背景

現(xiàn)代生產(chǎn)生活中存在大量的用熱需求，區(qū)域供暖、生活熱水、工藝濃縮等等，甚至農(nóng)產(chǎn)品干燥等流程也需要大量熱能。工業(yè)生產(chǎn)往往還需要大量的蒸汽，蒸汽的產(chǎn)生也需要消耗大量熱能。傳統(tǒng)熱能提供的方法主要通過化石燃料的燃燒或電加熱，需要耗費巨大能量，燃料燃燒還造成了環(huán)境污染，而熱泵技術(shù)則可以通過消耗少量的電能從低溫?zé)嵩粗刑崛∧芰?，以熱泵工質(zhì)為載體將熱能溫度升高并供給用戶，因此熱泵可以比傳統(tǒng)的加熱方法節(jié)約數(shù)倍的能量消耗。就余熱回收式熱泵而言，其主要利用生產(chǎn)生活中產(chǎn)生的廢熱形成低溫?zé)嵩矗瑫r部分系統(tǒng)也采用空氣、土壤、水源作為輔助低溫?zé)嵩矗x取合適的熱泵工質(zhì)和循環(huán)系統(tǒng)，即可大幅度提升熱能品質(zhì)，并供給用戶側(cè)。

目前用于余熱回收的熱泵系統(tǒng)主要包括壓縮式熱泵和吸收式熱泵，在包括熱電和化工等行業(yè)的余熱回收中扮演了重要角色。除此之外，基于特定場景的吸收式換熱技術(shù)和熱泵干燥技術(shù)的重要性也越來越明顯，并在遠(yuǎn)距離供熱和工農(nóng)業(yè)干燥中發(fā)揮了重要作用。

壓縮式熱泵

蒸汽壓縮式熱泵系統(tǒng)是最常見的熱泵系統(tǒng)之一，熱泵工質(zhì)在低溫?zé)嵩吹募訜嵯拢l(fā)生蒸發(fā)相變，之后低溫的熱泵工質(zhì)蒸汽進(jìn)入壓縮機，在壓縮過程中增壓升溫，壓縮機出口排出的高溫高壓熱泵工質(zhì)進(jìn)入冷凝器相變放熱，將蒸發(fā)、壓縮中吸收的能量傳遞到高溫側(cè)。近年來兆瓦級的壓縮式熱泵在工業(yè)余熱回收中取得了快速進(jìn)展，下圖所示的就是應(yīng)用于鋼鐵廠余熱回收供暖的獨立雙系統(tǒng)離心式壓縮熱泵機組，在實現(xiàn)30℃以上的溫度提升下可以保證系統(tǒng)COP在6以上，單機制熱量達(dá)到了9 MW以上。

圖1用于余熱回收的獨立雙系統(tǒng)離心式壓縮熱泵機組

蒸汽壓縮式熱泵這個名詞經(jīng)常與工業(yè)熱泵聯(lián)系在一起，主要用于熱供應(yīng)過程的余熱回收，也稱之為高溫?zé)岜?，這也是近年來壓縮式熱泵的研究熱點。在實際應(yīng)用中，由于存在熱源溫度較低，用熱溫度高等問題，常常要對熱泵系統(tǒng)進(jìn)行一些優(yōu)化設(shè)計，由此形成了如噴射壓縮式熱泵、雙級壓縮等熱泵系統(tǒng)。在循環(huán)以外，高溫循環(huán)工質(zhì)是壓縮式高溫?zé)岜玫摹把骸?，熱泵工質(zhì)往往從制冷劑中選取，同時制冷劑與潤滑油混合后的熱穩(wěn)定性也是系統(tǒng)設(shè)計中需要重點考慮的因素，此外熱泵工質(zhì)需要具有與金屬材料或其他化學(xué)材料良好的相容性，避免在運行過程中降解。下圖就是以水蒸氣為工質(zhì)的超高溫壓縮式熱泵（VHTHP），當(dāng)系統(tǒng)溫升為40℃時，此時冷凝溫度為127℃，系統(tǒng)COP為4.2。

圖2熱泵技術(shù)的劃分與水蒸氣熱泵

對高溫?zé)岜脕碚f，目前的研究方向主要集中在新型制冷劑的開發(fā)和利用，系統(tǒng)循環(huán)形式的優(yōu)化與系統(tǒng)供熱溫度的提升這幾個方面。而為了實現(xiàn)如上目標(biāo)，R1336mzz(Z)、R1233zd(E)或R718（水）等新工質(zhì)的應(yīng)用，抑或是大型離心式壓縮機、螺桿式壓縮機的開發(fā)都引起了學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注和研究。盡管高溫?zé)岜眉夹g(shù)已經(jīng)在許多工業(yè)和生活應(yīng)用場景下開始發(fā)揮了作用，然而由于缺乏對工業(yè)用熱的明確認(rèn)識、低GWP環(huán)保制冷劑的匱乏以及相比與電力與化石燃料的較高的投入成本，高溫?zé)岜眉夹g(shù)的推廣仍然存在著許多困難。未來高溫?zé)岜妙I(lǐng)域的研究主要將集中在以下幾個方面：高溫換熱器和壓縮機的設(shè)計、高效熱力循環(huán)構(gòu)建和熱泵系統(tǒng)部件材料優(yōu)化。

吸收式熱泵

工業(yè)余熱具有體量大和溫度分布復(fù)雜的特點，此外在進(jìn)行工業(yè)余熱回收時用戶側(cè)的需求也通常是多變的，除了低溫段的供暖和生活熱水需求外，還包括中溫段的工業(yè)流程預(yù)熱和高溫段的工業(yè)蒸汽供給等。吸收式熱泵以高溫蒸汽、余熱熱水、化石能源燃燒等的熱能為驅(qū)動能源，通過不同的循環(huán)方式實現(xiàn)熱能的品位提升或體量增加等目的，在采用不同熱源、余熱和熱泵循環(huán)時可以滿足60~150℃的熱能輸出，是工業(yè)余熱利用的重要方式之一。與只有升溫型的壓縮式熱泵不同，吸收式熱泵不但具有升溫型的熱泵循環(huán)還具有增量型的熱泵循環(huán)方式，一般增量型的吸收式熱泵被稱為第一類吸收式熱泵，而升溫型吸收式熱泵被稱為第二類吸收式熱泵或吸收式熱變溫器。增量型吸收式熱泵在采用高溫?zé)嵩打?qū)動的時候可以回收低溫余熱并進(jìn)行溫度提升，而中溫輸出熱量是高溫?zé)嵩戳颗c低溫余熱回收量之和，因此可以達(dá)到熱能增量的目的。升溫型吸收式熱泵在僅以中溫余熱進(jìn)行驅(qū)動時，可以產(chǎn)生高溫的輸出，因此可以達(dá)到熱能品位提升的目的。吸收式熱泵對于熱能品位和體量的靈活轉(zhuǎn)換也使得它非常適合于工業(yè)余熱回收與轉(zhuǎn)換。

第一類吸收式熱泵在用于余熱回收時輸出溫度不高，因此其主要目的是供暖。IEA熱泵中心的工業(yè)熱泵報告中介紹了吸收式熱泵應(yīng)用于奧地利一家生物質(zhì)能發(fā)電站的案例，該電站采用77%的木材和23%的內(nèi)部加工殘留物作為燃料，可提供5 MW的電量輸出和30 MW的熱輸出。本案例中用了容量為7.5 MW的吸收式熱泵回收煙氣中的余熱，當(dāng)吸收式熱泵蒸發(fā)溫度低于50℃時即可達(dá)到煙氣露點溫度并從煙氣中回收水蒸氣的冷凝熱。吸收熱泵的驅(qū)動熱源來自蒸汽輪機中溫度為165℃的蒸汽，并向區(qū)域供暖提供95℃的熱輸出。

圖3用于低溫余熱回收供暖的一類吸收式熱泵

第二類吸收式熱泵的輸出溫度高，因此其主要目的是工業(yè)用熱供給。例如在橡膠合成工業(yè)中，反應(yīng)釜頂部產(chǎn)生溫度約為96.5℃的熱氣需要被冷卻從而回收其中溫度約為80℃的冷凝水，另一方面反應(yīng)釜底部需要持續(xù)地供給102.5℃熱輸入，這部分原本需要采用蒸汽進(jìn)行加熱，而如果采用二類吸收式熱泵一方面回收反應(yīng)釜頂部氣體釋放的冷凝熱，另一方面為反應(yīng)釜底部提供高溫?zé)彷斎刖涂梢赃_(dá)到節(jié)省蒸汽的目的。

現(xiàn)階段基于常規(guī)流程的吸收式熱泵的應(yīng)用已經(jīng)逐漸成熟，包括一類二類熱泵和單效、雙效以及兩級等多種流程也可以滿足余熱回收的基本需求，并已經(jīng)在工業(yè)余熱回收中廣泛使用，一些具體實施的案例也具有可觀的經(jīng)濟和環(huán)境效益，其進(jìn)一步推廣仍然依賴于系統(tǒng)的經(jīng)濟性，因此吸收式熱泵的未來發(fā)展主要包括：（1）結(jié)合余熱回收的實際場景進(jìn)一步提升吸收式熱泵效率、適應(yīng)性和整個余熱回收系統(tǒng)的能量回收效率是進(jìn)一步推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。（2）結(jié)合實際余熱回收場景進(jìn)行帶有熱能轉(zhuǎn)換的復(fù)雜余熱換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化以及因地制宜地開發(fā)多種先進(jìn)吸收式熱泵技術(shù)仍然是需要高校和產(chǎn)業(yè)共同努力的方向。

吸收式換熱技術(shù)

低品位余熱源與需求間往往存在顯著的空間差異性，例如在余熱回收供暖中余熱往往在工業(yè)園區(qū)比較集中，但用熱方則是居民區(qū)并遠(yuǎn)離工業(yè)園區(qū)。作為提取低品位工業(yè)余熱實現(xiàn)供熱的重要手段，吸收式熱泵與吸收式換熱器被廣泛應(yīng)用在集中供熱系統(tǒng)中，其中吸收式換熱器更擅長低品位熱量的長距離輸送，并可以分為第一類和第二類吸收式換熱器。

第一類吸收式換熱器可以實現(xiàn)小流量側(cè)的熱源出口溫度低于大流量側(cè)熱匯的進(jìn)口溫度，其本質(zhì)上是第一類吸收式熱泵與水-水換熱器的組合，一次網(wǎng)水（熱源測熱水）首先經(jīng)過吸收式熱泵的發(fā)生器作為熱源，將一部分熱量通過冷凝器傳遞給一部分二次網(wǎng)水（熱匯側(cè)熱水），之后發(fā)生器的一次網(wǎng)出水進(jìn)入水-水板式換熱器，將熱量進(jìn)一步釋放給一部分二次網(wǎng)水，進(jìn)而板換出口的一次網(wǎng)水最終進(jìn)入吸收式熱泵的蒸發(fā)器進(jìn)一步降溫，其熱量抬升品位后用于加熱一部分二次網(wǎng)熱水，最終實現(xiàn)一次網(wǎng)出水溫度低于二次網(wǎng)進(jìn)水溫度。第一類吸收式換熱器可以在末端熱力站比常規(guī)技術(shù)實現(xiàn)更低的回水溫度，并提升熱能輸配能力。

第二類吸收式換熱器可以實現(xiàn)小流量側(cè)熱匯的出口溫度高于大流量側(cè)熱源的進(jìn)口溫度，實質(zhì)上是第二類吸收式熱泵與水-水換熱器的組合。熱源分成三部分，一部分進(jìn)入發(fā)生器，將熱量通過冷凝過程釋放給熱匯側(cè)進(jìn)口熱水，同時熱源溫度與熱匯側(cè)進(jìn)口段溫度之間形成驅(qū)動溫差，制備出濃溶液；之后冷凝器出口的熱匯側(cè)熱水進(jìn)入水-水板換被一部分熱源加熱，之后熱匯側(cè)熱水進(jìn)入吸收器，同時最后一部分低品位熱源被送入蒸發(fā)器，在驅(qū)動溫差的作用下，低品位熱源抬升品位后將熱量釋放給溶液進(jìn)而釋放給熱匯側(cè)熱水，使得熱匯側(cè)熱水經(jīng)過吸收器后輸出系統(tǒng)最高溫度的出水，從而使得熱匯側(cè)出水高于熱源側(cè)進(jìn)水。第二類吸收式換熱器可以在低品位熱源供給段提升低品位熱源供給溫度，并提升熱能輸配能力。

吸收式換熱器的典型應(yīng)用是利用兩類吸收式換熱器實現(xiàn)低品位余熱的長距離輸送。如圖所示，在熱源處通過第二類吸收式換熱器將熱量從小的供回水溫差變換為一次網(wǎng)大的供回水溫差以進(jìn)行長距離輸熱；在末端熱力站，通過第一類吸收式換熱器，將熱量自一次網(wǎng)的大供回水溫差變換為二次網(wǎng)的小供回水溫差，用于建筑末端的供熱。從而加大熱量的輸送溫差，實現(xiàn)低品位工業(yè)余熱的長距離輸送。

圖4基于吸收式換熱器的遠(yuǎn)距離熱輸送

熱泵干燥技術(shù)

采用熱泵進(jìn)行余熱回收所產(chǎn)生的熱量不但可以用于供暖，還可以廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的干燥過程。干燥是以熱的方式將水分從物料中脫除的過程，也是高耗能生產(chǎn)單元，在一些產(chǎn)品生產(chǎn)中，干燥過程所消耗的能量甚至占到生產(chǎn)總能耗的30%-70%，因此在保證物料干燥品質(zhì)的前提下需要尋求降低能耗的方式十分重要。和傳統(tǒng)干燥方式相比，熱泵干燥具有很多優(yōu)點，包括具有更高的能源利用效率以及受外部天氣因素影響較小等，在與余熱回收結(jié)合后可以達(dá)到進(jìn)一步提升能效的目的。

圖5熱泵除濕干燥技術(shù)原理與半開式煙草熱泵干燥系統(tǒng)實物

目前熱泵干燥系統(tǒng)多采用蒸汽壓縮式的空氣源熱泵，其具有更廣泛的適應(yīng)性。根據(jù)實際應(yīng)用需求將熱泵干燥技術(shù)分為如下幾類：除濕型、雙熱源型、半開式、密閉主機室型、多級串聯(lián)型和水蒸氣直接壓縮型。為了實現(xiàn)更加節(jié)能和高效的熱泵干燥，近年來該技術(shù)主要在以下方面取得了進(jìn)展。

（1）結(jié)合多能互補的新思路開展研究工作，包括與太陽能、微波、余熱和電熱等的結(jié)合。與太陽能結(jié)合的主要特點是以太陽能為主，晚上利用熱泵補熱。與微波干燥結(jié)合的特點是干燥初期高濕階段采用熱泵，后期以微波為主進(jìn)行干燥以降低干燥時間。與蒸汽、電熱耦合主要是在熱泵達(dá)不到的80oC以上的高溫升溫階段使用。

（2）結(jié)合干燥工藝開展相關(guān)研究工作，圍繞熱泵特點開發(fā)不同的干燥工藝設(shè)備。相關(guān)研究非常多，農(nóng)業(yè)方面包括煙葉、玫瑰花、紅棗、山藥等都已得到一定的應(yīng)用，最大宗是南方稻谷干燥開始大量采用熱泵，東北的熱泵玉米干燥技術(shù)也在發(fā)展。工業(yè)方面包括污泥、掛面、蚊香、木材、樹脂等的熱泵烘干技術(shù)也在逐漸展開。當(dāng)前，傳統(tǒng)工業(yè)干燥的廢氣排放愈來愈嚴(yán)格，白煙和異味的控制成為重點，采用熱泵干燥有可達(dá)到近零排放的要求，會有很大的發(fā)展空間。

（3）結(jié)合具體干燥物料對象的不同，有針對性的開展新技術(shù)、新裝備的開發(fā)，這對熱泵干燥技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷開拓有重要的意義。南方由于四季溫度較高，空調(diào)制熱模式的熱泵干燥技術(shù)得到了快速的發(fā)展；但對于北方地區(qū)冬季低溫的特定情況，國內(nèi)開發(fā)了密閉主機室配合低溫空氣源熱泵和相變材料蓄熱的新思路，系統(tǒng)操作簡單易行，得到了一定的發(fā)展推廣。針對東北冬季糧食干燥的特點，國內(nèi)開發(fā)了綜合多級串聯(lián)除濕、梯級加熱及熱管回?zé)岬耐暾桨?，表明在冬季?yán)寒條件下可以得到高于南方環(huán)境條件下的熱泵干燥效率。

在核心技術(shù)開發(fā)方面，主要包含三部分。一是熱泵干燥專用壓縮機的開發(fā)，這一工作需要在普通壓縮機的基礎(chǔ)上推進(jìn)；二是熱泵干燥專用制冷劑的開發(fā)，由于用量不大，目前標(biāo)準(zhǔn)很不統(tǒng)一；三是熱泵蒸發(fā)器的開發(fā)，特別是結(jié)合含塵含冷凝水的換熱過程，其結(jié)構(gòu)優(yōu)化和長期穩(wěn)定性都很重要。

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