从

背景

现代生产生活对热量的需求很大，如小区供暖、生活热水、工艺浓缩等，甚至农产品烘干等工艺也需要大量的热能。工业生产往往需要大量的蒸汽，而蒸汽的产生也需要消耗大量的热能。传统的提供热能的方法主要采用化石燃料燃烧或电加热，这需要巨大的能量，而且燃料燃烧也会造成环境污染。热泵技术可以通过消耗少量电能从低温热源中提取能量，并以热泵工质为载体，将热能升温供给用户，因此与传统供暖方式相比，热泵可以节约数倍的能耗。就余热回收热泵而言，主要利用生产生活中产生的余热形成低温热源，部分系统还利用空气、土、水源作为辅助低温热源。通过选择合适的热泵工质和循环系统，可以大大提高热能质量，供给用户侧。

目前，用于余热回收的热泵系统主要包括压缩式热泵和吸收式热泵，它们在热电和化工等行业的余热回收中发挥着重要作用。此外，基于特定场景的吸收传热技术和热泵干燥技术也越来越重要，在远距离供暖和工农业干燥中发挥着重要作用。

压缩热泵

蒸汽压缩热泵系统是最常见的热泵系统之一。热泵制冷剂在低温热源的加热下发生蒸发相变，然后低温热泵制冷剂蒸汽进入压缩机，在压缩过程中被加压和加热。从压缩机出口排出的高温高压热泵制冷剂进入冷凝器进行相变放热，将蒸发压缩时吸收的能量转移到高温侧。近年来，兆瓦级压缩热泵在工业余热回收方面取得了快速进展。钢铁厂余热回收加热采用的独立双系统离心压缩热泵机组如下图所示。当温度升高到30℃以上时，系统的COP可保证在6以上，单机发热量可达9 MW以上。

图1余热回收独立双系统离心压缩热泵机组

蒸汽压缩热泵一词常与工业热泵联系在一起，工业热泵主要用于供热过程中的余热回收，又称高温热泵，也是近年来压缩热泵的研究热点。在实际应用中，由于热源温度低、热耗温度高的问题，往往需要对热泵系统进行优化，从而形成喷射压缩热泵、两级压缩等热泵系统。除了循环外，高温循环的工质是压缩式高温热泵的“血液”，热泵的工质往往是从制冷剂中选取的。同时，混有润滑油的制冷剂的热稳定性也是系统设计中需要考虑的关键因素。此外，热泵的工作介质需要与金属材料或其他化学材料具有良好的相容性，以避免在运行过程中降解。下图为以水蒸气为工质的超高温压缩热泵。当系统温度升至40℃时，冷凝温度为127℃，系统的COP为4.2。

图2热泵技术与水蒸气热泵的划分

对于高温热泵，目前的研究方向主要集中在新型制冷剂的开发利用、系统循环形式的优化以及系统制热温度的提高。为了实现上述目标，R1336mzz、R1233zd或R718等新型制冷剂的应用，或大型离心式压缩机和螺杆式压缩机的开发，引起了学术界和工业界的关注和研究。尽管高温热泵技术已经开始在许多工业和家庭应用场景中发挥作用，但由于对工业热缺乏清晰的认识，缺乏低GWP环保制冷剂，以及与电力和化石燃料相比投入成本较高，高温热泵技术的推广仍存在许多困难。高温热泵领域未来的研究将主要集中在以下几个方面:高温换热器和压缩机的设计、高效热力循环的构建以及热泵系统部件材料的优化。

吸收式热泵

工业余热具有体积大、温度分布复杂的特点。此外，用户对工业余热回收的需求通常是多变的。除了低温段的供热和生活热水需求外，还包括中温段的工业过程预热和高温段的工业蒸汽供应。吸收式热泵利用高温蒸汽、余热热水、化石能源燃烧等热能作为驱动能源，通过不同的循环方式达到提升品位或增加热能体积的目的。采用不同热源、余热和热泵循环时，可满足60~150℃的热能输出，是工业余热利用的重要途径之一。与单纯升温的压缩式热泵不同，吸收式热泵既有升温式热泵循环，又有增量式热泵循环模式。一般增量式吸收式热泵称为第一类吸收式热泵，升温式吸收式热泵称为第二类吸收式热泵或吸收式热恒温器。增量式吸收式热泵由高温热源驱动时，可回收低温余热并升温，中温输出热量为高温热源和低温余热回收之和，可达到增加热能的目的。升温型吸收式热泵仅依靠中温余热驱动就能产生高温输出，从而达到提高热能品位的目的。吸收式热泵由于其对热能等级和体积的灵活转换，非常适合工业余热回收转化。

第一类吸收式热泵用于余热回收时输出温度较低，因此其主要用途是供热。在IEA热泵中心的工业热泵报告中，介绍了吸收式热泵应用于奥地利某生物质能源电站的案例。发电站使用77%的木材和23%的内部加工残渣作为燃料，可提供5 MW的电力输出和30 MW的热量输出。在这种情况下，使用容量为7.5兆瓦的吸收式热泵来回收烟气中的废热。当吸收式热泵的蒸发温度低于50℃时，可以达到烟气的露点温度，从烟气中回收水蒸气的冷凝热。吸收式热泵的驱动热源来自汽轮机内165℃的蒸汽，为区域供热提供95℃的热量输出。

图3一种用于低温余热回收加热的吸收式热泵

第二类吸收式热泵输出温度高，所以主要用途是工业供热。例如，在橡胶合成工业中，反应釜顶部产生的温度约为96.5℃的热气需要冷却，以回收温度约为80℃的冷凝水。另一方面，反应釜底部需要连续供入102.5℃的热量，原本需要用蒸汽加热。一方面可以采用二级吸收式热泵回收反应釜顶部气体释放的冷凝热，另一方面可以为反应釜底部提供高温热量输入，达到节约蒸汽的目的。

目前，基于常规工艺的吸收式热泵应用已逐渐成熟，包括一级二级热泵和单效、双效、两级工艺，也能满足余热回收的基本需求，已广泛应用于工业余热回收。一些具体的实施案例也具有可观的经济效益和环境效益，其进一步推广仍取决于系统的经济性。因此，吸收式热泵未来的发展主要包括:结合余热回收的实际场景，进一步提高吸收式热泵的效率和适应性以及整个余热回收系统的能量回收。结合实际余热回收场景，优化具有热能转换的复杂余热交换网络，因地制宜发展多种先进的吸收式热泵技术，仍是需要高校和行业共同努力的方向。

吸收传热技术

低品位废热源与需求空存在显著差异。例如，在余热回收供暖中，余热往往集中在工业园区，但热量消耗者是居民区且远离工业园区。吸收式热泵和吸收式换热器作为提取低品位工业余热实现供热的重要手段，在集中供热系统中应用广泛，其中吸收式换热器更擅长低品位热量的长距离输送，可分为第一类和第二类。

第一类吸收式换热器可以实现小流量侧热源出口温度低于大流量侧散热器入口温度，本质上是第一类吸收式热泵和水-水换热器的结合。首先，一次网水通过吸收式热泵的发生器作为热源，一部分热量通过冷凝器传递给一部分二次网水，然后来自发生器的一次网水进入水-水板式换热器，进一步向一部分二次网水放热。进一步，换热板出口的一次网水最终进入吸收式热泵的蒸发器进一步降温，提升品位后利用热量加热一部分二次网热水，使一次网出水温度低于二次网进水温度。第一类吸收式换热器可以实现末端热站比常规技术更低的回水温度，提高热能的输送和分配能力。

第二类吸收式换热器可以实现小流量侧散热器的出口温度高于大流量侧热源的入口温度，本质上是第二类吸收式热泵和水-水换热器的结合。热源分为三部分，一部分进入发生器，通过冷凝过程将热量释放到散热器侧进口处的热水中，热源温度与散热器侧进口段温度形成驱动温差，制成浓缩液；之后，冷凝器出口处散热器侧的热水进入水-水盘被一些热源加热，然后进入吸收器，同时最后一部分低品位热源被送到蒸发器。在驱动温差的作用下，低品位热源升级品位，将热量释放到溶液，再释放到热沉侧热水，使热沉侧热水通过吸收器，输出系统温度最高的出水，从而使热沉侧出水高于热源侧进水。第二类吸收式换热器可以提高低品位热源供应段低品位热源的供应温度，提高热能的输配能力。

吸收式换热器的典型应用是利用两种类型的吸收式换热器实现低品位余热的长距离输送。如图所示，在热源处，热量由一次网供回水温差小转变为供回水温差大，进行远距离传热；在末端热力站，热量通过第一类吸收式换热器由一次网供回水温差大转化为二次网供回水温差小，用于建筑物末端供热。从而增加热量传递的温差，实现低品位工业余热的远距离传递。

图4基于吸收式换热器的长距离传热

热泵干燥技术

余热回收热泵产生的热量不仅可以用于加热，还可以用于工农业生产中的干燥过程。干燥是一种通过加热去除物料水分的过程，也是一种高能耗的生产单元。在一些产品中，干燥过程中消耗的能量甚至占总能耗的30%-70%，因此在保证物料干燥质量的前提下，寻求降低能耗的途径非常重要。与传统干燥方式相比，热泵干燥具有能效更高、受外界天气因素影响小等诸多优点，与余热回收结合后可进一步提高能效。

图5热泵除湿干燥技术原理及半开放式烟草热泵干燥系统实物

目前热泵干燥系统多采用蒸汽压缩式空空气源热泵，适应性更广。根据实际应用要求，热泵干燥技术可分为除湿型、双热源型、半开放式、封闭式主机房型、多级串联型和蒸汽直接压缩型。为了实现更加节能高效的热泵干燥，该技术近年来在以下几个方面取得了进展。

以多能互补的新理念开展研究工作，包括与太阳能、微波、余热、电加热的结合。与太阳能结合的主要特点是以太阳能为主，晚上用热泵补充热量。结合微波干燥，特点是前期高湿阶段使用热泵，后期以微波干燥为主，减少干燥时间。蒸汽与电加热耦合主要用于热泵达不到的80°C以上高温上升阶段。

结合干燥工艺开展相关研究工作，围绕热泵的特点开发不同的干燥工艺设备。相关研究很多，包括烟叶、玫瑰、红枣、山药等。，这在一定程度上得到了应用。最大的一个是南方水稻干燥普遍采用热泵，东北地区的热泵玉米干燥技术也在发展。热泵干燥技术包括污泥、挂面、蚊香、木材、树脂等。正在工业中逐渐发展。目前，传统工业烘干的尾气排放越来越严格，白烟和异味的控制成为重点。利用热泵干燥可以满足近零排放的要求，在空之间会有很大的发展。

针对不同的干燥物料，开发新的技术和设备对热泵干燥技术应用领域的不断发展具有重要意义。由于华南地区四季气温较高，采用空调制热方式的热泵干燥技术发展迅速。但针对我国北方冬季气温较低的具体情况，我国开发了低温空空气源热泵+相变材料蓄热封闭主机房的新思路，系统操作简单易行，在一定程度上得到了发展和推广。针对东北地区冬季粮食干燥的特点，我国开发了多级串联除湿、梯级加热和热管再热的综合方案，表明在严寒冬季热泵干燥效率可高于南方环境。

在核心技术开发上，主要包括三个部分。一是热泵干燥专用压缩机的开发，需要在普通压缩机的基础上进行推广；二是热泵干燥专用制冷剂的开发。由于制冷剂用量少，现行标准不统一；第三，热泵蒸发器的发展，特别是结合含灰尘和冷凝水的传热过程，对结构优化和长期稳定性具有重要意义。