基于專利IPC 共現(xiàn)分析的我國海水源熱泵技術(shù)發(fā)展態(tài)勢

趙 磊 李 鵬 李培根

（1.濟寧市科學(xué)技術(shù)情報研究所 濟寧 272000；2.山東納鑫新能源有限公司 濟寧 272000）

0 引言

國際可再生能源署（IRENA）報告指出“供熱和制冷需求約占全球能源消耗的一半，而這些能源大多來自化石燃料或生物質(zhì)能的低效利用”實現(xiàn)“零碳”目標(biāo)就要加速供熱制冷脫碳，熱泵技術(shù)正成為重要參與者。對于熱泵設(shè)備，熱源的特性至關(guān)重要。海水溫度全年相對穩(wěn)定、熱容量高、不同深度擁有不同的溫差，為熱泵提供了更高的加熱因子。據(jù)統(tǒng)計全球約40%的人口居住在沿海地區(qū)，70%的經(jīng)濟活動發(fā)生在沿海地區(qū)[1]。海水源熱泵作為近?？稍偕茉蠢玫闹匾夹g(shù)，勢必在全球能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮重要作用。

通過對國內(nèi)文獻梳理發(fā)現(xiàn)，針對海水源熱泵技術(shù)的研究成果多是工程實例或基于文獻的，專利信息分析的文獻較少。專利作為技術(shù)信息的有效載體，囊括了全球90%以上的最新技術(shù)情報[2]，已成為評估技術(shù)變革和預(yù)測新興技術(shù)軌跡戰(zhàn)略工具。此外，當(dāng)創(chuàng)新周期變得更加復(fù)雜和更短以及市場需要快速響應(yīng)時，專利數(shù)據(jù)的分析更為重要[3]。本文通過1999-2021 年我國海水源熱泵技術(shù)專利信息，以定量視角分析追蹤海水源熱泵技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵特征和趨勢，填補研究空白，以期為企業(yè)、行業(yè)及政府管理決策提供有價值的情報信息。

1 數(shù)據(jù)來源與分析方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

文章數(shù)據(jù)采用“萬象云”專利搜索引擎，以“海水”、“熱泵”、“冷水機”、“冷熱水機組”等關(guān)鍵詞，結(jié)合密切相關(guān)國際專利分類（IPC）代碼，構(gòu)建檢索策略（（（Q1 AND（Q2 ORQ3））AND（Q4 ORQ5））NOTQ6），其中Q1、Q2、Q3 是關(guān)鍵詞組合，Q4、Q5 為相關(guān)IPC，Q6 用于數(shù)據(jù)清洗。檢索后進一步人工剔除噪音數(shù)據(jù)。專利數(shù)據(jù)檢索范圍限定為國內(nèi)發(fā)明專利。由于專利數(shù)據(jù)文獻收錄具有一定的滯后性，為保證分析數(shù)據(jù)完整有效，數(shù)據(jù)截取到2021 年底，共獲得382 條專利信息。

1.2 分析方法

專利具有結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)特征，借用分析工具能更好地理解關(guān)鍵信息[4]。我們通過定量分析法、典型調(diào)查法等查看海水源熱泵技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展脈絡(luò)、主要研究方向、申請人技術(shù)布局等。特別是使用文獻計量的方法，借助BibExcel、VOSviewer工具軟件，對國際專利分類（IPC）代碼分成兩個時間段構(gòu)建共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和可視化圖譜，通過整體和前后對比直觀分析技術(shù)融合和發(fā)展態(tài)勢。

2 結(jié)果分析

2.1 年度申請趨勢

專利年度申請趨勢可在一定程度上反映本領(lǐng)域的研究發(fā)展?fàn)顩r，從宏觀層面把握目標(biāo)技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢。由圖1 可見，海水源熱泵專利申請趨勢大致可以劃分為三個階段。緩慢發(fā)展期（1999-2009年），期間有了少量專利申請，并逐步緩慢增長，2007 年之后受全球金融危機影響，連續(xù)兩年下滑；第一次快速增長期（2010-2013 年），自2010 年以來該領(lǐng)域的專利申請活動顯著增加。2013 達(dá)到一個峰值，數(shù)量是2010 年的3 倍；第二次快速增長期（2014-2018 年），自2014 年開始快速下探，經(jīng)過回升、調(diào)整后，2016 年至2018 年連續(xù)三年快速增長。并達(dá)到了第二個峰值，相較2013 年第一個頂峰，申請數(shù)量又增加了50%。

圖1 年度申請趨勢Fig.1 Annual application trend

海水源熱泵專利申請量與市場活動相呼應(yīng)。2001 年以后，在城市化和經(jīng)濟快速增長諸多因素推動下，我國空調(diào)市場發(fā)展迅速，熱泵行業(yè)已經(jīng)由導(dǎo)入期轉(zhuǎn)入成長期[5]。在經(jīng)過幾年的市場培育后，自2005 年開始熱泵市場持續(xù)了近8 年的高速增長，對應(yīng)了海水源熱泵專利申請的第一次的快速增長階段。2016 年隨著“煤改清潔能源”政策實施，空氣源熱泵市場呈爆發(fā)式增長態(tài)勢[6]。海水源熱泵市場擴大的同時，專利申請量也在2018 年達(dá)到新高。近年來，受經(jīng)濟發(fā)展及優(yōu)化專利申請結(jié)構(gòu)政策等因素影響，海水源熱泵專利申請數(shù)量有所下滑。

2.2 技術(shù)融合聚焦主題

目前全球發(fā)明和實用新型專利普遍采用國際專利分類（IPC）對其進行標(biāo)識，通過對IPC 分析能夠了解該領(lǐng)域的技術(shù)構(gòu)成及研發(fā)重點。隨著技術(shù)和社會日益復(fù)雜，許多領(lǐng)域正在發(fā)生技術(shù)融合，具有多個IPC 且授予不同部分的專利可被視為由跨領(lǐng)域技術(shù)組成的專利[7]。本文對專利全部IPC 分類號進行歸納以觀察技術(shù)融合中突顯的主要技術(shù)主題。本次檢索共獲得976 個分類號，按大組進行統(tǒng)計后，排名前10 的如表1 所示。

表1 TOP10 技術(shù)聚集主題Table 1 Top10 technology aggregation theme

2.3 申請人及主要技術(shù)布局

通過不同研發(fā)實體的專利申請變化，有利于更加準(zhǔn)確、清晰地判斷相應(yīng)領(lǐng)域的技術(shù)成熟水平[8]。從申請人類型來講，高校和科研院所申請量居多時，該領(lǐng)域技術(shù)還在創(chuàng)新與完善之中，應(yīng)用研發(fā)勢頭強勁。當(dāng)企業(yè)申請量居多時，主導(dǎo)技術(shù)趨于穩(wěn)定。圖2（a）為全部申請人類型占比，海水源熱泵專利申請人高校、科研院所兩者的申請量占42%，企業(yè)占33%，個人申請為25%。圖2（b）為各類申請人的年度申請趨勢，科研院所對于海水源熱泵的關(guān)注度較低；個人在前期的申請數(shù)量大于其他申請人，后期逐漸下降；2007 年后，企業(yè)和高校兩類申請人的申請數(shù)量不斷增加，兩者趨勢較為接近。總體看來，現(xiàn)階段海水源熱泵技術(shù)趨于成熟，產(chǎn)業(yè)化程度和市場應(yīng)用有較大提高。同時，研發(fā)創(chuàng)新動能未減仍處在上升趨勢。

圖2 各類申請人占比及申請趨勢Fig.2 Proportion of various applicants and application trend

一般來說，發(fā)明過程的產(chǎn)生是由少數(shù)貢獻者推動的，他們被稱為“技術(shù)主導(dǎo)者”，他們了解某個領(lǐng)域的基本技術(shù)，旨在推動創(chuàng)新[9]。以專利數(shù)量對申請人進行排名，并對排名靠前的申請人專利技術(shù)布局進行分析，進一步了解主要申請人的專利成果和行業(yè)中技術(shù)優(yōu)勢方向。圖3 縱軸列出專利申請數(shù)量前10 個申請人，橫軸顯示數(shù)量前10 個IPC 大組代碼，氣泡的大小表示該IPC 大組中小組總量。由圖可知，C02F1、C02F103 是重點技術(shù)領(lǐng)域，主要申請人中除青島理工大學(xué)、大連葆光節(jié)能空調(diào)設(shè)備廠外均申請過所屬專利。從申請人的角度來看，江蘇科技大學(xué)涉及技術(shù)領(lǐng)域最多共有7 個類別，其次是大連理工涉及6 個類別。而作為主要申請人中唯一的企業(yè)，大連葆光節(jié)能空調(diào)設(shè)備廠側(cè)重于F24D3（熱水集中供暖系統(tǒng)）技術(shù)領(lǐng)域。

圖3 主要申請人IPC 布局Fig.3 Main applicant IPC layout

2.4 IPC 共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)演化分析

基于專利的技術(shù)領(lǐng)域共現(xiàn)，運用社會網(wǎng)絡(luò)分析等方法可以揭示特定技術(shù)的演化路徑[10]。在多項研究中，通過國際專利分類（IPC）代碼進行共類分析并結(jié)合可視化網(wǎng)絡(luò)是分析復(fù)雜技術(shù)關(guān)系的有效手段[11]。IPC 的特點之一是它具有層次化的技術(shù)結(jié)構(gòu)。使用最低的索引級別能夠更全面地檢查知識交互動態(tài)的模式，并能夠突出跨學(xué)科的知識結(jié)構(gòu)[12]。本研究中，我們使用VOSviewer 等文獻計量分析工具，對專利IPC 小組代碼生成共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)并圖譜呈現(xiàn)。并以2010 年為界構(gòu)建兩個時間段的IPC 共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。通過集群和時間對比解釋IPC 之間的良好關(guān)系、技術(shù)融合及演進趨勢等。圖4 中每個節(jié)點代表1 個IPC 小組，節(jié)點越大出現(xiàn)的頻次越高；節(jié)點之間的連線代表共現(xiàn)頻次，連線越粗共現(xiàn)頻次越高；節(jié)點之間的距離代表IPC 之間的關(guān)系，距離越短相似性越高。

圖4 IPC 共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)Fig.4 IPC co-occurrence network

由圖4 對比可見，以C02F103/08（海水，例如為脫鹽）、F25B30/06（以低勢熱源為特征的）、F24F5/00（不包含在F24F1/00 或F24F3/00 組中的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)或設(shè)備）三個關(guān)鍵節(jié)點為核心構(gòu)建了共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖。隨著時間推移和專利數(shù)量的增加，網(wǎng)絡(luò)密度不斷增強，各技術(shù)領(lǐng)域間連通性更好呈現(xiàn)，有更多新技術(shù)參與其中交叉融合，應(yīng)用場景不斷拓展。為了更好的了解技術(shù)發(fā)展趨勢，我們對圖中幾個集群進行更細(xì)粒度的分析。

集群1：反映在海水淡化應(yīng)用上，主要集中在C02F 小類（水、廢水、污水或污泥的處理）。2011年前熱泵在海水淡化應(yīng)用主要反映在C02F1/04（蒸餾或蒸發(fā)）、C02F1/06（閃蒸發(fā)）、C02F1/44（滲析法、滲透法或反滲透法）上。近年來，熱泵技術(shù)在C02F1/12（噴霧蒸發(fā)）、C02F1/08（薄膜蒸發(fā)）、C02F1/22（冷凍法）等海水淡化應(yīng)用研究上逐漸增多。

本集群專利申請人高校和科研院所占61.1%，南京航空航天大學(xué)、集美大學(xué)、天津大學(xué)、西安交通大學(xué)、浙江大學(xué)、中國電子工程設(shè)計院、天津海水淡化與綜合利用研究所等均有多項申請。集群專利圍繞多級閃蒸、低溫多效蒸餾、膜蒸餾、冷凍法等不同海水淡化方式，以降低能耗提高淡水生產(chǎn)率為目的，優(yōu)化熱泵循環(huán)形式、海淡水及蒸汽路徑、冷凝器蒸發(fā)器等組件匹配方式等開展了大量研究。如“一種帶梯級預(yù)熱的熱泵式海水淡化裝置及其控制方法”（CN201510937877.8）通過初級、次級預(yù)熱器對海水的梯級預(yù)熱，提高系統(tǒng)的熱量利用率；“一種高溫高效的多效蒸餾海水淡化裝置及方法”（CN201310164973.4）通過提升熱驅(qū)動或功驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計，提高熱泵的溫升范圍或改進海水淡化系統(tǒng)性能。同時，有不少專利關(guān)注熱泵技術(shù)與其它能源的耦合運用提高能效。如C02F1/14（利用太陽能）、C02F1/16（利用其他工藝中的廢熱）及“水電聯(lián)產(chǎn)”、“冷熱聯(lián)供”等。

集群2：專注于海水源熱泵機組系統(tǒng)及核心部件，主要集中在F25B 小類（制冷機，制冷設(shè)備或系統(tǒng)；加熱和制冷的聯(lián)合系統(tǒng)；熱泵系統(tǒng)）和F24F小類（空氣調(diào)節(jié)、空氣增濕、通風(fēng)、空氣流作為屏蔽的應(yīng)用）。

1999-2010 年間，屬于國內(nèi)海水源熱泵機組的雛形期，專利內(nèi)容多聚焦于系統(tǒng)設(shè)計創(chuàng)新上，如“利用海水換熱的中央空調(diào)系統(tǒng)”（CN99120406.9）、“海水源熱泵機組”（CN200410035421.4）、“用于中央空調(diào)的低溫海水冷卻系統(tǒng)”（CN201010603212.0）等。在系統(tǒng)設(shè)計中側(cè)重于海水換熱器、取水管網(wǎng)、防腐、防堵等。換熱方式上有直入式系統(tǒng)與二次換熱式系統(tǒng)[13]，對于不同的換熱方式在換熱器上提出了“干式”、“滿液式蒸發(fā)器”、“水冷殼管式冷凝器”以及末端“塑料管束”、“盤管”、“拋管式”換熱等。取水方式上有“豎井”、“沉箱”、“沙灘過濾”等方法。在防腐上提出了白銅、鋁青銅、鋁黃銅、海軍銅、鎳白銅、鈦合金、特種不銹鋼、鋅等不同材質(zhì)。2011-2021 年期間，F(xiàn)24D3/18（熱水集中供暖系統(tǒng)、采用熱泵的）與F25B29/00（加熱和制冷組合系統(tǒng)）領(lǐng)域的研究明顯增多，分別占到該時期專利總量的12.1%和10.8%，說明海水源熱泵在集中供暖制冷、熱水供應(yīng)方面的技術(shù)應(yīng)用不斷增多。該階段增加了“板式換熱器”、“毛細(xì)管”、“沙灘埋管”等換熱方式。換熱器結(jié)構(gòu)上也不斷進行優(yōu)化和改進，如“一種曲流式海水源熱泵機組用熱能疏導(dǎo)換熱器及使用方法”（CN201710393641.1）、“一種不等間距管束海水源熱泵換熱器”（CN201810909976.9）等。在多品類能源聯(lián)供上，除“乏汽余熱高效回收”、“風(fēng)力磁渦流”等研究為新增外。熱泵與太陽能技術(shù)組合一直貫穿其中，C02F1/14（利用太陽能）占到全部專利的4.4%。同時，在機組聯(lián)供、蓄能、大溫差方面也有涉及。

集群3：側(cè)重于船用空調(diào)和陸基海水養(yǎng)殖應(yīng)用。共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)除了較為集中的技術(shù)集群外，還有一些較高凝聚性的子群集。本研究選擇A01K61（水生動物的養(yǎng)殖）、B63J2（通風(fēng)、加熱、冷卻或空氣調(diào)節(jié)設(shè)備的配置）進行分析，主要是熱泵在海水陸基養(yǎng)殖和船用空調(diào)技術(shù)領(lǐng)域運用。

熱泵在海水養(yǎng)殖應(yīng)用表現(xiàn)在養(yǎng)殖尾水（循環(huán)水)的凈化處理和余熱回收。不同的換熱方式，“用于控制養(yǎng)殖池溫度恒定的水環(huán)熱泵裝置”（CN201110033861.6），通過兩個換熱器實現(xiàn)換熱介質(zhì)與新鮮海水和排出海水之間的熱量交換。而“海水源熱泵生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)”（CN201510029195.7），則通過換熱器將排放的尾水余熱對輸送進來的新鮮海水進行升溫。尾水凈化處理方面，“一種海水循環(huán)水養(yǎng)殖的水處理裝置”（CN202110150708.5）、“一種分散式循環(huán)水工廠化智能化的海水養(yǎng)殖裝置”（CN202011537190.2）等將熱泵溫控與水質(zhì)監(jiān)測、凈化消菌、生物生化等功能進行整體規(guī)劃設(shè)計。熱泵水溫精確控制也是重點技術(shù)領(lǐng)域。“海水養(yǎng)殖池水回流處理中的控溫裝置”（CN201310029461.7）提出通過PLC 中央處理器對水源熱泵、熱源支電磁閥、換熱泵進行集中管理?！耙?種 海 水 養(yǎng) 殖 自 動 控 制 系 統(tǒng) ”（CN201710152711.4）則通過溫度傳感器、PH 值傳感器、水位傳感器、溶氧傳感器形成自動控制中心?！耙环N海水養(yǎng)殖的智能供暖控制系統(tǒng)”（CN201811129658.7）通過智能控制系統(tǒng)計算養(yǎng)殖池中需要的熱量，再利用回水溫度、流量等，實時梯級調(diào)節(jié)能量品位的輸出。

較傳統(tǒng)船用風(fēng)冷式空調(diào)系統(tǒng)，海水源熱泵在船用空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用極大程度的提高了系統(tǒng)的能效性[14]。船用空調(diào)系統(tǒng)一般包括海水源熱泵系統(tǒng)、船舶余熱系統(tǒng)、海水淡化系統(tǒng)、海水供給系統(tǒng)。圖中節(jié)點主要涉及B63J2（通風(fēng)、加熱、冷卻或空氣調(diào)節(jié)設(shè)備的配置）、B63J1（制淡水設(shè)備的配置）、F28D7（用于兩種熱交換介質(zhì)的固定管狀通道組件的熱交換裝置）及F01K27（將熱能或流體能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的裝置）等。船用空調(diào)廢熱回收系統(tǒng)也是研究重點之一。根據(jù)不同的船舶類型各專利提出了不同的方式。如“余熱回收式分布式能源與海水源熱泵耦合系統(tǒng)”（CN201220622911.4），對燃?xì)廨啓C船舶，提出將產(chǎn)生的煙氣進入到余熱鍋爐中，冷凝換熱器和吸收式熱泵分別吸收余熱鍋爐排放出的煙氣和高溫蒸汽；“一種船用海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)及其控制方法”（CN201410532794.6），對內(nèi)燃機船舶，提出可利用熱源由海水、缸套冷卻水和柴油機排氣余熱串聯(lián)構(gòu)成?！耙环NLNG 供氣系統(tǒng)冷能梯級利用系統(tǒng)及能量管理方法”（CN201910559242.7），提供了LNG 儲存、冷能發(fā)電、間接冷凍法海水淡化、冷庫、空調(diào)的多系統(tǒng)綜合利用方法。由此可見，針對船舶航行范圍廣、海水及氣候溫差跨度大特點，以及對淡水、電力等能源多樣性需求的實際問題，相關(guān)專利對船舶熱泵在冷、熱、電、淡四聯(lián)應(yīng)用及效率提升等方面的均有研究。

3 結(jié)論

本文系統(tǒng)梳理了海水源熱泵專利信息，通過定量分析等方法查看海水源熱泵年度申請趨勢、技術(shù)融合聚焦主題、主要申請人技術(shù)布局。并利用文獻計量的方法構(gòu)建IPC 共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和可視化圖譜，通過對比分析查看技術(shù)發(fā)展趨勢。本研究結(jié)果顯示：

（1）我國海水源熱泵專利申請數(shù)量經(jīng)歷了緩慢增長、波動上升、快速增加幾個階段。近年來在全球能源轉(zhuǎn)型的背景下，海水源熱泵技術(shù)的專利活動顯著增加，研究熱度持續(xù)攀升。特別是在我國能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型政策引導(dǎo)支持下，熱泵市場快速發(fā)展在一定程度促進了專利活動。

（2）海水源熱泵專利聚焦于換熱器、取水、防腐、防堵、精準(zhǔn)控溫等實際運用創(chuàng)新上。并體現(xiàn)出明顯的跨學(xué)科特征，熱泵與工程、物理、材料、化學(xué)、電子信息等學(xué)科交叉，技術(shù)融合是海水源熱泵創(chuàng)新發(fā)展的有效路徑。

（3）隨著熱泵應(yīng)用技術(shù)不斷發(fā)展，海水源熱泵應(yīng)用場景廣闊。在海水淡化、船用空調(diào)、陸基海水養(yǎng)殖、區(qū)域供暖制冷等領(lǐng)域技術(shù)相對成熟。

（4）海水源熱泵注重多能量優(yōu)化技術(shù)，提高能源效率。特別是與太陽能及余熱回收等系統(tǒng)的耦合應(yīng)用上。