熱泵的起源及發(fā)展歷史

               逐步邁向未來：空氣能熱泵發(fā)展史述評，熱泵技術(shù)是一項相當“古老”的技術(shù)。早在1775年，愛丁堡的化學教師庫侖即發(fā)現(xiàn) 利用乙醚的蒸發(fā)，可以使水降溫并且發(fā)生結(jié)冰的現(xiàn)象。他的學生布拉克從本質(zhì)上解釋了融 化和汽化現(xiàn)象，提出了物質(zhì)狀態(tài)變化時的“熱”概念，并發(fā)明了冰量熱器，標志著現(xiàn) 代制冷制熱技術(shù)的開始。
    
                法國的青年工程師卡諾在1824年發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，只要增加氣體的壓力，就會提高 其溫度，反之，如果減小氣體的壓力，會降低其溫度。并斷言利用這一現(xiàn)象可以實現(xiàn)熱 量的轉(zhuǎn)移，同年他還提出了能夠提高做功效率的“卡諾循環(huán)”。但是由于當時機械制造技 術(shù)的限制，卡諾本人并沒有提出可以實現(xiàn)的熱泵結(jié)構(gòu)設(shè)計?？ㄖZ循環(huán)當時針對的是熱動力 機，而卡諾循環(huán)的反向循環(huán)，即是熱泵（或制冷）循環(huán)?？ㄖZ發(fā)表的著名論文《關(guān)于火 的動力》，首次提出了“卡諾循環(huán)”理論，成為熱泵技術(shù)的最早起源。
    
                隨著工業(yè)革命的發(fā)展，19世紀初，人們對能否將熱量從溫度較低的介質(zhì)“泵”送到 溫度較高的介質(zhì)中這一問題產(chǎn)生了濃厚的興趣。英國物理學家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳(1818~1889)提出了“通過改變可壓縮氣體的壓力就能夠使其溫度發(fā)生變化”的原理。
                 
                制冷（熱泵）機組工作時，蒸發(fā)器一端總是吸收熱量，而冷凝器一端總是釋放熱量， 而且兩個過程總是同時進行的。在理想狀態(tài)下，冷凝器一端釋放的熱量要大于蒸發(fā)器一端 吸收的熱量。1850年英國科學家開爾文注意到這一現(xiàn)象，與電熱絲發(fā)熱相比，同樣的耗 電在熱端獲得的熱量要多很多倍，他當時把這樣的裝置稱為“能量倍增器”，并首次描述 了熱泵的設(shè)想，實際上是利用壓縮和膨脹來實現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移。這使得我們一直追求的低溫的“低級能源”變成高溫的“高級能源”變?yōu)榭赡堋?br/>    
                到了1834年,在倫敦工作的美國發(fā)明家波爾金斯(Perkins)造出了第一臺以乙醚為 工質(zhì)的蒸氣壓縮式制冷機，并正式申請了英國第6662號專利。這是后來所有蒸氣壓縮式 制冷機的雛形，直到今天也沒有根本改變。但由于它使用的工質(zhì)是乙醚，很容易發(fā)生燃 燒和爆炸，影響了這種機型的推廣應(yīng)用。到1875年卡利和林德改用氨作制冷劑，大大提 高了制冷機的效率和穩(wěn)定性（氨制冷機組至今還是相當重要的冷凍方法），從此蒸氣壓縮式制冷機開始占據(jù)統(tǒng)治地位。

                在此期間，空氣絕熱膨脹會顯著降低空氣溫度的原理也開始用于制冷。1844年，美 國醫(yī)生約翰·七里用封閉循環(huán)的空氣制冷機為患者改建了一臺空調(diào)機，這使他一舉成名。 威廉·西門斯在空氣制冷機中引入了回熱器，進一步提高了制冷機的性能。1859年，卡列 發(fā)明了氨水吸收式制冷系統(tǒng)，并申請了原理專利。早期的冰箱即是由該原理制成。那時 候的冰箱和現(xiàn)在的不同，它需要一個小火爐為其供熱，火源可以是煤氣或者是煤油。直 到20世紀30年代，由于蒸氣壓縮制冷技術(shù)的快速發(fā)展，使用更為高效和方便，才陸續(xù) 取代了這種吸收式冰箱。1910年左右，馬利斯·萊蘭克發(fā)明了蒸氣噴射式制冷系統(tǒng)。到 20世紀，制冷技術(shù)有了更大發(fā)展，全封閉制冷壓縮機研制成功。美國通用電器公司米里 杰發(fā)現(xiàn)氟里昂制冷劑并用于蒸氣壓縮式制冷循環(huán)，伯寧頓發(fā)明回熱式除濕器循環(huán)以及熱泵的出現(xiàn)，都極大地推動了制冷技術(shù)的發(fā)展。

                之后許多科學家和工程師對熱泵技術(shù)進行了大量的研究，將冷凍技術(shù)用于加熱，研究 持續(xù)了80年之久。但由于當時采暖技術(shù)簡單，且價格低廉，因此對熱泵技術(shù)的需求不 大。這就是熱泵的發(fā)展明顯地滯后于制冷機的原因。
    
                直到20世紀20~30年代，一方面由于制冷機的發(fā)展為熱泵的制造奠定了良好的基 礎(chǔ)，另一方面也由于社會上出現(xiàn)了對熱泵的需求，因此熱泵得到了極大的發(fā)展。 1912年，瑞士的蘇黎世成功安裝了一套以河水作為低位熱源的熱泵設(shè)備用于供暖， 這是早期的水源熱泵系統(tǒng)，也是世界上第一套熱泵系統(tǒng)。
    
                1930年，英國的霍爾丹(Haldane)在自己的著作中報道了1927年在蘇格蘭安裝試驗 的一臺家用熱泵的安裝及試驗情況，這臺熱泵采用氨作為工質(zhì)，以空氣為熱源，用于熱 水供應(yīng)和采暖，這是英國安裝的第一臺熱泵。當時霍爾丹已能認識到通過簡單的切換制冷循環(huán)來實現(xiàn)冬季供熱、夏季制冷的可能性。

                在這之后，美國開始對熱泵進行大量的研究和設(shè)計，到1931年，美國加州的安迪生 公司在洛杉磯的辦公大樓上安裝了第一臺大容量的熱泵用于采暖，制熱量為1050kW,制 熱系數(shù)為2.5。
    
                1939年，歐洲第一臺大型熱泵出現(xiàn)于瑞士蘇黎世的市政府大廈，制熱量為175kW,制熱系數(shù)為2.0，以河水為低溫熱源，工質(zhì)是R12,持續(xù)向市政府輸出溫度為60℃的熱水,有蓄熱系統(tǒng),高峰負荷時采用電加熱作為輔助加熱手段。該裝置夏季也能用來 制冷。
    
                熱泵技術(shù)在20世紀40~50年代早期又獲得迅速發(fā)展，到1943年大型熱泵的數(shù)量已相 當可觀。40年代，美國也開始對熱泵有了進一步的認識。1948年小型熱泵的開發(fā)工作有了很大的進展，家用熱泵和工業(yè)建筑用熱泵大批投放市場。英國在20世紀50年代也生產(chǎn) 了許多小型民用熱泵。1950年左右，美、英兩國開始了對使用地下盤管吸收地熱作為熱 源的家用熱泵的研究工作。至1950年，已有20個廠商及10余所大學和研究單位從事熱 泵的研究，當時擁有的600臺熱泵中約50%用于房屋供暖，45%為商用建筑空調(diào)，僅 5%用于工業(yè)。通用電氣公司生產(chǎn)的以空氣為熱源、制熱與制冷可自動切換的機組，使空 調(diào)用熱泵作為一種全年運行空調(diào)機組進入了空調(diào)商品市場。熱泵技術(shù)在20世紀50~60年代(1952~1963)這10年中經(jīng)歷了迅速成長的階段。由 于熱泵可以讓制冷與采暖合用一套裝置，在電力充足、電能價格又便宜的地區(qū)使用時運行 費用很低，用戶對此產(chǎn)生了興趣，使熱泵進入了早期發(fā)展階段。1957年美國決定在建造 大批住房項目中用熱泵采暖代替原先設(shè)想的燃氣供熱方案，這又使熱泵的發(fā)展進入了一個 高潮，至60年代初在美國安裝的熱泵機組已近8萬臺。然而，由于過快的產(chǎn)品增長速度 造成設(shè)備制造質(zhì)量較差、設(shè)計安裝水平低、維修及運行費過高，到1964年熱泵可靠性的 問題已成了一個十分嚴峻的問題。又因60年代電價持續(xù)下降，人們對電加熱器的需求不 斷增加，使之成了熱泵發(fā)展的主要競爭對手，限制了熱泵的發(fā)展，熱泵工業(yè)進入了10年 的徘徊狀態(tài)。直至20世紀70年代中期，熱泵才重新有了快速增長。這一方面是由于熱 泵技術(shù)的發(fā)展使機組可靠性提高，另一方面是1973年能源危機的推動。70年代初期，人 們廣泛認識到礦物燃料在地球上是有限的，熱泵以其回收低溫廢熱、節(jié)約能源的特點， 對產(chǎn)品性能和可靠性進行改進后重新登上歷史舞臺，受到了人們的青睞。比如美國，熱 泵的年產(chǎn)量從1971年的8.2萬套猛增至1976年的30萬套，1977年再次躍升為50萬套。 至1988年，熱泵式房間空調(diào)器年產(chǎn)量已達321萬臺。至1999年，包括熱泵式的單元式 熱泵空調(diào)機年產(chǎn)量超過了1000萬臺。在此期間，在全世界范圍內(nèi)熱泵的應(yīng)用總的發(fā)展趨 勢是不斷擴大，日本、瑞典等國小型的家用空氣能熱泵產(chǎn)量大幅提高。在英國、德國大 型熱泵裝置與大型商業(yè)和公共建筑的熱回收方案結(jié)合取得了一定成果。熱泵技術(shù)進入了黃 金時期，世界各國對熱泵的研究工作都十分重視，諸如國際能源機構(gòu)和歐洲共同體都制訂 了大型熱泵發(fā)展計劃，熱泵新技術(shù)層出不窮，熱泵的用途也在不斷開拓，廣泛應(yīng)用于空 調(diào)和工業(yè)領(lǐng)域，在節(jié)約能源和環(huán)境保護方面起著重大的作用。
    
                我國熱泵技術(shù)研究開發(fā)工作的起點和發(fā)展歷程與國外相比有較大的差距。20世紀50 年代，天津大學熱能研究所開始著手開展熱泵方面的研究。從60年代開始，熱泵在我國 工業(yè)上開始得到應(yīng)用。1965年,上海冰箱廠研制成功我國第一臺熱泵型窗式空調(diào)機,制熱量為3720W。同年，天津大學與天津冷氣機廠研制成功我國第一臺水冷式熱泵空調(diào)機，即我國最早的水源熱泵機組，其研制者是天津大學呂燦仁教授。此后，我國熱泵的研究 開發(fā)工作取得了較快的進展。到80年代以后，熱泵技術(shù)的研究日益受到人們的重視，但 熱泵產(chǎn)品主要以空氣能熱泵空調(diào)器和中小型的商用空氣能熱泵機組為主。1983年在北京召 開了中國制冷學會低勢熱源與熱泵會議，總結(jié)了我國在這一領(lǐng)域中的研究成果。1988年 在廣州由中國科學院廣州能源研究所主持召開了熱泵的專題研討會，在會上對壓縮式熱 泵、吸收式熱泵和化學熱泵進行了學術(shù)交流，熱泵技術(shù)得到了進一步的重視。目前我國 主要有天津大學、哈爾濱工業(yè)大學、清華大學、上海交通大學、同濟大學、廣東工業(yè) 大學和中國科學院廣州能源研究所等一批高校和研究院所研究熱泵技術(shù)，許多制造商也在 不斷努力提高產(chǎn)品的可靠性。經(jīng)過20多年的研究和開發(fā)，熱泵技術(shù)在我國已取得了很大 進步。
    
                隨著我國城市建設(shè)的快速發(fā)展，國家經(jīng)濟迅速增長，人民生活水平不斷改善，我國 空調(diào)行業(yè)迎來了前所未有的發(fā)展機遇。近年來我國家用單元式空調(diào)器產(chǎn)量的增長很快，截 至2002年，我國家用空調(diào)（含熱泵型）的產(chǎn)量為3600萬臺，若其中70%為熱泵型空調(diào)， 則2002年我國熱泵空調(diào)的產(chǎn)量達2500多萬臺。據(jù)統(tǒng)計，作為制冷空調(diào)熱泵關(guān)鍵部件之一 的四通換向閥，2005年我國國內(nèi)總產(chǎn)量就達4355萬個，若加上集中式空調(diào)系統(tǒng)的熱泵系 統(tǒng)，這一數(shù)字還要增加。我國正逐步形成熱泵的完整工業(yè)體系。20世紀90年代，熱泵 式家用空調(diào)器廠家約有300家，空氣能熱泵冷熱水機組生產(chǎn)廠家約有40家，水源熱泵生 產(chǎn)廠家有20余家，國際知名品牌熱泵生產(chǎn)廠商紛紛在我國投資建廠，形成了生產(chǎn)、銷售 進入21世紀以來，我國熱泵理論研究工作比前10年顯著加大了深度與廣度，打破了和服務(wù)、產(chǎn)品研發(fā)機構(gòu)一條龍的完整體系。
    空氣能熱泵一統(tǒng)天下的局面和研究工作僅局限于空氣能熱泵的研究范疇。高等院校和科研 單位紛紛對空氣能熱泵、水源熱泵、地源熱泵和水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)等進行了研究，尤其 是對大地耦合熱泵的理論研究更活躍，研究的內(nèi)容也十分廣泛，包括熱泵的變頻技術(shù)與變 容積技術(shù)、熱泵計算機仿真和優(yōu)化技術(shù)、熱泵的無破壞環(huán)境工質(zhì)替代技術(shù)、空氣能熱泵 的除霜技術(shù)、多聯(lián)式熱泵技術(shù)等，同時熱泵熱水器、海水源熱泵、與太陽能結(jié)合的熱泵 系統(tǒng)等新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。但是，目前熱泵的理論研究仍是以跟蹤國外的技術(shù)為主，自主 目前熱泵技術(shù)已成為解決暖通空調(diào)的能源與環(huán)境問題的有效措施之一。從熱泵的發(fā)展創(chuàng)新性研究工作較少。歷程可以看出，熱泵的發(fā)展不僅與國家經(jīng)濟發(fā)展水平和熱泵本身的技術(shù)水平有關(guān)，而且與 能源結(jié)構(gòu)和環(huán)境適應(yīng)特別是政府的政策導向密切相關(guān)。盡管目前在世界范圍內(nèi)熱泵作為空 調(diào)產(chǎn)品已進入成熟期，但發(fā)展節(jié)能型和環(huán)境友好型熱泵的道路還很艱難。因此，我國今 后應(yīng)加大熱泵的基礎(chǔ)性研究、強調(diào)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新、加強系統(tǒng)集成技術(shù)研究，在關(guān)鍵的基 礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面取得突破，以使我國的熱泵技術(shù)健康發(fā)展和得到科學地推廣與應(yīng)用。

                20世紀50年代，我國熱泵技術(shù)的創(chuàng)始人天津大學呂燦仁教授就開展了熱泵的研究。1956年呂燦仁教授的《熱泵及其在我國的應(yīng)用前途》是我國熱泵研究現(xiàn)存的最早文獻。呂 教授在文中指出了中國氣候條件決定應(yīng)用熱泵技術(shù)的必要性，江河湖海中存在可開發(fā)利用 的能量。1994年，清華大學的徐秉業(yè)教授研制出國內(nèi)第一臺地源熱泵機組；2007年， 哈爾濱工業(yè)大學顧文卿教授主編的《熱泵生產(chǎn)新工藝、節(jié)能新技術(shù)與熱泵系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計、 科學應(yīng)用、性能測試及國內(nèi)外標準實用手冊》，為制熱熱泵的設(shè)計和生產(chǎn)起了很大的引導 作用；廣東工業(yè)大學李凡等編寫的《空氣能熱泵熱水器》一書，填補了國內(nèi)空氣能熱水 器知識的空白；天津科技大學陳東教授主編的《熱泵技術(shù)手冊》，為廣大的熱泵制熱（冷） 領(lǐng)域的技術(shù)工作者提供了寶貴的參考工具。隨著我國政治和經(jīng)濟形勢的變化，熱泵技術(shù)經(jīng) 歷了初期理論研究、自力更生式的工程實驗、以高校研究生培養(yǎng)為主線的系統(tǒng)研究、學 習引進國外先進技術(shù)、國內(nèi)大批量生產(chǎn)和大規(guī)模推廣應(yīng)用階段。今天呂燦仁教授所有的預 見都已經(jīng)實現(xiàn)，中國已經(jīng)成為世界上熱泵生產(chǎn)量最大、制冷熱泵行業(yè)從業(yè)人數(shù)最多、應(yīng) 用最多和范圍最廣的國家，熱泵節(jié)能技術(shù)已經(jīng)深入到各行各業(yè)。
   以上文章來自沈陽中央空調(diào)回收網(wǎng)http://m.vegfruitmart.com向未來邁進：空氣能熱泵技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展