４］。

 

  Ａｋｉｍｏｔｏ等人進行了智能能量管理系統研究，以減少變制冷劑流量系統的能耗。即通過監測與控制變制冷劑流量系統的運行模式可以使其與傳統系統相比具有較高的ＣＯＰ，在２個項目中的應用情況表明能效可分別提高３０％和２０％［３５］。Ｋｉｋｕｃｈ等人使用壓縮機曲線法對變制冷劑流量系統的性能進行了評價研究，該方法可以使用較少的測量裝置來預測制冷劑流量，即采用壓縮機曲線法建立了變制冷劑流量模型并證明了其有效性［３６］。Ｄｏｃｔｏｒ等人指出在獨立新風系統中除熱回收技術外，應用變制冷劑流量技術可以提高獨立新風系統對不同室外氣候環境的適應性，降低壓縮機在變制冷劑流量時的能耗。同時指出系統的膨脹裝置和空氣盤管需與變流量運行的工況相適應［３７］。

 

  ４．３ 新型熱泵換熱器研究

 

  Ｂｒｕｄｅｒｅｒ等人提出在聯合國教科文組織的世界文化遺產建筑中，采用地源熱泵和加強保溫都受到嚴格限制時，可以采用一種新型屋面瓦集熱器，這種特殊設計的屋面瓦集熱器的材質為銅，具有良好的集熱能力，可以吸收太陽熱、周圍空氣及雨水中的熱量，作為熱泵的低位熱源。通過在瑞士和德國的應用，證明這種新型換熱器是熱泵應用的新選擇［３８］。Ｓｏｎｇ等人對鋸齒形肋片換熱器的特性進行了研究，這種新型換熱器設計了鋸齒肋片以提高換熱性能，與百葉窗肋片相比在低流速區具有更高的換熱效率［３９］。Ｓａｌｅｈ等       人采用在線多目標優化方法來設計新型風冷換熱器，采用多尺度模擬提高了模型的逼真度，并采用ＣＦＤ技術與ε－ＮＴＵ 法耦合求解換熱器的性能，在取得更好的優化結果的同時，大大降低了計算成本［４０］。

 

  ４．４ 吸附式、吸收式熱泵研究

 

  ｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｌ等人研發了一種壓縮／吸收混合式熱泵機組，將低于１００℃的工業廢熱進行提升，對混合式熱泵建立模擬計算模型并進行實測驗證，結果顯示當壓縮機位于蒸發器和吸附反應器之間時，其對機組能效的影響顯著大于壓縮機位于吸附反應器和冷凝器之間時，后者與純粹熱驅動機組相比能效幾乎相同，充分證明了研究系統內各部件之間相互影響的重要性［４１］。Ｍｉｙａｚａｋｉ等人提出了一種雙蒸發器吸收式制冷機，這一新型制冷機由２個蒸發器、１個冷凝器和３個吸收器組成，蒸發和吸收同時在２個不同的壓力下進行，可以擴大濃縮和稀釋過程中吸附質的濃度變化范圍。實驗結果表明在給定條件下雙蒸發器吸收式機組的ＣＯＰ 是普通機組的３．４倍［４２］。Ｈｕ等人對３種雙效吸收式制冷機組分別建模，并在相同初始條件及供冷量情況下進行模擬計算。通過詳細的分析可知，機組的發生器、吸收器和換熱器處的損失顯著高于蒸發器、冷凝器和膨脹閥處。低溫發生器優先串聯式機組比高溫發生器優先串聯式機組和并聯式機組有更高的ＣＯＰ 和效率，但是也最容易結晶，而并聯式機組則在能效和避免結晶兩方面都有不錯的表現［４３］。

 

  ５ 熱泵技術應用發展研究

 

  地源熱泵技術、空氣源熱泵技術及熱泵部件和

 

  系統的不斷發展，推動了熱泵技術應用范圍的不斷擴大，近年來熱泵技術應用主要集中在以下幾個方面。

 

  ５．１ 熱泵在低能耗建筑中的應用研究

 

  Ｒｕｕｄ等人對瑞典不同氣候區內不同圍護結

 

  構的建筑應用不同供能系統時的能耗量和價格進行了計算，結果顯示地源熱泵具有較低的年能耗量，但是初投資仍高于其他可選方式［４４］。Ｋｏｓｔｅｒ等人對荷蘭的低能耗建筑進行了研究，發現熱泵是有效實現低能耗的可行手段，適用于大規模住宅項目，且監測裝置的使用可以降低維護費用，提升用戶滿意度［４５］。Ｎａｇａｎｏ等人設計了與地源熱泵集成的被動式低能耗建筑，通過測量其全年能耗，自動控制通風系統的溫度和濕度，改變地源熱泵系統的運行方式，并開發了適用的模擬軟件，最終得出了保證舒適性和低能耗的高效控制方式［４６］。Ｉｔｏｈ等人采用熱泵和蓄熱技術實現低碳建筑設計，將地源熱泵與空氣源熱泵相結合，同時采用潛熱儲熱系統，與建筑能源管理系統結合，有效降低建筑能耗［４７］。Ｔａｎａｂｅ指出了高效空氣源熱泵對實現二氧化碳減排任務的重要性，并探討了空氣源熱泵在減少不同國家不同類型建筑能耗方面可能扮演的角色［４８］。

 

  ５．２ 熱泵工業中的應用研究

 

  Ｓａｋａｓｈｉｔａ介紹了工業熱泵在過去３０年對節能和阻止全球變暖所作的貢獻，同時指出了其應用仍然局限于小部分區域的原因，分析了阻礙其發展的壁壘以及現實可行的解決措施，尤其是ＣＤＭ（清潔發展機制）項目的實施對其未來的發展起到了重要推動作用［４９］。Ｓａｋａｍｏｔｏ等人對１１個國家的食品和飲料行業應用熱泵技術可實現的ＣＯ２減排潛力進行了估算，假設采用電驅動熱泵取代供熱溫度在１００℃以下的蒸汽鍋爐，估算結果顯示每年的ＣＯ２減排量可達到４ ７００萬ｔ，達到參與調查國家工業燃料燃燒產生的ＣＯ２總量的１．４％［５０］。

 

  Ｋａｄｏｗａｋｉ等人開發了一種具有溫濕度調節功能的烘干木材熱泵系統，與傳統的礦物燃料鍋爐相比可以顯著降低ＣＯ２排放量，提高系統經濟性，同時還可以提高木材烘干的質量［５１］。Ｎｏｒｄｔｖｅｄｔ等人對安裝在挪威屠宰場的混合式余熱回收熱泵的運行經驗進行了分析，這種壓縮和吸收式混合熱泵采用氨水作為工作介質，可以回收制冷過程中溫度約為５０℃的介質中的冷凝熱，將熱水側溫度提升至１００℃［５２］。

 

  ５．３ 熱泵系統在各類不同建筑中的應用研究Ｒｏｇｎｏｎ等人介紹了瑞士聯邦能源辦公室于１９９４年啟動的供熱現場監測項目，截至２００３年有２５０個低于２５ｋＷ 的熱泵系統納入監測范圍，其中１５０個為長期監測項目，１００個已經監測超過１０年。監測的目標是通過長期測試得到熱泵系統全壽命周期內的可靠性、穩定性及ＳＰＦ 變化特點［５３］。Ｉｂａ等人對日本山梨縣大型商業設施中應用的高效模塊熱泵機組進行了連續７個月的實測研究，結果表明應用大型模塊熱泵機組運行效率高于傳統吸收式熱泵，在部分負荷情況下優勢更加明顯［５４］。Ｙａｎａｇｉｈａｒａ等人對應用在大型實驗室建筑中的蓄能型暖通空調系統進行了實測研究，分析了１５年的監測數據，結果表明該系統具有良好的節能特性［５５］。Ｌｉｕ基于能耗狀況及不同天氣、地理位置差異，分析了改造美國單戶地源熱泵系統的收益。收益包括節能、降低夏季電力峰值以及減少使用者費用等幾個方面［５６］。

 

  ６ 熱泵技術未來發展趨勢預測

 

  ６．１ 熱泵應用仍將處于高速發展的上升階段作為節能減排的技術，熱泵技術前景廣闊，會有越來越多的國家及政府、企業意識到熱泵可以帶來的節能及環保效益，市場數據也表明未來發展趨勢良好。

 

  ６．２ 地源熱泵、空氣源熱泵的高效化研究仍然存在較大提升空間各個國家及地區的實際情況不同，因此關注的熱泵技術不同，在換熱器、熱泵機組、系統控制優化及低溫環境應用等各方面都有研究。總體來說地源熱泵和空氣源熱泵的高效應用仍是各國關注的目標，也是未來熱泵技術研究的重要方向之一。

 

  ６．３ 新型高效環保制冷劑在熱泵機組中的應用是廣泛關注的焦點受氣候公約的限制，隨著現有制冷劑的禁用，新型高效環保制冷劑的探索及其在熱泵中的應用成為一個緊迫的課題，目前世界各國均在不斷的探索當中。

 

  ６．４ 復合式熱泵系統研究活躍

 

  可再生能源作為低位熱源使熱泵系統受其變化影響較大，根據各個國家及地區的實際情況，采用復合熱泵技術可以實現更好的節能環保效果，因此復合熱泵系統研究仍然具有很大的空間。

 

  ６．５ 各種熱泵形式在不同建筑中的應用及優化研究也是熱泵技術應用研究重點之一研究熱泵技術在實際工程中的應用，使熱泵的節能環保作用在實際中得以更好地發揮，是推廣熱泵技術的重要基礎，因此實際工程應用及優化研究工作十分重要。