热泵的起源及发展历史
逐步迈向未来：空气能热泵发展史述评，热泵技术是一项相当“古老”的技术。早在1775年，爱丁堡的化学教师库仑即发现 利用乙醚的蒸发，可以使水降温并且发生结冰的现象。他的学生布拉克从本质上解释了融 化和汽化现象，提出了物质状态变化时的“热”概念，并发明了冰量热器，标志着现 代制冷制热技术的开始。
法国的青年工程师卡诺在1824年发现了这一现象，只要增加气体的压力，就会提高 其温度，反之，如果减小气体的压力，会降低其温度。并断言利用这一现象可以实现热 量的转移，同年他还提出了能够提高做功效率的“卡诺循环”。但是由于当时机械制造技 术的限制，卡诺本人并没有提出可以实现的热泵结构设计。卡诺循环当时针对的是热动力 机，而卡诺循环的反向循环，即是热泵（或制冷）循环。卡诺发表的著名论文《关于火 的动力》，首次提出了“卡诺循环”理论，成为热泵技术的最早起源。
随着工业革命的发展，19世纪初，人们对能否将热量从温度较低的介质“泵”送到 温度较高的介质中这一问题产生了浓厚的兴趣。英国物理学家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳(1818~1889)提出了“通过改变可压缩气体的压力就能够使其温度发生变化”的原理。
制冷（热泵）机组工作时，蒸发器一端总是吸收热量，而冷凝器一端总是释放热量， 而且两个过程总是同时进行的。在理想状态下，冷凝器一端释放的热量要大于蒸发器一端 吸收的热量。1850年英国科学家开尔文注意到这一现象，与电热丝发热相比，同样的耗 电在热端获得的热量要多很多倍，他当时把这样的装置称为“能量倍增器”，并首次描述 了热泵的设想，实际上是利用压缩和膨胀来实现热量的转移。这使得我们一直追求的低温的“低级能源”变成高温的“高级能源”变为可能。
到了1834年,在伦敦工作的美国发明家波尔金斯(Perkins)造出了第一台以乙醚为 工质的蒸气压缩式制冷机，并正式申请了英国第6662号专利。这是后来所有蒸气压缩式 制冷机的雏形，直到今天也没有根本改变。但由于它使用的工质是乙醚，很容易发生燃 烧和爆炸，影响了这种机型的推广应用。到1875年卡利和林德改用氨作制冷剂，大大提 高了制冷机的效率和稳定性（氨制冷机组至今还是相当重要的冷冻方法），从此蒸气压缩式制冷机开始占据统治地位。
在此期间，空气绝热膨胀会显著降低空气温度的原理也开始用于制冷。1844年，美 国医生约翰·七里用封闭循环的空气制冷机为患者改建了一台空调机，这使他一举成名。 威廉·西门斯在空气制冷机中引入了回热器，进一步提高了制冷机的性能。1859年，卡列 发明了氨水吸收式制冷系统，并申请了原理专利。早期的冰箱即是由该原理制成。那时 候的冰箱和现在的不同，它需要一个小火炉为其供热，火源可以是煤气或者是煤油。直 到20世纪30年代，由于蒸气压缩制冷技术的快速发展，使用更为高效和方便，才陆续 取代了这种吸收式冰箱。1910年左右，马利斯·莱兰克发明了蒸气喷射式制冷系统。到 20世纪，制冷技术有了更大发展，全封闭制冷压缩机研制成功。美国通用电器公司米里 杰发现氟里昂制冷剂并用于蒸气压缩式制冷循环，伯宁顿发明回热式除湿器循环以及热泵的出现，都极大地推动了制冷技术的发展。
之后许多科学家和工程师对热泵技术进行了大量的研究，将冷冻技术用于加热，研究 持续了80年之久。但由于当时采暖技术简单，且价格低廉，因此对热泵技术的需求不 大。这就是热泵的发展明显地滞后于制冷机的原因。
直到20世纪20~30年代，一方面由于制冷机的发展为热泵的制造奠定了良好的基 础，另一方面也由于社会上出现了对热泵的需求，因此热泵得到了极大的发展。 1912年，瑞士的苏黎世成功安装了一套以河水作为低位热源的热泵设备用于供暖， 这是早期的水源热泵系统，也是世界上第一套热泵系统。
1930年，英国的霍尔丹(Haldane)在自己的著作中报道了1927年在苏格兰安装试验 的一台家用热泵的安装及试验情况，这台热泵采用氨作为工质，以空气为热源，用于热 水供应和采暖，这是英国安装的第一台热泵。当时霍尔丹已能认识到通过简单的切换制冷循环来实现冬季供热、夏季制冷的可能性。
在这之后，美国开始对热泵进行大量的研究和设计，到1931年，美国加州的安迪生 公司在洛杉矶的办公大楼上安装了第一台大容量的热泵用于采暖，制热量为1050kW,制 热系数为2.5。
1939年，欧洲第一台大型热泵出现于瑞士苏黎世的市政府大厦，制热量为175kW,制热系数为2.0，以河水为低温热源，工质是R12,持续向市政府输出温度为60℃的热水,有蓄热系统,高峰负荷时采用电加热作为辅助加热手段。该装置夏季也能用来 制冷。
热泵技术在20世纪40~50年代早期又获得迅速发展，到1943年大型热泵的数量已相 当可观。40年代，美国也开始对热泵有了进一步的认识。1948年小型热泵的开发工作有了很大的进展，家用热泵和工业建筑用热泵大批投放市场。英国在20世纪50年代也生产 了许多小型民用热泵。1950年左右，美、英两国开始了对使用地下盘管吸收地热作为热 源的家用热泵的研究工作。至1950年，已有20个厂商及10余所大学和研究单位从事热 泵的研究，当时拥有的600台热泵中约50%用于房屋供暖，45%为商用建筑空调，仅 5%用于工业。通用电气公司生产的以空气为热源、制热与制冷可自动切换的机组，使空 调用热泵作为一种全年运行空调机组进入了空调商品市场。热泵技术在20世纪50~60年代(1952~1963)这10年中经历了迅速成长的阶段。由 于热泵可以让制冷与采暖合用一套装置，在电力充足、电能价格又便宜的地区使用时运行 费用很低，用户对此产生了兴趣，使热泵进入了早期发展阶段。1957年美国决定在建造 大批住房项目中用热泵采暖代替原先设想的燃气供热方案，这又使热泵的发展进入了一个 高潮，至60年代初在美国安装的热泵机组已近8万台。然而，由于过快的产品增长速度 造成设备制造质量较差、设计安装水平低、维修及运行费过高，到1964年热泵可靠性的 问题已成了一个十分严峻的问题。又因60年代电价持续下降，人们对电加热器的需求不 断增加，使之成了热泵发展的主要竞争对手，限制了热泵的发展，热泵工业进入了10年 的徘徊状态。直至20世纪70年代中期，热泵才重新有了快速增长。这一方面是由于热 泵技术的发展使机组可靠性提高，另一方面是1973年能源危机的推动。70年代初期，人 们广泛认识到矿物燃料在地球上是有限的，热泵以其回收低温废热、节约能源的特点， 对产品性能和可靠性进行改进后重新登上历史舞台，受到了人们的青睐。比如美国，热 泵的年产量从1971年的8.2万套猛增至1976年的30万套，1977年再次跃升为50万套。 至1988年，热泵式房间空调器年产量已达321万台。至1999年，包括热泵式的单元式 热泵空调机年产量超过了1000万台。在此期间，在全世界范围内热泵的应用总的发展趋 势是不断扩大，日本、瑞典等国小型的家用空气能热泵产量大幅提高。在英国、德国大 型热泵装置与大型商业和公共建筑的热回收方案结合取得了一定成果。热泵技术进入了黄 金时期，世界各国对热泵的研究工作都十分重视，诸如国际能源机构和欧洲共同体都制订 了大型热泵发展计划，热泵新技术层出不穷，热泵的用途也在不断开拓，广泛应用于空 调和工业领域，在节约能源和环境保护方面起着重大的作用。
我国热泵技术研究开发工作的起点和发展历程与国外相比有较大的差距。20世纪50 年代，天津大学热能研究所开始着手开展热泵方面的研究。从60年代开始，热泵在我国 工业上开始得到应用。1965年,上海冰箱厂研制成功我国第一台热泵型窗式空调机,制热量为3720W。同年，天津大学与天津冷气机厂研制成功我国第一台水冷式热泵空调机，即我国最早的水源热泵机组，其研制者是天津大学吕灿仁教授。此后，我国热泵的研究 开发工作取得了较快的进展。到80年代以后，热泵技术的研究日益受到人们的重视，但 热泵产品主要以空气能热泵空调器和中小型的商用空气能热泵机组为主。1983年在北京召 开了中国制冷学会低势热源与热泵会议，总结了我国在这一领域中的研究成果。1988年 在广州由中国科学院广州能源研究所主持召开了热泵的专题研讨会，在会上对压缩式热 泵、吸收式热泵和化学热泵进行了学术交流，热泵技术得到了进一步的重视。目前我国 主要有天津大学、哈尔滨工业大学、清华大学、上海交通大学、同济大学、广东工业 大学和中国科学院广州能源研究所等一批高校和研究院所研究热泵技术，许多制造商也在 不断努力提高产品的可靠性。经过20多年的研究和开发，热泵技术在我国已取得了很大 进步。
随着我国城市建设的快速发展，国家经济迅速增长，人民生活水平不断改善，我国 空调行业迎来了前所未有的发展机遇。近年来我国家用单元式空调器产量的增长很快，截 至2002年，我国家用空调（含热泵型）的产量为3600万台，若其中70%为热泵型空调， 则2002年我国热泵空调的产量达2500多万台。据统计，作为制冷空调热泵关键部件之一 的四通换向阀，2005年我国国内总产量就达4355万个，若加上集中式空调系统的热泵系 统，这一数字还要增加。我国正逐步形成热泵的完整工业体系。20世纪90年代，热泵 式家用空调器厂家约有300家，空气能热泵冷热水机组生产厂家约有40家，水源热泵生 产厂家有20余家，国际知名品牌热泵生产厂商纷纷在我国投资建厂，形成了生产、销售 进入21世纪以来，我国热泵理论研究工作比前10年显著加大了深度与广度，打破了和服务、产品研发机构一条龙的完整体系。
空气能热泵一统天下的局面和研究工作仅局限于空气能热泵的研究范畴。高等院校和科研 单位纷纷对空气能热泵、水源热泵、地源热泵和水环热泵空调系统等进行了研究，尤其 是对大地耦合热泵的理论研究更活跃，研究的内容也十分广泛，包括热泵的变频技术与变 容积技术、热泵计算机仿真和优化技术、热泵的无破坏环境工质替代技术、空气能热泵 的除霜技术、多联式热泵技术等，同时热泵热水器、海水源热泵、与太阳能结合的热泵 系统等新产品不断涌现。但是，目前热泵的理论研究仍是以跟踪国外的技术为主，自主 目前热泵技术已成为解决暖通空调的能源与环境问题的有效措施之一。从热泵的发展创新性研究工作较少。历程可以看出，热泵的发展不仅与国家经济发展水平和热泵本身的技术水平有关，而且与 能源结构和环境适应特别是政府的政策导向密切相关。尽管目前在世界范围内热泵作为空 调产品已进入成熟期，但发展节能型和环境友好型热泵的道路还很艰难。因此，我国今 后应加大热泵的基础性研究、强调关键技术创新、加强系统集成技术研究，在关键的基 础研究和应用基础研究方面取得突破，以使我国的热泵技术健康发展和得到科学地推广与应用。
20世纪50年代，我国热泵技术的创始人天津大学吕灿仁教授就开展了热泵的研究。1956年吕灿仁教授的《热泵及其在我国的应用前途》是我国热泵研究现存的最早文献。吕 教授在文中指出了中国气候条件决定应用热泵技术的必要性，江河湖海中存在可开发利用 的能量。1994年，清华大学的徐秉业教授研制出国内第一台地源热泵机组；2007年， 哈尔滨工业大学顾文卿教授主编的《热泵生产新工艺、节能新技术与热泵系统创新设计、 科学应用、性能测试及国内外标准实用手册》，为制热热泵的设计和生产起了很大的引导 作用；广东工业大学李凡等编写的《空气能热泵热水器》一书，填补了国内空气能热水 器知识的空白；天津科技大学陈东教授主编的《热泵技术手册》，为广大的热泵制热（冷） 领域的技术工作者提供了宝贵的参考工具。随着我国政治和经济形势的变化，热泵技术经 历了初期理论研究、自力更生式的工程实验、以高校研究生培养为主线的系统研究、学 习引进国外先进技术、国内大批量生产和大规模推广应用阶段。今天吕灿仁教授所有的预 见都已经实现，中国已经成为世界上热泵生产量最大、制冷热泵行业从业人数最多、应 用最多和范围最广的国家，热泵节能技术已经深入到各行各业。
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