热泵采暖技术专利现状.pdf

-23-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024中国科技信息 2024 年第 8 期专利分析随着碳达峰、碳中和（以下简称“双碳”）目标的出现，节能减排、低碳能源等技术越来越受到人们的关注。供热是全球最大的能源消费领域，目前我国冬季供暖约占全社会能源消费量的 2%左右，而北方地区燃煤的取暖面积约占总取暖面积的83%。故采暖行业的低碳化改造对中国完成“双碳”目标具有重大意义。热泵采暖技术概况热泵是一种通过输入少量高品位能量，从而将低温物体的热量转移到高温物体的装置。热泵按驱动方式可分为压缩式热泵和吸收式热泵；其中，压缩式热泵的制热性能系数可达3.07.0。根据热源的类型不同，热泵又可以分为地源热泵、水源热泵和空气源热泵。在需求牵引和政策支持的共同推动下，热泵采暖技术在我国的应用范围不断扩大，而“双碳”目标的制定更为其注入了强劲的发展动力，但当前仍存在一些技术难点，比如寒冷地区热泵的供热性能下降、室外机结霜和除霜等问题。本文通过专利统计的手段对该技术相关专利进行分析，统计热泵采暖技术相关专利的技术生命周期、地域分布、重要申请人、技术功效、重点专利等内容，对重点技术进行梳理，以帮助热泵采暖从业人员把握现有专利技术发展脉络，进而推进热泵采暖技术的创新和进步。热泵采暖技术发展现状图 1 示出了全球热泵采暖专利技术生命周期，技术生命周期是用每年的申请量与当年的申请人的数量进行对比后绘制的曲线，专利技术在理论上遵循技术引入期、技术发展期、技术成熟期和技术淘汰期四个阶段。通过这一曲线可以了解该技术领域的现状、推测未来技术发展方向。图 2 为热泵采暖专利国外申请人与申请量分布情况，图 3 为热泵采暖专利中国申请人与申请量分布情况。从图 13 可以得出：近 20 年来，全球热泵采暖专利技术的申请人数量和申请量总体均呈快速增长，说明热泵采暖市场扩大、介入的公司增多、技术分布的范围扩大，全球热泵采暖技术目前仍处于技术发展期。2010 年起，国外相关技术的申请人数量和申请量逐渐下降，国外热泵采暖专利已经进入技术成熟期。2014 年起，中国相关技术的申请人数量和申请量均快速增长，中国热泵采暖专利目前处于技术发展期。行业曲线开放度创新度生态度检索量持续度可替代度影响力行业关联度热泵采暖技术专利现状蔡立群 余 琼蔡立群 余 琼（等同第一作者）国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心蔡立群（1991），女，硕士研究生，助理研究员，研究方向：暖通空调。余琼（1982），女，硕士研究生，副研究员，研究方向：暖通空调。中国科技信息 2024 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024-24-专利分析热泵采暖专利技术地域分布图 4 示出了热泵采暖专利申请全球地域排名，从图 4可以得出：目前热泵采暖主要集中于中国（占比 52%）、日本（占比 12%）、德国（占比 8%）、韩国（占比 4%）等国家，这些国家专利申请量全球占比接近 80%。图 5 示出了为热泵采暖专利中国各省市排名。从图 5 可以看出目前国内热泵采暖相关的专利申请主要集中于北京、山东、广东 3 个省市。原因主要是北京、山东等地针对清洁能源的使用出台了较多的鼓励政策；广东省汇集了以格力、美的等全球知名家电品牌为代表的多个家电巨头，其均包括有热泵产品。热泵采暖专利技术的主要研究方向图 6 为按国际主分类与专利件数分析结果图，从图 6中可以看出，涉及热泵采暖的分类号主要分布在 F24D、F25B、F24H 和 F24F 四个小类上。从热泵采暖的技术构成分布图以及结合 IPC 分类表，热泵采暖技术的应用主要集中在热水集中供暖系统（F24D3/00）、其他住宅或区域供热系统（F24D15/00）、住宅热水供应系统（F24D17/00）、利用在贮热物质中积累热量的集中供暖系统（F24D11/00）、热空气集中供暖系统（F24D5/00）。这表明热泵采暖技术的研究重点在于热泵自身的设计、与供热系统的结合以及与空调系统的结合。图 7 为热泵采暖专利技术功效图。从图 7 可以看出，提高效率是热泵采暖技术的主要研究方向，而结合其他能源为图 3 热泵采暖专利中国申请人与申请量分布图 1 全球热泵采暖专利技术生命周期图 2 热泵采暖专利国外申请人与申请量分布图 4 热泵采暖专利申请全球地域排名图 5 热泵采暖专利申请中国各省市排名（单位：件）热泵采暖技术中提高能效的主要手段，例如：通过热电联产、蓄能、热泵与地热能、热泵与水源等能源的组合，可以提高系统效率。此外，零部件（如换热器、压缩机等部件）的优化设计、与贮热技术的结合也可以较大的提升系统的效率。热泵采暖技术主要申请人分析图 8 示出了热泵采暖全球专利申请人排名，从图 8 可以看出，全球专利申请人排名前三均为日本企业，分别为松下电器（申请量为 315 件）、三菱电机（申请量为 233 件）、大金（申请量为 208 件）。中国专利申请人排名靠前的有清华大学和格力电器，申请量分别为 117 件、111 件。可见，目前日本企业在热泵采暖技术中占据主导作用。热泵采暖技术重点专利分析从技术稳定性、技术先进性和保护范围等角度对专利进行评价，综合考虑专利类型、被引证次数、同族个数、同族国家数量、权利要求个数从近 10 年热泵采暖专利申请中筛选出了部分重点专利。举例如下：清华大学提出了一种电力调峰热电联产余热回收装置及其运行方法（CN201410071808.9），通过不同阀门开关组合，运行在电负荷高峰、低谷及平峰期间，通过在电厂内部分和换热站部分间歇运行的电热泵调节电厂发电出力与换热站用电负荷，利用高温蓄水罐平衡系统供热量与热负荷之间的差异，利用低温蓄水罐稳定乏汽余热回收量，提高了热电厂的电力调峰能力和系统的能源利用效率，提升原有管网供热能力超过 50%，可以实现超长距离输送。珠海格力电器股份有限图 6 热泵采暖全球技术构成-25-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024中国科技信息 2024 年第 8 期专利分析公司提出了一种空气源热泵机组控制方法、装置和可读存储介质（CN201911178295.0），根据环境数据计算目标建筑在指定时刻的建筑热负荷，使空气源热泵机组在指定时刻按照运行策略运行满足目标建筑在指定时刻的热负荷需求，不需要了解建筑的围护结构的材料等的具体热物性信息，降低了预测建筑负荷的难度，计算简单方便，适用性广，避免了由恒定水温为控制目标造成的供热量较大和耗电量较大。广东美的暖通设备有限公司提出了一种燃气辅助式热泵系统及其控制方法（CN201310285123.X），在热泵系统的制热效率低下、水箱内需要大量的水时开启燃气主机进行辅助工作，燃气主机设在换热盘管和供暖装置之间，可进行供暖或者对热泵主机的供暖作用起到补充作用。综合利用水箱的蓄热作用和储水作用，减小热泵主机和燃气主机的开停机频率，实现较好的供热水和采暖效果，降低能耗，最大限度利用热泵。三菱电机提出了一种采暖热水系统（JP2012036404A），根据对制热单元要求的制热要求和对储热水罐单元要求的热水供给要求，进行搭载于热泵单元、储热水罐单元和制热单元的各设备的控制，执行制热运转模式、热水供给运转模式或制热热水供给运转模式。同时实现在供热水热交换器中进行热交换的供热水请求和在供暖热交换器中进行热交换的供暖请求。大金提出了一种用于空间加热和温水供应的装置（EP16172100A），热泵单元在加热模式下，第一热交换器用作蒸发器，第二热交换器用作冷凝器。第二热交换器的加热介质被在制冷剂回路中流动的制冷剂加热。热泵控制装置根据二热交换器处的加热介质冻结可能性，将热泵单元保持在除霜模式运行。电加热装置布置在水箱，加热水箱中的水。避免在设备开始供水操作之后直到水箱中的水温达到目标温度为止由于水箱中的水温的显著下降而花费很长时间的情况。可以避免空间加热长时间暂停的情况，通过在更短的时间内利用在供水回路中循环的热媒的热量来完成除霜，同时放宽对空间加热回路中的热媒的最小量的限制。广东万和新电气股份有限公司提出了一种太阳能与热泵和燃气热水器组合供热装置（CN201110137822.0），根据太阳能循环介质的温度、储水箱温度，合理选择太阳能、热泵、燃气单独或两两组合进行加热，有效地提高了各加热装置和水箱的使用寿命。青岛海尔新能源电器有限公司提出了一种空气源热泵热水器及其除霜方法（CN201711268032.X），当蒸发器结霜厚度较小时，控制器启动加热器进行初级除霜，若加热器在除霜过程中结霜厚度逐渐增厚时，则启动除霜电磁阀，此时加热器可处于开启或者关闭的状态。若除霜电磁阀开启后结霜厚度依旧是逐渐增厚，需要将除霜电磁阀和加热器关闭，并控制四通阀换向工作。通过电加热器、除霜电磁阀和四通阀针对不同厚度的霜进行有目的融霜工作，进而保证该空气源热泵热水器在工作时不会降低能耗，且在结霜初期就能够实现逐步融霜的工作；有效地降低了能量损耗以及避免前期融霜影响制热效果。结语（1）从专利视角下看，热泵采暖技术仍处于技术发展期。近 20 年来，热泵采暖技术的申请人数量和申请量总体均呈快速增长趋势。20182022 年我国专利申请量占据全球申请量的比例均超过了 80%。可见，近年来受到国家煤改电、节能减排等政策推动、热泵技术的逐步成熟和完善，使得高效节能的热泵采暖技术在国内得到了快速发展。（2）热泵采暖技术国内专利地域分布集中，珠三角已成为世界级的家电产业集群。国外申请人的排名和占比要超过中国申请人，日本企业在热泵采暖技术占主导地位，国外申请人主要集中在企业；国内申请人主要集中在企业和高校，虽然龙头企业的专利申请量和专利布局已呈现相对优势，但仍需不断加强技术研发，加大自主创新技术的占比。（3）热泵采暖技术目前的研究重点在于热泵自身的设计、与供热系统的结合以及与空调系统的结合。而对于零部件的改进、安装位置的选择、贮热技术、智能控制等方向的研究占比不大，零部件（如换热器、压缩机等部件）的优化设计、与贮热技术的结合也可以较大的提升系统的效率。智能监控系统也是目前节能控制的重点研究方向。（4）高价值专利引导作用明显，经济价值较高。内陆市场存在巨大潜力，要不断加强沿海地区高新科技企业在内陆市场的辐射力度，不断拓展市场范围，既要保持核心区域的市场活跃性，又要积极带动内陆企业的发展。图 7 热泵采暖专利技术功效图图 8 热泵采暖全球专利申请人排名（单位：件）