国际热泵技术的发展与趋势

1. 国际热泵技术的发展与趋势 ――第八届国际能源组织热泵大会回顾 中国建筑科学研究院空调所 徐 伟

2. 国际热泵大会简介 • 第八届国际能源组织热泵大会(简称国际热泵大会)于2005年5月30日至6月2日在美国拉斯韦加斯市恺撒宫举行，由国际能源组织热泵委员会主办。 • 国际能源组织热泵委员会是国际热泵界的最高学术 会议，热泵委员会涉及领域包括热泵、空气调节以 及相关的制冷技术。 • 会议主题： • 热泵技术、应用与市场的全球发展。

3. 大会每三年举行一次 ，此前的七届年会：2002年中国北京 、1999年德国柏林、1996年加拿大多伦多、1993年荷兰马斯特里赫特、1990年日本东京、1987年美国奥兰多、1984年奥地利格拉茨。 • 此次年会的目的：通过技术、市场、政策及标准信息的交流和讨论，审视热泵技术保护环境、节约能源方面的益处，在世界范围内促进热泵技术的应用与进步。

4. 大会受到多方支持 政府部门 • 加拿大自然资源部 • 德国联邦经济与劳工部 • 日本新能源与工业技术发展组织 • 日本热泵与蓄热技术中心 • 挪威能源署 • 瑞典能源署 • 瑞士联邦能源部 • 美国能源部 相关学术团体 • 美国供热制冷与空调工程师学会ASHRAE • 美国地热热泵协会GHPC • 国际制冷学会IIR • 国际地源热泵协IGSHPA • ORNL

5. 大会规模 • 这次大会共有来自20国家和地区223名代表参加了会议，中国有10名代表（包括2名香港代表）出席了会议。 • 会议共收到128篇论文，中国有17篇。 • 会议共安排52篇专题发言，场外交流76篇，中国有2篇专题发言，一篇场外交流。

6. 大会活动 • 展览会 • 国家代表、研发组织、制造厂商、学会以及社会团体参展 • 会前专题研讨会 • 供暖供生活热水用热泵测试步骤和季节性能系数计算方法（ANNEX28） • 克服地源热泵市场与技术障碍（ANNEX29）

7. 大会活动 • 技术参观 • 拉斯韦加斯湖（Lake Las Vegas）新社区－湖水源水环热泵工程 • 洛基研究中心（Rocky Research）－吸附式制冷

8. 九个专项议题 热泵技术的现状与趋势 能源与环境 热泵应用 地源/水源热泵系统设计及应用工具 热泵在冷热电（CHP）系统中的综合利用 先进概念—热泵组件 先进的热泵系统及设备 替换制冷剂的进展 国家研究计划概述

9. 热泵技术的现状与趋势 北美、欧洲及亚太地区的区域报告，已成为热泵大 会的传统特色，这些报告为认识和了解世界主要热 泵应用区域在该技术的应用及研究方面的相似与不 同，提供了宝贵的资料。 • 北美地区 供热仍以天然气为主，热泵供热仅占10% ，在美国 地热热泵利用占社会总能耗0.32% 。

10. 地下换热器单位管长造$36/m • 22个州推广地源热泵 • Galt House Hotel 最大地源热泵项 目，4700冷吨。 • 全美国有30个地源热泵制造商 • 地源热泵应用的目标是减少70％建造 费用 • 美国2006年1月23日将实行新的热泵 能效标准，SEER=13， HSPF＝7.7 • Air/Air热泵机组逐渐采用410A制冷 剂，2010年全面禁止使用R22。 • 加拿大，闭式地源热泵系统季节平 均COP达到3.5，开式系统达到2.8 美国地热热泵的应用形式 地表水15% 垂直地埋管46% 水平地埋管38% 其他1%

11. 欧洲地区 • 热泵技术在工业生产、商业及民用建筑领域都有广泛的应用 • 热泵卖出的数量在持续增长，在许多国家15~25%的年增长率 • 为热泵系统设计的优良与费用尽可能的低廉提出了新的要求 • 制冷剂的变革与建筑物热工性能将直接影响热泵的设计与装配

12. 亚太地区 • 中国已成为世界范围内最大的空调生产国 • 澳大利亚最大的地源热泵项目，350个孔，100m深，并在市场上已出现了一种太阳能热泵热水器 • 日本的“领跑者”计划将使小型空气源设备的效率在2000年的基础上提升60% ，房间空调器制冷COP为5.0、制热COP为5.26，最高制冷COP大于6.0，日本燃气热泵已应用60多万台

13. 地源热泵应用，美国有最大的市场规模；瑞典增长速度最快，主要用于单户住宅，通常承担热负荷的70％，热耗的90％ • 加拿大、挪威致力于改善地耦合热泵性能 • 日本在北部推广地源热泵，并开发一系列设计和模拟工具 • 奥地利开发了许多单户住宅直接膨胀系统、CO2工质作为一次系统的载体的系统、以及与建筑桩基结合的系统

14. 发达国家地源热泵应用的变化 • 建筑的供热负荷在减少，供冷负荷在增加 • 在大型商业系统中，由于气候条件和建筑性能不同， 需要保持地下换热器的平均温度接近非干扰的地下温 度，热响应测试变得非常重要 • 克服初投资高的问题 • 人们对节能和环境效益的认识不够

15. 能源与环境 • 奥地利的Hermann Halozan教授做了基调发言：热泵与环境 • 各国政府长久以来的共同目标：为保持经济的持续增长提供足量且廉价的能源。 • 所有工业化国家都或多或少面临气候变化的问题 • 各国达成共识，共同致力于减少主要由于燃烧矿石燃料带来的CO2的排放 • 热泵技术为建筑及工业领域减少能源消耗及CO2的排放提供了可能

16. 几个国家关于热泵实现CO2减排的数据 • 美国的Alice Gitchell与Lynn Stiles在发言中谈到，高效地源热泵系统与燃气炉或冷却塔相比将分别减少31%和50%的CO2排放 • 热泵在气温较低地区优势并不十分明显，Caneta研究中心发现在加拿大所有地区，地源热泵系统的减排量都较小，最小的减排量只有15% • 日本的N.Endo等人对AIST实验室的调查显示，采用热泵技术后减少61%的能耗，合计37TJ/年，减少63%的运行费用合计近四千五百万日元，减少53%的CO2排放计2400吨/年

17. 热泵的应用 • 世界上已安装1.3亿台热泵，每年新增1500万台热泵 • 瑞士热泵的销售量近十年持续增长，平均增长率15%，随着热泵产品质量的不断提高及其不断可靠的运行，瑞士热泵市场将会更好的发展 • 在挪威，2003年热泵机组的销售呈现55,100件的爆炸式增长，而整个90年代的年销售量也只是1000~2000之间，考虑到挪威政府相关政策的出台，今后热泵的销售量仍然值得期待

18. 在日本，东京湾区域供冷/暖 蓄热系统实现了与高效率热源 机器的结合，实现了与系统能 力范围最大化蓄热罐的结合， 同时实现了与大供回水温差的 结合，系统的CO2排放量小于 平均水平的60% • 在加拿大使用热泵对木材进行 干燥，同比将平均减少近35%的能耗 • 在新加坡，使用改进的空气源热泵干燥系统干燥后的水果， 与使用传统干燥方法干燥的水果相比诸多指标都得到了改进，某些指标甚至可以与冷冻干燥法干燥后的水果相媲美，冷冻干燥法被认为是最好的干燥法，但同时也是最昂贵的方法

19. 地源/水源热泵系统设计及应用工具 • 关于热泵系统 • 地源热泵系统与空气源热泵系统相比能效更高，但地源热泵系统的初投资却远高于空气源热泵，同时也要高于传统的燃油/汽锅炉 • Johnny Wärnelöf介绍了他们研究的高效集热器只需要很小的占地面积，集热器装配过程十分简单，在收集地下热能的同时还可以收集房间排出气体中的能量，该系统不间断对房间进行通风从而保证了室内空气的质量

20. 目前世界上商用建筑用地源热泵地下换热器设计计算分析软件主要有：目前世界上商用建筑用地源热泵地下换热器设计计算分析软件主要有： • 欧洲地热协会的EED（Earth Energy Designer） • 北美和欧洲建筑模拟软件TRNSYS • 国际地源热泵协会的GLHE Pro • 这些软件基本都基于瑞典隆德大学q-Functions算子，并且得到试验验证，世界各国广泛采用 • 除此之外国际上地源热泵设计软件还有LUND PROGRAMS、GLGS 、ECA、WFEA、GS2000、GEOCALC等等。瑞典还特为建造商开发了简易设计软件Prestige，目前有600多用户。

21. 热泵在冷热电（CHP）系统中的综合利用 电驱动热泵单纯供热或制冷可以提高电能利用率，但 初级能源利用率却没有质的提高 • 美国能源部协同供热部门、制冷部门及发电厂联合开发先进的热驱动热泵系统，该系统利用发电设备余热对建筑物进行供热与制冷，该计划将推动热泵尤其是综合利用发电厂废热的冷暖同供技术的发展，这种技术如果被推广使用将使全能源利用率提高近80%

22. Hornsby图书馆是奥地利第一个 三联供区域供冷工程，该工程最 终减少CO2的排放近20%，新近 装配的新的控制方案将有望使这 一数据得到进一步提高 • 日本AIST的Chaobin Dang向大会提交了一份研发计划用于研究小型利用热力分配站废热工作的吸收式热泵系统，该计划的目标是减小吸收机的型号同时提高机组的COP，新的“混合式”装置在容量上减少50%，而COP却提升了10~15%

23. 先进概念—热泵组件 • 热泵系统的良好运转需要依赖组件优良的 性能，系统的改进需要组件技术不断的进步 • 高效换热器的研究集中在如何减少 换热器热阻，提高换热效率的问题上 • 压缩机是热泵另一重要组件， Clark Bullard的文章认为压缩机的 研究重点在对涡轮压缩机的研 究,高效优质涡轮压缩机设计十 分复杂,这也从另一个角度说明 其性能的提升仍然有广泛空间

24. 先进的系统及设备 建筑设计水平的不断提高将会降低建筑对热量的需要， 但空调和生活热水却会更加重要当前热泵系统普遍效率 不高，但却预示了该技术持续发展的空间 • J. J. Tomlinson介绍了一种空气调节与生活热水联合供应的热泵系统，但该系统出投资过高，在美国这部分投资将达到1000美元左右 • 新加坡的Hawlader介绍了一种 “三位一体”系统，即同时完成制冷、提供生活热水与衣物干燥功能的热泵系统，由于该系统高位热源选用了太阳能，这也就决定了其适用范围的局限性 • Mats Fehrm介绍了一种全室内排气源热泵系统，该系统利用室内排气中的能量参与进热泵热源，再次利用排气带走的建筑耗能。保温层很厚的居住建筑，排气热损失占去全部建筑耗能的很大部分，回收利用这部分能量正是追求建筑零能耗的结果

25. 替换制冷剂的进展 • 传统炭氟化物制冷剂受到越来越多的批评，这是由于从系统泄漏出去的传统制冷剂会破坏臭氧层，从而影响全球气候。近年来，制冷剂的研究重点在自然制冷剂取代传统制冷剂，尤以CO2制冷剂为代表 • 日本的CO2制冷剂热泵： • 2001年1月由东京电力等三家机构共同研制出了世界上第一台住宅用CO2制冷剂热泵热水器，四年后的今天日本已有17家企业可以设计制造并出售这种热泵产品了。夏季制冷工况下全系统的效率是3.5，过渡季节3.2，冬季供热工况下是2.8，全年效率大概是3.1。该系统可节约30%的能耗并减少50% CO2排放，实行峰谷电价的地区在夜间运行机器将进一步降低系统的运行费用

26. 欧洲的CO2地源热泵系统： • CO2循环借助重力作用在地埋垂直管中 自动运行，CO2吸收土壤低位热量 • CO2在循环过程中发生相变，从而其吸 热效率远高于普通制冷剂，有数据显示 其吸热效率是普通制冷剂的4~12倍 • 循环制冷剂与CO2发生热交换，再由热 泵将制冷剂从CO2中获得的低位热量提升品位 • 这种产品投放市场已有四年，其特有的CO2自循环系统降低了系统的电能消耗，获得了较好评价 • CO2热泵产品在欧洲在日本都已投入了市场，但为能使CO2热泵更快的推广，还须在加大出热量、如何在寒冷地区使用以及降低造价方面做许多工作

27. 国家研究计划概述 • 瑞典十年间实施了三项热泵发展计划:“可变制冷” 、“气候21”、“更高效的热泵与制冷系统”。主旨是使瑞典的热泵技术及制冷系统的能源利用率得到提高，并注重在相应经济条件及自然环境中的可行性。 • 热泵技术是日本国内“月光计划”中的核心内容，作为国家节约能源工程中主要的一项，热泵技术已经得到了良好的发展。 • 美国的研究计划有一个很大的特点，这就是美国的科研部门与资金资助部门的分家，由类似美国能源部这样提供资金资助的部门制定研究规划，提供研究资金，由负责研究的部门完成具体工作。 • 在加拿大，计划大部分由实验室和政府机构、大学以及能源企业的研究中心来开展，并在高温热泵、制冷剂研发以及热泵系统设计辅助软件开发领域取得了很好的研究成果。

28. 总结 • 国际社会正积极寻求技术上的支持以应对能源安全、环境保护、经济发展及清洁能源的需求带来的挑战，国际间的相互合作是解决这些问题的基础，而国际能源组织则为这种国际间的技术合作提供了平台。 • 对热泵的研究主要集中在三个方面，即对热泵系统的研究、热泵机械的研究以及热泵系统辅助设计软件的研究。

29. 总结 • 当前国际上热泵研究的几个热点： • 实现热泵系统的冷热同供，综合利用热泵空调系统，并注意选用可再生能源（如太阳能、风能、生物能等）作为热泵系统的高位热源，从而减少传统能源的消耗并提高热泵系统的效率； • 新型（以CO2为代表）制冷剂的研究与使用； • 高效换热器的研究； • 涡轮压缩机的研究； • 相关软件的设计与开发。

30. 总结 • 中国面临机遇与挑战 • 项目多、规模大、速度快 • 技术缺乏系统性、完整性 • 国内加强企业、研究和工程的联合 • 加强与世界热泵界的信息沟通与技术合作 • 跟踪世界先进水平，跨越式发展