近日，嘉程创业流水席第221席【探讨热能利用的前沿技术和创业趋势】，邀请了中科院理化所项目副研究员李晓琼分享，主题是《工业热泵的技术发展与应用挑战》。

我今天分享的主题是工业热泵的技术发展与应用挑战。

首先是研究背景，在当前的国际形势、双碳目标以及新型生产力的背景下，工业热泵的需求日益增长。

去年的“中美阳光之乡声明”和“COP28峰会”中，重点强调了严格控制非二氧化碳温室气体排放的重要性。同时，《巴黎协定》的目标是将全球平均气温升幅控制在1.5摄氏度以内。

自2020年起，我国一直在推进双碳目标，并在今年进一步提出了新质生产力的发展，即绿色生产力，旨在加速发展模式的绿色转型，助力“双碳”目标。

目前，国家已经出台了许多相关政策，特别是在工业领域，以促进工业能源消费的低碳化，提高工业电气化水平，并采用多种能源形式。政策中特别提出了高效热泵和高温热泵的应用，并强调了在整个工业领域中，对加热、烘干、蒸汽供应等环节进行改造的必要性。同时，也重点提出了对工业生产过程中1000度以下的中低温热源进行电气化改造。

尽管有许多相关的政策建议，我们仍面临各种问题，需要解决并发展相关的新技术。目前，我国工业领域的能耗占到全社会能耗的70%以上，而热能的利用率不足50%。其中，近50%的工业能耗以废热形式排放，碳排放量占全国总排放的82.5%，这一数字是相当巨大的。在各种工业领域的应用过程中，由于能源利用模式的陈旧落后以及对相关能源的利用不充分，导致了废热排放量大，最终造成了巨大的能源浪费和较大的碳排放。

左下角的图表显示了我国工业余热的当前状况，总量超过70亿GJ。如果采取相关措施，这一数字可以降至40亿GJ以下。在工业领域的前期调研中，我们发现化工厂、印染厂、水泥厂等地的工业余热温度较高，尤其是在低于230摄氏度的场景中更为常见。在化工领域，100度以下的温区大部分通过风冷或水冷实现降温。针对工业领域热排放问题，工业部门特别提出了通过电气化和提高系统能效来实现相关目标的建议。

同时，在工业领域，对于热需求温度多集中在100-185℃，通常是由1.0MPa蒸汽供热，该部分需热量巨大。

热泵技术作为经典的节能技术，若我们将其应用于工业余热回收和蒸汽替代领域，将有效解决上述提到的高能耗和大量余热排放问题。热泵装置是一种专用的热量提升装置，能够将热量从低温端提升到高温端。例如，在蒸发器中吸收的是3000瓦的热量，通过外界输入1000瓦的电能，最终可以获得4000瓦的热量。这里涉及一个能效比问题，也就是热泵效率的问题。对于热泵系统来说，其性能系数（COP）肯定大于1，与传统的电加热或其他方式相比，热泵系统更为节能，这也是它被称为节能技术的原因。

热泵系统的热源来源非常广泛，包括空气源、土壤源、水源以及工业余热。今天，我主要集中讲述工业余热的回收。我们可以利用工业领域产生的高品位热量，用于多个领域。

例如，在化工蒸馏或中药领域的蒸馏工艺中，热泵技术可以为石化企业提供节能减碳的解决方案，也适用于蒸汽替代应用。在食品制造领域，如海产品、水产品或果蔬类的漂烫护色等工艺，都需要高温热量，热泵产生的高品位热量可以用于提供相关的热水或蒸汽。在农产品加工中，如干燥作业，酒厂或牛奶厂的灭菌或管道清洗等工作，也可以采用热泵技术进行能源的综合利用。在炼油过程中，例如化工厂的原油伴热，所需的热量也可以由热泵提供。最常见的应用是集中供热或区域供暖。

可以看到，热泵的应用范围非常广泛，未来的应用前景也十分广阔。

接下来，介绍两类工业热泵技术：

一类是闭式热泵技术，即蒸汽压缩循环，闭式热泵循环可根据制热温区选择不同的循环工质，应用于建筑、节能、干燥、化工等领域。另一类是开式热泵技术，根据工艺介质的不同，进行定制化设备开发，实现提质增效。

首先介绍开式热泵，它的原理比较简单，主要通过回收二次蒸汽，并在压缩机中进行压缩，提质增效，最终实现能源的循环利用，减少了对一次能源的依赖。介质的选择多样，包括水蒸气、乙烯、丙烷等，可根据具体工艺需求进行研究和应用。

这是我们开发的MVC系统，通过开发专用的水蒸气压缩机，替代了传统的多效蒸发工艺。与传统的单效系统和多效系统相比，该系统能够实现更大幅度的节能。

下一部分是针对闭式的工业热泵的研究。与开式热泵不同，闭式循环热泵系统的工质选择更为复杂。目前，热泵工质已经发展到第四代，从最初关注臭氧层破坏到现在关注全球变暖问题，ODP和GWP值低的循环工质成为开发重点。在一些法案的约束下，传统的氢氟烃类工质正逐渐被限制使用。而目前一些低GWP的工质因美国早期的专利布局问题，我们的采购成本很高，如R1234yf等。自然工质因其环保易得，目前也是替代传统制冷剂的一个主要方向。目前广泛使用的有氨和碳氢化合物（如R290）和二氧化碳。二氧化碳作为一种环保工质，因其无易燃易爆性，且在跨临界下运行的大温度滑移特性，使其在制冷和供热领域应用范围更广，尤其是适用于大温差需求的场景。

在工质的选择过程中，我们不仅考虑环保性能，还综合考量热力学性能、物理化学性能及经济性能。工质的筛选过程极为复杂，我们的团队已经从微观到宏观开发了多尺度制冷剂特性的预测模型，并制定了相关的优选策略。 

刚刚已经提到，二氧化碳是比较独特的一种工质，不同于其他工质在亚临界循环中的作用，二氧化碳在超临界状态下实现跨相态变化。我们的团队已对二氧化碳从亚临界到超临界的整个跨相态过程中的物性进行了深入分析，并计算了它与润滑油或其他工质混合时的相平衡关系。通过自主开发的算法，和传统算法相比，计算精度提高了30%。此外，我们还开发了一种新的测试方法，能够对二氧化碳跨相态变化过程中的相态转变进行可视化研究，并对采集的图像进行了数学化处理。

针对二氧化碳跨临界系统，我们开发了专用的跨临界压缩机。目前，我们与中车合作，研究了二氧化碳轨道装备的制冷系统。一方面，对铁路列车空调的压缩机进行了轻量化设计，另一方面开发了压缩机全域冷却技术。此外，我们还对滑片的相关特性进行了研究。目前，二氧化碳跨临界活塞压缩机已完全实现国产化研发。

在这个关键部件中，除了核心装备压缩机外，我们还专注于节流设备的研究。由于二氧化碳跨临界系统的大压差特性导致节流损失较大，我们开发了新型喷射器来回收节流损失，提高了系统的能效。这种喷射器技术也可直接应用于其他领域，实现节能减碳。

我们开发了喷射式高温热泵机组，该机组通过使用少量的3.5MPa蒸汽，引射低温低压蒸汽，以满足化工领域160℃的热需求。这些低温低压蒸汽是通过回收化工厂的废气而获得的，从而实现了节能。

此外，我们采用了可调式喷射式系统来构建主动式热交换器。这样不仅降低了一次管网的回热温度，实现了大温差，还减少了泵耗。该项工作是我们与丹麦技术大学合作开展的。

除了上述的喷射式系统，我们还开发了蒸汽压缩式高温热泵机组。这种蒸汽式高温热泵系统，我们开发了多种类型，既满足了余热回收的需求，也满足了制热的需求。这是110℃的高温热泵机组。

我们还研发了一个130℃的高温热泵系统。该系统的热源是其污水气体塔中的70-80℃废水。通过热泵系统提质后，可以产生120-130℃的热，替代了原有的1.0MPa蒸汽。整个系统的制热量达到1.4MW，综合COP可达8.05。该厂热电厂自备的蒸汽的价格是190元，如果按照现在的300多一吨的价格，热泵系统的经济效益更加显著，对整个化工厂的节能减碳效果非常明显。

基于化工厂的需求，我们继续开发了更高温度的热泵系统，并已在实验室及中试阶段进行了推广。在实验室中，我们成功制得了168℃的承压热水，而该系统的制热温度稳定在160℃，性能系数（COP）达到了2.5。与现有技术相比，我们的系统具有较高的COP，这一点通过前期的多次对比实验以及与现有文献的比较得到了证实。

此外，我们自主开发了开启式无油双螺杆压缩机，并已在化工厂中投入应用。该压缩机的最高排气温度可达185℃，相应的饱和温度为160℃，能够提供超过160℃的热量。系统的COP为2.5，制热量约为280kW。若将此系统应用于当前的工业领域，它是一种小型设备；但是用于供暖领域，其实算很大的设备。

下面再讲一些案例，首先，关于二氧化碳热泵，正如前面提到的，二氧化碳热泵是国内发展的一个重要方向。

• 我们已将二氧化碳热泵应用于海白虾的漂烫过程，替代了原有企业使用的燃油漂烫系统。在经济性和环保性方面，我们进行了详细核算。从经济角度来看，与原系统相比，每年的运行成本降低了67.7%，大约3.13年即可收回成本，同时碳排放量减少了75%。