文 献 综 述

一、热泵发展的历史

”热泵”这个名词最早是20世纪初由欧洲人提出的。但热泵的基础理论蒸汽压缩动力循环原理可追溯到19世纪早期法国物理学家卡诺（S.Carnot）^[1]，他在1824年发表了关于卡诺循环的论文。1845年，英国物理学家焦耳（J.P.Joule）完成了研究气体内能的焦耳气体自由膨胀实验，论证了改变气体压力能引起温度变化的原理。1852年，英国物理学家汤姆森首先提出了关于热泵的设想，当时称为热量放大器（heat multiplier）。在该装置中，室外空气在蒸汽机驱动下进入吸入气缸，经膨胀降温后被排到置于室外作为换热器用的贮气筒中，在贮气筒中吸入外界热量并升温，然后进入排出气缸被压缩至大气压力，此时空气的温度已高于环境温度，最后将高温空气送入需供暖的建筑物内。这是一种开式装置，也可以向建筑物中供冷。汤姆森预见到了闭式循环^[2]的可能性，但当时的技术基础使他没有可能设计出像现在这样的热泵装置。

到20世纪20_~30年代，热泵才得到较快的发展。这是因为一方面在这之前的工业技术特别是制冷机的发展为热泵的制造奠定了良好的基础，另一方面社会上出现了对热泵的需求。1912年瑞士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，并以此申报专利，这就是早期的水源热泵系统，也是世界上第一个水源热泵系统。这一期间有代表性的是英国的霍尔丹（Haldane）于1930年在他的著作中报道1927年在苏格兰安装了一台可进行试验的热泵，用氨做工质，外界空气为热源，用于采暖及加热水，从运行的制冷装置测得不同输出温度下热泵的性能系数（coefficient of performance，COP）为逆向卡诺机理论效率的三分之一到二分之一^[3]。当时霍尔丹已认识到可通过简单的切换用制冷循环来实现冬季供热、夏季供冷的可能性。在这之后美国也开始对热泵进行了设计与应用，但能进行的实验装置很少。至1931年，在美国南加利福尼亚安迪生公司的洛杉矶办公楼将制冷设备用于供热，供热量达1050kW，制热系数达2.5。这是大容量热泵的最早应用。1937年在日本的大型建筑物内安装了两台采用194kw透平式压缩机的带有蓄热箱的热泵系统，以井水为热源^[4]，采用深井回灌的技术方法^[5]。制热系数达4.4。1938_~1939年间瑞士苏黎世议会大厦里安装了夏季制冷冬季供热的大型热泵采暖装置，该装置采用离心式压缩机，R12作为工质，以河水做低温热源，输出热量达175kW，制热系数为2，并装有蓄热系统。

图1 地下水源热泵系统原理图

在20世纪40_~60年代热泵技术进入快速发展期。在欧洲1937_~1941年期间各种热泵装置应用于学校、医院、办公室和牛奶厂。20世纪40年代后期出现许多更加带有代表性的热泵装置的设计，1940年美国已安装了15台大型商业用热泵，并且大都以井水为热源^[6]。为减少地下井水热泵运行对地下空间的影响，其渗透系数^[7]对含水层^[8]如图3参数变化特性的影响极其重要，到1950年已有20个厂商及十余所大学和研究单位从事热泵的研究，各种空调和机组面世。1950年前后美、英两国开始研究采用地盘管的土壤热源热泵^[9]。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热泵机组打开了局面，作为一种全年运行空调机组进入了空调商品市场。20世纪60年代初，在美国安装的机组已接近8万台，日本、瑞典和法国等国家生产了以室外空气为热源的小型家用热泵，英国和德国更注重把大型热泵装置用于大型商业和公共建筑物的热回收系统中。

图2 渗透系数对孔隙率变化的影响

20世纪70年代以后热泵技术进入成熟期。当时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，在对产品性能和可靠性进行改进后重新登上历史舞台，受到人们青睐。据报导，1976年美国已有160万套热泵在运行，至2007年，美国地源热泵系统超过了45000套^[10]。日本1996年热泵型房间空调器年产量达700万台，商用热泵空调器产量达75万台。1992_~1994年，国际能源机构的热泵中心对25个国家在热泵方面的技术和市场状况进行了调查与分析。全世界已经安装运行的热泵已超过5500万台，已有7000台工业热泵在使用，近400套区域集中供热系统在供热。全世界的供热需求量中由热泵提供的近2%。

图3 含水层沿x方向截面图