余熱回收的熱泵系統發展

現代生產生活中存在大量的用熱需求，區域供暖、生活熱水、工藝濃縮等等，甚至農產品干燥等流程也需要大量熱能。工業生產往往還需要大量的蒸汽，蒸汽的產生也需要消耗大量熱能。傳統熱能提供的方法主要通過化石燃料的燃燒或電加熱，需要耗費巨大能量，燃料燃燒還造成了環境污染，而熱泵技術則可以通過消耗少量的電能從低溫熱源中提取能量，以熱泵工質為載體將熱能溫度升高并供給用戶，因此熱泵可以比傳統的加熱方法節約數倍的能量消耗。就余熱回收式熱泵而言，其主要利用生產生活中產生的廢熱形成低溫熱源，同時部分系統也采用空氣、土壤、水源作為輔助低溫熱源，選取合適的熱泵工質和循環系統，即可大幅度提升熱能品質，并供給用戶側。

目前用于余熱回收的熱泵系統主要包括壓縮式熱泵和吸收式熱泵，在包括熱電和化工等行業的余熱回收中扮演了重要角色。除此之外，基于特定場景的吸收式換熱技術和熱泵干燥技術的重要性也越來越明顯，并在遠距離供熱和工農業干燥中發揮了重要作用。

壓縮式熱泵

蒸汽壓縮式熱泵系統是最常見的熱泵系統之一，熱泵工質在低溫熱源的加熱下，發生蒸發相變，之后低溫的熱泵工質蒸汽進入壓縮機，在壓縮過程中增壓升溫，壓縮機出口排出的高溫高壓熱泵工質進入冷凝器相變放熱，將蒸發、壓縮中吸收的能量傳遞到高溫側。近年來兆瓦級的壓縮式熱泵在工業余熱回收中取得了快速進展，下圖所示的就是應用于某鋼鐵廠余熱回收供暖的獨立雙系統熱泵機組，在實現30℃以上的溫度提升下可以保證系統COP在6以上，單機制熱量達到了9 MW以上。

蒸汽壓縮式熱泵這個名詞經常與工業熱泵聯系在一起，主要用于熱供應過程的余熱回收，也稱之為高溫熱泵，這也是近年來壓縮式熱泵的研究熱點。在實際應用中，由于存在熱源溫度較低，用熱溫度高等問題，常常要對熱泵系統進行一些優化設計，由此形成了如噴射壓縮式熱泵、雙級壓縮等熱泵系統。在循環以外，高溫循環工質是壓縮式高溫熱泵的“血液”，熱泵工質往往從制冷劑中選取，同時制冷劑與潤滑油混合后的熱穩定性也是系統設計中需要重點考慮的因素，此外熱泵工質需要具有與金屬材料或其他化學材料良好的相容性，避免在運行過程中降解。下圖就是以水蒸氣為工質的超高溫壓縮式熱泵（VHTHP），當系統溫升為40℃時，此時冷凝溫度為127℃，系統COP為4.2。

對高溫熱泵來說，目前的研究方向主要集中在新型制冷劑的開發和利用，系統循環形式的優化與系統供熱溫度的提升這幾個方面。而為了實現如上目標，R1336mzz(Z)、R1233zd(E)或R718（水）等新工質的應用，抑或是大型離心式壓縮機、螺桿式壓縮機的開發都引起了學界和產業界的關注和研究。盡管高溫熱泵技術已經在許多工業和生活應用場景下開始發揮了作用，然而由于缺乏對工業用熱的明確認識、低GWP環保制冷劑的匱乏以及相比與電力與化石燃料的較高的投入成本，高溫熱泵技術的推廣仍然存在著許多困難。未來高溫熱泵領域的研究主要將集中在以下幾個方面：高溫換熱器和壓縮機的設計、高效熱力循環構建和熱泵系統部件材料優化。

熱泵干燥技術

采用熱泵進行余熱回收所產生的熱量不但可以用于供暖，還可以廣泛應用于工農業生產中的干燥過程。干燥是以熱的方式將水分從物料中脫除的過程，也是高耗能生產單元，在一些產品生產中，干燥過程所消耗的能量甚至占到生產總能耗的30%-70%，因此在保證物料干燥品質的前提下需要尋求降低能耗的方式十分重要。和傳統干燥方式相比，熱泵干燥具有很多優點，包括具有更高的能源利用效率以及受外部天氣因素影響較小等，在與余熱回收結合后可以達到進一步提升能效的目的。

目前熱泵干燥系統多采用蒸汽壓縮式的空氣源熱泵，其具有更廣泛的適應性。根據實際應用需求將熱泵干燥技術分為如下幾類：除濕型、雙熱源型、半開式、密閉主機室型、多級串聯型和水蒸氣直接壓縮型。為了實現更加節能和高效的熱泵干燥，近年來該技術主要在以下方面取得了進展。

（1）結合多能互補的新思路開展研究工作，包括與太陽能、微波、余熱和電熱等的結合。與太陽能結合的主要特點是以太陽能為主，晚上利用熱泵補熱。與微波干燥結合的特點是干燥初期高濕階段采用熱泵，后期以微波為主進行干燥以降低干燥時間。與蒸汽、電熱耦合主要是在熱泵達不到的80oC以上的高溫升溫階段使用。

（2）結合干燥工藝開展相關研究工作，圍繞熱泵特點開發不同的干燥工藝設備。相關研究非常多，農業方面包括煙葉、玫瑰花、紅棗、山藥等都已得到一定的應用，最大宗是南方稻谷干燥開始大量采用熱泵，東北的熱泵玉米干燥技術也在發展。工業方面包括污泥、掛面、蚊香、木材、樹脂等的熱泵烘干技術也在逐漸展開。當前，傳統工業干燥的廢氣排放愈來愈嚴格，白煙和異味的控制成為重點，采用熱泵干燥有可達到近零排放的要求，會有很大的發展空間。

（3）結合具體干燥物料對象的不同，有針對性的開展新技術、新裝備的開發，這對熱泵干燥技術應用領域的不斷開拓有重要的意義。南方由于四季溫度較高，空調制熱模式的熱泵干燥技術得到了快速的發展；但對于北方地區冬季低溫的特定情況，國內開發了密閉主機室配合低溫空氣源熱泵和相變材料蓄熱的新思路，系統操作簡單易行，得到了一定的發展推廣。針對東北冬季糧食干燥的特點，國內開發了綜合多級串聯除濕、梯級加熱及熱管回熱的完整方案，表明在冬季嚴寒條件下可以得到高于南方環境條件下的熱泵干燥效率。

在核心技術開發方面，主要包含三部分。一是熱泵干燥專用壓縮機的開發，這一工作需要在普通壓縮機的基礎上推進；二是熱泵干燥專用制冷劑的開發，由于用量不大，目前標準很不統一；三是熱泵蒸發器的開發，特別是結合含塵含冷凝水的換熱過程，其結構優化和長期穩定性都很重要。