國際熱泵技術(shù)的發(fā)展

1、國際熱泵技術(shù)的發(fā)展與趨勢,第八屆國際能源組織熱泵大會回顧,中國建筑科學(xué)研究院空調(diào)所 徐 偉,第八屆國際能源組織熱泵大會(簡稱國際熱泵大會)于2005年5月30日至6月2日在美國拉斯韋加斯市愷撒宮舉行，由國際能源組織熱泵委員會主辦。 國際能源組織熱泵委員會是國際熱泵界的最高學(xué)術(shù) 會議，熱泵委員會涉及領(lǐng)域包括熱泵、空氣調(diào)節(jié)以 及相關(guān)的制冷技術(shù)。 會議主題： 熱泵技術(shù)、應(yīng)用與市場的全球發(fā)展,國際熱泵大會簡介,大會每三年舉行一次 ，此前的七屆年會：2002年中國北京 、1999年德國柏林、1996年加拿大多倫多、1993年荷蘭馬斯特里赫特、1990年日本東京、1987年美國奧蘭多、1984年奧地利格拉

2、茨。 此次年會的目的：通過技術(shù)、市場、政策及標準信息的交流和討論，審視熱泵技術(shù)保護環(huán)境、節(jié)約能源方面的益處，在世界范圍內(nèi)促進熱泵技術(shù)的應(yīng)用與進步,大會受到多方支持,相關(guān)學(xué)術(shù)團體 美國供熱制冷與空調(diào)工程師學(xué)會ASHRAE 美國地?zé)釤岜脜f(xié)會GHPC 國際制冷學(xué)會IIR 國際地源熱泵協(xié)IGSHPA ORNL,政府部門 加拿大自然資源部 德國聯(lián)邦經(jīng)濟與勞工部 日本新能源與工業(yè)技術(shù)發(fā)展組織 日本熱泵與蓄熱技術(shù)中心 挪威能源署 瑞典能源署 瑞士聯(lián)邦能源部 美國能源部,大會規(guī)模,這次大會共有來自20國家和地區(qū)223名代表參加了會議，中國有10名代表（包括2名香港代表）出席了會議。 會議共收到128篇論文，中

3、國有17篇。 會議共安排52篇專題發(fā)言，場外交流76篇，中國有2篇專題發(fā)言，一篇場外交流,大會活動,展覽會 國家代表、研發(fā)組織、制造廠商、學(xué)會以及社會團體參展 會前專題研討會 供暖供生活熱水用熱泵測試步驟和季節(jié)性能系數(shù)計算方法（ANNEX28） 克服地源熱泵市場與技術(shù)障礙（ANNEX29,大會活動,技術(shù)參觀 拉斯韋加斯湖（Lake Las Vegas）新社區(qū)湖水源水環(huán)熱泵工程 洛基研究中心（Rocky Research）吸附式制冷,九個專項議題,熱泵技術(shù)的現(xiàn)狀與趨勢 能源與環(huán)境 熱泵應(yīng)用 地源/水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用工具 熱泵在冷熱電（CHP）系統(tǒng)中的綜合利用 先進概念熱泵組件 先進的熱泵系統(tǒng)

4、及設(shè)備 替換制冷劑的進展 國家研究計劃概述,熱泵技術(shù)的現(xiàn)狀與趨勢,北美、歐洲及亞太地區(qū)的區(qū)域報告，已成為熱泵大 會的傳統(tǒng)特色，這些報告為認識和了解世界主要熱 泵應(yīng)用區(qū)域在該技術(shù)的應(yīng)用及研究方面的相似與不 同，提供了寶貴的資料。 北美地區(qū) 供熱仍以天然氣為主，熱泵供熱僅占10% ，在美國 地?zé)釤岜美谜忌鐣偰芎?.32,垂直地埋管46,水平地埋管38,地表水15,其他1,地下?lián)Q熱器單位管長造$36/m 22個州推廣地源熱泵 Galt House Hotel 最大地源熱泵項 目，4700冷噸。 全美國有30個地源熱泵制造商 地源熱泵應(yīng)用的目標是減少70建造 費用 美國2006年1月23日將實行新

5、的熱泵 能效標準，SEER=13， HSPF7.7 Air/Air熱泵機組逐漸采用410A制冷 劑，2010年全面禁止使用R22。 加拿大，閉式地源熱泵系統(tǒng)季節(jié)平 均COP達到3.5，開式系統(tǒng)達到2.8,美國地?zé)釤岜玫膽?yīng)用形式,歐洲地區(qū),熱泵技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)、商業(yè)及民用建筑領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用 熱泵賣出的數(shù)量在持續(xù)增長，在許多國家1525%的年增長率 為熱泵系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)良與費用盡可能的低廉提出了新的要求 制冷劑的變革與建筑物熱工性能將直接影響熱泵的設(shè)計與裝配,亞太地區(qū),中國已成為世界范圍內(nèi)最大的空調(diào)生產(chǎn)國 澳大利亞最大的地源熱泵項目，350個孔，100m深，并在市場上已出現(xiàn)了一種太陽能熱泵熱水器

6、日本的“領(lǐng)跑者”計劃將使小型空氣源設(shè)備的效率在2000年的基礎(chǔ)上提升60% ，房間空調(diào)器制冷COP為5.0、制熱COP為5.26，最高制冷COP大于6.0，日本燃氣熱泵已應(yīng)用60多萬臺,地源熱泵應(yīng)用，美國有最大的市場規(guī)模；瑞典增長速度最快，主要用于單戶住宅，通常承擔(dān)熱負荷的70，熱耗的90 加拿大、挪威致力于改善地耦合熱泵性能 日本在北部推廣地源熱泵，并開發(fā)一系列設(shè)計和模擬工具 奧地利開發(fā)了許多單戶住宅直接膨脹系統(tǒng)、CO2工質(zhì)作為一次系統(tǒng)的載體的系統(tǒng)、以及與建筑樁基結(jié)合的系統(tǒng),發(fā)達國家地源熱泵應(yīng)用的變化 建筑的供熱負荷在減少，供冷負荷在增加 在大型商業(yè)系統(tǒng)中，由于氣候條件和建筑性能不同， 需要

7、保持地下?lián)Q熱器的平均溫度接近非干擾的地下溫 度，熱響應(yīng)測試變得非常重要 克服初投資高的問題 人們對節(jié)能和環(huán)境效益的認識不夠,能源與環(huán)境,奧地利的Hermann Halozan教授做了基調(diào)發(fā)言：熱泵與環(huán)境 各國政府長久以來的共同目標：為保持經(jīng)濟的持續(xù)增長提供足量且廉價的能源。 所有工業(yè)化國家都或多或少面臨氣候變化的問題 各國達成共識，共同致力于減少主要由于燃燒礦石燃料帶來的CO2的排放 熱泵技術(shù)為建筑及工業(yè)領(lǐng)域減少能源消耗及CO2的排放提供了可能,幾個國家關(guān)于熱泵實現(xiàn)CO2減排的數(shù)據(jù),美國的Alice Gitchell與Lynn Stiles在發(fā)言中談到，高效地源熱泵系統(tǒng)與燃氣爐或冷卻塔相比將分

8、別減少31%和50%的CO2排放 熱泵在氣溫較低地區(qū)優(yōu)勢并不十分明顯，Caneta研究中心發(fā)現(xiàn)在加拿大所有地區(qū)，地源熱泵系統(tǒng)的減排量都較小，最小的減排量只有15% 日本的N.Endo等人對AIST實驗室的調(diào)查顯示，采用熱泵技術(shù)后減少61%的能耗，合計37TJ/年，減少63%的運行費用合計近四千五百萬日元，減少53%的CO2排放計2400噸/年,熱泵的應(yīng)用,世界上已安裝1.3億臺熱泵，每年新增1500萬臺熱泵 瑞士熱泵的銷售量近十年持續(xù)增長，平均增長率15%，隨著熱泵產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提高及其不斷可靠的運行，瑞士熱泵市場將會更好的發(fā)展 在挪威，2003年熱泵機組的銷售呈現(xiàn)55,100件的爆炸式增長，

9、而整個90年代的年銷售量也只是10002000之間，考慮到挪威政府相關(guān)政策的出臺，今后熱泵的銷售量仍然值得期待,在日本，東京灣區(qū)域供冷/暖 蓄熱系統(tǒng)實現(xiàn)了與高效率熱源 機器的結(jié)合，實現(xiàn)了與系統(tǒng)能 力范圍最大化蓄熱罐的結(jié)合， 同時實現(xiàn)了與大供回水溫差的 結(jié)合，系統(tǒng)的CO2排放量小于 平均水平的60% 在加拿大使用熱泵對木材進行 干燥，同比將平均減少近35%的能耗,在新加坡，使用改進的空氣源熱泵干燥系統(tǒng)干燥后的水果， 與使用傳統(tǒng)干燥方法干燥的水果相比諸多指標都得到了改進，某些指標甚至可以與冷凍干燥法干燥后的水果相媲美，冷凍干燥法被認為是最好的干燥法，但同時也是最昂貴的方法,地源/水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計及

10、應(yīng)用工具,關(guān)于熱泵系統(tǒng) 地源熱泵系統(tǒng)與空氣源熱泵系統(tǒng)相比能效更高，但地源熱泵系統(tǒng)的初投資卻遠高于空氣源熱泵，同時也要高于傳統(tǒng)的燃油/汽鍋爐 Johnny Wrnelf介紹了他們研究的高效集熱器只需要很小的占地面積，集熱器裝配過程十分簡單，在收集地下熱能的同時還可以收集房間排出氣體中的能量，該系統(tǒng)不間斷對房間進行通風(fēng)從而保證了室內(nèi)空氣的質(zhì)量,目前世界上商用建筑用地源熱泵地下?lián)Q熱器設(shè)計計算分析軟件主要有： 歐洲地?zé)釁f(xié)會的EED（Earth Energy Designer） 北美和歐洲建筑模擬軟件TRNSYS 國際地源熱泵協(xié)會的GLHE Pro 這些軟件基本都基于瑞典隆德大學(xué)q-Functions算

11、子，并且得到試驗驗證，世界各國廣泛采用 除此之外國際上地源熱泵設(shè)計軟件還有LUND PROGRAMS、GLGS 、ECA、WFEA、GS2000、GEOCALC等等。瑞典還特為建造商開發(fā)了簡易設(shè)計軟件Prestige，目前有600多用戶,熱泵在冷熱電（CHP）系統(tǒng)中的綜合利用,電驅(qū)動熱泵單純供熱或制冷可以提高電能利用率，但 初級能源利用率卻沒有質(zhì)的提高 美國能源部協(xié)同供熱部門、制冷部門及發(fā)電廠聯(lián)合開發(fā)先進的熱驅(qū)動熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用發(fā)電設(shè)備余熱對建筑物進行供熱與制冷，該計劃將推動熱泵尤其是綜合利用發(fā)電廠廢熱的冷暖同供技術(shù)的發(fā)展，這種技術(shù)如果被推廣使用將使全能源利用率提高近80,Hornsby圖

12、書館是奧地利第一個 三聯(lián)供區(qū)域供冷工程，該工程最 終減少CO2的排放近20%，新近 裝配的新的控制方案將有望使這 一數(shù)據(jù)得到進一步提高,日本AIST的Chaobin Dang向大會提交了一份研發(fā)計劃用于研究小型利用熱力分配站廢熱工作的吸收式熱泵系統(tǒng)，該計劃的目標是減小吸收機的型號同時提高機組的COP，新的“混合式”裝置在容量上減少50%，而COP卻提升了1015,熱泵系統(tǒng)的良好運轉(zhuǎn)需要依賴組件優(yōu)良的 性能，系統(tǒng)的改進需要組件技術(shù)不斷的進步 高效換熱器的研究集中在如何減少 換熱器熱阻，提高換熱效率的問題上 壓縮機是熱泵另一重要組件， Clark Bullard的文章認為壓縮機的 研究重點在對渦輪

13、壓縮機的研 究,高效優(yōu)質(zhì)渦輪壓縮機設(shè)計十 分復(fù)雜,這也從另一個角度說明 其性能的提升仍然有廣泛空間,先進概念熱泵組件,先進的系統(tǒng)及設(shè)備,建筑設(shè)計水平的不斷提高將會降低建筑對熱量的需要， 但空調(diào)和生活熱水卻會更加重要當前熱泵系統(tǒng)普遍效率 不高，但卻預(yù)示了該技術(shù)持續(xù)發(fā)展的空間 J. J. Tomlinson介紹了一種空氣調(diào)節(jié)與生活熱水聯(lián)合供應(yīng)的熱泵系統(tǒng)，但該系統(tǒng)出投資過高，在美國這部分投資將達到1000美元左右 新加坡的Hawlader介紹了一種 “三位一體”系統(tǒng)，即同時完成制冷、提供生活熱水與衣物干燥功能的熱泵系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)高位熱源選用了太陽能，這也就決定了其適用范圍的局限性 Mats Feh

14、rm介紹了一種全室內(nèi)排氣源熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用室內(nèi)排氣中的能量參與進熱泵熱源，再次利用排氣帶走的建筑耗能。保溫層很厚的居住建筑，排氣熱損失占去全部建筑耗能的很大部分，回收利用這部分能量正是追求建筑零能耗的結(jié)果,替換制冷劑的進展,傳統(tǒng)炭氟化物制冷劑受到越來越多的批評，這是由于從系統(tǒng)泄漏出去的傳統(tǒng)制冷劑會破壞臭氧層，從而影響全球氣候。近年來，制冷劑的研究重點在自然制冷劑取代傳統(tǒng)制冷劑，尤以CO2制冷劑為代表 日本的CO2制冷劑熱泵,2001年1月由東京電力等三家機構(gòu)共同研制出了世界上第一臺住宅用CO2制冷劑熱泵熱水器，四年后的今天日本已有17家企業(yè)可以設(shè)計制造并出售這種熱泵產(chǎn)品了。夏季制冷工況下全

15、系統(tǒng)的效率是3.5，過渡季節(jié)3.2，冬季供熱工況下是2.8，全年效率大概是3.1。該系統(tǒng)可節(jié)約30%的能耗并減少50% CO2排放，實行峰谷電價的地區(qū)在夜間運行機器將進一步降低系統(tǒng)的運行費用,歐洲的CO2地源熱泵系統(tǒng)： CO2循環(huán)借助重力作用在地埋垂直管中 自動運行，CO2吸收土壤低位熱量 CO2在循環(huán)過程中發(fā)生相變，從而其吸 熱效率遠高于普通制冷劑，有數(shù)據(jù)顯示 其吸熱效率是普通制冷劑的412倍 循環(huán)制冷劑與CO2發(fā)生熱交換，再由熱 泵將制冷劑從CO2中獲得的低位熱量提升品位 這種產(chǎn)品投放市場已有四年，其特有的CO2自循環(huán)系統(tǒng)降低了系統(tǒng)的電能消耗，獲得了較好評價 CO2熱泵產(chǎn)品在歐洲在日本都已

16、投入了市場，但為能使CO2熱泵更快的推廣，還須在加大出熱量、如何在寒冷地區(qū)使用以及降低造價方面做許多工作,國家研究計劃概述,瑞典十年間實施了三項熱泵發(fā)展計劃:“可變制冷” 、“氣候21”、“更高效的熱泵與制冷系統(tǒng)”。主旨是使瑞典的熱泵技術(shù)及制冷系統(tǒng)的能源利用率得到提高，并注重在相應(yīng)經(jīng)濟條件及自然環(huán)境中的可行性。 熱泵技術(shù)是日本國內(nèi)“月光計劃”中的核心內(nèi)容，作為國家節(jié)約能源工程中主要的一項，熱泵技術(shù)已經(jīng)得到了良好的發(fā)展。 美國的研究計劃有一個很大的特點，這就是美國的科研部門與資金資助部門的分家，由類似美國能源部這樣提供資金資助的部門制定研究規(guī)劃，提供研究資金，由負責(zé)研究的部門完成具體工作。 在加拿大，計劃大部分由實驗室和政府機構(gòu)、大學(xué)以及能源企業(yè)的研究中心來開展，并在高溫?zé)岜?、制冷劑研發(fā)以及熱泵系統(tǒng)設(shè)計輔助軟件開發(fā)領(lǐng)域取得了很好的研究成果,總結(jié),國際社會正積極尋求技術(shù)上的支持以應(yīng)對能源安全、環(huán)境保護、經(jīng)濟發(fā)展及清潔能源的需求帶來的挑戰(zhàn)，國際間的相互合作是解決這些問題的基礎(chǔ)，而國際能源組織則為這種國際間的技術(shù)合作提供了平臺。 對熱泵的研究主要集中在三個方面，即對熱泵系統(tǒng)的研究、熱