作為一種主動(dòng)熱回收裝置，工業(yè)熱泵可借助外部能源將工業(yè)過(guò)程中的余熱溫度提至更高溫度，以用于同一過(guò)程或其他過(guò)程的熱需求。工業(yè)熱泵的價(jià)值在于通過(guò)使用低碳電力減少供暖碳排放的能力，具有提供大規模、靈活性的熱能潛力以及降低平衡電力系統和在用戶(hù)端消耗熱能的成本。因此，工業(yè)熱泵可從應用上實(shí)現熱量和電力的脫碳。

　　本文將回顧國內外工業(yè)熱泵的發(fā)展現狀，對高溫/蒸汽熱泵及其在工業(yè)領(lǐng)域的應用潛力進(jìn)行分析，對節能和碳減排潛力進(jìn)行估算，為后續推進(jìn)高溫/蒸汽熱泵技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展以及在工業(yè)領(lǐng)域的應用發(fā)展提供指導。

　　1、工業(yè)熱泵技術(shù)現狀

　　系統循環(huán)

　　蒸汽壓縮熱泵系統是基于逆卡諾循環(huán)并通過(guò)理想等熵壓縮和等焓膨脹進(jìn)行改進(jìn)。最常見(jiàn)的循環(huán)是單級壓縮循環(huán)，包括原始的單級、帶有補氣增焓或噴射器以改善循環(huán)性能的單級循環(huán)以及配有經(jīng)濟器和中間換熱器的單級循環(huán)。多級系統采用多次壓縮，以機械能消耗為代價(jià)，實(shí)現更高的輸出溫度。復疊式熱泵系統將兩種或多種工質(zhì)的循環(huán)耦合起來(lái)，以實(shí)現更大的溫升?；旌蠠岜孟到y將蒸汽壓縮熱泵與吸收、吸附、太陽(yáng)能或化學(xué)熱泵等其他熱力系統集成在一起。

　　熱水(熱空氣)制備循環(huán)

　　在供暖、干燥、洗滌和消毒等工藝過(guò)程中均需使用大量熱水，通常由工業(yè)鍋爐供應，鍋爐以煤炭、石油或天然氣為燃料，生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的余熱由冷卻塔冷卻。采用熱泵技術(shù)生產(chǎn)熱水(熱空氣)，可根據溫升的大小，采用單級壓縮、雙級壓縮、復疊壓縮等循環(huán)方式，在熱源溫度較低時(shí)可采用跨臨界 CO2循環(huán)。循環(huán)流程如圖1~圖3 所示。

　　蒸汽制備循環(huán)

　　微壓蒸汽熱泵機組應用于低品位回收領(lǐng)域，可回收余熱水、乏汽、乏風(fēng)等余熱，生產(chǎn)微壓蒸汽。微壓蒸汽的制備可視溫升的不同采用單級壓縮、雙級壓縮、復疊壓縮等配合閃蒸罐的循環(huán)方式，循環(huán)流程見(jiàn)圖4~圖6。

　　在 120~175 ℃ 的溫度區間內，低壓蒸汽熱泵機組進(jìn)一步提升了高溫熱泵的使用范圍，可推廣至過(guò)去未能觸及的領(lǐng)域(如醫藥與食品的消毒和滅菌、化學(xué)行業(yè)的分離、紙張行業(yè)的烘干) 。低壓蒸汽的制備可視溫升的不同采用單級壓縮、雙級壓縮、復疊壓縮等配合閃蒸罐的循環(huán)方式， 循環(huán)流程見(jiàn)圖7~圖9。

　　制冷壓縮機技術(shù)

　　熱泵機組是制冷劑、結構、部件的集成，對熱泵性能具有決定性影響，壓縮機是熱泵機組的核心部件，本節總結了目前適用于工業(yè)熱泵的主要壓縮機型式。（具體分析見(jiàn)原文）

　　水蒸氣壓縮機技術(shù)

　　由于水蒸氣的特殊物理性質(zhì)，機械壓縮機應滿(mǎn)足如下技術(shù)要求：1) 由于水蒸氣的高比體積而產(chǎn)生的大體積流量;2)避免腐蝕和侵蝕的特殊材料;3)嚴格的軸封要求，以保證壓縮蒸汽純度;4) 壓力比高，使壓縮蒸汽的飽和溫升足夠高，以取代鍋爐蒸汽;5)壓力較高時(shí)，排放蒸汽溫度低或壓縮蒸汽過(guò)熱度低;6)效率高，成本合理。不同于開(kāi)式循環(huán)中的機械式蒸汽壓縮技術(shù)，用于高溫熱泵的水蒸氣壓縮機在系統中運行溫升高、壓比大，適用于溫升較低的羅茨水蒸氣壓縮機與單級透平水蒸氣壓縮機已不能勝任，而多級透平壓縮機與帶噴水功能的雙螺桿壓縮機開(kāi)始進(jìn)入人們的視野。（具體分析見(jiàn)原文）

　　2、低GWP制冷劑技術(shù)

　　制冷劑的選擇在蒸汽壓縮熱泵中起著(zhù)關(guān)鍵作用，制冷劑的物性決定了蒸汽壓縮熱泵的性能。目前，制冷劑選擇原則優(yōu)先考慮制冷劑的全球變 暖 潛值和臭氧損耗潛值為保護環(huán)境，首選ODP為 0，GWP 小于150 的制冷劑?；谏鲜鲆?，低 GWP(GWP<150)制冷劑，如天然制冷劑、碳氫化合物(HCs)、氫氟烯烴(HFOs)、氫氯氟烴(HCFOs)近期在蒸汽壓縮熱泵中得到廣泛使用和研究。

　　HFOs

　　適用于高溫熱泵的HFOs工質(zhì)包括R1336mmz(Z)、R1336mmz(E)、R1234ze(Z)、R1234ze(E)。在HFOs制冷劑中，R1336mmz(Z)可以在相對較低的壓力(2 900 kPa)下提供較高的臨界溫度171.3 ℃。該制冷劑不易燃(安全級別為 A1)、ODP為0、GWP為2、大氣壽命為22 d。R1336mmz(Z)在250 ℃以下穩定，因此適用于余熱回收、ORC 和蒸汽產(chǎn)生等應用。（其他制冷劑分析見(jiàn)原文）

　　HCFOs

　　適用于高溫熱泵的HCFOs工質(zhì)包括R1233zd(E)與 R1224yd(Z)。在可用的HCFOs 中，R1233zd(E)被認為是適用于高溫熱泵的制冷劑。其ODP 為 0.0034、GWP 為1、臨界溫度為166.5 ℃ 、臨界壓力為 3 620kPa、安全類(lèi)別為A1。已被證實(shí)用于高溫熱泵時(shí)具有優(yōu)異的性能。（其他制冷劑分析見(jiàn)原文）

　　天然工質(zhì)

　　適合高溫熱泵的天然制冷劑有水(R718)、二氧化碳(R744)、氨(R717)、碳氫化合物(HCs)等。（具體分析見(jiàn)原文）

　　3、工業(yè)熱泵技術(shù)發(fā)展展望

　　大容量半封閉高溫制冷劑壓縮機

　　采用封閉式結構將電動(dòng)機和壓縮機連成整體，裝在同一機體內共用一根主軸，因此可取消開(kāi)啟式壓縮機中的軸封裝置，避免由此產(chǎn)生的泄漏。半封閉壓縮機用于制冷循環(huán)及常規熱泵循環(huán)已經(jīng)成熟，但用于高溫熱泵仍然受到一些限制。

　　高溫蒸汽壓縮機

　　在可供選擇的低 GWP 制冷劑中，R1336mzz(Z)由于臨界溫度達到 164.1 ℃ ，不易燃且無(wú)毒，將高溫熱泵的供熱溫度推向 155 ℃。當高溫熱泵供熱溫度的目標值為 175 ℃或更高時(shí)，采用水作為制冷劑是目前的最佳選擇，因此要求開(kāi)發(fā)高溫蒸汽壓縮機來(lái)適應該要求。綜合考慮壓縮機的運行原理、結構特點(diǎn)與操作特性，雙螺桿蒸汽壓縮機與離心蒸汽壓縮機成為高溫蒸汽壓縮機的兩個(gè)選擇。

　　跨臨界CO₂高溫熱泵

　　20 世紀 90 年代跨臨界CO₂熱泵就在日本率先商業(yè)化，通過(guò)采用工作壓力超過(guò) 10 MPa 的高壓往復壓縮機，CO₂熱泵成功用于民用熱水制備，并進(jìn)一步拓展至工業(yè)領(lǐng)域的熱空氣制備，最高熱水及熱風(fēng)溫度可達 120 ℃ 。德國將工藝離心機技術(shù)引入跨臨界CO₂壓縮，從而實(shí)現了大規模冷熱電三聯(lián)儲能方案。

　　帶儲能功能的高溫熱泵

　　熱泵與熱能存儲相結合，可在一定程度上實(shí)現大型熱泵機組的連續運行，避免了頻繁啟停機時(shí)熱泵壓縮機容易出現的可靠性問(wèn)題。而儲能功能甚至可替代熱泵機組的調頻，實(shí)現熱泵壓縮機在工頻下運行，這對高可靠性的離心熱泵壓縮機在高溫熱泵領(lǐng)域拓展應用極為有利。

　　4、工業(yè)熱泵應用場(chǎng)景拓展分析

　　耦合空氣源與可再生能源的集中式供熱系統

　　工業(yè)領(lǐng)域用熱溫度較高(一般大于80 ℃ )，采用分布式空氣源熱泵給工業(yè)裝置供熱如圖 10 所示，目前還存在如下局限性：1) 空氣源熱泵的熱源側是環(huán)境空氣，供熱與熱源溫差較大，且溫差隨季節及晝夜波動(dòng)較大，使空氣源熱泵的 COP 偏低，且環(huán)境溫度的波動(dòng)必然導致運行工況波動(dòng)進(jìn)而降低熱泵機組的可靠性;2) 空氣源高溫熱泵采用工業(yè)電驅動(dòng)，由于工業(yè)電價(jià)較高，導致高溫熱泵機組運行費用大幅高于天然氣鍋爐;3) 工業(yè)領(lǐng)域余熱資源較為豐富，在有余熱資源利用的前提下，利用環(huán)境空氣作為熱源不是一個(gè)經(jīng)濟的選擇。

　　基于工業(yè)循環(huán)水余熱回收的集中式供熱系統

　　在大型應用場(chǎng)景中(如企業(yè)或工業(yè)園區)，大部分工業(yè)裝置的余熱被循環(huán)冷卻水帶走，冷卻水匯集后通過(guò)大型冷卻塔降溫再回到工業(yè)裝置循環(huán)使用。循環(huán)水水溫隨季節變化在 25~45 ℃ 之間，且在一定時(shí)間跨度內波動(dòng)較小，循環(huán)水經(jīng)過(guò)大型冷卻塔釋放掉的熱量非常大，若對該循環(huán)水的熱量加以利用并制備 80 ℃以上的高溫熱水，形成集中式供熱系統給企業(yè)或園區的裝置供熱如圖 11 所示，可大幅減少化石類(lèi)燃料的消耗。

　　耦合高溫熱泵與 DAC 的分布式碳捕集裝置

　　采用高溫熱泵從工業(yè)余熱中生產(chǎn) 100~120 ℃的蒸汽，用于 DAC 設備中吸附劑的再生和凈化，如圖 12 所示。通過(guò)該能源系統集成設計，以及新型高溫工業(yè)熱泵和基于吸附的DAC 系統耦合技術(shù)開(kāi)發(fā)，降低 DAC 技術(shù)的總能耗，并將從空氣中直接捕獲 CO2 的運營(yíng)成本大幅降低。

　　5、總結

　　面對2030碳達峰的階段性目標，工業(yè)用能的轉型迫在眉睫，工業(yè)熱泵技術(shù)是高能耗工業(yè)鍋爐的理想替代技術(shù)，本文對目前典型工業(yè)熱泵、高溫/蒸汽熱泵的系統循環(huán)形式、關(guān)鍵制冷壓縮機技術(shù)、水蒸氣壓縮技術(shù)進(jìn)行總結，得到如下結論：

　　1、《基加利修正案》生效后，第四代低GWP制冷劑得到重點(diǎn)發(fā)展，工業(yè)熱泵也需進(jìn)一步發(fā)展以低GWP制冷劑為工質(zhì)的系統。

　　2、基于目前工業(yè)熱泵的技術(shù)現狀，結合工業(yè)鍋爐替代應用場(chǎng)景，本文提出工業(yè)熱泵技術(shù)在大容量半封閉高溫制冷劑壓縮機、高溫蒸汽壓縮機、CO₂高溫熱泵、帶儲能功能的高溫熱泵方面未來(lái)將會(huì )有進(jìn)一步的發(fā)展。

　　3、結合未來(lái)工業(yè)熱泵技術(shù)進(jìn)一步拓展的方向，分析拓展的應用場(chǎng)景，工業(yè)熱泵將會(huì )進(jìn)一步拓展至結合可再生能源的民用集中供熱、余熱回收的工業(yè)集中供熱領(lǐng)域和碳捕集余熱回收流程中。