工業(yè)高溫熱泵發(fā)展現(xiàn)狀與展望

摘 要：當前，中國能源結構仍以煤炭為主，非化石能源發(fā)展面臨多重制約，產業(yè)存在高耗能、高排放、低能效問題，綠色低碳技術亟待加強。工業(yè)過程供熱占能源消耗的50%，實現(xiàn)其低碳化是實現(xiàn)碳中和的重要部分。高溫/蒸汽熱泵為實現(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。本文從國內外工業(yè)熱泵技術現(xiàn)狀出發(fā)，分析系統(tǒng)循環(huán)型式、制冷劑壓縮技術、水蒸氣壓縮技術；結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)熱泵技術發(fā)展展望，并結合雙碳目標實現(xiàn)和工業(yè)鍋爐替代市場分析，拓展工業(yè)熱泵應用場景。

一、引言

2020年全年，中國共排放CO?103.76億噸，其中工業(yè)排放量最多，達51.63億噸，占比50%。因此，實現(xiàn)碳中和目標的關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，多以分散式安裝運行，平均容量約為3.8t/h。近年來，我國工業(yè)鍋爐正向電氣化、燃氣化發(fā)展，小型鍋爐產品在統(tǒng)計產品中占比逐年上升，臺數(shù)占比已超過50%。中國各部委發(fā)布了一系列與工業(yè)鍋爐相關的政策，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、燃氣鍋爐、電鍋爐和生物質鍋爐）存在明顯局限性和缺點，限制了其推廣應用。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。

我國工業(yè)消耗的能源有50%以上以廢氣和廢水的形式轉化為余熱，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，可從根本上實現(xiàn)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(xiàn)狀，分析高溫/蒸汽熱泵及其在工業(yè)領域的應用潛力，估算節(jié)能和碳減排潛力，為后續(xù)推進高溫/蒸汽熱泵技術進一步發(fā)展以及在工業(yè)領域的應用提供指導。

二、工業(yè)熱泵技術現(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行改進。常見的循環(huán)形式多樣，各有特點與適用場景。

1. 單級壓縮循環(huán)：包括原始單級、帶補氣增焓或噴射器以改善性能的單級循環(huán)，以及配有經濟器和中間換熱器的單級循環(huán)。單級熱泵是基本循環(huán)，連接、運行、維護簡單，但因壓縮比較低，溫升受限，大容量機組組件需定制。帶過冷器的單級熱泵可增加制熱量，改善性能；安裝中間換熱器可預熱蒸汽，提高排氣溫度，擴大應用范圍；增加噴射器可降低壓縮機功耗，節(jié)省投資。

2. 多級壓縮式熱泵：通過多次壓縮，以機械能消耗為代價實現(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、補氣增焓、噴液冷卻能有效降低壓縮機排氣溫度，確保安全運行。

3. 復疊熱泵系統(tǒng)：將兩種或多種工質的循環(huán)耦合，利用不同工質在不同溫區(qū)的優(yōu)勢實現(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，可實現(xiàn)熱水梯級加熱，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)熱泵主要用于生產高溫熱水（熱空氣）和蒸汽，以下重點分析適用于工業(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，生產過程中產生的余熱由冷卻塔冷卻。干燥過程廣泛應用于各種生產線，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品物理性質、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生。

采用熱泵技術生產熱水（熱空氣），可根據(jù)溫升大小采用單級壓縮、雙級壓縮、復疊壓縮等循環(huán)方式，熱源溫度較低時可采用跨臨界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。

具有巴氏殺菌等應用的工業(yè)過程中，干燥和蒸餾在100 - 125℃溫度范圍內有熱需求，該區(qū)間正好是微壓蒸汽熱泵機組（熱水溫度<120℃）的適用范圍。微壓蒸汽熱泵機組應用于低品位回收領域，可回收余熱水、乏汽、乏風等余熱，生產微壓蒸汽。制備微壓蒸汽可視溫升不同采用單級壓縮、雙級壓縮、復疊壓縮等配合閃蒸罐的循環(huán)方式。

當熱水溫度大于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。此時在微壓蒸汽熱泵機組基礎上，增加水蒸氣壓縮機直接對閃蒸罐出口的微壓蒸汽進行升溫升壓，蒸汽使用溫度最高可達175℃。制備120 - 175℃飽和水蒸氣的熱泵機組稱為低壓蒸汽熱泵機組，其進一步提升了高溫熱泵使用范圍，可滲透至醫(yī)藥與食品消毒滅菌、化學行業(yè)分離、紙張行業(yè)烘干等領域。低壓蒸汽制備可視溫升不同采用單級壓縮、雙級壓縮、復疊壓縮等配合閃蒸罐的循環(huán)方式。

（二）制冷劑壓縮技術

熱泵機組是制冷劑、結構、部件的集成，對性能有決定性影響，壓縮機是核心部件。目前適用于工業(yè)熱泵的主要壓縮機型式如下：

1. 往復壓縮機

往復式壓縮機應用廣泛。Viking與AVL Schrick合作開發(fā)的HeatBooster高溫熱泵，制熱量200kW，最高輸出溫度150℃，使用活塞式壓縮機，可在高達200℃溫度下工作40000h，工質用R1336mzz(Z)，潤滑油用聚烯烴油（POE）。Mayekawa的Eco Sirocco高溫熱泵采用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（進氣溫度20℃）時，系統(tǒng)COP達2.9，制熱量約90kW。Dürr thermea的thermeco?高溫熱泵工作熱源溫度8 - 40℃，供熱溫度高達110℃，制熱量0.051 - 2.2MW，根據(jù)容量可并聯(lián)最多6臺活塞式壓縮機，thermeco?HHR1000熱泵在特定條件下COP為3.9。Combitherm GmbH的HWW R245fa系列高溫熱泵產品使用活塞式壓縮機，供熱溫度高達120℃，制熱量62 - 252kW，在與DürrEcocleanGmbH的合作項目中使用該機組，回收工件清洗廠50℃余熱，供熱溫度達100℃，COP為3.4。Johnson Controls生產的單級Sabroe HeatPAC HPX熱泵中活塞式壓縮機可承受高達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開發(fā)的R600熱泵樣機，制熱量40kW，使用改進的、變頻驅動的分離罩活塞壓縮機，首次實驗表明在特定條件下可穩(wěn)定運行，COP為3.5。

2. 渦旋壓縮機

為降低蒸氣壓縮循環(huán)能耗，降低壓縮機能耗是關鍵。渦旋壓縮機效率比標準往復式壓縮機約高10%，原因有三：一是吸入和排出過程分開，吸入氣體進入壓縮機時不添加熱量；二是壓縮過程在540°旋轉范圍內緩慢進行，驅動扭矩波動僅為往復式壓縮機的10%；三是能消除吸入閥和排出閥，減少壓力損失。此外，渦旋壓縮機運動部件少，液擊條件下運行更好，可靠性更高。AlterECO項目設計的高溫熱泵最高冷凝溫度140℃，制熱量200kW，使用新型ECO3混合制冷劑（含R245fa），兩臺功率均為75kW的渦旋壓縮機并聯(lián)運行。天津大學研究的新二元近共沸混合物BY - 5，應用于帶有渦旋壓縮機、儲液罐和氣液分離器的單級高溫熱泵，制熱量16 - 19kW，供熱溫度高達130℃，在特定條件下COP約為2.2。格力空調研究了使用恒速渦旋壓縮機和R245fa作為制冷劑的單級熱泵系統(tǒng)性能，最高出水溫度114℃，冷凝溫度120℃，溫升49℃，COP可達5.18。

3. 雙螺桿壓縮機

雙螺桿壓縮機是工作容積作回轉運動的容積式氣體壓縮機械，按運行方式分無油雙螺桿壓縮機和噴油雙螺桿壓縮機，均采用噴油潤滑運行。Kobelco的HEM - 90A高溫熱泵采用半封閉變頻雙螺桿壓縮機，從環(huán)境空氣中輸送高達90℃熱水，用于食品、飲料、汽車和化學工業(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雙螺桿壓縮機壓力高達6300kPa，可將溫度降至90℃，在特定條件下COP為5.0，制熱量14MW。為解決高溫熱泵運行時熱源溫度波動大、壓縮機外壓比變化導致內外壓比不相同問題，邢林芬等提出采用經濟器補氣過程調節(jié)雙螺桿壓縮機運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

單螺桿壓縮機具有結構簡單、體積小、無氣閥組件等特點，兩個星輪在螺桿兩側對稱配置使其具有理想力平衡性、單機容量大、無余隙容積、高速輕載、易于建立流體動力潤滑等優(yōu)點，但中、高頻率噪聲較大，嚙合副與機殼幾何形狀和相互位置精度要求高，主要用于噴油壓縮。Ochsner使用單螺桿壓縮機的高溫熱泵機組，供熱溫度95 - 130℃，余熱溫度不同時采用不同循環(huán)，系統(tǒng)制熱量170 - 750kW，通過連接多臺機組可實現(xiàn)更高容量。Star Refrigeration的Neatpump熱泵可產生高達90℃熱水，制熱量380 - 2600kW，采用特殊鑄鋼設計的Vilter單螺桿壓縮機技術（VSSH系列）可承受高達7600kPa壓力，在特定條件下可實現(xiàn)COP約為4。

5. 透平壓縮機

與容積式壓縮機相比，透平壓縮機具有高效率潛力、在高壓比下運行可能性、緊湊設計和無油運行等優(yōu)勢。過去幾十年技術進步，尤其是高速發(fā)電機引入，使其可應用于制冷和熱泵領域小型機組。丹佛斯的TurbocorTG310是雙透平壓縮機，磁性軸承實現(xiàn)無油制冷劑回路，制冷劑為R1234ze(E)，標稱容量65 - 310kW。Friotherm AG的Unitop系列采用兩級透平壓縮機，工作溫度40 - 90℃，Unitop 50可實現(xiàn)高達20MW極高熱容量，斯德哥爾摩地區(qū)供暖網(wǎng)絡已建造配備6臺并聯(lián)Unitop 50FY機組的最大熱泵。為達到更高溫度，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透平式熱泵采用補氣增焓的兩級壓縮等關鍵技術，與傳統(tǒng)單級變頻透平式熱泵相比，壓縮機效率和加熱系數(shù)提高較大，無油直接驅動變速制冷透平壓縮機的最新發(fā)展和技術也有諸多研究，進一步提升其性能。

（三）水蒸氣壓縮機技術

由于水蒸氣特殊物理性質，機械壓縮機需滿足大體積流量、特殊材料、嚴格軸封要求、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要求。

1. 多級透平壓縮機

水是冷凝溫度高于100℃的最有效介質，對于高溫操作是優(yōu)越工作流體。但當蒸發(fā)溫度低于80℃時，蒸汽密度相對較低，要求熱泵壓縮機具有較高容積容量。透平壓縮機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是速度型壓縮機，先通過葉輪旋轉增加水蒸氣速度，再將動能轉化為壓力能增加壓力。隨著先進制造技術發(fā)展，越來越多透平式水蒸氣壓縮機用于特定系統(tǒng)，效率不斷提高，壓比范圍不斷擴大，雖主要用于大流量壓縮設備，但小流量透平式水蒸氣壓縮機也有一定應用市場。以色列IDE Technologies公司在20世紀60年代至80年代是透平式水蒸氣壓縮機技術先驅，水蒸氣透平壓縮機已應用于熱蒸發(fā)器/濃縮器和海水淡化廠。R718透平式冷水機由德國德累斯頓Für Luft研究所和K?ltetechnik于20世紀90年代末開發(fā)和制造。

2. 雙螺桿壓縮機

無油雙螺桿壓縮機中氣體壓縮時不與潤滑油接觸，轉子不直接接觸，有一定間隙，陽轉子通過同步齒輪帶動陰轉子高速旋轉，同步齒輪傳輸動力同時確保轉子間間隙，“無油”指壓縮腔或轉子之間無油潤滑，但軸承、齒輪等零部件仍采用普通潤滑方式，僅在潤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排氣溫度，提高單級排氣壓力，發(fā)展了向壓縮腔噴水的無油螺桿壓縮機。自2001年以來，神戶制鋼以Kobelco品牌銷售蒸汽發(fā)生熱泵SGH120和SGH165，SGH165型號能在165℃溫度下從35 - 70℃工藝余熱中產生蒸汽，并將120℃蒸汽重新壓縮至165℃（700kPa），首選應用領域是食品和飲料滅菌等，半密封雙螺桿壓縮機專門為高壓和高溫開發(fā)，余熱溫度70℃時，輸出165℃蒸汽，流量890kg/h，COP為2.5。里昂大學利用改進密封和水蒸氣噴射的雙螺桿壓縮機建造實驗裝置，以85 - 95℃余熱為熱源，冷凝溫度145℃時，可提供超過300kW熱量輸出。

三、低GWP制冷劑技術

制冷劑選擇在蒸汽壓縮熱泵中起關鍵作用，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。氫氟碳化合物R245fa是工業(yè)高溫熱泵中使用的主要制冷劑，但其GWP為858，很可能在未來幾年被淘汰或削減。天然制冷劑、HFOs、HCFOs被認為是有望取代HFCs的第四代低GWP制冷劑，在高溫熱泵和有機朗肯循環(huán)（ORC）發(fā)電應用中，R245fa的主要替代品是R1366mzz(Z)、R1234ze(Z)、R1233zd(E)、R1224yd(Z)以及碳氫化合物R601（正戊烷）和R600（正丁烷）。

（一）HFOs

適用于高溫熱泵的HFOs工質包括R1336mmz(Z)、R1336mmz(E)、R1234ze(Z)、R1234ze(E)。R1336mmz(Z)可在相對較低壓力（2900kPa）下提供較高臨界溫度171.3℃，不易燃（安全級別A1）、ODP為0、GWP為2、大氣壽命22d，適用于余熱回收、ORC和蒸汽產生等應用，在250℃以下穩(wěn)定。其異構體R1336mzz(E)的GWP約為18、臨界溫度為137.7℃。關于R1234ze(Z)信息相對較少，被認為是輕度易燃，但很難點燃（安全級別A2L、燃燒速度低于250px/s）。在亞臨界溫度條件下，R1234ze(E)被認為是最合適的制冷劑，COP在較寬工作范圍內保持相對較高，體積熱容量僅低于R1234yf，優(yōu)于其他工質，隨著冷凝溫度升高，R1234yf相比R1234ze(E)的COP衰減嚴重，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)域內始終低于5℃，且不存在濕壓縮問題。

（二）HCFOs

適用于高溫熱泵的HCFOs工質包括R1233zd(E)與R1224yd(Z)。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3620kPa、安全類別為A1，已被證實用于高溫熱泵時具有優(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和余熱回收熱泵，ODP幾乎為0，GWP低于1，對環(huán)境影響較小，物理性質與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，與經典熱泵工質相比，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

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。

1. 水

水作為制冷劑優(yōu)點眾多：ODP為0，GWP小于1，對臭氧層無損害，對全球變暖影響小，是環(huán)境友好制冷劑，未來不會受限；原料易得、成本低，自然界中大量存在，自來水、經處理的廢水或粗過濾河水均可直接用作補給水；安全性好，無毒、不易燃、不易爆，泄漏不會造成安全問題，使用后無需處理；化學性質穩(wěn)定，長期使用不分解；汽化潛熱巨大，與丙烷、氨和二氧化碳相比，蒸發(fā)潛熱和單位質量制冷量較大；系統(tǒng)運行安全，水壓差較小，減少安全預防措施；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行蒸發(fā)和冷凝。但水蒸氣作為制冷劑也有缺點，高壓比（由高比容所致）和壓縮機出口溫度較高，不過這些缺點可通過專門開發(fā)的壓縮機克服，尤其是帶有級間冷卻器的多級渦輪壓縮機。綜合考慮環(huán)境參數(shù)、經濟成本和安全性能，水是最好的制冷劑。

2. 二氧化碳

CO?熱泵機組尺寸較小，已實現(xiàn)較普及的商業(yè)化應用。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)勢巨大。雖然臨界溫度低至31℃，但臨界壓力高達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用。對于供暖，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，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回水溫差較大的其他工藝的制冷劑。此外，巨大壓差導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)異熱力學性能和傳熱性能，已廣泛應用于加熱和冷卻系統(tǒng)。在美國，超過95%的工業(yè)制冷使用NH?，在歐洲也占據(jù)較高市場份額。雖然NH?在一定濃度下具有毒性，必須采取安全預防措施，但其有刺鼻氣味，泄漏時易察覺。NH?具有較高體積制熱量，在大容量需求中具有競爭優(yōu)勢，小體積壓縮機足以滿足相同供熱能力，與其他制冷劑相比成本更低。NH?高溫熱泵的輸出溫度受高壓特性限制，例如，97.5℃飽和溫度對應飽和壓力為6000kPa，大多數(shù)NH?高溫熱泵的供應溫度限制在90℃。壓縮機材料的改進使NH?壓縮機在更高排氣溫度（約110℃）下的壓力增至7600kPa成為可能。

4. 碳氫化合物

HCs中正丁烷（R600）和戊烷（R601）是零ODP和極低GWP的制冷劑，價格低廉，臨界溫度分別為152℃和196.6℃（在3800kPa和3370kPa時）。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，實驗室設備的HCs最大容量限制為150g，用于具有防爆資質的商業(yè)機組充注量限制為2.5kg。

四、工業(yè)熱泵技術發(fā)展展望

在當前電力結構下，由于熱泵運行具有較高COP，實施該技術將直接減少一次能源消耗以及CO?排放。根據(jù)電力生產的平均CO?排放強度，熱泵的實施使排放量減少至化石燃料驅動過程的33%（減少67%）。若電力系統(tǒng)完全脫碳，熱泵驅動過程的排放量將降至0（100%減少）。隨著可再生能源在電力結構中所占份額的增加，熱泵的實施成為了一個強有力的行業(yè)選擇。

工業(yè)熱泵技術可成為供應溫度低于100℃的首選供熱技術。對于供應溫度在100 - 200℃的技術，重點應放在開發(fā)和示范上，而更高的溫度需要研究活動。示范項目應旨在打破應用障礙，解決大型熱泵系統(tǒng)升級和廣泛使用的問題。額外的研究活動應側重于性能改進，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)項目需要跨行業(yè)合作，涵蓋從研發(fā)到制造和應用的整個范圍。

（一）大容量半封閉高溫制冷劑壓縮機

采用封閉式結構將電動機和壓縮機連成整體，裝在同一機體內共用一根主軸，可取消開啟式壓縮機中的軸封裝置，避免泄漏。半封閉壓縮機用于制冷循環(huán)及常規(guī)熱泵循環(huán)已經成熟，但用于高溫熱泵仍受一些限制。目前小型半封閉高溫壓縮機（如往復式壓縮機、渦旋式壓縮機）不存在潤滑油管理問題，當高溫壓縮機向大型化發(fā)展，螺桿式壓縮機必然面臨潤滑油管理問題，因為工質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)結構受到限制。采用多級磁懸浮離心壓縮機是一種有效解決方案，磁懸浮離心壓縮機純無油運行，不存在潤滑油管理問題，在壓縮機熱力學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℃）半封閉電機的散熱問題，需要平衡電機冷卻造成的熱損失與電機過熱引起的可靠性下降。

（二）高溫蒸氣壓縮機

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，采用水作為制冷劑是目前的最佳選擇，因此要求開發(fā)高溫蒸氣壓縮機來適應該要求。綜合考慮壓縮機的運行原理、結構特點與操作特性，雙螺桿蒸氣壓縮機與離心蒸氣壓縮機成為高溫蒸氣壓縮機的兩個選擇。雙螺桿蒸氣壓縮機可結合噴水降溫，單級壓縮時溫升較大（>60℃），容積式壓縮采用剛性軸設計，適應變工況能力強，變轉速范圍寬，但在高溫工況下水蒸氣經過轉子間隙產生較大泄漏損失，導致效率偏低，同時高壓水蒸氣要求復雜軸封結構及系統(tǒng)防止水蒸氣漏入軸承側污染潤滑油，制造成本增大。可行的解決方案是提高雙螺桿壓縮機的運行轉速來減少壓縮機尺寸，提高壓縮機效率，可通過采用高速永磁電機直驅來實現(xiàn)，但雙螺桿蒸氣壓縮機在高速、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相比，離心蒸氣壓縮機結構簡單、流量大、單軸設計時造價低，但適應變工況能力差，變轉速范圍狹窄，為了控制排氣溫度及確保一定的壓縮效率，單級壓縮溫升一般不超過18 - 22℃，導致大溫差工況下需采用兩級或多級壓縮。國內市場上已有用于MVC（mechanical vapor compression）裝置的兩級和三級離心蒸氣壓縮機，溫升分別為35、50℃，由此可預見，多級壓縮不應成為離心蒸氣壓縮機應用于高溫熱泵的技術障礙，但在MVC多級離心蒸氣壓縮機技術引入高溫熱泵的過程中，如何使制造成本在批量化生產過程中獲得大幅下降是關鍵。

（三）跨臨界CO?高溫熱泵

20世紀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的高壓往復壓縮機，CO?熱泵成功用于民用熱水制備，并進一步拓展至工業(yè)領域的熱空氣制備，最高熱水及熱風溫度可達120℃。德國將工藝離心機技術引入跨臨界CO?壓縮，從而實現(xiàn)了大規(guī)模冷熱電三聯(lián)儲能方案。由于工藝用往復壓縮機、離心壓縮機的運行壓力分別不低于30、20MPa，因此壓縮機不會成為制約CO?熱泵的瓶頸。技術難題可能在于CO?熱泵用于工業(yè)領域的系統(tǒng)設計與匹配，達到運行性能與制造成本的最佳平衡。

（四）帶儲能功能的高溫熱泵

隨著可再生電力的發(fā)展，電力波動將大幅增加。儲能系統(tǒng)可吸收或釋放電力，被認為是消除電力波動、提高間歇性電力并網(wǎng)能力的有效技術。熱泵與熱能存儲相結合，提供了全系統(tǒng)的靈活性服務（如負荷轉移、調峰和需求側管理），從而確保在非高峰時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系統(tǒng)轉移電力負荷的潛力，并可用于需求側管理策略，還可提供需求響應，從而降低系統(tǒng)運行成本，實現(xiàn)調峰和節(jié)能。熱泵與熱能存儲相結合，可在一定程度上實現(xiàn)大型熱泵機組的連續(xù)運行，避免了頻繁啟停機時熱泵壓縮機容易出現(xiàn)的可靠性問題，而儲能功能甚至可替代熱泵機組的調頻，實現(xiàn)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域拓展應用極為有利。

五、工業(yè)熱泵應用場景拓展分析

（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)及晝夜波動較大，使空氣源熱泵的COP偏低，且環(huán)境溫度波動必然導致運行工況波動，進而降低熱泵機組可靠性；二是空氣源高溫熱泵采用工業(yè)電驅動，工業(yè)電價較高，導致高溫熱泵機組運行費用大幅高于天然氣鍋爐；三是工業(yè)領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經濟的選擇。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)，就近利用廉價的可再生電力來驅動工業(yè)熱泵制備熱水或蒸汽進行集中供熱，同時大型化的熱泵機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)

在大型應用場景中（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，且在一定時間跨度內波動較小，循環(huán)水經過大型冷卻塔釋放掉的熱量為10 - 100MW，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(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）耦合高溫熱泵與DAC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法完全匹配，必然造成大量余熱未經利用向環(huán)境排放，造成能量損失。直接空氣捕獲（direct air capture，DAC）是一種高效的負排放技術，可捕獲分布式碳排放源，但DAC技術耗能大、成本高、無法商業(yè)化。DAC的平均能源需求約為80%的熱能和20%的電能，應用熱泵技術回收工業(yè)余熱來驅動DAC將是工業(yè)節(jié)能實現(xiàn)城市碳減排的一個重要技術途徑。采用高溫熱泵從工業(yè)余熱中生產100 - 120℃的蒸汽，用于DAC設備中吸附劑的再生和凈化。通過該能源系統(tǒng)集成設計，以及新型高溫工業(yè)熱泵和基于吸附的DAC系統(tǒng)耦合技術開發(fā)，降低DAC技術的總能耗，并將從空氣中直接捕獲CO?的運營成本大幅降低。

六、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)熱泵技術是高能耗工業(yè)鍋爐的理想替代技術。本文對目前典型工業(yè)熱泵、高溫/蒸汽熱泵的系統(tǒng)循環(huán)形式、關鍵制冷劑壓縮技術、水蒸氣壓縮技術進行總結，得出以下結論：

1. 《基加利修正案》生效后，第四代低GWP制冷劑得到重點發(fā)展，工業(yè)熱泵也需進一步發(fā)展以低GWP制冷劑為工質的系統(tǒng)。

2. 基于目前工業(yè)熱泵的技術現(xiàn)狀，結合工業(yè)鍋爐替代應用場景，工業(yè)熱泵技術在大容量半封閉高溫制冷劑壓縮機、高溫蒸氣壓縮機、CO?高溫熱泵、帶儲能功能的高溫熱泵方面未來將會有進一步的發(fā)展。

3. 結合未來工業(yè)熱泵技術進一步拓展的方向，分析拓展的應用場景，工業(yè)熱泵將會進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)集中供熱領域和碳捕集余熱回收流程中。