工業(yè)熱泵是一種極具吸引力的工業(yè)用能量轉(zhuǎn)換技術(shù)。根據(jù)應(yīng)用要求，使用各種熱源，不同工質(zhì)和熱泵的輸出溫度也不同。在本白皮書中，根據(jù)工業(yè)應(yīng)用的溫度要求和熱泵的進(jìn)一步發(fā)展，將熱泵分為四種不同的類型：低溫?zé)岜谩⒅袦責(zé)岜?、高溫?zé)岜煤统邷責(zé)岜?，如圖2-1所示。在該分類方案中，不同類型的熱泵嚴(yán)格按照供熱溫度（Tout）定義。當(dāng)供熱溫度大于160°C時(shí)，可直接產(chǎn)生飽和溫度為160°C的高壓水蒸汽，用于正常的工業(yè)蒸汽工藝，因此這種新的分類方案將160°C的輸出溫度定義為高溫?zé)岜煤统邷責(zé)岜弥g的邊界。水的正常沸點(diǎn)100°C定義為中溫?zé)岜煤透邷責(zé)岜弥g的邊界，60°C定義為低溫?zé)岜煤椭袦責(zé)岜弥g的邊界。
工業(yè)熱泵的系統(tǒng)循環(huán)
作為最常規(guī)的熱泵循環(huán)，蒸氣壓縮熱泵系統(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)行了改進(jìn)。最常見的配置是單級循環(huán)，包括原始的單級、帶有蒸氣噴射或噴射器以改善循環(huán)性能的單級循環(huán)，以及配有經(jīng)濟(jì)器和內(nèi)部熱交換器的單級循環(huán)。多級系統(tǒng)采用多個(gè)壓縮級數(shù)，以犧牲機(jī)械能消耗為代價(jià)，實(shí)現(xiàn)更高的輸出溫度。復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)將兩種或更多工作流體的循環(huán)耦合起來，以實(shí)現(xiàn)更大的溫升。混合熱泵系統(tǒng)將蒸氣壓縮熱泵與吸收、吸附、太陽能或化學(xué)熱泵系統(tǒng)等其他熱力系統(tǒng)集成在一起。
余熱回收熱泵系統(tǒng)的典型配置包括單級、多級、復(fù)疊熱泵和并聯(lián)熱泵。在這些基本配置的基礎(chǔ)上，增加了一些有效的改進(jìn)，如過冷器、中間熱交換器、噴射器等，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率或降低排氣溫度。單級熱泵是基本配置，具有連接、運(yùn)行和維護(hù)簡單的優(yōu)點(diǎn)。然而，由于壓縮比較低，溫升受到限制。同時(shí)，當(dāng)用于大規(guī)模供熱場合時(shí)，組件需要定制。帶過冷器的單級熱泵可以增加供熱能力，改善系統(tǒng)性能。安裝在蒸發(fā)器后的中間熱交換器通過吸收冷凝器后過冷液體的熱量，在蒸氣進(jìn)入壓縮機(jī)之前對其進(jìn)行預(yù)熱來提高排氣溫度，進(jìn)一步擴(kuò)大熱泵的應(yīng)用范圍。熱泵中增加的噴射器可以通過高壓蒸氣驅(qū)動(dòng)，將低壓蒸氣提升到中壓，降低壓縮機(jī)的功耗，節(jié)省投資。
多級壓縮式熱泵可以大大提高溫升，適用于熱源和熱匯溫差較大的場合。中間冷卻和蒸氣噴射在降低排氣溫度方面表現(xiàn)良好，不僅確保了壓縮機(jī)的安全運(yùn)行，還降低了壓縮機(jī)的功耗。通過組合使用不同工質(zhì)的兩個(gè)熱泵系統(tǒng)，復(fù)疊熱泵也可以實(shí)現(xiàn)更高的溫升，其系統(tǒng)性能受工質(zhì)匹配和中間熱交換效率的影響。
2.1熱水（熱風(fēng)）制備
在加熱、洗滌、消毒和干燥等過程中需要大量熱水或熱風(fēng)，其通常由鍋爐、燃燒器或電加熱器制備，工藝過程中產(chǎn)生的余熱通過冷卻塔排放。
熱水或熱風(fēng)也可以通過熱泵來制備，根據(jù)溫升不同，制備過程可以采用單級壓縮或復(fù)疊壓縮等系統(tǒng)循環(huán)方式，在一些熱源溫度較低的場合也可以采用跨臨界（CO2 ）循環(huán)。
亞臨界熱泵循環(huán)的溫度上限由工質(zhì)的臨界溫度決定。必須保持與所需冷凝溫度之間約10-15K的溫差，以確保亞臨界熱泵運(yùn)行。冷凝溫度越接近臨界點(diǎn)，冷凝焓和COP（性能系數(shù)）越小?？缗R界或超臨界熱泵循環(huán)適用于二氧化碳。在跨臨界循環(huán)過程中，傳遞到匯的熱量是敏感的，并且需要較大的溫度滑動(dòng)，這適用于熱水（熱風(fēng)）加熱?？缗R界循環(huán)的流程圖可參考單級壓縮循環(huán)。
2.2 蒸汽制備
水蒸氣具有高熱容量和傳熱性能，是一種應(yīng)用廣泛的熱載體。與其他加熱流體(如熱水和空氣)相比，蒸汽具有更高的比能量，系統(tǒng)可以采用更合理的流速和管道直徑。此外，在冷凝過程中，其潛熱可以在恒定溫度下使用。
具有巴氏殺菌等應(yīng)用的工業(yè)過程，干燥和蒸餾在100-125°C的溫度范圍內(nèi)有熱需求。這個(gè)溫度區(qū)間正好是微壓蒸汽熱泵機(jī)組的適用范圍。在低溫余熱回收領(lǐng)域，微壓蒸汽熱泵機(jī)組可回收余熱水、乏汽、乏風(fēng)等余熱，來生產(chǎn)微壓蒸汽。本報(bào)告將制備120°C以下飽和水蒸汽的熱泵機(jī)組稱為微壓蒸汽熱泵機(jī)組。
根據(jù)溫升不同，微壓蒸汽的制備可以采用單級壓縮與復(fù)疊壓縮等配合閃蒸罐的循環(huán)方式，這些循環(huán)的典型流程見圖2-4與圖2-5。
當(dāng)熱匯溫度>120°C，大部分低GWP工質(zhì)脫離亞臨界狀態(tài)，少數(shù)能使用的工質(zhì)(如R1336mzz(z)與R1234zd(E))由于冷凝溫度接近臨界溫度，冷凝焓和COP較低。在微壓蒸汽熱泵機(jī)組的基礎(chǔ)上增加水蒸汽壓縮機(jī)，可直接對閃蒸罐出口的微壓蒸汽進(jìn)行增壓，達(dá)到最大200°C的蒸汽使用溫度。本報(bào)告將制備120~200°C飽和水蒸汽的熱泵機(jī)組稱為低壓蒸汽熱泵機(jī)組。
在120°C到200°C的溫度區(qū)間內(nèi)，低壓蒸汽熱泵機(jī)組進(jìn)一步提升了高溫?zé)岜玫氖褂梅秶梢詽B透到過去未能觸及的領(lǐng)域如醫(yī)藥與食品的消毒和滅菌、化學(xué)行業(yè)的分離及紙張行業(yè)的烘干等。
低壓蒸汽的制備可視溫升的不同，可以采用單級壓縮與復(fù)疊壓縮等配合閃蒸罐的循環(huán)方式，這些循環(huán)的典型流程見圖2-6與2-7。
工業(yè)熱泵系統(tǒng)循環(huán)的發(fā)展
工業(yè)熱泵技術(shù)可以成為供應(yīng)溫度低于100°C的首選供熱技術(shù)，目前該技術(shù)已十分成熟。對于供應(yīng)溫度在100°C和200°C之間的技術(shù)，當(dāng)前處于開發(fā)和示范應(yīng)用階段，而提供更高熱匯溫度的熱泵技術(shù)需要進(jìn)一步研究。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)升級和廣泛使用的問題。額外的研發(fā)活動(dòng)應(yīng)側(cè)重于性能改進(jìn)，并制定向完全可再生的熱系統(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。
3.1跨臨界CO2 熱泵
跨臨界CO2 熱泵在上世紀(jì)90年代的日本率先商業(yè)化，通過采用工作壓力超過10MPa的高壓往復(fù)壓縮機(jī)，CO2 熱泵成功用于民用熱水制備，并進(jìn)一步拓展到工業(yè)領(lǐng)域的熱風(fēng)制備，最高熱水及熱風(fēng)的溫度可達(dá)120°C。德國將工藝離心機(jī)技術(shù)引入跨臨界CO2 循環(huán)系統(tǒng)，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)的運(yùn)行壓力不低于30MPa，而工藝用離心壓縮機(jī)的運(yùn)行壓力也不低于20MPa，因此壓縮機(jī)不會(huì)成為制約CO2 熱泵的瓶頸。技術(shù)難題可能在于CO2 熱泵用于工業(yè)領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與匹配，以達(dá)到運(yùn)行性能與制造成本的最佳平衡。
3.2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)將大大增加。儲(chǔ)能系統(tǒng)可以吸收或釋放電力，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。它們可以提供需求響應(yīng)，從而降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)調(diào)峰和節(jié)能。
更重要的是，熱泵與熱能存儲(chǔ)相結(jié)合，可以在一定程度上實(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)導(dǎo)致的壓縮機(jī)可靠性問題。而儲(chǔ)能功能甚至可以替代熱泵機(jī)組的調(diào)頻，實(shí)現(xiàn)熱泵壓縮機(jī)在工頻下運(yùn)行，這又對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。