热泵的应用与发展实证性研究

 

　　关键词： 热泵 实证性研究 发展阶段

　　本文以大量详实的文献资料为基础，通过对大量的文献资料的统计、分类、比较和分析，明显地将我国热泵的应用与发展分为以下几个阶段：

　　● 早期热泵的应用与发展阶段（1966年以前）

　　● 热泵应用与发展的断裂期（1966年~1977年）

　　● 热泵应用与发展的全面复苏期（1978年~1988年）

　　● 热泵应用与发展的兴旺期（1989年~1999年）

　　● 进入21世纪后热泵发展面临挑战也面临发展的新局面（2000年-~2003年）

　　1 早期热泵的应用与发展阶段（1949年~1966年）

　　相对世界热泵的发展，我国热泵的研究工作起步约晚20~30年左右。但从中国情况来看，众所周知，旧中国的工业十分落后，根本谈不上热泵技术的应用与发展。新中国成立后，随着工业建设新高潮的到来，热泵技术也开始引入中国。早在20世纪50年代初，天津大学的一些学者已经开始从事热泵的研究工作，1956年吕灿仁教授的“热泵及其在我国应用的前途”一文是我国热泵研究现存的最早文献，为我国热泵研究开了个好头。20世纪60年代，我国开始在暖通空调中应用热泵。1960年同济大学吴沈钇教授发表了“简介热泵供暖并建议济南市试用热泵供暖”；1963年原华东建筑设计院与上海冷气机厂开始研制热泵式空调器；1965年上海冰箱厂研制成功了我国第一台制热量为3720W的CKT—3A热泵型窗式空调器；1965年天津大学与天津冷气机厂研制成国内第一台水源热泵空调机组；1966年又与铁道部四方车辆研究所共同合作，进行干线客车的空气/空气热泵试验；1965年，由原哈尔滨建筑工程学院徐邦裕教授、吴元炜教授领导的科研小组，根据热泵理论首次提出应用辅助冷凝器作为恒温恒湿空调机组的二次加热器的新流程，这是世界首创的新流程；1966年与哈尔滨空调机厂共同开始研制利用制冷系统的冷凝废热作为空调二次加热的新型立柜式恒温恒湿热泵式空调机。

　　我国早期热泵经历了17年的发展历程，渡过一段漫长的起步发展阶段。其特点可归纳为：第一，对新中国而言，起步较早，起点高，某些研究具有世界先进水平。第二，由于受当时工业基础薄弱，能源结构与价格的特殊性等因素的影响，热泵空调在我国的应用与发展始终很缓慢。第三，在学习外国基础上走创新之路，为我国今后的热泵研究工作的开展指明了方向。

　　2 热泵应用与发展的断裂期（1966年~1977年）

　　1966年，随着史无前例的“文化大革命”的爆发，科技工作同全国各个领域一样遭受了空前的灾难。在此期间热泵的应用与发展基本处于停滞状态。如：

　　● 1966年~1977年间没有一篇有关热泵方面的学术论文报导与正式出版过有关热泵的译作、著作等。

　　● 1966年~1977年间国内没有举办过一次有关热泵的学术研讨会，也没有参加过任何一次国际热泵学术会议，与世隔绝十余年。

　　● 1966年~1977年间，全国高校一律停课闹“革命”，根本谈不上搞热泵科研。但是原哈尔滨建筑工程学院徐邦裕、吴元炜领导科研小组在1966~1969年期间在“抓革命、促生产”的指示下，坚持了LHR20热泵机组的研制收尾工作，于1969年通过技术鉴定，这是在“文化大革命”时期全国唯一的一项热泵科研工作。而后，哈尔滨空调机厂开始小批量生产，首台机组安装在黑龙江省安达市总机修厂精加工车间，现场实测的运行效果完全达到20±1℃，60±10%的恒温恒湿的要求，这是我国第一例以热泵机组实现的恒温恒湿工程。

　　鉴于上述事实，将热泵在这个时期的应用与发展的整个过程，定为热泵应用与发展的断裂期，是名副其实的，完全符合历史事实。

　3 热泵应用与发展的全面复苏期（1978年~1988年）

　　改革开放政策使中国的国民经济重新走向发展之路，经济的发展为暖通空调提供了广阔的市场，也为热泵在中国的发展提供了很好的契机。因此，热泵的发展在经历了断裂期之后于1978年开始进入一个新的发展阶段。从文献统计看，1988年又出现一个文献数量变化的转折点，故将1978年~1988年间定为我国热泵应用与发展的全面复苏期。

　　3.1 中国暖通空调制冷界开始了解国外热泵发展动态

　　与世隔绝十余年后，中国的热泵发展又迎来了新时期，遇到的第一个问题就是要了解世界各国热泵应用与发展的现状，热泵在一些国家里是如何发展的。为此，在1978年~1988年间，我们开始通过以下工作，充分了解国外热泵发展的现状与进展。

　　● 大量出版著作。1978年~1988年间正式出版8本书，其中译著6本，占75%。1986年一年出版了3本译著。另外，还有许多未正式出版的译文资料集。

　　● 国内刊物积极刊登有关热泵的译文。1978年~1988年间共发表27篇论文，其中译文占26%。

　　● 对国外热泵产品进行测试与分析，以便找出我国现有热泵产品与国外的差距，为我国开发、生产新产品提供参考数据。

　　● 积极参加国际学术交流。中国制冷学会先后于1979、1983、1987年组团参加了15、16、17届国际制冷会议，并组织翻译“第15届国际制冷大会”论文译丛。1984派代表参加了在英国举办的第二届国际热泵大规模应用专题讨论会。

　　译文、译著等系统地介绍了：

　　（1）有关热泵技术的基础知识。使我们系统地了解到热泵的分类、组成、热力学原理、热泵部件和热泵系统的设计选择原理、热泵的低位热源、与能源工业的关系、运行费和经济性计算基本原理等。

　　（2）热泵技术在世界各国中应用的大量实例和应用方式。例如：以热泵作为住宅的供暖（冷）机组； 热泵在大型建筑物或建筑群的供暖（冷）；热泵在室内或室外露天游泳池中的应用；热泵用于建筑物余热（排风废热）回收与利用中；采用热泵回收和应用制冷装置的冷凝废热；人工冰场和游泳池相结合的热泵系统；热泵技术在工农业中的应用等。

　　（3）从译著中可以看出，热泵真正开始发展还是在二次大战前后，至20世纪60年代，在美国得到很大的发展，这种发展势头至今历久不衰。每一次能源危机和燃料涨价，总会引起大小不一，范围不等的“热泵热”。这给了我们一个重要启示：能源问题是今后长期存在的问题，所以节能工作及热泵技术的应用与研究将会是暖通空调制冷领域中的永恒的研究课题。

　　3.2 中国暖通空调制冷界开始思索我国热泵技术的发展方向

　　在充分了解了国外热泵应用与发展的现状后，看到热泵在中国发展的远景。为此，中国暖通空调制冷界开始思索我国热泵技术的发展方向问题。一些学者撰写论文，论述我国应如何发展热泵技术。其论点可归纳为：

　　（1）由于我国热泵技术处于发展的初级阶段，因此，要对国外热泵的发展进行跟踪，吸收国外热泵新技术。但是，对引进的项目，应组织研究、设计和生产单位的力量共同进行消化、吸收、试验研究、研制，不应单纯以生产为目的。

　　（2）从我国20世纪80年代的工业基础和技术力量出发，应先开发已较成熟的电动压缩式热泵，努力扩大热泵的应用范围。

　　（3）今后应大力研究和开发适合国情的热泵装置和热泵系统。主要有：空气/空气热泵、空气/水热泵、水/水热泵等。

　　（4）热泵的应用应先从经济效益好的领域开发。如：低温热泵干燥、蒸发蒸馏领域热泵的应用、低温供暖（冷）、 热泵式的热水供应等。

　　（5）从长远出发，应及早开展吸收式热泵和燃气热泵的研究、热泵工质的研究、变频热泵的研究、热泵的计算机模拟与分析、热泵的自动调节等。

　　3.3 全面复苏期中热泵在我国的应用与发展

　　在1978年~1988年期间，主要开展了以下几项工作：

　　（1）热泵空调技术在我国应用的可行性研究。

　　（2）小型空气/空气热泵（家用热泵空调机组）的理论与实验研究。在这期间，大量地引进国外空气/空气热泵技术和先进生产线，我国家用热泵空调器开始较快地发展。由1980年年产量1.32万台到1988年年产量24.35万台，增长速度非常快，但年产量却很小，其中很多都是进口件组装的或仿制国外样机，这些产品是否适合我国的气候条件，在我国气候条件下是否先进，这些问题亟待研究解决。为此，开始对小型空气/空气热泵进行了一些基础性的实验研究工作。在短短的十年里，做出许多成绩。如：为开发家用热泵空调器新产品，对进口样机进行详细的实验研究；我国小型空气/空气热泵季节性能系数的实验研究；小型空气/空气热泵的除霜问题的研究；小型空气/空气热泵室外换热器的优化研究等。

　　（3）热泵产品的研发和热泵系统的应用。80年代初开发了分体热泵空调器；厦门国本空调冷冻工艺有限公司也于80年代末开发出用全封压缩机（5Rt～60Rt）、半封压缩机（80Rt～200Rt）、双螺杆压缩机（＞200Rt）组成的空气源热泵冷热水机组产品。空气源热泵、水源热泵以及大地耦合热泵系统的应用也开始崭露头角。

　　（4）工业热泵的应用优于暖通空调上的应用。1978~1988年，由于我国国内生产总值（GDP）很低，国家正在大力发展工业，电力供应紧张，国家限制民用电气产品过早进入家庭，因此，在当时普遍的看法是我国热泵的发展应先从工业应用上开始，在此期间，发表的热泵文献中有41%的文献为工业热泵内容。主要集中在三方面的应用：一是干燥去湿（木材干燥、茶叶干燥等），二是蒸汽喷射式热泵在工业中的应用，三是热水型热泵（游泳池、水产养殖池冬季用热泵加热等）。

　　（5）国外知名热泵生产厂家开始来中国投资建厂。例如美国开利公司是最早来中国投资的外国公司之一，于1987年率先在上海成立合资企业。

3.4 全面复苏期中我国热泵应用与发展的特点与经验

　　总的来说，这个时期我国热泵的发展又是个良好的开端，为今后热泵新的发展打下了坚实的基础并起到积极的推动作用。但是，当时热泵在我国仍是一门“超前”的技术。具体特点与经验如下：

　　（1）在暖通空调制冷界初步普及了热泵的基本知识；

　　（2）外国热泵的产品和应用技术大量引入中国，成了我国发展热泵的“起步”技术；

　　（3）热泵在暖通空调节能工作中起到良好的示范作用，引起暖通空调制冷工作者的关注与兴趣；

　　（4）初步形成中国热泵工业发展的基础，为迎接新的发展打下坚实基础，积蓄了发展我国热泵的力量；

　　（5）走向正确的发展之路，发展形势喜人，前景乐观。

　　但是也存在下述问题：

　　（1）盲目引进、重复引进的现象很多；

　　（2）唯外是从，照搬仿造多，结合国情少。

　　4 热泵应用与发展的兴旺期（1989年~1999年）

　　4.1 基本概况

　　1989年~1999年期间，我国国民经济突飞猛进的大发展。1978年~1988年间，国内生产总值（GDP）最高也不超过20000亿元，而1989年~1999年间国内最高GDP值已超过80000亿元，是70年代的4倍以上，其增长速度十分惊人。

　　我国热泵的应用与发展紧跟时代，在全面复苏期热泵发展的基础上，于1989年开始到1999年期间又迎来了新的发展里程。先看一看基本概况：

　　（1） 房间空调器的生产已成为世界生产大国，其每年的增长率列于表1中。

表1 房间空调器逐年增长率 年代 1989 1990 1991 1992 1993 1994 

年产量（万台） 37.47 20.07 63.03 158.05 396.41 393.42 

年增长台数（万台）  -17.4 42.96 95.02 238.36 -2.99 

年增长率（%）  -46.44 214.05 150.75 150.81 -0.75 

年代 1995 1996 1997 1998 1999 　 

年产量（万台） 682.56 786.21 974.01 1156.87 1337.64 　 

年增长台数（万台） 289.14 103.65 187.8 182.86 180.77 　 

年增长率（%） 73.49 15.18 23.89 18.77 15.63 　 

　　（2）20世纪90年代，热泵在我国的应用范围迅速扩大。由80年代4个城市扩大到11个省市。在我国应用的热泵形式开始多样化，有空气/空气热泵、空气/水热泵、水/空气热泵和水/水热泵等。

　　（3）1989年~1999年，正式发表有关热泵方面论文270篇，是1978年~1988年间发表论文的10倍。

　　（4）1989年~1999年全国有9个主要刊物登载有关热泵方面的论文，是1978年~1988年刊登热泵方面论文的刊物数的2.26倍。

　　（5）1989年~1999年全国正式出版热泵著作和译著共6部，其中我国学者编写或编著的热泵著作4部，是80年代的2倍。

　　（6）1989年~1999年热泵专利总数161项，是1978年~1988年热泵专利总数的20倍多。而发明专利1989年~1999年为77项，是1978年~1988年热泵发明专利数的15.4倍。

　　（7）全国高校研究生以热泵技术为论文题目者，90年代约有39名，是80年代的3.9倍。曾研究过热泵技术的高校，90年代约有11所，是80年代的5.5倍。

　　由此可见，1989年~1999年期间，我国热泵的发展比1978年~1988年期间上了个新台阶，进入了一个新的发展时期，故将1989年~1999年期间我国热泵的发展定为热泵应用与发展的兴旺期。

　　4.2 兴旺期中热泵在我国的应用与发展

　　1989年~1999年间，我国暖通空调领域掀起一股“热泵热”，在热泵理论研究、实验研究、产品开发、工程应用诸方面取得可喜成果，主要表现在以下方面：

　　（1）窗式热泵空调器、分体式热泵空调器有了突飞猛进的发展，热泵空调器开始步入百姓家庭。到1999年底，上海每百户居民拥有家用空调器85.2台，广东为83.47台，北京为49.9台，天津为59.8台。1993年国内开始开发和研制变频式分体空调器。1995年以后，国内部分企业开始引进日本变频控制技术和设备，生产变频空调器。在这期间国内已有国有、民营、独资、台资等不少于300家家用空调器厂家，逐步形成我国热泵空调器的完整工业体系。

　　（2）在90年代里，根据我国实际情况制定出空气源热泵冷热水机组的标准，同时采用大容量的螺杆式压缩机和小容量的涡旋压缩机的空气源热泵冷热水机组产品日趋成熟。因此，用空气源热泵冷热水机组作公共和民用建筑空调系统的冷热源开始被国内设计部门、业主所接受，尤其在华中、华东和华南地区逐步形成中小型项目的设计主流。其应用范围愈来愈广泛，1995年以后，其应用范围由长江流域开始扩展到黄河流域，在京津地区、山东胶东地区、济南、西安等地区都开始选用空气源热泵冷热水机组作空调系统的冷热源。

　　（3）20世纪90年代，水环热泵空调系统在我国得到广泛应用。据统计，1997年国内采用水环热泵空调系统的工程共52项。到1999年，全国约有100个项目，2万台水源热泵机组在运行。

　　（4）我国的热泵新产品不断涌现。90年代初开始大量生产空气源热泵冷热水机组，90年代中期开发出井水源热泵冷热水机组，90年代末又开始出现污水源热泵系统。

　　（5）90年代，大地耦合热泵的研究已成为国内暖通空调界的热门研究课题。国内的研究方向和内容主要集中在地下埋管换热器，在国外技术的基础上有所创新。如：

　　● 各种地下埋管换热器热工性能的实验研究；

　　● 回填材料的研究；

　　● 地下埋管的铺设形式及管材的研究；

　　● 大地耦合热泵系统的设计与安装等问题的研究。

　　除此之外，一些高校开展了热泵空调的计算机模拟技术研究、空气源热泵结霜特性的理论与实验研究、地下井水源热泵冷热水机组及水源问题的研究、热泵空调技术在我国应用的可行性研究等。

　　（6）热泵空调的学术交流活动十分活跃。除中国制冷学会第二专业委员会每两年主办一次“全国余热制冷与热泵技术学术会议”外，自20世纪90年代起，中国建筑学会暖通空调委员会、中国制冷学会第五专业委员会主办的各届全国暖通空调制冷学术年会上专门增设热泵专题会。会上都交流大量学术论文，推动了热泵的应用与发展。

　　4.3 兴旺期中我国热泵应用与发展的特征

　　兴旺期中，我国热泵应用与发展的特征主要表现在：

　　（1）热泵技术进步显著。这十年里，热泵新技术与新产品不断地涌现。

　　（2）逐步形成我国热泵的完整工业体系。20世纪90年代，热泵式家用空调器厂家约有300家；空气源热泵冷热水机组生产厂家约有40家；水源热泵生产厂家20几家；国际知名品牌热泵生产厂商纷纷在中国投资建厂。形成生产、销售和服务、产品研发机构一条龙的完整体系。

　　（3）热泵空调装置产量在这十年里成倍地增长，有关热泵设备的标准不断地完善，使中国成为名符其实地世界热泵大国，但不是强国。

　　（4）热泵理论研究工作比前十年显著地加大了深度与广度。打破了空气源热泵一统天下的局面和研究工作仅局限于空气/空气热泵的研究范畴，这十年科研单位纷纷对空气源热泵、水源热泵、地源热泵和水环热泵空调系统等进行了研究，尤其是对大地耦合热泵的理论研究更活跃，研究的内容也十分广泛。热泵的变频技术、热泵计算机仿真和优化技术、热泵的CFCs替代技术，空气源热泵的除霜技术、一拖多热泵技术等。但是，热泵的理论研究这十年里仍是以跟踪国外的技术为主，自主创新性研究工作少，且还存在着一定的重复性现象。

　　（5）随着计算机技术的发展，计算机仿真和优化技术开始在热泵空调系统行业中得到应用。先让热泵空调系统在计算机上面实现运行，从而对一些热泵空调系统在我国的应用做出客观的预测分析，以进一步指导热泵空调系统在我国的实际应用。

　　（6）热泵空调在我国的应用范围十分广泛。到了90年代，“热泵”这个词再也不生疏。热泵装置已成为暖通空调中重要设备之一，应用十分广泛。空气/空气热泵已进入普通百姓家庭；空气/水热泵已成为我国夏热冬冷地区空调设计中的主流，并开始逐渐北扩到山东、河南、陕西、天津、北京等地；水/水热泵在山东、河南、湖北、辽宁、河北、黑龙江、北京、天津等地应用广泛。

5 进入21世纪后热泵发展面临挑战也面临发展的新局面

　　进入21世纪后，由于我国沿海地区的快速城市化、人均GDP的增长、2008年北京奥运会和2010年上海世博会等因素拉动了中国空调市场的发展，促进了热泵在我国的应用越来越广泛，热泵的发展十分迅速，热泵技术的研究不断创新。2000年至2003年间，热泵的应用、研究空前活跃，硕果累累，真可谓进入新世纪，热泵在我国的应用与发展开了个好头。为说明此问题，请看一下下面的一组数据。

　　● 2000年至2003年四年间，专利总数287项，年平均为71.75项，是1989年~1999年专利平均数的4.9倍。发明专利2000年~20003年间共119项，年平均29.75项，是1989年~1999年发明专利平均数的4.25倍。

　　● 进入新世纪，正式出版有关热泵方面的书籍共3部，其中我国学者编著2部，占总出版数的2/3，改变了以往译著居多的局面，走向自主发展之路。

　　● 2000年~2003年中热泵文献数量剧增，如2003年文献数是1999年文献数的5倍。

　　● 2000年~2003年全国高校有105名研究生以热泵技术为题目，平均每年有26.25名，是90年代年平均数的7倍多。

　　● 全国各省市几乎均有应用热泵技术的工程实例。甚至西藏某商住楼也采用单井回灌热泵技术。

　　● 热泵技术研究更加活跃，创新性成果累累。在短短的几年中有3项世界领先的创新性成果问世：

　　（1）同井回灌热泵系统

　　（2）土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统

　　（3）供寒冷地区应用的双级耦合热泵系统

　　以上几组简单数据，明显感觉到，进入21世纪后，热泵又迎来一个新的发展起点。正如汉斯•冯•库伯写的“无疑，在不久的将来，热泵会身价大增并将在气候适合的地区取代传统的供热方式”一样，热泵发展的新时期正向我们渐渐走来。近几年热泵发展的特点主要有：

　　（1）进入新世纪后，热泵的快速发展不单是为了能源问题而更主要的是为了改善环境问题。通过热泵的应用与发展，来推动暖通空调的可持续发展，实现暖通空调的生态化与绿色化。

　　（2）热泵技术深受业主的欢迎，全国各省市几乎均有热泵应用工程实例，初步形成我国寒冷地区以地下水源热泵、水环热泵空调系统为主，大地耦合热泵为辅，夏热冬冷地区以空气源热泵、地表水源热泵、水环热泵为主，大地耦合热泵为辅的新格局。

　　（3）进入新世纪后，中国热泵市场空前繁荣，产品种类和规格齐全，国内生产厂家众多。

　　（4）进入新世纪后，热泵技术的创新紧跟时代，主动发现和回答暖通空调领域中急待解决的能源与环境课题。

　　（5）在经济全球化的条件下，就要求不断加强对外学术交流和合作，热泵技术也不例外，进入新世纪后，对外交流和合作十分活跃，在这个过程中，已深感学习外国技术时应当避免照抄、照搬现象，把国外的技术消化、吸收后有机地融入国内学术理论与技术中，走向面向世界、平等对话的必然之路。资料参考http://www.esca.org.cn/

　　6 结束语

　　本文较详细地回顾了我国热泵应用与发展的里程，总结出各个发展阶段的特点与经验，以便进一步思考。进入21世纪后，热泵技术进入飞速发展的阶段，我们将如何来发展热泵，如何通过热泵技术解决暖通空调中的能源与环境问题，如何通过热泵技术的进步来迎接我国全面建设小康社会及城市化进程加快的新形势。通过本文的研究，我们初步认识到：

　　● 在今后应以科学发展观为指导，充分考虑中国的国情、全方位考虑各方面的因素（气候条件、能源结构、能源比价、人民生活水平和政府政策等），因地制宜地发展我国的热泵事业；

　　● 在今后应面对热泵发展中的各种关键技术问题，走技术创新之路；

　　● 在今后我国热泵的发展将会趋向于多元化，各类型的热泵空调系统均会有相应的市场需求。在进一步应用与发展现有的空气源热泵、水源热泵和地源热泵的同时，还要积极研发燃气热泵、吸收式热泵、大容量高温热泵、CO2工质跨临界热泵和氨工质热泵等。尤其是要更加注意研究和应用前景光明的可再生能源水环热泵空调系统；

　　● 在今后要使热泵产品更上一个台阶，就必须着重发展我们的热泵压缩机技术、提高热泵换热器性能的技术、热泵工质、智能控制技术等。

　　热泵技术是解决暖通空调的能源与环境问题的有效措施之一，也是实现我国暖通空调事业可持续发展的有效途径之一，但发展热泵的道路还很艰巨。因此，在今后应加大热泵的基础性研究，强调关键技术创新，加强系统集成技术研究，在关键的基础和应用基础研究方面取得突破，以使我国的热泵健康发展和科学的推广与应用。