国际热泵技术发展趋势分析

  ０ 引言

 

  热泵技术于１８５４年提出之后，经历了曲折的发展过程，目前已进入了全面高速发展阶段，尤其在能源危机和全球变暖的环境压力下，热泵技术成为了各国关注的焦点，对各类热泵技术的研究、应用及推广也上升到了一个持续关注的高度。由国际能源组织热泵中心（ＩＥＡ Ｈｅａｔ Ｐｕｍｐ Ｃｅｎｔｒｅ）主办的国际能源组织热泵大会（简称国际热泵大会）每三年举行一次，是国际热泵界的最高学术会议。

 

  会议汇集了全球热泵技术研究与应用进展以及市场的最新信息。参会各国普遍关注的均为当前热泵技术发展的热点，同时讨论热泵技术未来的发展趋势。第１０届国际热泵大会在日本举行，会议的主题为“Ｔｈｅ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｆｏｒ ａ Ｌｏｗ Ｃａｒｂｏｎ Ｗｏｒｌｄ”。

 

  笔者对本次大会参会论文进行综述，总结目前国际热泵发展的热点，并对国际热泵发展的趋势和研究方向进行分析。

 

  １ 热泵市场发展分析

 

  回顾热泵技术在世界范围内的发展历程，每一次热泵技术的发展都与能源紧密关联，因此，在矿物能源匮乏的欧洲和日本，热泵技术的研究和发展一直处于领先地位。图１为瑞士、德国和芬兰近年来的热泵市场变化情况，图２为日本的热泵市场变化情况。可以看出，从２０世纪９０年代至今，热泵发展总体处于上升趋势，尤其是进入２１世纪后，更是增速显著。这与热泵技术的发展和各国能源环境的压力是分不开的，同时热泵市场的发展也与各国经济发展水平息息相关。

 

  从图１可以看出，德国和芬兰的热泵市场发展在２００８年处于顶峰，之后的两年均有不同程度的下滑；只有瑞士２０１０年的数据勉强与２００９年持平。这是由全球性的经济衰退影响造成的，由于各国的能源政策及价格出现了变动，而各类热泵系统的初投资高于常规系统，因此经济的下滑直接影响了热泵市场走向。

 

  与热泵市场不断发展相对应的是热泵制造技术的不断进步和热泵性能的不断提升。图３给出了日本各类热泵机组性能系数ＣＯＰ 的逐年变化曲线，可以看出，当前热泵机组的性能与十几年前相比均有了较大幅度的提升，尤其对于２．２ｋＷ 的房间空调器来说，提升幅度超过９０％。

 

  热泵技术应用规模的不断扩大，推动了热泵产品能效水平的不断提升，高能效的热泵产品由于更具节能、环保优势又作用于市场，使规模进一步扩大，当前热泵技术已进入一个循环促进、良性发展的阶段。

 

  ２ 地源热泵技术发展分析

 

  ２０世纪７０年代之前，地源热泵受初投资高、当时的能源价格低等多种因素的影响，一直发展迟缓，在经历了之后的能源危机后，才重新受到人们的重视。尤其在进入２１世纪后，经十几年发展，各国地源热泵的应用规模不断扩大。图４为地源热泵在美国、加拿大、法国和瑞士的应用规模变化情况。由图４可见，地源热泵应用发展迅猛，相关研究工作也十分活跃。总结本次大会的论文，发现地源热泵技术研究的焦点集中在以下几个方面。

 

  ２．１ 竖直地埋管换热器的数值模拟及新型换热器研究Ｊａｌａｌｕｄｄｉｎ等人利用计算流体力学（ＣＦＤ）技术，对单Ｕ、双Ｕ 和多管的竖直地埋管换热器，在连续运行与间歇运行两种工况下进行了模拟分析和实验验证，得到的模拟结果与实验数据可以较好地吻合，且３种竖直地埋管换热器在２２ｈ的运行周期内，间歇运行比连续运行的换热率分别提高了１７．１％，２２．５％和１６．５％［１］。Ｆａｎ Ｒｕｉ等人用模拟方法研究了土壤导热系数、地下水流速、竖直钻孔参数及运行策略对地埋管换热量及出水温度的影响，并进行了线性及非线性回归，为地源热泵的简化设计提供了思路［２］。Ａｃｕｎａ等人研发的新型地埋管换热器由一个绝热中心管和若干个周围细管组成，他们对沿管深方向的流体温度分布进行了测量，结果证明周围细管为吸热主体，且与中心管间无热短路发生［３］。Ｇｒｕｎｉｇｅｒ等人研发了一种以ＣＯ２为介质的虹吸式地埋管换热器，并对其流体特性和传热特性进行了模拟，计算得出其季节性能系数可比传统地埋管提高１５％～２０％［４］。

 

  ２．２ 复合式地源热泵系统研究

 

  Ｏｏｋａ等人将太阳能、土壤能和空气源等多种能源方式结合作为热泵的低温热源，模拟计算其与传统热泵系统的能耗差别，结果显示多源热泵系统夏季最大可减少电力消耗４４％，冬季可减少３９％［５］。Ｋｕｒｍａｎｎ等人针对采用太阳能、蓄热与地源热泵相结合系统的单体居住建筑采用遗传算法进行优化模拟设计，实测结果显示热泵短期效率得到了大幅提升，同时也验证了不合理的运行策略是导致系统能效下降的主要原因［６］。Ｗａｋａｙａｍａ等人基于实际运行数据对桩基短期蓄能地源热泵系统进行研究，结果显示，白天供冷与夜间供生活热水的运行模式可使地源热泵系统取得更高的效率［７］。潘玉亮等人以北京地区别墅建筑为例，对地源热泵与太阳能复合系统进行了模拟，模拟结果显示，当地埋管换热器换热能力不足时，采用复合系统可以明显改善系统性能［８］。

 

  ２．３ 地源热泵系统的ＳＰＦ（系统性能系数）及能效的研究Ｚｏｔｔｌ等人指出计算系统边界直接影响着测量计算ＳＰＦ 参数所需的装置，提出了测量指导方法及对测试装置的精度要求，同时通过对１０个实际地源热泵项目的测试验证了指导方法［９］。

 

  Ｅｄｗａｒｄｓ等人建立了地源热泵的数学模型，在循环水泵均为定流量情况下计算ＳＰＦ，结果显示辅助元件的能耗在总能耗中占很大比例。同时，在供冷、供热时，部分负荷情况下ＳＰＦ 值均有所下降［１０］。Ｋａｔｓｕｒａ等人对采用多联机及变流量控制的地源热泵系统进行了３年的实测研究，证实变流量与定流量系统相比可以使循环水泵的电耗降低约８０％，使ＳＰＦ 值达到４．５１［１１］。肖龙等人提出了系统化的地源热泵设计方法，强调在地源热泵设计全过程中合理科学地应用设计软件的必要性，采用系统化的方法可以大大提高地源热泵设计的合理性、可靠性［１２］。

 

  ３ 空气源热泵发展分析

 

  空气源热泵的低温热源随处可得，且空气源热泵具有安装使用方便，运行管理简单，初投资相对较低等特点，因此得到了广泛应用，尤其在能源危机之后更是得到了大力推广。但是随着室外环境温度的降低，空气源热泵的性能受到较大影响，在应用中也存在着许多问题，因此当前空气源热泵的研究多集中在以下几个方面。

 

  ３．１ 空气源热泵在低温下应用的研究

 

  Ｍｉｎｅａ提出了一种采用丙烷锅炉作为辅助热源的变速空气源热泵系统，该系统可以解决北美地区传统空气源热泵电辅助加热造成的高峰用电紧张问题，同时将低温环境下空气源热泵的平衡点温度由－５ ℃降低至－９ ℃［１３］。Ｎｏｇａｗａ等人在标准房间中应用变频双压缩机空气源热泵，针对低温环境部分负荷工况进行了模拟和实测研究，实测结果表明ＣＯＰ 可达到２．６［１４］。Ｗａｎｇ Ｗｅｉ等人在北京地区极端天气下对空气源热泵进行了连续８０ｈ的监测，以研究其低温特性，结果显示当室外气温为－１１℃时机组ＣＯＰ 可达到２．２１，供热量满足要求；同时指出误除霜和频繁启停是影响供热稳定性的主要原因［１５］。Ａｂｄｅｌａｚｉｚ等人对热泵在美国的应用作了总结，对热泵在低温地区应用时可采取的措施进行了归纳分析，并针对美国市场提出了低温地区应用高效热泵机组的建议［１６］。

 

  ３．２ 空气源热泵的除霜研究

 

  Ｋｗａｋ等人通过测试肋片管的结霜厚度和结霜量来分析影响多肋片管结霜的因素，研究显示其与空气流量和肋片表面温度相关［１７］。Ｏｌｔｅｒｓｄｏｒｆ等人指出空气／水热泵机组每年的除霜耗电量占热泵总耗电量的５％，解决这一问题的途径是采用蓄热自然循环除霜来代替电除霜，电能仅作驱动能源。并针对制冷能力为２ｋＷ 的机组设计了流量分配及除霜方案，使蒸发器具备同时利用两种热源的能力［１８］。Ｂｙｒｎｅ等人对空气源热泵两相热虹吸管除霜技术进行了研究，该空气源热泵系统有空气／制冷剂和水／制冷剂两个蒸发器，在两个蒸发器间设热虹吸管，回收制冷循环过冷热用于除霜，模拟结果表明系统ＣＯＰ 可提高１２％［１９］。Ｗａｎｇ Ｗｅｉ等人对新型光电传感器在空气源热泵除霜控制中的应用进行了研究，结果表明光电传感器可以显著延长除霜时间间隔，避免误除霜现象，可使测试机组ＣＯＰ 提高８％［２０］。

 

  ３．３ 空气源热泵的能效研究

 

  Ｍｏｒｔａｄａ等人研发了采用迷你流道换热器的小型热泵机组，减少了传统空气源热泵配置高于建筑负荷需求造成的能源浪费，并对应用Ｒ１２３４ｙｆ和Ｒ１３４ａ两种制冷剂的示范项目进行了能效水平研究［２１］。Ｇａｓｓｅｒ等人通过模拟和实验研究，得出了通用有效的设计准则，通过控制压缩机和风机以实现空气／水热泵系统的高效性、可靠性和经济性。

 

  研究结果表明，采用连续控制的热泵机组其季节性能系数比开／关控制的机组提高约１０％ ～６０％［２２ ２３］。Ｆａｒｄｏｕｎ等人用ＭＡＴＬＡＢ软件建立空气源热泵热水器的数学模型来研究其能效特性，结果显示热水生产率随蓄热水箱容积减小而上升，整体ＣＯＰ 随室外环境温度升高而增大。

 

  ３．４ 空气源热泵噪声影响的研究

 

  Ｊｏｈａｎｓｓｏｎ等人对空气／空气热泵机组的噪声问题进行了研究，通过对不同噪声机组的对比研究发现，室内噪声水平与室外环境无关，与风机的类型和转速有直接关系。而室外机组噪声则随天气而变化，有些噪声是由部分负荷运行产生的。

 

  ４ 系统及组成部分研究

 

  组成热泵机组的关键部件及控制系统对机组能效有着至关重要的影响，同时，热泵主机能否发挥其全部节能潜力与系统又是息息相关的，因此系统及热泵组成部件一直受到业内的广泛关注，当前的研究工作主要集中在以下几个方面。

 

  ４．１ 新型制冷剂在热泵中的应用研究

 

  Ｔａｉｒａ等人指出由于热泵在各国应用的气候区、运行工况、使用方式及各国的法律条例均不同，因此选择制冷剂的标准也不同，应针对不同地区、不同应用条件，选取不同的制冷剂替代方案。

 

  Ｍｕｒｐｈｙ等人通过实验评估了制冷剂Ｒ１３４ａ和其替代制冷剂Ｒ１２３４ｙｆ在家用电驱动热泵中的应用，测试结果显示采用Ｒ１２３４ｙｆ时的ＣＯＰ 比采用Ｒ１３４ａ时约低６％，可采用更换热力膨胀阀的方法进行改善［２８］。Ｗｉｎａｎｄｙ等人对适用于Ｒ４０７Ｃ和Ｒ４１０Ａ的热泵机组进行了优化设计，研究以实际压缩过程为基础，结果表明在最新蒸气涡旋压缩技术下，Ｒ４１０Ａ的性能优于Ｒ４０７Ｃ［２９］。Ｐａｌｍ讨论了新型制冷剂选择的标准及关注的信息，并对即将上市的新型制冷剂Ｒ１２３４ｙｆ及相近的Ｒ１２３４ｚｅ进行了介绍［３０］。Ｋｏｙａｍａ等人对非共沸二元制冷剂热泵循环进行了实验研究，结果表明当采用Ｒ１２３４ｚｅ和Ｒ３２（质量分数比为２０％∶８０％）的二元制冷剂时热泵ＣＯＰ 与采用Ｒ４１０Ａ时几乎相同［３１］。

 

  ４．２ 变制冷剂流量热泵系统理论及实践应用研究Ｏｈｎｏ等人指出由于变制冷剂流量系统运行及控制方式多变，其性能系数难以估计，因此建立了实验测试装置，对具有４个末端装置的系统稳态下的性能系数进行了测试研究分析。而后他们又指出仅采用实验来验证系统能效具有一定的局限性，因此对变制冷剂流量系统建立数学模型，进行非稳态模拟，并通过实验验证了模型的正确性，可以采用该模型预测系统实际运行工况［３２ ３４］。

 

  Ａｋｉｍｏｔｏ等人进行了智能能量管理系统研究，以减少变制冷剂流量系统的能耗。即通过监测与控制变制冷剂流量系统的运行模式可以使其与传统系统相比具有较高的ＣＯＰ，在２个项目中的应用情况表明能效可分别提高３０％和２０％［３５］。Ｋｉｋｕｃｈ等人使用压缩机曲线法对变制冷剂流量系统的性能进行了评价研究，该方法可以使用较少的测量装置来预测制冷剂流量，即采用压缩机曲线法建立了变制冷剂流量模型并证明了其有效性［３６］。Ｄｏｃｔｏｒ等人指出在独立新风系统中除热回收技术外，应用变制冷剂流量技术可以提高独立新风系统对不同室外气候环境的适应性，降低压缩机在变制冷剂流量时的能耗。同时指出系统的膨胀装置和空气盘管需与变流量运行的工况相适应［３７］。

 

  ４．３ 新型热泵换热器研究

 

  Ｂｒｕｄｅｒｅｒ等人提出在联合国教科文组织的世界文化遗产建筑中，采用地源热泵和加强保温都受到严格限制时，可以采用一种新型屋面瓦集热器，这种特殊设计的屋面瓦集热器的材质为铜，具有良好的集热能力，可以吸收太阳热、周围空气及雨水中的热量，作为热泵的低位热源。通过在瑞士和德国的应用，证明这种新型换热器是热泵应用的新选择［３８］。Ｓｏｎｇ等人对锯齿形肋片换热器的特性进行了研究，这种新型换热器设计了锯齿肋片以提高换热性能，与百叶窗肋片相比在低流速区具有更高的换热效率［３９］。Ｓａｌｅｈ等       人采用在线多目标优化方法来设计新型风冷换热器，采用多尺度模拟提高了模型的逼真度，并采用ＣＦＤ技术与ε－ＮＴＵ 法耦合求解换热器的性能，在取得更好的优化结果的同时，大大降低了计算成本［４０］。

 

  ４．４ 吸附式、吸收式热泵研究

 

  ｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｌ等人研发了一种压缩／吸收混合式热泵机组，将低于１００℃的工业废热进行提升，对混合式热泵建立模拟计算模型并进行实测验证，结果显示当压缩机位于蒸发器和吸附反应器之间时，其对机组能效的影响显著大于压缩机位于吸附反应器和冷凝器之间时，后者与纯粹热驱动机组相比能效几乎相同，充分证明了研究系统内各部件之间相互影响的重要性［４１］。Ｍｉｙａｚａｋｉ等人提出了一种双蒸发器吸收式制冷机，这一新型制冷机由２个蒸发器、１个冷凝器和３个吸收器组成，蒸发和吸收同时在２个不同的压力下进行，可以扩大浓缩和稀释过程中吸附质的浓度变化范围。实验结果表明在给定条件下双蒸发器吸收式机组的ＣＯＰ 是普通机组的３．４倍［４２］。Ｈｕ等人对３种双效吸收式制冷机组分别建模，并在相同初始条件及供冷量情况下进行模拟计算。通过详细的分析可知，机组的发生器、吸收器和换热器处的损失显著高于蒸发器、冷凝器和膨胀阀处。低温发生器优先串联式机组比高温发生器优先串联式机组和并联式机组有更高的ＣＯＰ 和效率，但是也最容易结晶，而并联式机组则在能效和避免结晶两方面都有不错的表现［４３］。

 

  ５ 热泵技术应用发展研究

 

  地源热泵技术、空气源热泵技术及热泵部件和

 

  系统的不断发展，推动了热泵技术应用范围的不断扩大，近年来热泵技术应用主要集中在以下几个方面。

 

  ５．１ 热泵在低能耗建筑中的应用研究

 

  Ｒｕｕｄ等人对瑞典不同气候区内不同围护结

 

  构的建筑应用不同供能系统时的能耗量和价格进行了计算，结果显示地源热泵具有较低的年能耗量，但是初投资仍高于其他可选方式［４４］。Ｋｏｓｔｅｒ等人对荷兰的低能耗建筑进行了研究，发现热泵是有效实现低能耗的可行手段，适用于大规模住宅项目，且监测装置的使用可以降低维护费用，提升用户满意度［４５］。Ｎａｇａｎｏ等人设计了与地源热泵集成的被动式低能耗建筑，通过测量其全年能耗，自动控制通风系统的温度和湿度，改变地源热泵系统的运行方式，并开发了适用的模拟软件，最终得出了保证舒适性和低能耗的高效控制方式［４６］。Ｉｔｏｈ等人采用热泵和蓄热技术实现低碳建筑设计，将地源热泵与空气源热泵相结合，同时采用潜热储热系统，与建筑能源管理系统结合，有效降低建筑能耗［４７］。Ｔａｎａｂｅ指出了高效空气源热泵对实现二氧化碳减排任务的重要性，并探讨了空气源热泵在减少不同国家不同类型建筑能耗方面可能扮演的角色［４８］。

 

  ５．２ 热泵工业中的应用研究

 

  Ｓａｋａｓｈｉｔａ介绍了工业热泵在过去３０年对节能和阻止全球变暖所作的贡献，同时指出了其应用仍然局限于小部分区域的原因，分析了阻碍其发展的壁垒以及现实可行的解决措施，尤其是ＣＤＭ（清洁发展机制）项目的实施对其未来的发展起到了重要推动作用［４９］。Ｓａｋａｍｏｔｏ等人对１１个国家的食品和饮料行业应用热泵技术可实现的ＣＯ２减排潜力进行了估算，假设采用电驱动热泵取代供热温度在１００℃以下的蒸汽锅炉，估算结果显示每年的ＣＯ２减排量可达到４ ７００万ｔ，达到参与调查国家工业燃料燃烧产生的ＣＯ２总量的１．４％［５０］。

 

  Ｋａｄｏｗａｋｉ等人开发了一种具有温湿度调节功能的烘干木材热泵系统，与传统的矿物燃料锅炉相比可以显著降低ＣＯ２排放量，提高系统经济性，同时还可以提高木材烘干的质量［５１］。Ｎｏｒｄｔｖｅｄｔ等人对安装在挪威屠宰场的混合式余热回收热泵的运行经验进行了分析，这种压缩和吸收式混合热泵采用氨水作为工作介质，可以回收制冷过程中温度约为５０℃的介质中的冷凝热，将热水侧温度提升至１００℃［５２］。

 

  ５．３ 热泵系统在各类不同建筑中的应用研究Ｒｏｇｎｏｎ等人介绍了瑞士联邦能源办公室于１９９４年启动的供热现场监测项目，截至２００３年有２５０个低于２５ｋＷ 的热泵系统纳入监测范围，其中１５０个为长期监测项目，１００个已经监测超过１０年。监测的目标是通过长期测试得到热泵系统全寿命周期内的可靠性、稳定性及ＳＰＦ 变化特点［５３］。Ｉｂａ等人对日本山梨县大型商业设施中应用的高效模块热泵机组进行了连续７个月的实测研究，结果表明应用大型模块热泵机组运行效率高于传统吸收式热泵，在部分负荷情况下优势更加明显［５４］。Ｙａｎａｇｉｈａｒａ等人对应用在大型实验室建筑中的蓄能型暖通空调系统进行了实测研究，分析了１５年的监测数据，结果表明该系统具有良好的节能特性［５５］。Ｌｉｕ基于能耗状况及不同天气、地理位置差异，分析了改造美国单户地源热泵系统的收益。收益包括节能、降低夏季电力峰值以及减少使用者费用等几个方面［５６］。

 

  ６ 热泵技术未来发展趋势预测

 

  ６．１ 热泵应用仍将处于高速发展的上升阶段作为节能减排的技术，热泵技术前景广阔，会有越来越多的国家及政府、企业意识到热泵可以带来的节能及环保效益，市场数据也表明未来发展趋势良好。

 

  ６．２ 地源热泵、空气源热泵的高效化研究仍然存在较大提升空间各个国家及地区的实际情况不同，因此关注的热泵技术不同，在换热器、热泵机组、系统控制优化及低温环境应用等各方面都有研究。总体来说地源热泵和空气源热泵的高效应用仍是各国关注的目标，也是未来热泵技术研究的重要方向之一。

 

  ６．３ 新型高效环保制冷剂在热泵机组中的应用是广泛关注的焦点受气候公约的限制，随着现有制冷剂的禁用，新型高效环保制冷剂的探索及其在热泵中的应用成为一个紧迫的课题，目前世界各国均在不断的探索当中。

 

  ６．４ 复合式热泵系统研究活跃

 

  可再生能源作为低位热源使热泵系统受其变化影响较大，根据各个国家及地区的实际情况，采用复合热泵技术可以实现更好的节能环保效果，因此复合热泵系统研究仍然具有很大的空间。

 

  ６．５ 各种热泵形式在不同建筑中的应用及优化研究也是热泵技术应用研究重点之一研究热泵技术在实际工程中的应用，使热泵的节能环保作用在实际中得以更好地发挥，是推广热泵技术的重要基础，因此实际工程应用及优化研究工作十分重要。