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。根據(jù)應用要求，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)應用的溫度要求和熱泵的進一步發(fā)展，將熱泵分為四種不同的類型：低溫熱泵、中溫熱泵、高溫熱泵和超高溫熱泵，如圖2-1所示。在該分類方案中，不同類型的熱泵嚴格按照供熱溫度（Tout）定義。當供熱溫度大于160°C時，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熱泵和超高溫熱泵之間的邊界。水的正常沸點100°C定義為中溫熱泵和高溫熱泵之間的邊界，60°C定義為低溫熱泵和中溫熱泵之間的邊界。
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行了改進。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)濟器和內(nèi)部熱交換器的單級循環(huán)。多級系統(tǒng)采用多個壓縮級數(shù)，以犧牲機械能消耗為代價，實現(xiàn)更高的輸出溫度。復疊式熱泵系統(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、復疊熱泵和并聯(lián)熱泵。在這些基本配置的基礎上，增加了一些有效的改進，如過冷器、中間熱交換器、噴射器等，以進一步提高系統(tǒng)效率或降低排氣溫度。單級熱泵是基本配置，具有連接、運行和維護簡單的優(yōu)點。然而，由于壓縮比較低，溫升受到限制。同時，當用于大規(guī)模供熱場合時，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，在蒸氣進入壓縮機之前對其進行預熱來提高排氣溫度，進一步擴大熱泵的應用范圍。熱泵中增加的噴射器可以通過高壓蒸氣驅(qū)動，將低壓蒸氣提升到中壓，降低壓縮機的功耗，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，不僅確保了壓縮機的安全運行，還降低了壓縮機的功耗。通過組合使用不同工質(zhì)的兩個熱泵系統(tǒng)，復疊熱泵也可以實現(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）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，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行。冷凝溫度越接近臨界點，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，這適用于熱水（熱風）加熱。跨臨界循環(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。這個溫度區(qū)間正好是微壓蒸汽熱泵機組的適用范圍。在低溫余熱回收領域，微壓蒸汽熱泵機組可回收余熱水、乏汽、乏風等余熱，來生產(chǎn)微壓蒸汽。本報告將制備120°C以下飽和水蒸汽的熱泵機組稱為微壓蒸汽熱泵機組。
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。在微壓蒸汽熱泵機組的基礎上增加水蒸汽壓縮機，可直接對閃蒸罐出口的微壓蒸汽進行增壓，達到最大200°C的蒸汽使用溫度。本報告將制備120~200°C飽和水蒸汽的熱泵機組稱為低壓蒸汽熱泵機組。
在120°C到200°C的溫度區(qū)間內(nèi)，低壓蒸汽熱泵機組進一步提升了高溫熱泵的使用范圍，可以滲透到過去未能觸及的領域如醫(yī)藥與食品的消毒和滅菌、化學行業(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)熱泵技術可以成為供應溫度低于100°C的首選供熱技術，目前該技術已十分成熟。對于供應溫度在100°C和200°C之間的技術，當前處于開發(fā)和示范應用階段，而提供更高熱匯溫度的熱泵技術需要進一步研究。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。額外的研發(fā)活動應側(cè)重于性能改進，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。
3.1跨臨界CO2 熱泵
跨臨界CO2 熱泵在上世紀90年代的日本率先商業(yè)化，通過采用工作壓力超過10MPa的高壓往復壓縮機，CO2 熱泵成功用于民用熱水制備，并進一步拓展到工業(yè)領域的熱風制備，最高熱水及熱風的溫度可達120°C。德國將工藝離心機技術引入跨臨界CO2 循環(huán)系統(tǒng)，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的運行壓力不低于30MPa，而工藝用離心壓縮機的運行壓力也不低于20MPa，因此壓縮機不會成為制約CO2 熱泵的瓶頸。技術難題可能在于CO2 熱泵用于工業(yè)領域的系統(tǒng)設計與匹配，以達到運行性能與制造成本的最佳平衡。
3.2帶儲能功能的高溫熱泵
隨著可再生電力的發(fā)展，電力波動將大大增加。儲能系統(tǒng)可以吸收或釋放電力，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(jié)合，提供了全系統(tǒng)的靈活性服務，如負荷轉(zhuǎn)移、調(diào)峰和需求側(cè)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(zhuǎn)移電力負荷的潛力，并可用于需求側(cè)管理策略。它們可以提供需求響應，從而降低系統(tǒng)運行成本，實現(xiàn)調(diào)峰和節(jié)能。
更重要的是，熱泵與熱能存儲相結(jié)合，可以在一定程度上實現(xiàn)大型熱泵機組的連續(xù)運行，避免了頻繁啟停機導致的壓縮機可靠性問題。而儲能功能甚至可以替代熱泵機組的調(diào)頻，實現(xiàn)熱泵壓縮機在工頻下運行，這又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。