工業(yè)高溫?zé)?a href='http://hainantop.net/sell/search-htm-kw-%E6%B3%B5.html'>泵發(fā)展現(xiàn)狀與展望

摘 要：當(dāng)前，中國(guó)能源結(jié)構(gòu)仍以煤炭為主，非化石能源發(fā)展面臨多重制約，產(chǎn)業(yè)存在高耗能、高排放、低能效問題，綠色低碳技術(shù)亟待加強(qiáng)。工業(yè)過程供熱占能源消耗的50%，實(shí)現(xiàn)其低碳化是實(shí)現(xiàn)碳中和的重要部分。高溫/蒸汽熱泵為實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程供熱所需體量和溫度，需深入研究與廣泛推廣。本文從國(guó)內(nèi)外工業(yè)熱泵技術(shù)現(xiàn)狀出發(fā)，分析系統(tǒng)循環(huán)型式、制冷劑壓縮技術(shù)、水蒸氣壓縮技術(shù)；結(jié)合第四代低全球變暖潛值制冷劑發(fā)展現(xiàn)狀，給出環(huán)保工業(yè)熱泵適用制冷劑；提出工業(yè)熱泵技術(shù)發(fā)展展望，并結(jié)合雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)和工業(yè)鍋爐替代市場(chǎng)分析，拓展工業(yè)熱泵應(yīng)用場(chǎng)景。

一、引言

2020年全年，中國(guó)共排放CO?103.76億噸，其中工業(yè)排放量最多，達(dá)51.63億噸，占比50%。因此，實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵在于有效控制工業(yè)碳排放。工業(yè)部門脫碳手段包括提高工藝效率和應(yīng)用新工藝以減少最終能源消耗，如余熱回收、使用可再生能源代替化石能源等。

熱能是最大的能源終端用戶，占全球最終能源消耗的50%。2020年，中國(guó)消耗了全球熱量的25%，其中60%以上用于工業(yè)過程，通常由工業(yè)鍋爐提供。工業(yè)鍋爐在制造行業(yè)廣泛采用，多以分散式安裝運(yùn)行，平均容量約為3.8t/h。近年來(lái)，我國(guó)工業(yè)鍋爐正向電氣化、燃?xì)饣l(fā)展，小型鍋爐產(chǎn)品在統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品中占比逐年上升，臺(tái)數(shù)占比已超過50%。中國(guó)各部委發(fā)布了一系列與工業(yè)鍋爐相關(guān)的政策，以減少能源使用和控制燃煤工業(yè)鍋爐的污染。目前，燃煤鍋爐的替代品（如燃油鍋爐、燃?xì)忮仩t、電鍋爐和生物質(zhì)鍋爐）存在明顯局限性和缺點(diǎn)，限制了其推廣應(yīng)用。因此，采用工業(yè)熱泵取代工業(yè)鍋爐成為供熱脫碳的重要解決方案。

我國(guó)工業(yè)消耗的能源有50%以上以廢氣和廢水的形式轉(zhuǎn)化為余熱，其中僅30%被重新利用，這是能源利用效率低下的原因之一。工業(yè)熱泵作為一種主動(dòng)熱回收裝置，可借助外部能源將工業(yè)過程中的余熱溫度提升至更高溫度，以滿足同一過程或其他過程的熱需求。其價(jià)值在于通過使用低碳電力減少供暖碳排放，具有提供大規(guī)模、靈活性熱能的潛力，以及降低平衡電力系統(tǒng)和用戶端消耗熱能成本的能力，可從根本上實(shí)現(xiàn)熱量和電力的脫碳。本文將回顧國(guó)內(nèi)外工業(yè)熱泵的發(fā)展現(xiàn)狀，分析高溫/蒸汽熱泵及其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，估算節(jié)能和碳減排潛力，為后續(xù)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(yīng)用提供指導(dǎo)。

二、工業(yè)熱泵技術(shù)現(xiàn)狀

（一）系統(tǒng)循環(huán)

蒸汽壓縮熱泵系統(tǒng)基于逆卡諾循環(huán)，并通過理想等熵壓縮和等焓膨脹進(jìn)行改進(jìn)。常見的循環(huán)形式多樣，各有特點(diǎn)與適用場(chǎng)景。

1. 單級(jí)壓縮循環(huán)：包括原始單級(jí)、帶補(bǔ)氣增焓或噴射器以改善性能的單級(jí)循環(huán)，以及配有經(jīng)濟(jì)器和中間換熱器的單級(jí)循環(huán)。單級(jí)熱泵是基本循環(huán)，連接、運(yùn)行、維護(hù)簡(jiǎn)單，但因壓縮比較低，溫升受限，大容量機(jī)組組件需定制。帶過冷器的單級(jí)熱泵可增加制熱量，改善性能；安裝中間換熱器可預(yù)熱蒸汽，提高排氣溫度，擴(kuò)大應(yīng)用范圍；增加噴射器可降低壓縮機(jī)功耗，節(jié)省投資。

2. 多級(jí)壓縮式熱泵：通過多次壓縮，以機(jī)械能消耗為代價(jià)實(shí)現(xiàn)更高輸出溫度，可大幅提高溫升，適用于熱源和熱量需求相差較大的情況。中間冷卻、補(bǔ)氣增焓、噴液冷卻能有效降低壓縮機(jī)排氣溫度，確保安全運(yùn)行。

3. 復(fù)疊熱泵系統(tǒng)：將兩種或多種工質(zhì)的循環(huán)耦合，利用不同工質(zhì)在不同溫區(qū)的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)更大溫升，系統(tǒng)性能受制冷劑匹配和中間換熱溫度影響。

4. 并聯(lián)熱泵系統(tǒng)：一般分為并聯(lián)壓縮和并聯(lián)循環(huán)兩種，可實(shí)現(xiàn)熱水梯級(jí)加熱，降低傳熱溫差和換熱損失，并聯(lián)循環(huán)在系統(tǒng)性能改善方面表現(xiàn)更好。

上述熱泵系統(tǒng)循環(huán)是目前較為成熟的形式，工業(yè)熱泵主要用于生產(chǎn)高溫?zé)崴峥諝猓┖驼羝?，以下重點(diǎn)分析適用于工業(yè)熱泵的系統(tǒng)循環(huán)形式。

1. 熱水（熱空氣）制備循環(huán)

在供暖、干燥、洗滌和消毒等工藝過程中需大量使用熱水，通常由工業(yè)鍋爐供應(yīng)，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余熱由冷卻塔冷卻。干燥過程廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)線，如工業(yè)原料、化肥、食品和醫(yī)療用品、日用品等。干燥操作和溫度取決于產(chǎn)品物理性質(zhì)、過程規(guī)模和頻率。例如，在揮發(fā)、干燥涂漆過程中，為縮短干燥時(shí)間，通常使用約120℃的熱空氣，一般通過鍋爐、燃燒器或電加熱器產(chǎn)生。

采用熱泵技術(shù)生產(chǎn)熱水（熱空氣），可根據(jù)溫升大小采用單級(jí)壓縮、雙級(jí)壓縮、復(fù)疊壓縮等循環(huán)方式，熱源溫度較低時(shí)可采用跨臨界CO?循環(huán)。亞臨界熱泵循環(huán)的溫度上限由制冷劑臨界溫度決定，需保持與所需冷凝溫度約10 - 15K的溫差。CO?適用于跨臨界或超臨界熱泵循環(huán)，在氣體冷卻器中溫度滑移大，適合用作熱水器、加熱空氣，被推薦作為80 - 100℃熱水、熱空氣的熱泵機(jī)組。

2. 蒸汽制備循環(huán)

蒸汽具有高潛熱和良好傳熱性能，是便捷的加熱流體。與其他加熱流體相比，蒸汽流速和管道直徑更合理，比熱容高，無(wú)需高壓即可過熱到高溫，且冷凝過程中可在恒定溫度下利用高潛熱，加熱效率遠(yuǎn)高于單相液態(tài)水。為得到不同溫度熱水，可采用蒸汽與熱水混合方法，因此蒸汽是較理想的用熱載體。

具有巴氏殺菌等應(yīng)用的工業(yè)過程中，干燥和蒸餾在100 - 125℃溫度范圍內(nèi)有熱需求，該區(qū)間正好是微壓蒸汽熱泵機(jī)組（熱水溫度<120℃）的適用范圍。微壓蒸汽熱泵機(jī)組應(yīng)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。制備微壓蒸汽可視溫升不同采用單級(jí)壓縮、雙級(jí)壓縮、復(fù)疊壓縮等配合閃蒸罐的循環(huán)方式。

當(dāng)熱水溫度大于120℃，大部分低GWP制冷劑脫離亞臨界狀態(tài)，少數(shù)能使用的制冷劑因冷凝溫度接近臨界溫度，冷凝潛熱和COP較低。此時(shí)在微壓蒸汽熱泵機(jī)組基礎(chǔ)上，增加水蒸氣壓縮機(jī)直接對(duì)閃蒸罐出口的微壓蒸汽進(jìn)行升溫升壓，蒸汽使用溫度最高可達(dá)175℃。制備120 - 175℃飽和水蒸氣的熱泵機(jī)組稱為低壓蒸汽熱泵機(jī)組，其進(jìn)一步提升了高溫?zé)岜檬褂梅秶?，可滲透至醫(yī)藥與食品消毒滅菌、化學(xué)行業(yè)分離、紙張行業(yè)烘干等領(lǐng)域。低壓蒸汽制備可視溫升不同采用單級(jí)壓縮、雙級(jí)壓縮、復(fù)疊壓縮等配合閃蒸罐的循環(huán)方式。

（二）制冷劑壓縮技術(shù)

熱泵機(jī)組是制冷劑、結(jié)構(gòu)、部件的集成，對(duì)性能有決定性影響，壓縮機(jī)是核心部件。目前適用于工業(yè)熱泵的主要壓縮機(jī)型式如下：

1. 往復(fù)壓縮機(jī)

往復(fù)式壓縮機(jī)應(yīng)用廣泛。Viking與AVL Schrick合作開發(fā)的HeatBooster高溫?zé)岜?，制熱?/span>200kW，最高輸出溫度150℃，使用活塞式壓縮機(jī)，可在高達(dá)200℃溫度下工作40000h，工質(zhì)用R1336mzz(Z)，潤(rùn)滑油用聚烯烴油（POE）。Mayekawa的Eco Sirocco高溫?zé)岜貌捎?/span>CO?跨臨界循環(huán)，可提供100 - 120℃熱空氣，回收25℃廢熱水并提供120℃熱空氣（進(jìn)氣溫度20℃）時(shí)，系統(tǒng)COP達(dá)2.9，制熱量約90kW。Dürr thermea的thermeco?高溫?zé)岜霉ぷ鳠嵩礈囟?/span>8 - 40℃，供熱溫度高達(dá)110℃，制熱量0.051 - 2.2MW，根據(jù)容量可并聯(lián)最多6臺(tái)活塞式壓縮機(jī)，thermeco?HHR1000熱泵在特定條件下COP為3.9。Combitherm GmbH的HWW R245fa系列高溫?zé)岜卯a(chǎn)品使用活塞式壓縮機(jī)，供熱溫度高達(dá)120℃，制熱量62 - 252kW，在與DürrEcocleanGmbH的合作項(xiàng)目中使用該機(jī)組，回收工件清洗廠50℃余熱，供熱溫度達(dá)100℃，COP為3.4。Johnson Controls生產(chǎn)的單級(jí)Sabroe HeatPAC HPX熱泵中活塞式壓縮機(jī)可承受高達(dá)6000kPa壓力，在特定條件下以4.0的COP提供326 - 1324kW熱量。奧地利格拉茨理工大學(xué)開發(fā)的R600熱泵樣機(jī)，制熱量40kW，使用改進(jìn)的、變頻驅(qū)動(dòng)的分離罩活塞壓縮機(jī)，首次實(shí)驗(yàn)表明在特定條件下可穩(wěn)定運(yùn)行，COP為3.5。

2. 渦旋壓縮機(jī)

為降低蒸氣壓縮循環(huán)能耗，降低壓縮機(jī)能耗是關(guān)鍵。渦旋壓縮機(jī)效率比標(biāo)準(zhǔn)往復(fù)式壓縮機(jī)約高10%，原因有三：一是吸入和排出過程分開，吸入氣體進(jìn)入壓縮機(jī)時(shí)不添加熱量；二是壓縮過程在540°旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)緩慢進(jìn)行，驅(qū)動(dòng)扭矩波動(dòng)僅為往復(fù)式壓縮機(jī)的10%；三是能消除吸入閥和排出閥，減少壓力損失。此外，渦旋壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)部件少，液擊條件下運(yùn)行更好，可靠性更高。AlterECO項(xiàng)目設(shè)計(jì)的高溫?zé)岜米罡呃淠郎囟?/span>140℃，制熱量200kW，使用新型ECO3混合制冷劑（含R245fa），兩臺(tái)功率均為75kW的渦旋壓縮機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。天津大學(xué)研究的新二元近共沸混合物BY - 5，應(yīng)用于帶有渦旋壓縮機(jī)、儲(chǔ)液罐和氣液分離器的單級(jí)高溫?zé)岜?，制熱?/span>16 - 19kW，供熱溫度高達(dá)130℃，在特定條件下COP約為2.2。格力空調(diào)研究了使用恒速渦旋壓縮機(jī)和R245fa作為制冷劑的單級(jí)熱泵系統(tǒng)性能，最高出水溫度114℃，冷凝溫度120℃，溫升49℃，COP可達(dá)5.18。

3. 雙螺桿壓縮機(jī)

雙螺桿壓縮機(jī)是工作容積作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的容積式氣體壓縮機(jī)械，按運(yùn)行方式分無(wú)油雙螺桿壓縮機(jī)和噴油雙螺桿壓縮機(jī)，均采用噴油潤(rùn)滑運(yùn)行。Kobelco的HEM - 90A高溫?zé)岜貌捎冒敕忾]變頻雙螺桿壓縮機(jī)，從環(huán)境空氣中輸送高達(dá)90℃熱水，用于食品、飲料、汽車和化學(xué)工業(yè)，使用R134a和R245fa混合物，制熱量約70 - 230kW，COP為1.7 - 3.0。最新一代GEA Grasso雙螺桿壓縮機(jī)壓力高達(dá)6300kPa，可將溫度降至90℃，在特定條件下COP為5.0，制熱量14MW。為解決高溫?zé)岜眠\(yùn)行時(shí)熱源溫度波動(dòng)大、壓縮機(jī)外壓比變化導(dǎo)致內(nèi)外壓比不相同問題，邢林芬等提出采用經(jīng)濟(jì)器補(bǔ)氣過程調(diào)節(jié)雙螺桿壓縮機(jī)運(yùn)行過程中的壓縮最終壓力，消除欠壓縮過程，提高壓縮效率與熱泵能效。

4. 單螺桿壓縮機(jī)

單螺桿壓縮機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、無(wú)氣閥組件等特點(diǎn)，兩個(gè)星輪在螺桿兩側(cè)對(duì)稱配置使其具有理想力平衡性、單機(jī)容量大、無(wú)余隙容積、高速輕載、易于建立流體動(dòng)力潤(rùn)滑等優(yōu)點(diǎn)，但中、高頻率噪聲較大，嚙合副與機(jī)殼幾何形狀和相互位置精度要求高，主要用于噴油壓縮。Ochsner使用單螺桿壓縮機(jī)的高溫?zé)岜脵C(jī)組，供熱溫度95 - 130℃，余熱溫度不同時(shí)采用不同循環(huán)，系統(tǒng)制熱量170 - 750kW，通過連接多臺(tái)機(jī)組可實(shí)現(xiàn)更高容量。Star Refrigeration的Neatpump熱泵可產(chǎn)生高達(dá)90℃熱水，制熱量380 - 2600kW，采用特殊鑄鋼設(shè)計(jì)的Vilter單螺桿壓縮機(jī)技術(shù)（VSSH系列）可承受高達(dá)7600kPa壓力，在特定條件下可實(shí)現(xiàn)COP約為4。

5. 透平壓縮機(jī)

與容積式壓縮機(jī)相比，透平壓縮機(jī)具有高效率潛力、在高壓比下運(yùn)行可能性、緊湊設(shè)計(jì)和無(wú)油運(yùn)行等優(yōu)勢(shì)。過去幾十年技術(shù)進(jìn)步，尤其是高速發(fā)電機(jī)引入，使其可應(yīng)用于制冷和熱泵領(lǐng)域小型機(jī)組。丹佛斯的TurbocorTG310是雙透平壓縮機(jī)，磁性軸承實(shí)現(xiàn)無(wú)油制冷劑回路，制冷劑為R1234ze(E)，標(biāo)稱容量65 - 310kW。Friotherm AG的Unitop系列采用兩級(jí)透平壓縮機(jī)，工作溫度40 - 90℃，Unitop 50可實(shí)現(xiàn)高達(dá)20MW極高熱容量，斯德哥爾摩地區(qū)供暖網(wǎng)絡(luò)已建造配備6臺(tái)并聯(lián)Unitop 50FY機(jī)組的最大熱泵。為達(dá)到更高溫度，Friotherm將使用臨界溫度為165.5℃的低壓制冷劑R1233zd(E)。格力電器的PSF透平式熱泵采用補(bǔ)氣增焓的兩級(jí)壓縮等關(guān)鍵技術(shù)，與傳統(tǒng)單級(jí)變頻透平式熱泵相比，壓縮機(jī)效率和加熱系數(shù)提高較大，無(wú)油直接驅(qū)動(dòng)變速制冷透平壓縮機(jī)的最新發(fā)展和技術(shù)也有諸多研究，進(jìn)一步提升其性能。

（三）水蒸氣壓縮機(jī)技術(shù)

由于水蒸氣特殊物理性質(zhì)，機(jī)械壓縮機(jī)需滿足大體積流量、特殊材料、嚴(yán)格軸封要求、高壓力比、低排放蒸汽溫度或低過熱度、高效率且成本合理等技術(shù)要求。

1. 多級(jí)透平壓縮機(jī)

水是冷凝溫度高于100℃的最有效介質(zhì)，對(duì)于高溫操作是優(yōu)越工作流體。但當(dāng)蒸發(fā)溫度低于80℃時(shí)，蒸汽密度相對(duì)較低，要求熱泵壓縮機(jī)具有較高容積容量。透平壓縮機(jī)具有高體積流量容量，是水蒸氣熱泵的良好解決方案之一。透平式水蒸氣壓縮機(jī)是速度型壓縮機(jī)，先通過葉輪旋轉(zhuǎn)增加水蒸氣速度，再將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能增加壓力。隨著先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展，越來(lái)越多透平式水蒸氣壓縮機(jī)用于特定系統(tǒng)，效率不斷提高，壓比范圍不斷擴(kuò)大，雖主要用于大流量壓縮設(shè)備，但小流量透平式水蒸氣壓縮機(jī)也有一定應(yīng)用市場(chǎng)。以色列IDE Technologies公司在20世紀(jì)60年代至80年代是透平式水蒸氣壓縮機(jī)技術(shù)先驅(qū)，水蒸氣透平壓縮機(jī)已應(yīng)用于熱蒸發(fā)器/濃縮器和海水淡化廠。R718透平式冷水機(jī)由德國(guó)德累斯頓Für Luft研究所和K?ltetechnik于20世紀(jì)90年代末開發(fā)和制造。

2. 雙螺桿壓縮機(jī)

無(wú)油雙螺桿壓縮機(jī)中氣體壓縮時(shí)不與潤(rùn)滑油接觸，轉(zhuǎn)子不直接接觸，有一定間隙，陽(yáng)轉(zhuǎn)子通過同步齒輪帶動(dòng)陰轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，同步齒輪傳輸動(dòng)力同時(shí)確保轉(zhuǎn)子間間隙，“無(wú)油”指壓縮腔或轉(zhuǎn)子之間無(wú)油潤(rùn)滑，但軸承、齒輪等零部件仍采用普通潤(rùn)滑方式，僅在潤(rùn)滑部位和壓縮腔之間采取有效隔離軸封。為降低干式螺桿壓縮機(jī)排氣溫度，提高單級(jí)排氣壓力，發(fā)展了向壓縮腔噴水的無(wú)油螺桿壓縮機(jī)。自2001年以來(lái)，神戶制鋼以Kobelco品牌銷售蒸汽發(fā)生熱泵SGH120和SGH165，SGH165型號(hào)能在165℃溫度下從35 - 70℃工藝余熱中產(chǎn)生蒸汽，并將120℃蒸汽重新壓縮至165℃（700kPa），首選應(yīng)用領(lǐng)域是食品和飲料滅菌等，半密封雙螺桿壓縮機(jī)專門為高壓和高溫開發(fā)，余熱溫度70℃時(shí)，輸出165℃蒸汽，流量890kg/h，COP為2.5。里昂大學(xué)利用改進(jìn)密封和水蒸氣噴射的雙螺桿壓縮機(jī)建造實(shí)驗(yàn)裝置，以85 - 95℃余熱為熱源，冷凝溫度145℃時(shí)，可提供超過300kW熱量輸出。

三、低GWP制冷劑技術(shù)

制冷劑選擇在蒸汽壓縮熱泵中起關(guān)鍵作用，其物性決定熱泵性能。目前制冷劑選擇優(yōu)先考慮GWP和ODP，為保護(hù)環(huán)境，首選ODP為0、GWP小于150的制冷劑。低GWP（GWP < 150）制冷劑，如天然制冷劑、碳?xì)浠衔铮?/span>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。氫氟碳化合物R245fa是工業(yè)高溫?zé)岜弥惺褂玫闹饕评鋭?，但?/span>GWP為858，很可能在未來(lái)幾年被淘汰或削減。天然制冷劑、HFOs、HCFOs被認(rèn)為是有望取代HFCs的第四代低GWP制冷劑，在高溫?zé)岜煤陀袡C(jī)朗肯循環(huán)（ORC）發(fā)電應(yīng)用中，R245fa的主要替代品是R1366mzz(Z)、R1234ze(Z)、R1233zd(E)、R1224yd(Z)以及碳?xì)浠衔?/span>R601（正戊烷）和R600（正丁烷）。

（一）HFOs

適用于高溫?zé)岜玫?/span>HFOs工質(zhì)包括R1336mmz(Z)、R1336mmz(E)、R1234ze(Z)、R1234ze(E)。R1336mmz(Z)可在相對(duì)較低壓力（2900kPa）下提供較高臨界溫度171.3℃，不易燃（安全級(jí)別A1）、ODP為0、GWP為2、大氣壽命22d，適用于余熱回收、ORC和蒸汽產(chǎn)生等應(yīng)用，在250℃以下穩(wěn)定。其異構(gòu)體R1336mzz(E)的GWP約為18、臨界溫度為137.7℃。關(guān)于R1234ze(Z)信息相對(duì)較少，被認(rèn)為是輕度易燃，但很難點(diǎn)燃（安全級(jí)別A2L、燃燒速度低于250px/s）。在亞臨界溫度條件下，R1234ze(E)被認(rèn)為是最合適的制冷劑，COP在較寬工作范圍內(nèi)保持相對(duì)較高，體積熱容量?jī)H低于R1234yf，優(yōu)于其他工質(zhì)，隨著冷凝溫度升高，R1234yf相比R1234ze(E)的COP衰減嚴(yán)重，R1234ze(E)壓比逐漸大于R1234yf，過熱程度介于2.6 - 4.9℃之間，在較寬工作區(qū)域內(nèi)始終低于5℃，且不存在濕壓縮問題。

（二）HCFOs

適用于高溫?zé)岜玫?/span>HCFOs工質(zhì)包括R1233zd(E)與R1224yd(Z)。R1233zd(E)被認(rèn)為是適用于高溫?zé)岜玫闹评鋭?，?/span>ODP為0.0034、GWP為1、臨界溫度為166.5℃、臨界壓力為3620kPa、安全類別為A1，已被證實(shí)用于高溫?zé)岜脮r(shí)具有優(yōu)異性能。R1224yd(Z)是非易燃制冷劑（安全類別A1），主要用于透平式制冷機(jī)和余熱回收熱泵，ODP幾乎為0，GWP低于1，對(duì)環(huán)境影響較小，物理性質(zhì)與R245fa和R1233zd(E)接近，與常用金屬、塑料和彈性體相容性好，可與合成油（如POE）混溶，與經(jīng)典熱泵工質(zhì)相比，R1233zd(E)可在COP和單位體積制熱量（VHC，volumetric heating capacity）之間做出很好折中，VHC較高，COP也較高，可能是一種適合的流體，尤其適用于熱源入口溫度大于65℃的范圍。

（三）天然工質(zhì)

適合高溫?zé)岜玫奶烊恢评鋭┯兴?/span>R718）、二氧化碳（R744）、氨（R717）、碳?xì)浠衔铮?/span>HCs）等。

1. 水

水作為制冷劑優(yōu)點(diǎn)眾多：ODP為0，GWP小于1，對(duì)臭氧層無(wú)損害，對(duì)全球變暖影響小，是環(huán)境友好制冷劑，未來(lái)不會(huì)受限；原料易得、成本低，自然界中大量存在，自來(lái)水、經(jīng)處理的廢水或粗過濾河水均可直接用作補(bǔ)給水；安全性好，無(wú)毒、不易燃、不易爆，泄漏不會(huì)造成安全問題，使用后無(wú)需處理；化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，長(zhǎng)期使用不分解；汽化潛熱巨大，與丙烷、氨和二氧化碳相比，蒸發(fā)潛熱和單位質(zhì)量制冷量較大；系統(tǒng)運(yùn)行安全，水壓差較小，減少安全預(yù)防措施；理論性能系數(shù)高，與CFCs相比，具有較高COP；以水為制冷劑的系統(tǒng)可使用直接熱交換器進(jìn)行蒸發(fā)和冷凝。但水蒸氣作為制冷劑也有缺點(diǎn)，高壓比（由高比容所致）和壓縮機(jī)出口溫度較高，不過這些缺點(diǎn)可通過專門開發(fā)的壓縮機(jī)克服，尤其是帶有級(jí)間冷卻器的多級(jí)渦輪壓縮機(jī)。綜合考慮環(huán)境參數(shù)、經(jīng)濟(jì)成本和安全性能，水是最好的制冷劑。

2. 二氧化碳

CO?熱泵機(jī)組尺寸較小，已實(shí)現(xiàn)較普及的商業(yè)化應(yīng)用。依靠氣體冷卻器中的高跨臨界溫度滑移，CO?熱泵跨臨界循環(huán)系統(tǒng)中供熱溫度可達(dá)90 - 120℃。CO?屬于第一代制冷劑，相比NH?更安全，可用于冷卻和加熱場(chǎng)合。CO?具有高流體密度和工作壓力，可使用輕型熱泵系統(tǒng)，體積制冷量是CFCs、HCFCs、HFCs和HCs制冷劑的3 - 10倍，在制冷循環(huán)中優(yōu)勢(shì)巨大。雖然臨界溫度低至31℃，但臨界壓力高達(dá)7360kPa，幾乎是傳統(tǒng)制冷劑的5 - 10倍，一定程度上限制了其高溫應(yīng)用。對(duì)于供暖，跨臨界循環(huán)是使用最廣泛的CO?熱泵配置。從CO?的T - s圖和T - h圖可知，在接近臨界溫度時(shí)，隨著溫度降低，焓和熵急劇下降，提高了氣體冷卻器的加熱性能，高壓阻力的氣體冷卻器確保了通過更高流速改善傳熱的可能性，緊湊型熱交換器更適合高壓，使CO?成為一種特別適用于家庭的冷水加熱和進(jìn)回水溫差較大的其他工藝的制冷劑。此外，巨大壓差導(dǎo)致膨脹過程中不可逆節(jié)流損失高，COP較低。

3. 氨

NH?是良好制冷劑，具有優(yōu)異熱力學(xué)性能和傳熱性能，已廣泛應(yīng)用于加熱和冷卻系統(tǒng)。在美國(guó)，超過95%的工業(yè)制冷使用NH?，在歐洲也占據(jù)較高市場(chǎng)份額。雖然NH?在一定濃度下具有毒性，必須采取安全預(yù)防措施，但其有刺鼻氣味，泄漏時(shí)易察覺。NH?具有較高體積制熱量，在大容量需求中具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，小體積壓縮機(jī)足以滿足相同供熱能力，與其他制冷劑相比成本更低。NH?高溫?zé)岜玫妮敵鰷囟仁芨邏禾匦韵拗?，例如?/span>97.5℃飽和溫度對(duì)應(yīng)飽和壓力為6000kPa，大多數(shù)NH?高溫?zé)岜玫墓?yīng)溫度限制在90℃。壓縮機(jī)材料的改進(jìn)使NH?壓縮機(jī)在更高排氣溫度（約110℃）下的壓力增至7600kPa成為可能。

4. 碳?xì)浠衔?/span>

HCs中正丁烷（R600）和戊烷（R601）是零ODP和極低GWP的制冷劑，價(jià)格低廉，臨界溫度分別為152℃和196.6℃（在3800kPa和3370kPa時(shí)）。但HCs易燃性高（A3），必須采取特殊安全措施，建議用于充注量小的小型系統(tǒng)。根據(jù)文獻(xiàn)，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的HCs最大容量限制為150g，用于具有防爆資質(zhì)的商業(yè)機(jī)組充注量限制為2.5kg。

四、工業(yè)熱泵技術(shù)發(fā)展展望

在當(dāng)前電力結(jié)構(gòu)下，由于熱泵運(yùn)行具有較高COP，實(shí)施該技術(shù)將直接減少一次能源消耗以及CO?排放。根據(jù)電力生產(chǎn)的平均CO?排放強(qiáng)度，熱泵的實(shí)施使排放量減少至化石燃料驅(qū)動(dòng)過程的33%（減少67%）。若電力系統(tǒng)完全脫碳，熱泵驅(qū)動(dòng)過程的排放量將降至0（100%減少）。隨著可再生能源在電力結(jié)構(gòu)中所占份額的增加，熱泵的實(shí)施成為了一個(gè)強(qiáng)有力的行業(yè)選擇。

工業(yè)熱泵技術(shù)可成為供應(yīng)溫度低于100℃的首選供熱技術(shù)。對(duì)于供應(yīng)溫度在100 - 200℃的技術(shù)，重點(diǎn)應(yīng)放在開發(fā)和示范上，而更高的溫度需要研究活動(dòng)。示范項(xiàng)目應(yīng)旨在打破應(yīng)用障礙，解決大型熱泵系統(tǒng)升級(jí)和廣泛使用的問題。額外的研究活動(dòng)應(yīng)側(cè)重于性能改進(jìn)，并制定向完全可再生的過程熱系統(tǒng)（包括熱泵）過渡的能源戰(zhàn)略。這些研發(fā)項(xiàng)目需要跨行業(yè)合作，涵蓋從研發(fā)到制造和應(yīng)用的整個(gè)范圍。

（一）大容量半封閉高溫制冷劑壓縮機(jī)

采用封閉式結(jié)構(gòu)將電動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)連成整體，裝在同一機(jī)體內(nèi)共用一根主軸，可取消開啟式壓縮機(jī)中的軸封裝置，避免泄漏。半封閉壓縮機(jī)用于制冷循環(huán)及常規(guī)熱泵循環(huán)已經(jīng)成熟，但用于高溫?zé)岜萌允芤恍┫拗?。目前小型半封閉高溫壓縮機(jī)（如往復(fù)式壓縮機(jī)、渦旋式壓縮機(jī)）不存在潤(rùn)滑油管理問題，當(dāng)高溫壓縮機(jī)向大型化發(fā)展，螺桿式壓縮機(jī)必然面臨潤(rùn)滑油管理問題，因?yàn)楣べ|(zhì)和油必須在高溫下兼容，且必須考慮回油的熱回收。由于高排氣溫度和油的熱穩(wěn)定性，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)受到限制。采用多級(jí)磁懸浮離心壓縮機(jī)是一種有效解決方案，磁懸浮離心壓縮機(jī)純無(wú)油運(yùn)行，不存在潤(rùn)滑油管理問題，在壓縮機(jī)熱力學(xué)方面不存在溫度限制，但存在高溫工況下（如蒸發(fā)溫度>60℃、冷凝溫度>100℃）半封閉電機(jī)的散熱問題，需要平衡電機(jī)冷卻造成的熱損失與電機(jī)過熱引起的可靠性下降。

（二）高溫蒸氣壓縮機(jī)

在可供選擇的低GWP制冷劑中，R1336mzz(Z)由于臨界溫度達(dá)到164.1℃，不易燃且無(wú)毒，將高溫?zé)岜玫墓釡囟韧葡?/span>155℃。當(dāng)高溫?zé)岜霉釡囟鹊哪繕?biāo)值為175℃或更高時(shí)，采用水作為制冷劑是目前的最佳選擇，因此要求開發(fā)高溫蒸氣壓縮機(jī)來(lái)適應(yīng)該要求。綜合考慮壓縮機(jī)的運(yùn)行原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與操作特性，雙螺桿蒸氣壓縮機(jī)與離心蒸氣壓縮機(jī)成為高溫蒸氣壓縮機(jī)的兩個(gè)選擇。雙螺桿蒸氣壓縮機(jī)可結(jié)合噴水降溫，單級(jí)壓縮時(shí)溫升較大（>60℃），容積式壓縮采用剛性軸設(shè)計(jì)，適應(yīng)變工況能力強(qiáng)，變轉(zhuǎn)速范圍寬，但在高溫工況下水蒸氣經(jīng)過轉(zhuǎn)子間隙產(chǎn)生較大泄漏損失，導(dǎo)致效率偏低，同時(shí)高壓水蒸氣要求復(fù)雜軸封結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)防止水蒸氣漏入軸承側(cè)污染潤(rùn)滑油，制造成本增大。可行的解決方案是提高雙螺桿壓縮機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速來(lái)減少壓縮機(jī)尺寸，提高壓縮機(jī)效率，可通過采用高速永磁電機(jī)直驅(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但雙螺桿蒸氣壓縮機(jī)在高速、高溫下的可靠性問題是下一步需要研究的重要問題。與雙螺桿蒸氣壓縮機(jī)相比，離心蒸氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、流量大、單軸設(shè)計(jì)時(shí)造價(jià)低，但適應(yīng)變工況能力差，變轉(zhuǎn)速范圍狹窄，為了控制排氣溫度及確保一定的壓縮效率，單級(jí)壓縮溫升一般不超過18 - 22℃，導(dǎo)致大溫差工況下需采用兩級(jí)或多級(jí)壓縮。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上已有用于MVC（mechanical vapor compression）裝置的兩級(jí)和三級(jí)離心蒸氣壓縮機(jī)，溫升分別為35、50℃，由此可預(yù)見，多級(jí)壓縮不應(yīng)成為離心蒸氣壓縮機(jī)應(yīng)用于高溫?zé)岜玫募夹g(shù)障礙，但在MVC多級(jí)離心蒸氣壓縮機(jī)技術(shù)引入高溫?zé)岜玫倪^程中，如何使制造成本在批量化生產(chǎn)過程中獲得大幅下降是關(guān)鍵。

（三）跨臨界CO?高溫?zé)岜?/span>

20世紀(jì)90年代跨臨界CO?熱泵就在日本率先商業(yè)化，通過采用工作壓力超過10MPa的高壓往復(fù)壓縮機(jī)，CO?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(dá)120℃。德國(guó)將工藝離心機(jī)技術(shù)引入跨臨界CO?壓縮，從而實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模冷熱電三聯(lián)儲(chǔ)能方案。由于工藝用往復(fù)壓縮機(jī)、離心壓縮機(jī)的運(yùn)行壓力分別不低于30、20MPa，因此壓縮機(jī)不會(huì)成為制約CO?熱泵的瓶頸。技術(shù)難題可能在于CO?熱泵用于工業(yè)領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與匹配，達(dá)到運(yùn)行性能與制造成本的最佳平衡。

（四）帶儲(chǔ)能功能的高溫?zé)岜?/span>

隨著可再生電力的發(fā)展，電力波動(dòng)將大幅增加。儲(chǔ)能系統(tǒng)可吸收或釋放電力，被認(rèn)為是消除電力波動(dòng)、提高間歇性電力并網(wǎng)能力的有效技術(shù)。熱泵與熱能存儲(chǔ)相結(jié)合，提供了全系統(tǒng)的靈活性服務(wù)（如負(fù)荷轉(zhuǎn)移、調(diào)峰和需求側(cè)管理），從而確保在非高峰時(shí)段提高多余可再生能源的利用率。熱泵提供了利用熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移電力負(fù)荷的潛力，并可用于需求側(cè)管理策略，還可提供需求響應(yīng)，從而降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)調(diào)峰和節(jié)能。熱泵與熱能存儲(chǔ)相結(jié)合，可在一定程度上實(shí)現(xiàn)大型熱泵機(jī)組的連續(xù)運(yùn)行，避免了頻繁啟停機(jī)時(shí)熱泵壓縮機(jī)容易出現(xiàn)的可靠性問題，而儲(chǔ)能功能甚至可替代熱泵機(jī)組的調(diào)頻，實(shí)現(xiàn)熱泵壓縮機(jī)在工頻下運(yùn)行，這對(duì)高可靠性的離心熱泵壓縮機(jī)在高溫?zé)岜妙I(lǐng)域拓展應(yīng)用極為有利。

五、工業(yè)熱泵應(yīng)用場(chǎng)景拓展分析

（一）耦合空氣源與可再生能源的集中式供熱系統(tǒng)

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)裝置供熱存在局限性：一是空氣源熱泵熱源側(cè)是環(huán)境空氣，供熱與熱源溫差較大，且溫差隨季節(jié)及晝夜波動(dòng)較大，使空氣源熱泵的COP偏低，且環(huán)境溫度波動(dòng)必然導(dǎo)致運(yùn)行工況波動(dòng)，進(jìn)而降低熱泵機(jī)組可靠性；二是空氣源高溫?zé)岜貌捎霉I(yè)電驅(qū)動(dòng)，工業(yè)電價(jià)較高，導(dǎo)致高溫?zé)岜脵C(jī)組運(yùn)行費(fèi)用大幅高于天然氣鍋爐；三是工業(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(jì)的選擇。在這種情況下，在靠近可再生能源的附近建立空氣源集中式供熱系統(tǒng)，就近利用廉價(jià)的可再生電力來(lái)驅(qū)動(dòng)工業(yè)熱泵制備熱水或蒸汽進(jìn)行集中供熱，同時(shí)大型化的熱泵機(jī)組可降低投資回收期，有效避免分布式空氣源熱泵供熱系統(tǒng)存在的弊端。

（二）基于工業(yè)循環(huán)水余熱回收的集中式供熱系統(tǒng)

在大型應(yīng)用場(chǎng)景中（如企業(yè)或工業(yè)園區(qū)），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(jié)變化在25 - 45℃之間，且在一定時(shí)間跨度內(nèi)波動(dòng)較小，循環(huán)水經(jīng)過大型冷卻塔釋放掉的熱量為10 - 100MW，若對(duì)該循環(huán)水的熱量加以利用并制備80℃以上的高溫?zé)崴?，形成集中式供熱系統(tǒng)給企業(yè)或園區(qū)的裝置供熱，可大幅減少化石類燃料的消耗。

（三）耦合高溫?zé)岜门cDAC的分布式碳捕集裝置

在鋼鐵、水泥、電解鋁、石化、化工等行業(yè)存在大量余熱，由于余熱與用熱需求無(wú)法完全匹配，必然造成大量余熱未經(jīng)利用向環(huán)境排放，造成能量損失。直接空氣捕獲（direct air capture，DAC）是一種高效的負(fù)排放技術(shù)，可捕獲分布式碳排放源，但DAC技術(shù)耗能大、成本高、無(wú)法商業(yè)化。DAC的平均能源需求約為80%的熱能和20%的電能，應(yīng)用熱泵技術(shù)回收工業(yè)余熱來(lái)驅(qū)動(dòng)DAC將是工業(yè)節(jié)能實(shí)現(xiàn)城市碳減排的一個(gè)重要技術(shù)途徑。采用高溫?zé)岜脧墓I(yè)余熱中生產(chǎn)100 - 120℃的蒸汽，用于DAC設(shè)備中吸附劑的再生和凈化。通過該能源系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)，以及新型高溫工業(yè)熱泵和基于吸附的DAC系統(tǒng)耦合技術(shù)開發(fā)，降低DAC技術(shù)的總能耗，并將從空氣中直接捕獲CO?的運(yùn)營(yíng)成本大幅降低。

六、總結(jié)

面對(duì)2030碳達(dá)峰的階段性目標(biāo)，工業(yè)用能的轉(zhuǎn)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(duì)目前典型工業(yè)熱泵、高溫/蒸汽熱泵的系統(tǒng)循環(huán)形式、關(guān)鍵制冷劑壓縮技術(shù)、水蒸氣壓縮技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，得出以下結(jié)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(tǒng)。

2. 基于目前工業(yè)熱泵的技術(shù)現(xiàn)狀，結(jié)合工業(yè)鍋爐替代應(yīng)用場(chǎng)景，工業(yè)熱泵技術(shù)在大容量半封閉高溫制冷劑壓縮機(jī)、高溫蒸氣壓縮機(jī)、CO?高溫?zé)岜谩?chǔ)能功能的高溫?zé)岜梅矫嫖磥?lái)將會(huì)有進(jìn)一步的發(fā)展。

3. 結(jié)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(yīng)用場(chǎng)景，工業(yè)熱泵將會(huì)進(jìn)一步拓展至結(jié)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。