工業余熱熱泵及余熱網絡化利用的研究現狀與發展趨勢

王如竹 王麗偉 蔡 軍 杜 帥 胡 斌 潘權穩 江 龍 徐震原

(1 上海交通大學制冷與低溫工程研究所 上海 200240； 2 中國科學院工程熱物理研究所 北京 100190)

工業余熱熱泵及余熱網絡化利用的研究現狀與發展趨勢

王如竹1王麗偉1蔡 軍2杜 帥1胡 斌1潘權穩1江 龍1徐震原1

(1 上海交通大學制冷與低溫工程研究所 上海 200240； 2 中國科學院工程熱物理研究所 北京 100190)

當前工業能源消耗中所排放的低品位余熱量大面廣，若采用高效的余熱利用技術將這部分余熱回收，將具有顯著的節能效果。工業余熱熱泵技術可以實現余熱品位的提升或容量的擴大，一方面可以將回收的熱量應用到工業流程中，另一方面可以在區域供熱及供冷方面發揮作用。本文分析了壓縮式熱泵、吸收式熱泵與化學熱泵的特點與發展趨勢。目前三種熱泵技術都在工質、循環以及系統創新方面得到了較大的發展，但是在容量、能效比、溫升與可靠性方面存在不可兼得的瓶頸問題。此外，工業余熱根據種類以及溫度品位的不同，適用場合與特點也各不相同。但目前在余熱回收利用的設備與系統方面，缺乏針對不同余熱特點的指導性設計準則。未來的研究需要集中在發展效率高、容量大、熱適應性好、穩定可靠的熱泵技術，形成各余熱熱泵互補利用的廣譜化設計準則。同時需要通過對余熱的熱、電、冷、儲、運的網絡化利用進行余熱系統高質化集成，實現工業余熱的高效利用。

工業余熱；壓縮式熱泵；吸收/吸附式熱泵；化學熱泵；網絡化利用

1 工業余熱熱泵應用背景

工業余熱主要指冶金、電力、化工、食品等工業生產設備或系統所排出的可以以熱能形式回收的能量，通常這種熱能無法用于工藝生產過程。根據余熱存在的形式，低品位余熱的表現形式可分為：固態<400 ℃，液態<120 ℃，氣態<250 ℃，經過合理的能源轉化，在工業流程中可獲得再次應用以滿足用能需求。根據2015年國家統計年鑒的數據，目前工業能源消費量相當于29.1億噸標準煤，低品位余熱占總能源消費的14.2%。各工業生產環節和居民生活存在大量的用熱或用冷需求，若采用高效的回收與利用技術將這部分余熱回收40%，相當于節約了1.65億噸標準煤，具有顯著的節能效果。目前低品位余熱回收存在回收困難以及利用難度大等諸多問題。通過熱泵技術能夠提高余熱的品位實現質的提升，或者提高余熱的利用效率實現量的擴大，可將余熱回收并入工業流程，也可以在區域供熱和供冷方面發揮作用。因此，發展工業余熱熱泵技術可以有效利用余熱。

2 工業余熱熱泵的研究現狀與發展趨勢

利用工業余熱的熱泵主要包括壓縮式熱泵、吸收/吸附式熱泵、化學熱泵。不同類型的熱泵所適合的溫區不同，以熱量輸出為例，壓縮式熱泵(圖1(a))利用工質蒸發過程回收低品位熱能，利用工質冷凝過程輸出所需要的熱量，輸出溫度一般在55～100 ℃。吸收式熱泵分為第一類和第二類，第一類吸收式熱泵(圖1(b))以80～150 ℃熱源驅動，通過工質的蒸發吸收低溫熱源熱量，通過釋放冷凝熱和吸收熱實現低溫熱能品位的提升和量的倍增，輸出溫度為70～95 ℃。第二類吸收式熱泵(圖1(c))以70～100 ℃熱源驅動，通過向低溫熱源排熱而實現部分熱能品位的提升，輸出溫度為100～150 ℃?；瘜W熱泵(圖1(d))本質上屬于增溫型熱泵，反應物系在吸熱反應器發生分解反應吸收低品位余熱(如80 ℃)，在放熱反應器發生合成反應，釋放出高品位熱能，輸出溫度可達150～200 ℃。

圖1 工業余熱熱泵技術Fig.1 Heat pump technologies for industrial waste heat utilization

2.1 壓縮式熱泵

在國外，自20世紀90年代起，壓縮式熱泵的工業應用受到了廣泛關注，總體研究水平領先于國內，主要集中在新型環保高溫工質和系統循環及設備兩個方面。L. Liebenberg等[1]對R22/R142b高溫熱泵熱水器進行理論研究，盡管R142b的熱力性能良好，但環境指標較高且易燃易爆，通常與其它工質混合使用，適用于木材干燥等小型熱泵裝置中。美國國家標準局和國家航空航天局、日本神戶制鋼所和荏原制作所、印度理工學院分別對不同的新型熱泵工質(包括R134a、R254fa、R123、R142b、R227、R114等)物性進行了研究，熱泵供水溫度可達85 ℃。近年來日本神戶制鋼所又成功研制了采用R134a/R245fa混合工質的高效升溫型熱泵，最高出水溫度為90 ℃[2-3]。法國M.Chamoun等[4]對采用H2O為工質的高溫系統進行了理論和實驗研究，驗證了系統的可行性和高可靠性，并針對不同溫度的工業余熱，得到了制熱量和COP的變化趨勢，實驗中的冷凝溫度可達130～140 ℃, 引領了高溫熱泵工質研究的新方向。國內沈九兵等[5]針對工業熱泵的高溫需求，研究分析了以H2O為工質的閉式高溫熱泵系統，在90 ℃蒸發溫度和130 ℃冷凝溫度時，COP高達30以上。水蒸氣壓縮式熱泵的實驗裝置圖如圖2(a)所示，在蒸發器與冷凝器側采用噴淋裝置進行傳熱傳質強化。在熱泵系統循環及設備研究方面，挪威能源科技研究所開發了一種高溫壓縮吸收式熱泵[6]，該熱泵可以利用50 ℃的工業廢熱，同時產生90～100 ℃的熱水和5～10 ℃的冷凍水。德國GEA公司采用環保工質氨和專用高壓螺桿壓縮機，開發出大型工業用熱泵系統，出水溫度最高達90 ℃，能效比達3.35，單臺制熱量400 kW以上。瑞士Friotherm公司開發了80 ℃冷凝溫度，2～20 MW制熱量的離心式高溫熱泵機組[7-8]。離心式高溫壓縮熱泵通常采用R134a、R1233zd(E)為制冷劑(圖2(b))，通過中冷器的二次換熱或者高溫高壓氣體的冷凝來輸出熱量。環保工質高溫熱泵運行的可靠性和工業余熱回收用大容量機組的開發是以后研究的重點，同時，關鍵部件例如壓縮機、膨脹閥等的高溫適用性研究也勢在必行。

圖2 兩種壓縮式熱泵[4,8]Fig.2 Two kinds of compression heat pump

國內關于余熱回收高溫壓縮式熱泵技術的研究主要集中在高校。上海交通大學利用混合工質將冷凝水從70 ℃加熱到90 ℃，同時結合太陽能發電技術，針對壓縮機頻率和COP的關系開展了一系列研究[9]。西安交通大學設計搭建了余熱回收高溫熱泵系統測試平臺，采用壓縮機噴油冷卻技術，有效控制了螺桿壓縮機在高溫工況下的排氣溫度，使得出水溫度達到85 ℃，在此基礎上開發出制熱量700 kW的油田余熱回收高溫熱泵機組和制熱量420 kW的印染工藝用高溫熱泵機組，并進行了實際應用[10-11]。天津大學研究了混合工質BY3和BY4的熱力學特性，并研究開發出水溫度可達100 ℃的高溫熱泵機組[12]。合肥通用機械研究院分析研究了高溫熱泵用壓縮機，并進行了實驗測試，得到了良好的應用效果。珠海格力電器公司針對包括帶有經濟器的雙級離心式壓縮機、臥式殼管式冷凝器、浮球膨脹閥、滿液式蒸發器以及回熱器等關鍵部件進行了實驗研究，對各關鍵設備進行合理匹配，對應用現場的運營特性進行統計比較[13]。

目前壓縮式熱泵多用于家用與商用機組，針對溫升30～35 ℃的范圍，COP最高為4.2左右。按照空調熱泵標準，COP 4.2已經達到一級能效。但在工業應用中，目前國外機組的COP可以達到5～5.5左右，提高性能系數受到了提升溫差、工質等多方面的限制。

根據國際能源署(IEA)2014年的報告[14-15]，部分當前應用的不同工質的壓縮式工業熱泵的案例如表1所示。由表1可知，壓縮式熱泵已經在各行業進行工程應用，產生熱量最高到90 ℃。與有機制冷劑相比，氨和二氧化碳這兩種自然工質更多應用于大容量熱泵，更高品位的熱量輸出可由第二類吸收式熱泵或者化學熱泵達到。實際上，壓縮式熱泵高溫應用也進行了可行性實驗驗證，Alter ECO項目中采用混合制冷劑和渦旋壓縮機，蒸發溫度為30～60 ℃，冷凝溫度可達140 ℃[14]，雖然在效率和經濟性上還需改進，但可以期待高溫的工程應用。

2.2 吸收/吸附式熱泵

相比于壓縮式熱泵，吸收式熱泵覆蓋的余熱資源溫度范圍較寬。目前吸收式熱泵相關研究工作包括以提升系統效率和適應性為目的的循環優化、工質對和傳熱傳質強化等方面的基礎研究，以及高效率氨水GAX系統和大型高效商業機組等方面的應用研究。

表1 壓縮式工業熱泵的部分實際工程應用

圖3 新型吸收式熱泵循環[19]Fig.3 Novel absorption heat pump cycles

早期吸收式熱泵技術研究主要集中在美國，又先后推廣到日本和德國等國家，比較有代表性的研究為自20世紀70年代以來圍繞美國能源部開展的持續研究，諸如先進吸收循環的研究和“熱驅動熱泵項目”等[16]。美國能源部聯合橡樹嶺國家實驗室、勞倫斯伯克利國家實驗室，以及Carrier和Energy Concepts等公司都對吸收式制冷和熱泵技術進行了持續研發[17-18]，形成了一系列典型研究成果并帶動了行業的發展。其中，Carrier、Trane和York等公司較擅長溴化鋰系統，而Energy Concepts和Robur公司較擅長氨水系統，部分公司在吸收式熱泵領域也做了進一步應用推廣。例如在2001～2002年間，基于“熱驅動熱泵項目”中的“hi-cool熱泵”計劃，Energy Concepts的吸收熱泵在環境溫度-8 ℃的工況下實現了1.4的熱泵效率，Rocky Research則在多級復合氨工質吸收熱泵中實現了相似的效率。除美國外，日本的吸收式技術發展和產業化也較為先進，自20世紀引進并改進吸收式技術后，涌現了一批吸收式機組生產商，例如Yazaki、Ebara、川崎、三洋，成為美國以外吸收式技術發展最為迅速的國家。近年來，為提高燃氣熱水器效率，美國能源部又開展了民用吸收式熱泵熱水器的研發，例如配合GE公司開展溴化鋰-水工質對添加劑及新型有機鹽工質對等研究工作。

我國的吸收式熱泵和制冷技術最早由上海第一冷凍機廠和中船工業七○四所等單位共同引進并進行研究。早期研究主要集中在制冷方面，直到1990年才由上海交通大學、上海第一冷凍機廠和上海溶劑廠共同研制出350 kW第二類吸收式熱泵并通過鑒定，然而產品并沒有得到產業化應用。經過上海第一冷凍機廠和江陰溴化鋰制冷機廠的研究，以及遠大和雙良等公司的諸多技術改進，目前我國吸收式熱泵行業已經具備了直燃式、熱水式和蒸氣式機組的設計加工能力，可根據應用場合需求設計出兩級、單效和雙效等不同類型的機組，逐步形成了完善的產品系列，推動了技術的產業化和標準化。

國內高校中，上海交通大學、清華大學、東南大學、浙江大學和北京工業大學等單位也在吸收式循環、工質對和熱質傳遞等方面積極開展研究，為行業發展提供了技術儲備。例如上海交通大學近年提出了如圖3(a)所示的變效吸收制冷循環，可以適應變化熱源條件下的制冷與制熱，大幅度提高變熱源條件下的能量效率。此外近年來發展起來的多級第二類熱泵技術(圖3(b))，也為提高熱泵輸出溫度提供了有效的手段。

同樣根據IEA2014年的報告[14-15]，部分當前應用的不同工質的吸收式工業熱泵的案例如表2所示。

表2 吸收式工業熱泵的部分實際工程應用

由表2可以看出，吸收式熱泵的應用主要是傳統的LiBr-H2O和NH3-H2O工質，均可達到兆瓦級以上應用，第一類吸收式熱泵可產生95 ℃熱水，第二類吸收式熱泵可以輸出高于100 ℃的熱量。另外，吸收-壓縮式熱泵也已有工程應用。

吸附熱泵的研究主要集中于系統數值模擬和實驗樣機開發。S. V. Shelton等[22-23]對采用方波型和斜波型熱波循環的沸石-氨吸附熱泵進行數值模擬，在熱源溫度316 ℃、蒸發溫度5 ℃和供熱溫度38 ℃條件下，系統制熱性能系數分別達到1.87和1.60。但熱波循環的系統目前不具備實用性，因此其研究只限于理論和模擬階段[24-25]。R. E. Critoph等[26]提出一種可實現吸附劑強制對流換熱的對流熱波循環。以活性炭-氨為工質對，該循環可從0 ℃熱源獲得50 ℃的熱量輸出，制熱性能系數為1.3。但目前的技術手段難以達到對流熱波循環高效換熱的要求，所以該循環尚不具備實用價值。王德昌[27]研制了雙分離熱管型回熱回質硅膠-水吸附熱泵，并對其進行相關熱泵工況實驗。實驗結果表明該機組在80～110 ℃變化熱源溫度和5.8～8 ℃環境溫度條件下，供熱溫度為40.4～41.7 ℃，制熱性能系數為1.19～1.30。T. Núez等[28]研制了一臺小型的硅膠-水吸附熱泵，在82.9 ℃熱源溫度、20.3 ℃環境溫度和38.8 ℃供熱溫度條件下，機組制熱量和制熱性能系數分別為12 kW和1.39。盡管硅膠-水吸附熱泵制熱性能系數和供熱溫度并不高，但有驅動熱源溫度低的優點。除了針對第一類閉式吸附熱泵的研究，B. Xue等[29]提出并研究了直接接觸式吸附熱泵。該熱泵是一個間歇的升溫型開放式系統，采用沸石-水作為工質對。系統在發生階段可輸出180 ℃的蒸氣，在恢復階段需要130 ℃高溫干空氣對系統進行再生。直接接觸式吸附熱泵是一種比較新穎的技術，但其蒸氣產生量不高，需要通過強化吸附劑與空氣或水蒸氣的傳熱傳質性能來增大蒸氣產生量。

當前還沒有吸附式熱泵機組工程應用的報道，但理論和實驗的研究可證明其可行性，隨著余熱利用技術的發展與推廣，吸附式熱泵可期得到發展以及工程應用。

2.3 化學熱泵

化學熱泵是集熱泵和儲能功能于一體的新型節能技術，通過可逆吸放熱化學反應實現能量品位提升與儲存，整個系統利用吸放熱反應器(見圖1(d))間的平衡壓力差作為驅動力，其工作循環如圖4所示。反應物系在低溫熱源TM下發生分解反應(圖4中的點1)，吸收低品位余熱，在高溫TH條件下發生合成反應(圖4中的點4)，釋放出高品位熱能。在系統循環過程中，不同類型化學熱泵均存在中間過程，如反應產物的精餾分離、冷凝以及回熱等，這些過程涉及到循環工質向低溫環境放熱或者吸熱(圖4中的點2和3所示)?；瘜W熱泵具有溫度適應范圍寬、溫度提升幅度大、儲能密度大、儲存時間長等優點，可與壓縮式熱泵和吸收式熱泵形成互補，實現低品位工業余熱的深度利用。

根據反應物系不同，化學熱泵可分為無機系和有機系化學熱泵。國外相關研究進展列于表3。無機化學熱泵研究較多的物系包括金屬氫化物/氫氣、金屬氯化物/氨以及金屬氫氧化物/水等。美國、日本等發達國家從20世紀70年代開始積極研究無機化學熱泵，1977年美國獲得了第一個金屬氫化物熱泵的專利[30]。近年來，各國學者在反應熱/動力學、新型材料研制、傳熱性能強化和系統優化等方面取得了一定進展，申請了大量發明專利，建成了一些實驗樣機和中試裝置，部分推向了實際應用[31-34]。但是無機化學熱泵固有的周期性運行、傳熱差和反應物性能衰減等缺點仍然限制其大規模應用。國內無機化學熱泵的研究主要集中在金屬氫化物/氫氣和金屬氯化物/氨物系。20世紀80年代以來，西安交通大學、天津大學、中科院金屬所等針對金屬氫化物/氫氣物系中合金材料、傳熱性能強化和系統優化等方面開展了基礎研究。

表3 國外化學熱泵研究進展

有機化學熱泵是以異丙醇/氫氣/丙酮等催化反應體系為代表的熱泵系統，傳熱性能好，可實現連續運行，被認為是最有發展前途的化學熱泵之一。20世紀80年代，美國、日本等發達國家開始了對有機化學熱泵的研究，取得了一定進展，但未形成系列知識產權。近年來，韓國、泰國等國家也相繼開展了相關研究，已經建成了小型實驗樣機，但目前尚未有實際應用的報道。進一步提高系統熱效率和改善循環穩定性，并進行規?；痉厄炞C是現階段有機化學熱泵研究的重要任務?？傮w來看，化學熱泵應用前景廣闊，目前國際上的研究處于關鍵技術突破和規?；痉厄炞C階段[35]，未來有望大量推向實際應用。

對于有機化學熱泵，國內起步較晚，其中的難點主要在于反應傳遞過程的協同強化及副產物的有效控制。近年來，中科院工程熱物理研究所率先對異丙醇-丙酮-氫氣化學熱泵進行了系統深入研究，在反應傳遞機理、新型催化劑制備、系統性能強化及優化等方面取得了很好的進展，通過實驗及理論手段分析了副產物的生成機制，其化學物系反應路徑如圖5(a)所示，并建成了千瓦級化學熱泵實驗樣機，如圖5(b)所示，系統主要包括吸熱反應器、反應精餾塔以及放熱反應器。研究發現異丙醇/丙酮/氫氣在大溫升條件(將80 ℃提升到200 ℃)下是一種良好的工質對，但是面臨不穩定性與反應速率提升方面的難題，需要通過高效催化劑篩選與反應器內部的傳熱傳質強化來解決。

2.4 網絡化利用

當前可供工程利用的不同的余熱回收技術所適用的溫區是不同的，不同余熱轉換技術的典型適用溫區如圖6所示。以熱泵技術的熱量輸出為例，壓縮式熱泵的熱量輸出為55～100 ℃，吸收式第一類熱泵為70～95 ℃，第二類吸收式熱泵為90～150 ℃，而化學熱泵可達150～200 ℃。因此在余熱利用過程中，需要通過網絡化的能源利用技術，形成不同溫區能量的優化配置，實現余熱的高效利用。此余熱網絡化利用不同于目前已有的網絡化利用方案。

圖5 化學熱泵熱化學物系反應路徑及其樣機系統Fig.5 Reaction path of the chemicals of the chemical heat pump and the prototype

圖6 不同余熱轉換技術的典型適用溫區Fig.6 Typical applicable temperature ranges of different conversion technologies of waste heat

國外關于低品位余熱的網絡化利用主要集中在分布式能源的冷熱電聯供系統研究方面。冷熱電聯供系統是熱電聯產基礎上發展起來的一種分布式能源系統，主要通過燃氣輪機/燃氣內燃機、吸收式余熱回收利用裝置以及綜合控制系統等高新技術和設備，實現對輸入的高中低熱能的梯級利用，達到更高的能源利用率。根據熱能品位的不同，高溫的熱能通過動力機對外做功發電，中溫熱能通過余熱回收設備制取冷負荷，低溫熱能供應生活熱水。

冷熱電聯供最早可追溯到1978年美國頒布的《公共事業管理政策法》，該法規試圖以小型系統為突破、讓中小企業帶頭，促進冷熱電聯供的發展[36]。冷熱電系統具有較高的能源利用效率，同時節能環保，各個國家都非常重視，尤其在美國等發達國家得到了快速發展。美國于1998年實施了“熱電聯產系統挑戰計劃”，以期待在此后的12年內將冷熱電聯供系統的裝機容量翻一番達到92 GW。2004年，歐盟國家的冷熱電聯供系統達到了9 000多套，歐盟認為要實現 2020年一次能源消耗和溫室氣體排放均減少20% 的目標，僅憑分布式熱電聯供即可實現其中三分之一[37]。

我國在冷熱電聯供技術發展上相比國外起步較晚，但是發展勢頭非常迅猛。早期多以蒸氣輪機熱電聯供為主，此后政府不斷出臺政策加以引導。1998 年出臺《國家電力保護法》鼓勵能量綜合梯級利用技術的發展，2000年頒布《關于發展熱電聯產的規定》明確強調要積極支持和發展以天然氣為燃料的熱電聯供系統，2001年頒布CHP條例對冷熱電聯供系統的最低效率進行限制。2007年，上海市閔行區中心醫院分布式冷熱電聯供項目正式投入使用，其配備有1臺350 kW燃氣輪機、1臺0.2 t/h蒸氣余熱鍋爐和 1臺3 t/h熱水換熱器， 能同時為醫院提供電、蒸氣和熱水，系統運行總效率達到76.3%。2009年，廣州大學城分布式冷熱電聯供項目建成投產，一期工程實現156 MW燃氣-蒸氣聯合循環發電，并配有11萬冷噸的冰蓄冷系統，一次能源利用效率達到80%以上[38]。我國冷熱電聯供技術目前雖然取得了一定的發展，但是系統設計較為復雜，初期投資大，同時易受天然氣價格的影響。因此亟需發展一種新型高效的方式，將多種不同能量轉換技術進行優化并有機結合，以實現低品位余熱的有效利用。

實際上，余熱的網絡化利用不僅僅是冷熱電的聯供，也不是各種余熱轉換和利用技術的簡單集成，而是需要綜合考慮余熱熱源、用戶需求和余熱轉換技術等，按照能量目標和一定的匹配準則實現各種技術和過程的優化匹配。圖7所示為工業余熱利用的電、熱、冷、儲、運技術的示意圖，可根據余熱資源和用戶需求，確定余熱利用目標后，按照匹配準則實現余熱的網絡化利用。當前的工業余熱大多為單一能量形式一對一利用，缺乏針對低品位余熱數量、品位、需求及熱泵選型的指導性規則。因此，未來的研究方向是結合不同種類熱泵形式及應用特點形成不同容量、不同溫位熱泵與熱源側、需求側的廣譜化匹配方案，同時也需要結合其他余熱轉換技術形成熱、電、冷、儲、運的整體網絡化利用方案，實現工業余熱的綜合梯級利用，這是以后余熱利用技術發展的方向。

圖7 余熱利用的熱、電、冷、儲、運技術Fig.7 Waste heat utilization by heating, power generation, cooling, storage and transportation technologies

3 總結與未來發展趨勢

從發展趨勢來看，對于壓縮式熱泵，熱泵工質、輸出溫度、容量、能效、可靠性與溫度適應性是研究的主流方向。吸收式熱泵在技術推廣中存在的問題是效率低、熱源適應能力和溫升能力有限?；瘜W熱泵需要進一步突破化學熱泵熱效率低和穩定性不足的技術瓶頸，并驗證其可靠性。同時在熱泵技術的耦合應用方面，不同溫區及應用場合的熱泵廣譜化應用準則，以及熱、電、冷、儲、運等綜合需求的網絡化利用是未來研究的重要方向。

未來發展方面，工業余熱用壓縮式熱泵需要針對熱泵能效低、可靠性與熱適應性難以兼顧的問題，通過高效熱泵壓縮機的研制及強化換熱、循環優化等新技術研究，結合工質物性與經濟性分析以及工質與非金屬材料、潤滑油的兼容性研究形成效率高、熱適應性好、可靠性強的壓縮式熱泵，根據不同的應用場合，熱能品位提升程度和熱能容量應考慮采用不同的壓縮機形式、熱泵工質、潤滑油與密封技術等，低溫熱源側與高溫熱沉側的小溫差換熱設計也很關鍵。此外大型工業余熱用壓縮式熱泵存在評價標準缺失的問題，為此也需要與技術發展相對應，形成新的評價標準。在吸收式熱泵方面，由于溴化鋰吸收式熱泵的進一步發展受到容量、能效比、溫升、可靠性方面的限制，所以未來的研究需要重點關注兩方面：首先，改進第一類與第二類熱泵的新型流程、循環改進、結構優化及生產工藝，提高機組效率及工況適應性，并拓寬溫度提升范圍；其次，針對不同余熱和熱能品位需求形成系統解決方案，形成核心設備及大型、高效、適應性強的機組設計與生產能力。大溫升/大容量/高能效是吸收式熱泵的關注點。在化學熱泵應用方面，針對系統效率低及循環穩定性不足的問題，需要攻克的技術為新型高效催化劑、吸/放熱反應器、反應精餾塔及緊湊式小溫差換熱設備方面，還要研發適用于化學熱泵的儲能設備及其與系統的耦合技術，研究循環工藝優化及穩定運行智能化調控技術。大溫升/高效率/反應器的熱質傳遞強化以及催化劑的低成本是化學熱泵研發的核心點。

根據不同熱泵的溫度適用范圍、余熱條件和需求，進行工業熱泵的應用匹配。當前缺乏廣譜性的應用準則，而且在余熱回收利用的設備與系統方面，缺乏針對不同余熱特點的指導性設計準則。未來的研究需要集中在發展效率高、容量大、熱適應性好、穩定可靠的熱泵技術，形成各余熱熱泵互補利用的廣譜化設計準則，同時通過對余熱的熱、電、冷、儲、運的網絡化利用進行余熱系統的高質化集成。另外，還需要通過工質對、新型循環、高密度熱質傳遞等關鍵技術研究，研究分散式低品位余熱利用的高效吸附/吸收式制冷/熱泵機組及余熱儲運技術，形成集中-分散余熱覆蓋的熱、電、冷、儲、運網絡化利用準則與方案，實現工業余熱的高效利用。

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Research Status and Trends on Industrial Heat Pump and Network Utilization of Waste Heat

Wang Ruzhu1Wang Liwei1Cai Jun2Du Shuai1Hu Bin1Pan Quanwen1Jiang Long1Xu Zhenyuan1

(1. Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240，China; 2. Institute of Engineering Thermalphysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100190，China)

Plenty of low-grade heat is produced duringindustrial energy consumption. Waste heat reuse significantly contributesto energy-savings ifhigh-efficiency technologies are employed for heat recovery. Heat pump technology allowsfor temperature upgrading and capacity expansion of industrial waste heat. The recovered heat can then be supplied to industrial processes orused in district heating and cooling. In this paper, the characteristics and development trends of vapor compression heat pumps, sorption heat pumps, and chemical heat pumpsare introduced. These three heat pump technologies have been greatly improved interms of working fluid, cycle optimization,and system innovation. Nonetheless, there are some incompatible optimizing targetsassociated with capacity, energy efficiency, temperature lift, and stability. Moreover, the applications and characteristics of industrial waste heat vary depending on its category and temperature grade. Design guidelines suitable for different waste heat conditions are lacking for heatrecoveryequipment and systems. Further research should focus on heat pump technologies characterized as high efficiency, large capacity, and high thermal adaptability, stability, and reliability. In addition, general design principles should be developed for mutually complementary applications of different heat pumps. Meanwhile, the high-quality integration of heat recovery systems can be accomplished to realize the highly efficient use of industrial waste heat by means of energy network utilization, including heating, power generation, cooling, and storage and transportation technologies.

industrial waste heat; vapor compressed heat pump; sorption heat pump; chemical heat pump;network utilization

0253- 4339(2017) 02- 0001- 10

10.3969/j.issn.0253- 4339.2017.02.001

國家重點研發計劃(2016YFB0601200)資助項目。(The project was supported by the National Key Research and Development Program under the Contract (No.2016YFB0601200).)

2016年9月30日

TK115； TK124； TQ051.5

A

王如竹，男，教授，上海交通大學制冷與低溫工程研究所，(021)34206548，E-mail：rzwang@sjtu.edu.cn。研究方向: 低品位余熱回收利用，吸附式與吸收式制冷與儲能、太陽能利用。About the corresponding author

Wang Ruzhu, male, professor, Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, +86 21-34206548，E-mail：rzwang@sjtu.edu.cn. Research fields: the conversion and utilization of low grade waste heat, sorption refrigeration and energy storage, solar energy utilization.