歐美熱泵發(fā)展歷程

歐美熱泵發(fā)展史摘要：簡要介紹熱泵空調系統(tǒng)在歐美地區(qū)的發(fā)展歷史，以及各種類型熱泵的使用及技術改進。關鍵詞：空氣源熱泵水源熱泵地源熱泵美國歐洲發(fā)展隨著工業(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“泵”送到溫度較高的介質中這一問題發(fā)生了濃厚的興趣。熱泵的理論起源于十九世紀早期法國科學家薩迪.卡諾(Sadikarnot),卡諾在1824年首次以論文提出“卡諾循環(huán)”理論，30年后，英國科學家開爾文(L.Kelvin)于1850年初提出:冷凍裝置可以用于加熱,之后許多科學家和工程師對熱泵進行了大量研究。1852年,W.Thomson教授(即大家熟知的LordKelvin勛爵)發(fā)表論文，他指出制冷機也可用于供熱并第一個提出了熱量倍增器(HeatMultiplier)的概念，首次描述了熱泵的設想。1912年瑞士的蘇黎世成功安裝一套以河水作為低位熱源的熱泵設備用于供暖，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)?；魻柕?Haldane)于1927~1928年實現(xiàn)了熱泵供暖，在他的倫敦辦公室和埃斯科的住宅安裝了熱泵系統(tǒng)，其工質為氨，用空氣為熱源，共室內(nèi)采暖及水加熱用?；魻柕さ臒岜靡寻l(fā)展到了較高的技術水平，可以認為這一裝置是現(xiàn)代蒸汽壓縮式熱泵的真正原型。同時，在他的論文中，已經(jīng)認識到通過簡單的切換制冷循環(huán)來實現(xiàn)現(xiàn)裝置在冬季供熱，夏季制冷的可能性。20世紀30年代，熱泵首次進入商用階段，并在20世紀40年代到50年代早期得到迅速發(fā)展，家用熱泵和工業(yè)建筑用的熱泵開始進入市場，熱泵進入了早期發(fā)展階段。在美國，1930年，阿里薩拉州特斯康的一間房間采用熱泵供暖方式。尤其1931年，洛杉磯一幢13層的辦公大樓配備了一套1628kW的制冷裝置，主要用于冷卻辦公室，但其中1/4的能量用于供暖。1937~1940年該公司在四幢大樓內(nèi)安裝了熱泵。其他公司于1934~1940年在美國東部為8幢大樓配了熱泵。1936~1940年間在加利福尼亞還安裝了5臺熱泵。1935年左右一些私人住宅實現(xiàn)熱泵采暖。1938年在洛杉磯同時安裝了20臺裝置。在1940年前美國已安裝了約50臺熱泵。在此期間，一些制冷設備制造商已經(jīng)認識到熱泵作為家用空調與供暖設備的市場潛力和重要性。美國開始工廠化裝配熱泵空調機組，最早的工廠化裝配機組起源于蓋爾森(Galson),它提出的全年運行空調機組的方法至今仍用于美國。1938年，洛杉磯的塞梅多電器制造公司造了20臺配有3馬力壓縮機的空氣/空氣熱泵機組，安裝于單元住宅，收到了好的效果。1940年威斯汀豪斯公司制造了第一臺用于供暖和供冷的便攜式機組，用空氣做熱源。雖然該機組還沒有融霜系統(tǒng)，但已經(jīng)用了首次大批生產(chǎn)的制冷劑循環(huán)換向閥。在瑞士，1938年蘇黎世市政廳安裝了供熱熱泵；1939年在大型建筑物內(nèi)安裝了熱泵的空調系統(tǒng)。采用透平式壓縮機，以泉水作為低溫熱源。20世紀40年代，美國開始對熱泵有了進一步的認識。到1948年小型空氣源熱泵的開發(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。到20世紀50年代，美國市場上開始出現(xiàn)以地下水或者河湖水作為熱源的地源熱泵系統(tǒng)，并利用它來實現(xiàn)采暖，但由于采用的是直接式系統(tǒng)，很多系統(tǒng)在投入使用10年左右的時間由于土壤中化學物質腐蝕等問題就失效了，地下水源熱泵系統(tǒng)的可靠性受到了人們的質疑。與此同時，歐洲也開始了研究地源熱泵的第一次高潮，但由于當時的能源價格較低，這種系統(tǒng)并不經(jīng)濟，因而未得到推廣。由此熱泵的發(fā)展進入低潮。土壤耦合熱泵在英國和美國于1950年左右問世，一些家庭用熱泵開始采用地下埋管作熱源，并開始了土壤耦合熱泵的研究工作。但是由于這個時期能源價格低、土壤源熱泵系統(tǒng)的投資高，使得這種系統(tǒng)并不經(jīng)濟，且由于計算復雜、土壤對金屬地下埋管的腐蝕等原因，土壤源熱泵系統(tǒng)的早期研究高潮持續(xù)到20世紀50年代中期將就基本停止了。在20世紀50~60年代初(1952~1963)這十年中，由于家用空氣/空氣熱泵可以把這制冷與采暖合用一套裝置，而熱泵若在電力充足而電能價格又便宜的地區(qū)使用時，其運行費用低。因此，用戶對熱泵產(chǎn)生興趣，家用空氣/空氣熱泵在美國市場上取得了相當大的成功。美國1952年約出廠1000套熱泵，1954年產(chǎn)量翻一番，約生產(chǎn)2000套熱泵，1957年則增長到10倍，而到1963年發(fā)貨量增加到76000套/年。20世紀60年代和70年代初期，熱泵因其可靠性低和設備費用高幾乎毀壞了空氣源熱泵工業(yè)。又因60年代電價持續(xù)下降，電加熱器以其可靠性和額滴電費吸引著人們，使電加熱器的應用不斷增加，成了熱泵發(fā)展的主要對手，限制了熱泵的發(fā)展，空氣源熱泵工業(yè)進入了10年左右的徘徊狀態(tài)。盡管如此，在此期間全世界范圍內(nèi)還是擴大了熱泵的應用。瑞典、法國等國家生產(chǎn)了以室外空氣為熱源的小型家用熱泵，至于大型熱泵裝置，則越來越與商業(yè)和公共建筑的熱回收方案結合起來。20世紀70年代至80年代初，能源危機的出現(xiàn)，熱泵又以其回收低溫廢熱、節(jié)約能源特點，又受到人們的關注。通過改進,水源熱泵機組擴大了進水溫度范圍，加之歐洲板式換熱器的引進，閉式地下水源熱泵逐漸得到廣泛應用。與此同時，人們也開始關注土壤源熱泵系統(tǒng)。在美國能源部(DOE)的支持下，美國橡樹山(OakRidgeNationalLaborato-ry,ORNL)和布魯克海文(BrookhavenNationalLaboratory，BNL)等國家實驗室和俄克拉荷馬州立大學(OklahomaStateUniversity,OSU)等研究機構進行了大量的研究。主要研究工作集中在地下?lián)Q熱器的傳熱特性、土壤的熱物性、不同形式埋管換熱器性能的比較研究等。為了解決土壤中化學物質腐蝕問題，地埋管也由金屬管變成了聚乙烯等塑料管。至此，美國進行了多種形式的地下埋管換熱器的研究、安裝和測試工作。而當時歐洲經(jīng)濟共同體(EWG)和歐洲自由貿(mào)易聯(lián)盟(EFTA)都在致力于通過太陽能的研究來解決能源問題，直到第二次石油危機之后，歐洲才開始關注熱泵系統(tǒng)，逐步引入了利用室外空氣、通風系統(tǒng)中的排氣、土壤、地下水等為熱源的熱泵機組，與美洲不同，歐洲的熱泵系統(tǒng)一般僅用來供熱或提供生活熱水。20世紀80年代，美國和歐洲一些國家迎來了熱泵發(fā)展的新時期。在80年代，熱泵技術日益進步，熱泵設計在理論和技術的問題幾乎都已解決，熱泵的可靠性大大提高，而且用戶對熱泵的了解與認識日益深刻，各國政府及公用事業(yè)也采取措施以推動熱泵的發(fā)展。正因為這樣，空氣源熱泵在美國的應用非常普及，尤其在住宅，美國在此期間開始用空氣/空氣熱泵代替空調機。歐洲在80年代，由于住宅用空調還不普及和能源價格問題，其熱泵市場有限。但是歐洲一些國家致力于大型熱泵裝置的研究，主要用于集中供熱或區(qū)域供熱。在此期間，瑞典建立了一批以湖/海水、地下水為熱源的大型熱泵站，1982年丹麥建造了最早的海水源熱泵供區(qū)域供熱。另外，在20世紀80年代里，世界各國對土壤耦合熱泵的研究工作和學術交流十分活躍，同時不算擴大了應用范圍。但是土壤耦合熱泵系統(tǒng)直到20世紀80年代后期才在商業(yè)、民用建筑的空調設計中采用。截至1985年，美國共有14000臺地源熱泵，瑞典有6000套大地耦合熱泵。20世紀90年代，人們普遍開始重視節(jié)能與環(huán)境問題，許多國家把推廣應用熱泵作為節(jié)能、開發(fā)與利用低溫自然能，減少CO2排放的一種有效技術手段。因此，熱泵技術在一些國家又開始了一個快速成長期。美國的土壤耦合熱泵供暖與供冷是發(fā)展最快的工業(yè)之一，僅1944~1945年土壤耦合熱泵的應用從18%發(fā)展到30%，1997年后每年以10%的速度穩(wěn)步增長。歐洲一些國家由于采取積極的促進政策，使得歐洲熱泵市場得到快速發(fā)展，1997年歐洲發(fā)展基金會重新提出熱泵發(fā)展計劃。這期間，歐美地源熱泵的研究工作十分活躍，其研究的熱點依然集中在土壤源熱泵的地下埋管換熱器的換熱機理、強化傳熱等方面，與前階段的研究不同，最新的研究更多地關注相互耦合的傳熱、傳質模型，以便更好的模擬地下埋管的真實換熱；研究物性更好的回填材料，以強化埋管在土壤中的導熱過程；為進一步優(yōu)化系統(tǒng)，而研究埋管換熱器與熱泵裝置的匹配問題，從而使土壤源熱泵的應用和發(fā)展進入了一個新的發(fā)展階段。進入21世紀后，美國地源熱泵的使用量隨著建筑規(guī)模的擴大也逐漸增加。美國地源熱泵年平均增長率保持在15%以上。從2005年到2007年美國地源熱泵呈現(xiàn)快速增長趨勢，截至2009年，美國在運行的地源熱泵系統(tǒng)約為100萬套。在歐洲，地源熱泵系統(tǒng)在瑞典、奧地利、德國發(fā)展的數(shù)量比較多，整體容積量比較大，丹麥、希臘的平均機組容量最大。而且瑞典以每年安裝約4萬套地源熱泵系統(tǒng)，居歐洲第一，除瑞典外，德國、