熱泵的起源及發展歷史
逐步邁向未來：空氣能熱泵發展史述評，熱泵技術是一項相當“古老”的技術。早在1775年，愛丁堡的化學教師庫侖即發現 利用乙醚的蒸發，可以使水降溫并且發生結冰的現象。他的學生布拉克從本質上解釋了融 化和汽化現象，提出了物質狀態變化時的“熱”概念，并發明了冰量熱器，標志著現 代制冷制熱技術的開始。
法國的青年工程師卡諾在1824年發現了這一現象，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。并斷言利用這一現象可以實現熱 量的轉移，同年他還提出了能夠提高做功效率的“卡諾循環”。但是由于當時機械制造技 術的限制，卡諾本人并沒有提出可以實現的熱泵結構設計?？ㄖZ循環當時針對的是熱動力 機，而卡諾循環的反向循環，即是熱泵（或制冷）循環。卡諾發表的著名論文《關于火 的動力》，首次提出了“卡諾循環”理論，成為熱泵技術的最早起源。
隨著工業革命的發展，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產生了濃厚的興趣。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生變化”的原理。
制冷（熱泵）機組工作時，蒸發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。在理想狀態下，冷凝器一端釋放的熱量要大于蒸發器一端 吸收的熱量。1850年英國科學家開爾文注意到這一現象，與電熱絲發熱相比，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 了熱泵的設想，實際上是利用壓縮和膨脹來實現熱量的轉移。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”變為可能。
到了1834年,在倫敦工作的美國發明家波爾金斯(Perkins)造出了第一臺以乙醚為 工質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是乙醚，很容易發生燃 燒和爆炸，影響了這種機型的推廣應用。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統治地位。
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 國醫生約翰·七里用封閉循環的空氣制冷機為患者改建了一臺空調機，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 發明了氨水吸收式制冷系統，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的快速發展，使用更為高效和方便，才陸續 取代了這種吸收式冰箱。1910年左右，馬利斯·萊蘭克發明了蒸氣噴射式制冷系統。到 20世紀，制冷技術有了更大發展，全封閉制冷壓縮機研制成功。美國通用電器公司米里 杰發現氟里昂制冷劑并用于蒸氣壓縮式制冷循環，伯寧頓發明回熱式除濕器循環以及熱泵的出現，都極大地推動了制冷技術的發展。
之后許多科學家和工程師對熱泵技術進行了大量的研究，將冷凍技術用于加熱，研究 持續了80年之久。但由于當時采暖技術簡單，且價格低廉，因此對熱泵技術的需求不 大。這就是熱泵的發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展為熱泵的制造奠定了良好的基 礎，另一方面也由于社會上出現了對熱泵的需求，因此熱泵得到了極大的發展。 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備用于供暖， 這是早期的水源熱泵系統，也是世界上第一套熱泵系統。
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，以空氣為熱源，用于熱 水供應和采暖，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來實現冬季供熱、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 熱系數為2.5。
1939年，歐洲第一臺大型熱泵出現于瑞士蘇黎世的市政府大廈，制熱量為175kW,制熱系數為2.0，以河水為低溫熱源，工質是R12,持續向市政府輸出溫度為60℃的熱水,有蓄熱系統,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。
熱泵技術在20世紀40~50年代早期又獲得迅速發展，到1943年大型熱泵的數量已相 當可觀。40年代，美國也開始對熱泵有了進一步的認識。1948年小型熱泵的開發工作有了很大的進展，家用熱泵和工業建筑用熱泵大批投放市場。英國在20世紀50年代也生產 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，僅 5%用于工業。通用電氣公司生產的以空氣為熱源、制熱與制冷可自動切換的機組，使空 調用熱泵作為一種全年運行空調機組進入了空調商品市場。熱泵技術在20世紀50~60年代(1952~1963)這10年中經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使用時運行 費用很低，用戶對此產生了興趣，使熱泵進入了早期發展階段。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想的燃氣供熱方案，這又使熱泵的發展進入了一個 高潮，至60年代初在美國安裝的熱泵機組已近8萬臺。然而，由于過快的產品增長速度 造成設備制造質量較差、設計安裝水平低、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年代電價持續下降，人們對電加熱器的需求不 斷增加，使之成了熱泵發展的主要競爭對手，限制了熱泵的發展，熱泵工業進入了10年 的徘徊狀態。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 泵技術的發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、節約能源的特點， 對產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，熱泵式房間空調器年產量已達321萬臺。至1999年，包括熱泵式的單元式 熱泵空調機年產量超過了1000萬臺。在此期間，在全世界范圍內熱泵的應用總的發展趨 勢是不斷擴大，日本、瑞典等國小型的家用空氣能熱泵產量大幅提高。在英國、德國大 型熱泵裝置與大型商業和公共建筑的熱回收方案結合取得了一定成果。熱泵技術進入了黃 金時期，世界各國對熱泵的研究工作都十分重視，諸如國際能源機構和歐洲共同體都制訂 了大型熱泵發展計劃，熱泵新技術層出不窮，熱泵的用途也在不斷開拓，廣泛應用于空 調和工業領域，在節約能源和環境保護方面起著重大的作用。
我國熱泵技術研究開發工作的起點和發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 工業上開始得到應用。1965年,上海冰箱廠研制成功我國第一臺熱泵型窗式空調機,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 開發工作取得了較快的進展。到80年代以后，熱泵技術的研究日益受到人們的重視，但 熱泵產品主要以空氣能熱泵空調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，總結了我國在這一領域中的研究成果。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交流，熱泵技術得到了進一步的重視。目前我國 主要有天津大學、哈爾濱工業大學、清華大學、上海交通大學、同濟大學、廣東工業 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，許多制造商也在 不斷努力提高產品的可靠性。經過20多年的研究和開發，熱泵技術在我國已取得了很大 進步。
隨著我國城市建設的快速發展，國家經濟迅速增長，人民生活水平不斷改善，我國 空調行業迎來了前所未有的發展機遇。近年來我國家用單元式空調器產量的增長很快，截 至2002年，我國家用空調（含熱泵型）的產量為3600萬臺，若其中70%為熱泵型空調， 則2002年我國熱泵空調的產量達2500多萬臺。據統計，作為制冷空調熱泵關鍵部件之一 的四通換向閥，2005年我國國內總產量就達4355萬個，若加上集中式空調系統的熱泵系 統，這一數字還要增加。我國正逐步形成熱泵的完整工業體系。20世紀90年代，熱泵 式家用空調器廠家約有300家，空氣能熱泵冷熱水機組生產廠家約有40家，水源熱泵生 產廠家有20余家，國際知名品牌熱泵生產廠商紛紛在我國投資建廠，形成了生產、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、產品研發機構一條龍的完整體系。
空氣能熱泵一統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、地源熱泵和水環熱泵空調系統等進行了研究，尤其 是對大地耦合熱泵的理論研究更活躍，研究的內容也十分廣泛，包括熱泵的變頻技術與變 容積技術、熱泵計算機仿真和優化技術、熱泵的無破壞環境工質替代技術、空氣能熱泵 的除霜技術、多聯式熱泵技術等，同時熱泵熱水器、海水源熱泵、與太陽能結合的熱泵 系統等新產品不斷涌現。但是，目前熱泵的理論研究仍是以跟蹤國外的技術為主，自主 目前熱泵技術已成為解決暖通空調的能源與環境問題的有效措施之一。從熱泵的發展創新性研究工作較少。歷程可以看出，熱泵的發展不僅與國家經濟發展水平和熱泵本身的技術水平有關，而且與 能源結構和環境適應特別是政府的政策導向密切相關。盡管目前在世界范圍內熱泵作為空 調產品已進入成熟期，但發展節能型和環境友好型熱泵的道路還很艱難。因此，我國今 后應加大熱泵的基礎性研究、強調關鍵技術創新、加強系統集成技術研究，在關鍵的基 礎研究和應用基礎研究方面取得突破，以使我國的熱泵技術健康發展和得到科學地推廣與應用。
20世紀50年代，我國熱泵技術的創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用前途》是我國熱泵研究現存的最早文獻。呂 教授在文中指出了中國氣候條件決定應用熱泵技術的必要性，江河湖海中存在可開發利用 的能量。1994年，清華大學的徐秉業教授研制出國內第一臺地源熱泵機組；2007年， 哈爾濱工業大學顧文卿教授主編的《熱泵生產新工藝、節能新技術與熱泵系統創新設計、 科學應用、性能測試及國內外標準實用手冊》，為制熱熱泵的設計和生產起了很大的引導 作用；廣東工業大學李凡等編寫的《空氣能熱泵熱水器》一書，填補了國內空氣能熱水 器知識的空白；天津科技大學陳東教授主編的《熱泵技術手冊》，為廣大的熱泵制熱（冷） 領域的技術工作者提供了寶貴的參考工具。隨著我國政治和經濟形勢的變化，熱泵技術經 歷了初期理論研究、自力更生式的工程實驗、以高校研究生培養為主線的系統研究、學 習引進國外先進技術、國內大批量生產和大規模推廣應用階段。今天呂燦仁教授所有的預 見都已經實現，中國已經成為世界上熱泵生產量最大、制冷熱泵行業從業人數最多、應 用最多和范圍最廣的國家，熱泵節能技術已經深入到各行各業。
以上文章來自沈陽中央空調回收網http://www.dd9555.cc向未來邁進：空氣能熱泵技術的創新與發展
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