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熱源中提取能量，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)生的廢熱形成低溫熱源，同時部分系統(tǒng)也采用空氣、土壤、水源作為輔助低溫熱源，選取合適的熱泵工質(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*常見的熱泵系統(tǒng)之一，熱泵工質(zhì)在低溫熱源的加熱下，發(fā)生蒸發(fā)相變，之后低溫的熱泵工質(zhì)蒸汽進入壓縮機，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展，下圖所示的就是應(yīng)用于某鋼鐵廠余熱回收供暖的獨立雙系統(tǒng)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，單機制熱量達到了9 MW以上。

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，也稱之為高溫熱泵，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)是壓縮式高溫熱泵的“血液”，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），當系統(tǒng)溫升為40℃時，此時冷凝溫度為127℃，系統(tǒng)COP為4.2。

對高溫熱泵來說，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，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)都引起了學界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注和研究。盡管高溫熱泵技術(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，高溫熱泵技術(shù)的推廣仍然存在著許多困難。未來高溫熱泵領(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。