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摘 要：介绍热泵的一些基本概念，回顾了国内外热泵发展历史和现状，以及国外热泵技术发展中的一些经验与教训。指出了我国热泵热水器发展的光明前景和应注意事项。同时，提出了我国热泵行业亟待整顿规范以免走弯路的观点。
关键词：节能；热泵；热水器；节电 关于热泵的基本概念 热是一种能量。热量遵循能量转换和平衡的相关定律 ，并有自己的热力学方面的表述，即热量不会从低温自动流向高温。取得热量的办法很多，例如燃烧各种可燃物质，如油、煤、木材、天然气、沼气等；也可以用磨擦的办法取得，如古时候的钻木取火；近代，则可以用人工制造的电流（如火力发电、水力发电、核电、太阳能发电、 风力发电等）直接转化为热量。电流直接转化为热量时，遵循能量守恒定律，也就是1 kWh的电能，理论上只能转化为860kcal的热能。在工农业生产和日常生活中，需要的低温热能往往是从电能或燃烧燃料产生的高温热能中得到，并按热力学第一定律进行等量交换。但是，若按热力学第二定律进行分析就会发现，这些能量存在有明显的差别：电能的能级比热能的高，高温热能的能级又比低温热能的高。因此如果把品位较高的能量作为低品位能量来使用，无疑是一种浪费。 众所周知，电能是可以用来做“功”的。水泵就是利用电能将水从低处提升到高处的。那么，能否使电能以做功的方式，将热量“泵”送到需要的地方？答案是肯定的，通过热力学的“逆卡诺循环”，以电能或其他形式的能源为动力，就可以使热量不断地“由低温流向高温”。这就是“热泵”称呼的由来。其实，电冰箱就是不断地将热量从已经是低温（甚至是零度以下）的环境中（冰箱内部）“取出来”，并送到冰箱外边去，这个热量，人们可以在冰箱侧壁或后背感觉到。从此意义上讲，电冰箱也可以称为“热泵”。夏天使用的空调机也是一样。当然，现在通常所说的“热泵”，则是要求它能够将环境温度下的热量取出来 ，送到比环境温度更高的地方去，例如从大气环境中或江河湖海或地下土壤中，取出热量用于采暖或加热水。根据热量抽取对象的不同，可以有空气源热泵、水源热泵和地源热泵之别。 热泵是解决能量等级不合理使用的有效手段。它可以利用高级别的能量所具有的潜力，去提取周围环境中或将被排放的“废热”中的能量，使其温度升高，从而得到远比由这些高级别能量直接转换为热量时更多的热能。其所获增益以性能系数或制热系数（COP）来表示。COP的定义是：热泵所输出的热量与所消耗的能量（即电能或其他能）之比值。假如一台以电能驱动的热泵的COP为4，则其消耗1kWh的电能，将可以获得相当于4kWh的热能。由此可见，与只能将电能作1︰1交换的电加热器相比，热泵可以节约3/4的能量。 要使热泵“做功”，除了要有能够做功的能源外，还有一个必要条件就是工质。工质的选择有很多要求，如好的热工特性（在工作条件下有合适的温度和压力，高的比热值等），安全性（无腐蚀、不易燃易爆），价格低并且易于取得，对环境友好等等。过去在电冰箱中使用的工质氟里昂，因它会破坏地球大气的臭氧层，被禁止使用。新的优良工质的发明和生产，是热泵能否经济且安全运行的必要条件。当然，设计和制造出优良的压缩机，配套具有高效换热能力的冷凝器和蒸发器，也是生产制造可以在特定环境下正常工作的热泵的必要条件。 热泵本身的造价和其“节能”而产生的经济效益相比，是否能让用户在可以接受的时间内回收其投资，是十分重要的，这是推动热泵能够被广泛应用的重要条件。热泵除用于家庭热水外，也可以用于工农业生产，如木材、粮食、瓜果蔬菜的烘干，化工轻工的蒸发浓缩工艺过程，水产养殖等等。热泵的优点还有：安全可靠，环境清洁，结构紧凑，使用方便，自动操作，维护简单，等等。 国外热泵的发展情况 1824年，卡诺提出热-功转换概念即“卡诺循环”，奠定了热泵的理论基础。1850年，开尔文在此理论的基础上，提出了“逆卡诺循环”的热泵概念。从此以后，世界各国开始对热泵技术的研究，热泵产业得到很大的发展。 20世纪50年代初，由于经济的恢复和人们对生活质量不断提高的要求，热泵在美国开始作为商品出现。但由于产品价格高和运行可靠性低，发展缓慢。直到60年代后期，经过大量的应用研究和实践之后，热泵开始在世界各地得到推广应用。70年代初期的世界能源危机，加深了人们对节能重要性的认识，热泵技术得以迅速发展。 美国是应用热泵最为广泛的国家，从1925年开始，年产热泵1000台，先用于工业，随后大量进入家庭， 1963年产量达75000台，1971年为82000台，1976年超过30万台，1986年达到100万台。日本热泵的应用仅次于美国，1984年估计销售175万台，到1986年销售量已经超过200万台。据估计，1984年日本家用热泵的保有量已经超过475万台。 西欧在80年代开始迅速发展热泵，西德在1980年安装有55000台，1987年则发展到24万台。奥地利安装了50000台，瑞典有13万台，其中大型供暖热泵100台，制热量超过1000MW。丹麦8000台，挪威6000台，澳大利亚也安装有8000台。罗马利亚1986年单机容量在2900～5800KW的大型吸收式热泵，也已经有25台。 热泵虽然节能效果显著，但它的开发利用是以国家工业化、电气化为基础的，并且受能源政策能源价格体系和生活水平的影响。尤其是电动热泵，都是在电力充足，电价较低，电气化水平较高，人民生活水准也较高的国家得到发展。例如在美国，以相同单位热当量计算，1978年电与天然气的价格比值为5～5.5，到 1984年降到3.4～4.1，电油比价为2.3～3，用热泵供暖的费用已经与用天然气的费用相当，比油便宜。日本的电与天然气相同热当量的价格比值仅为1.4～1.8，电油相同热当量的比价为2.98。这样，使用热泵输出每千瓦热量所消耗的电能费用与天然气相比，仅为0.32～0.59，与油相比则是0.677～0.776。目前，国内的电油比价大致为2 左右，使用热泵可以降低运行成本近一半。但是电价过低也会影响热泵的应用，如挪威的电力非常便宜，采用电直接加热的费用与热泵相差不多，而且还方便，因而热泵的市场就很小。 国外热泵的发展道路也很艰苦，也少不了政府的资助和大力宣传。在美国，电力公司和煤气公司对热泵采暖提供了优惠的电价和气价，美国能源部从349种非工业用能节能方案中经两次筛选，确定热泵式空调机同时供应热水，是最有前途的三种方案之一，投资回收期仅为0.5～3.5年。在日本，通产省把热泵能量收集系统作为1984年“月光计划”项目之一，政府还提供补贴、优惠税率和其他财政措施，以推动热泵技术的发展。例如，私营企业的热泵研究，可以得到50%经费的补贴，投资的30%可以通过减税得到补偿。瑞典政府从1978～1984年间提供热泵专项研究经费7.33万美元，贷款1200万美元。荷兰政府给热泵的投资补贴达10～20%. 国外发展热泵，也出现过反复和挫折，国外的教训应该吸取。美国20世纪50年代的热泵，由于价格高，可靠性差，加上盲目由南方向北方推广，因而使其经济性下降，寿命缩短，市场信誉大大下降，曾使联邦政府不得不强行禁止使用热泵。日本 1961年开始出现电动家用热泵，由于技术问题没有完全解决，产品效率低，供热能力不足，在1963年批量生产之后，又中断了将近4年，直到1972年，才又重新恢复生产。 国内热泵发展情况 天津大学在20世纪50年代开始了热泵研究，60年代曾在铁路客车上进行过热泵采暖试验，但由于当时工业基础薄弱以及燃料价格等的原因，未能进入实用。70年代后期至80年代初，国民经济有了较大发展，随着经济的开放和人民生活水平的提高，制冷空调和电加热器也开始进入市场。又随着能源供应的紧张，节能呼声日高，为热泵的发展创造了条件。1988年，广州能源研究所收集整理了国内第一部《热泵技术论文集》。并根据所收集的论文，编写了《热泵在我国开发与发展可行性论证》研究报告。 由于燃气热水器使用不当引发的安全事故时有发生，电热水器也存在由于设计缺陷或产品老化而产生漏电等不安全因素，太阳热水器则由于有与建筑物实现完美结合的问题，使其在城市的市场开拓中遇到困难。热泵热水器的工作原理决定了它具有很好的节能效益，其“电水分离”的设计，使其远离了安全隐患，同时，热泵还完全不受阳光的影响和安装位置的限制，由于这些优点，热泵的市场近年几乎呈“井喷式”发展。 据统计，目前全国已经有4００多家企业研发和生产热泵热水器。但是由于热泵成本构架原因（含有空调的整个热泵系统，外加储水罐及填充工质等），以及往往不能规模化生产的现状，因此价格较高，一般２００L左右的热泵热水器，市场价格需4000元左右。热泵热水器要打开市场，消费者节能环保观念的普及至关重要，而且安装比较复杂和维护简单方便，同样也是人们到底是选择燃气热水器、电热水器、太阳能热水器还是热泵热水器所需要考虑的问题。因为热泵热水器的设计需要一个室外压缩机，一个室内储水罐，不如前二者简易和方便。同时，热泵热水器虽然没有像太阳能热水器那样“靠天吃饭”依赖性极强和建筑布置上的困难，但目前所生产的热泵机组往往不能在室外温度低于零下１０℃的环境下正常运行，因此这种产品进入北方市场还有一定的困难或者说需要更多的技术投入。当然，如果能够将太阳能技术和热泵技术结合在一起，则这种理想的“节能环保”型热水器,会有更为广阔的前景。据了解，２００８年北京奥运会的奥运村和奥运场馆所需的生活热水，大都由利用清洁无污染的太阳能并辅以热泵技术的系统供给。 热泵技术,即使是对于传统的空调企业,也尚属新兴技术，仍需不断研发创新。热泵热水器在加热水时,对制冷剂和压缩机的要求都相当高。有一些热泵企业的产品，存在技术不可靠，节能效果不理想的问题，已经引发市场对整个热泵行业产品的疑虑。热泵热水器属于空调和热水器的边缘行业，行业规范工作尤其显得迫切。比如同样具有节能、环保优势的太阳能热水器,由于行业规范工作不理想，使得国内有些城市尽管大气污染严重，太阳能资源又很丰富，而太阳能热水器仍然被许多住宅小区拒之门外。热泵热水器要取得快速发展,太阳能热水器市场扩展过程中所发生的问题值得我们重视. 结束语 随着我国经济的迅速发展，人民生活水平提高较快和”节能减排”工作的日益深入人心，热泵热水器会有大的发展，估计未来两三年内热泵热水器的市场将达到数拾亿元。为了热泵热水器的健康快速发展，行业规范应当成为业内的共识。 从设计生产、安装技术、工质选用、性能标准、能效要求等，都需要进行规范。中国农村能源行业协会热泵中心，将与中国节能协会的相关机构紧密合作，并与各生产企业、院校和科研部门共同努力，做好这一件事情。 作者简介：曹国璋高级工程师，1943年生，1965年毕业于西安交通大学动力机械制造系制冷机与深度冷冻设备专业，现为中国农村能源行业协会热泵中心常务副主任兼秘书长。
