2023工業(yè)熱泵發(fā)展白皮書(shū)

2白皮書(shū)PAGEPAGE3目錄序言 1摘要 2背景 5碳中和背景 5我國(guó)工業(yè)能耗現(xiàn)狀 5工業(yè)熱泵定義 5工業(yè)熱泵對(duì)碳中和的意義 6國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有政策和法規(guī) 6參考文獻(xiàn) 10工業(yè)熱泵技術(shù)與發(fā)展 工業(yè)熱泵系統(tǒng)類(lèi)型 工業(yè)熱泵用壓縮機(jī) 15工業(yè)熱泵用工質(zhì) 19工業(yè)熱泵用其他設(shè)備 24參考文獻(xiàn) 26工業(yè)熱泵經(jīng)濟(jì)性分析 28工業(yè)冷卻水源熱泵 29廢熱水源熱泵 30乏汽源熱泵 32參考文獻(xiàn)

36工業(yè)熱泵市場(chǎng)潛力與節(jié)能減碳效益 37市場(chǎng)潛力 37節(jié)能減碳潛力分析 41市場(chǎng)障礙 43參考文獻(xiàn) 43工業(yè)熱泵市場(chǎng)應(yīng)用與典型案例 45農(nóng)副食品加工業(yè) 45食品制造業(yè) 45酒、飲料和精制茶制造業(yè) 46紡織業(yè) 46木材加工業(yè) 造紙和紙制品業(yè) 47化學(xué)原料和化學(xué)制品制造業(yè) 48汽車(chē)制造業(yè) 485.9其它 485.10典型案例 49參考文獻(xiàn) 57工業(yè)熱泵企業(yè)現(xiàn)狀 中國(guó)企業(yè) 59歐美企業(yè) 66日本企業(yè) 706.4結(jié)論 72參考文獻(xiàn) 72結(jié)論與展望 73總結(jié)與結(jié)論 73建議與展望 74工業(yè)熱泵發(fā)展白皮書(shū)工業(yè)熱泵發(fā)展白皮書(shū)PAGEPAGE5背景碳中和背景自工業(yè)革命以來(lái)，地球的自然平衡受到前所未有的沖擊。碳循環(huán)體系首當(dāng)其沖，碳源和碳匯平衡被打破，大氣層中的碳不斷累積，引發(fā)了世界對(duì)全球變暖、海平面上升等后果的思考。面對(duì)日益嚴(yán)峻的氣候危機(jī)挑戰(zhàn)，早在2014年11月12日，中美雙方在共同發(fā)表《中美氣候變化聯(lián)合聲明》中便提出了中國(guó)2030年左右二氧化碳排放達(dá)到峰值且爭(zhēng)取盡早達(dá)峰的計(jì)劃；2015年11月30日，中國(guó)政府向聯(lián)合國(guó)提交《強(qiáng)化應(yīng)對(duì)氣候變化行動(dòng)——中國(guó)國(guó)家自主貢獻(xiàn)》報(bào)告，正式確定2030年左右二氧化碳排放達(dá)到峰值并爭(zhēng)取盡早達(dá)峰的目標(biāo)。2020年9月22日第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論中，中國(guó)國(guó)家主席習(xí)近平做出中國(guó)在2030年前碳達(dá)峰（二氧化碳排放達(dá)到峰值）、2060年碳中和（溫室氣體凈零排放）的莊嚴(yán)承諾，并在氣候雄心峰會(huì)上進(jìn)一步宣布，到2030年，中國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右，森林蓄積量將比2005年增加60億立方米，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億千瓦以上。實(shí)現(xiàn)碳中和、重構(gòu)人與自然和諧關(guān)系的重任需要全世界各國(guó)精誠(chéng)合作，在構(gòu)建人類(lèi)命運(yùn)共同體的過(guò)程中，中國(guó)在全球氣候治理中承擔(dān)重大責(zé)任，展現(xiàn)非凡勇氣，為世界共同迎戰(zhàn)全球氣候環(huán)境改變注入信心。我國(guó)工業(yè)能耗現(xiàn)狀隨著發(fā)展中國(guó)家勞動(dòng)力廉價(jià)優(yōu)勢(shì)的顯現(xiàn)，傳統(tǒng)工業(yè)化國(guó)家大多已完成其工業(yè)生產(chǎn)向發(fā)展中國(guó)家的轉(zhuǎn)移，工業(yè)能耗比重隨之大幅降低，而新興工業(yè)化國(guó)家的工業(yè)能耗占比則顯著增加。中國(guó)作為當(dāng)今世界最大的制造業(yè)國(guó)家，根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，工業(yè)能耗約占社會(huì)總能耗的2/3。目前，工業(yè)用熱消費(fèi)是我國(guó)熱力消費(fèi)的主要領(lǐng)域。與居民采暖市場(chǎng)明顯的季節(jié)性不同，工業(yè)用熱需求呈現(xiàn)為連續(xù)性特征，且對(duì)蒸汽參數(shù)要求較高，蒸汽需求量更大。近年來(lái)，隨著我國(guó)工業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展，工業(yè)用熱需求逐年上升。在工業(yè)過(guò)程中，盡管不斷引入節(jié)能措施，大量余熱在生產(chǎn)過(guò)程中仍以氣、液、固形式排放造成散失。在我國(guó)，大量的工業(yè)能耗以各種形式的余熱被直接排放，而這種浪費(fèi)的能量可以在同一工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)用作熱源。熱泵是將環(huán)境熱能和工業(yè)余熱回收并用于熱能生產(chǎn)的裝置，通過(guò)這種裝置，可以大幅消減能源消耗和相關(guān)的二氧化碳排放。工業(yè)熱泵定義熱泵（HeatPump）是一種在電能或熱能等驅(qū)動(dòng)下，將低溫?zé)嵩吹臒崮苻D(zhuǎn)移到高溫?zé)嵩吹墓?jié)能裝置，從而為住宅、商業(yè)和工農(nóng)業(yè)等提供供熱服務(wù)。工業(yè)熱泵是指中、高功率范圍內(nèi)的熱泵，主要可用于工業(yè)過(guò)程中的熱回收和熱升級(jí)，也可用于工業(yè)、商業(yè)和多戶住宅建筑中的供暖、制冷和空調(diào)，以及區(qū)域供暖。工業(yè)熱泵作為一種主動(dòng)熱回收裝置，可將工業(yè)過(guò)程中的廢熱溫度提高到更高的溫度，以用于同一過(guò)程或其他相鄰過(guò)程的熱需求。因此，當(dāng)傳統(tǒng)的被動(dòng)熱回收不可行時(shí)，可以利用熱泵促進(jìn)節(jié)能。工業(yè)熱泵對(duì)碳中和的意義為了推動(dòng)碳中和的實(shí)現(xiàn)，需要“五碳并舉”。第一，資源增效減碳：達(dá)到同樣的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，并將能源需求降到最低。第二，能源結(jié)構(gòu)降碳：大幅提升非化石能源比例。第三，地質(zhì)空間存碳：通過(guò)碳捕集利用和封存來(lái)減排部分二氧化碳。第四，生態(tài)系統(tǒng)固碳：通過(guò)各種生態(tài)建設(shè)手段，鞏固和增加二氧化碳的碳匯能力。第五，市場(chǎng)機(jī)制融碳：碳市場(chǎng)會(huì)通過(guò)市場(chǎng)機(jī)制來(lái)推動(dòng)各類(lèi)技術(shù)更合理有效地應(yīng)用。其中，“能源結(jié)構(gòu)降碳”是減碳幅度最大的一個(gè)方面，大力促進(jìn)風(fēng)光等可再生能源發(fā)展、改變產(chǎn)業(yè)用能結(jié)構(gòu)等，將推動(dòng)中國(guó)能源結(jié)構(gòu)深度轉(zhuǎn)型。根據(jù)《網(wǎng)易研究局碳中和報(bào)告》，2020年全年中國(guó)共排放103.76億噸二氧化碳，其中工業(yè)排放占比近50%，排放量達(dá)到了51.63億噸，因此實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵在于有效控制工業(yè)碳排放。工業(yè)部門(mén)的脫碳手段包括：(1)提高工藝效率和利用新工藝來(lái)減少最終能源消耗；(2)余熱回收；(3)使用可再生能源代替化石能源。我國(guó)工業(yè)消耗的能源有一半以上以廢氣和廢水的形式轉(zhuǎn)化為余熱，其中只有30%被重新利用，這是能源利用效率低下的原因之一；而熱泵可以通過(guò)對(duì)工藝過(guò)程中的廢熱進(jìn)行再利用，從而大大節(jié)省能源消耗和相關(guān)的二氧化碳排放。隨著可再生能源發(fā)電所占份額的不斷增加，利用電力驅(qū)動(dòng)的工業(yè)熱泵是實(shí)現(xiàn)更可持續(xù)產(chǎn)業(yè)的有力選擇。更具體地說(shuō)，熱泵的實(shí)施既可以顯著提高能源效率，也可以吸收可再生能源。工業(yè)熱泵的價(jià)值在于其通過(guò)使用低碳電力減少供暖碳排放的能力，和通過(guò)提供大規(guī)模靈活性支持電力脫碳工作的潛力，以及降低平衡電力系統(tǒng)和在用戶端消耗熱能的成本。因此，隨著可再生電力的普及，工業(yè)熱泵可以顯著推動(dòng)熱量和電力的脫碳。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有政策和法規(guī)熱泵技術(shù)憑借高效節(jié)能、環(huán)保安全等優(yōu)勢(shì)，受到多地政府的支持與推廣，在供暖、生活、熱水、烘干、工業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。工業(yè)熱泵發(fā)展白皮書(shū)工業(yè)熱泵發(fā)展白皮書(shū)PAGE7PAGE7時(shí)間 部門(mén) 支持熱泵的政策規(guī)定2021年9月26日 中共京委公廳北京市人民政府辦公廳

《關(guān)于推進(jìn)北京城市副中心高質(zhì)量發(fā)展的實(shí)施方案》2021年10月11日 湖北人政辦廳 《湖北省城鄉(xiāng)人居環(huán)境建設(shè)“十四五”規(guī)劃》2021年11月27日 甘肅人政辦廳 《甘肅省“十四五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》2021年11月28日 北京人政府 《北京市“十四五”時(shí)期生態(tài)環(huán)境保規(guī)劃》2022年1月3日 遼寧人政辦廳 《遼寧省“十四五”生態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃的通知》2022年1月6日 天津人政辦廳 《天津市生態(tài)環(huán)境保護(hù)“十四五”規(guī)劃》2022年1月10日 重慶住和鄉(xiāng)設(shè)員會(huì) 《重市色筑十”規(guī)》2022年1月14日 上海機(jī)事管局 《上海市公共機(jī)構(gòu)綠色低碳循環(huán)發(fā)展行動(dòng)方案》2022年1月14日 新疆吾自區(qū)委新疆維吾爾自治區(qū)人民政府

《新疆生態(tài)環(huán)境保護(hù)“十四五”規(guī)劃》2022年2月8日 內(nèi)蒙自區(qū)民府公廳 《內(nèi)古治“四五節(jié)能劃》2022年7月7日 工業(yè)信化部發(fā)展改革委生態(tài)環(huán)境部

《工業(yè)領(lǐng)域碳達(dá)峰實(shí)施方案》2022年10月11日 北京人政府 《北市達(dá)實(shí)方》2022年11月2日 江西工和息廳江西省發(fā)展和改革委員會(huì)江西省生態(tài)環(huán)境廳2022年12月5日 天津工和息局天津市發(fā)展改革委天津市生態(tài)環(huán)境局2022年12月9日 上海經(jīng)和息委會(huì)

2023年1月16日 國(guó)家關(guān)務(wù)理局 《國(guó)管局于2023年共機(jī)構(gòu)能源資源節(jié)約和生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作安排的通知》2023年1月17日 江蘇工和息廳江蘇省發(fā)展和改革委員會(huì)江蘇省生態(tài)環(huán)境廳2023年3月2日 浙江經(jīng)和息廳浙江省發(fā)展和改革委員會(huì)浙江省生態(tài)環(huán)境廳2023年3月22日 河南工和息廳河南省發(fā)展改革委河南省生態(tài)環(huán)境廳2023年4月28日 山東工和息廳山東省發(fā)展和改革委員會(huì)山東省生態(tài)環(huán)境廳2023年5月4日 內(nèi)蒙自區(qū)業(yè)信化內(nèi)蒙古自治區(qū)發(fā)展改革委內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)環(huán)境廳

《江蘇省工業(yè)領(lǐng)域及重點(diǎn)行業(yè)碳達(dá)峰實(shí)施方案》《內(nèi)蒙古自治區(qū)工業(yè)領(lǐng)域碳達(dá)峰實(shí)施方案》國(guó)外支持熱泵的政策和法規(guī)國(guó)家 支持熱泵的政策規(guī)歐盟 SPIRIT目20302050實(shí)現(xiàn)工業(yè)供暖脫碳是最有效的途徑之一3.52030160°C英國(guó) ?議從2022年，率不過(guò)45瓦熱供4,000鎊貼。CleanHeatGrant20224.590,0005,000荷蘭 ?供1,000-2,500元家用泵貼。201120162020挪威 ?油稅為45%,的稅為36%較的力稅促人從前遍使用的阻采設(shè)轉(zhuǎn)為效更的泵；舊供系替清潔熱統(tǒng)補(bǔ)貼(90%的設(shè)都為用泵)。瑞典 ?用碳，石稅(45%)電稅(39%)勵(lì)熱和中暖。熱泵安裝ROTROT工業(yè)熱泵發(fā)展白皮書(shū)工業(yè)熱泵發(fā)展白皮書(shū)PAGEPAGE10芬蘭 ?過(guò)免泵戶人所還泵戶泵安裝勞部分費(fèi)的60%,最高為3,000歐元；稅石總率為45%,天氣43%,力33%。丹麥 ?泵換油備應(yīng)補(bǔ)；(50%)(56%)(70%,35%)20132016法國(guó) ?能可生源投資本稅抵不過(guò)30%或16,000元)，且這類(lèi)項(xiàng)改的值由10%降至5.5%；30,00034%，24%,36%；愛(ài)爾蘭 ?熱泵(其可生源技或效施)供達(dá)30%的本到最低能性標(biāo)的人宅提達(dá)3,500元補(bǔ)助。意大利 ?Ecobonus2021策購(gòu)買(mǎi)泵個(gè)進(jìn)所稅免65%熱費(fèi)，戶建筑最助3歐。德國(guó) ?在至少五年房齡的現(xiàn)有建筑中安裝熱泵，根據(jù)舊供暖的類(lèi)型，可以獲得35%50%補(bǔ)比。60,0001,000（1,500。西班牙 ?德計(jì)提用新建的冷制空熱泵施政補(bǔ)貼金額不超安本50%。工業(yè)熱泵技術(shù)與發(fā)展工業(yè)熱泵系統(tǒng)類(lèi)型工業(yè)熱泵的分類(lèi)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(shū)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(lèi)型：低溫?zé)岜谩⒅袦責(zé)岜?、高溫?zé)岜煤统邷責(zé)岜茫鐖D2-1所示。在該分類(lèi)方案中，不同類(lèi)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(lèi)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。低溫工業(yè)熱泵：Tout<60°C；60<100°C；高溫工業(yè)熱泵：100≥160°C。圖2-1工業(yè)熱泵根據(jù)供熱溫度的分類(lèi)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(guò)理想等熵壓縮和等焓膨脹進(jìn)行了改進(jìn)。最常見(jiàn)的配置是單級(jí)循環(huán)，包括原始的單級(jí)、帶有蒸氣噴射或噴射器以改善循環(huán)性能的單級(jí)循環(huán)，以及配有經(jīng)濟(jì)器和內(nèi)部熱交換器的單級(jí)循環(huán)。多級(jí)系統(tǒng)采用多個(gè)壓縮級(jí)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(lái)，以實(shí)現(xiàn)更大的溫升?；旌蠠岜孟到y(tǒng)將蒸氣壓縮熱泵與吸收、吸附、太陽(yáng)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(jí)、多級(jí)、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(guò)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(jí)熱泵是基本配置，具有連接、運(yùn)行和維護(hù)簡(jiǎn)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(chǎng)合時(shí)，組件需要定制。帶過(guò)冷器的單級(jí)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(guò)吸收冷凝器后過(guò)冷液體的熱量，在蒸氣進(jìn)入壓縮機(jī)之前對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱來(lái)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(guò)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(jí)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(chǎng)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(guò)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。熱水（熱風(fēng)）制備在加熱、洗滌、消毒和干燥等過(guò)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(guò)程中產(chǎn)生的余熱通過(guò)冷卻塔排放。熱水或熱風(fēng)也可以通過(guò)熱泵來(lái)制備，根據(jù)溫升不同，制備過(guò)程可以采用單級(jí)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(chǎng)合也可以采用跨臨界（CO2）循環(huán)。圖2-2單級(jí)壓縮循環(huán)流程圖圖2-3復(fù)疊循環(huán)流程圖亞臨界熱泵循環(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。跨臨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(guò)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。跨臨界循環(huán)的流程圖可參考單級(jí)壓縮循環(huán)。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(guò)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(guò)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(lái)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(chēng)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(jí)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(jiàn)圖2-4與圖2-5。圖2-4單級(jí)壓縮+閃蒸循環(huán)流程圖圖2-5復(fù)疊壓縮+閃蒸循環(huán)流程圖當(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(duì)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(chēng)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?，可以滲透到過(guò)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(jí)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(jiàn)圖2-6與2-7。圖2-6單級(jí)壓縮+閃蒸+蒸汽壓縮循環(huán)流程圖圖2-7復(fù)疊壓縮+閃蒸+蒸汽壓縮循環(huán)流程圖工業(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(duì)于供應(yīng)溫度在100°C和200°C之間的技術(shù)，當(dāng)前處于開(kāi)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(jí)和廣泛使用的問(wèn)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(guò)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。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(guò)采用工作壓力超過(guò)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(guó)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。帶儲(chǔ)能功能的高溫?zé)岜秒S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(wèn)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(duì)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。工業(yè)熱泵用壓縮機(jī)在蒸氣壓縮式熱泵系統(tǒng)中，各種類(lèi)型的熱泵壓縮機(jī)是決定系統(tǒng)供熱能力的關(guān)鍵部件，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行性能、噪聲、振動(dòng)、維護(hù)和使用壽命等有著直接的影響。相比較民用熱泵，工業(yè)熱泵的熱源溫度與供熱溫度范圍寬廣，熱泵系統(tǒng)所采用的工質(zhì)物性也存在很大的差異，這就決定了采用不同工作溫度與不同工質(zhì)的熱泵壓縮機(jī)有著各自特點(diǎn)。工業(yè)熱泵用壓縮機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀往復(fù)壓縮機(jī)往復(fù)壓縮機(jī)作為應(yīng)用最廣泛的一種壓縮機(jī)，盡管市場(chǎng)份額已經(jīng)被其它形式的壓縮機(jī)逐漸壓縮，但在小制熱量的應(yīng)用場(chǎng)合仍然占有一席之地，并在小型高溫?zé)岜弥腥〉昧思夹g(shù)與市場(chǎng)的突破。Viking與AVLSchrick聯(lián)合開(kāi)發(fā)的HeatBooster工業(yè)熱泵，其核心設(shè)備是一臺(tái)往復(fù)式熱泵壓縮機(jī)，在半程維護(hù)之前，該壓縮機(jī)可在高達(dá)200°C的溫度下工作40000小時(shí)。渦旋壓縮機(jī)渦旋壓縮機(jī)由于具有動(dòng)力平衡性好、壓力波動(dòng)小以及振動(dòng)和噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，在熱泵應(yīng)用場(chǎng)合中相比較往復(fù)式壓縮機(jī)更具有優(yōu)勢(shì)。利用渦旋式熱泵壓縮機(jī)在空氣源熱泵中制備80°C熱水的穩(wěn)定性已經(jīng)在諸多應(yīng)用場(chǎng)景中得到了驗(yàn)證，并且得到了商業(yè)化。達(dá)到120°C熱匯溫度的渦旋熱泵壓縮機(jī)樣機(jī)已經(jīng)由Emerson成功開(kāi)發(fā)并投入了示范運(yùn)行。AlterECO項(xiàng)目中設(shè)計(jì)了一臺(tái)能夠在140°C冷凝溫度和200kW熱輸出下運(yùn)行的高溫?zé)岜?，熱泵由兩臺(tái)功率分別為75kW的并聯(lián)渦旋壓縮機(jī)運(yùn)行，并經(jīng)過(guò)1000多小時(shí)的試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證了其可靠性。英華特針對(duì)高溫烘干應(yīng)用開(kāi)發(fā)了15-25HP的渦旋熱泵壓縮機(jī)，具有以下特點(diǎn)：(1)R515B工質(zhì)應(yīng)用，極低GWP(2)高冷凝溫度,可滿足80-100°C應(yīng)用區(qū)間需求；(3)大制熱能力可滿足更多商業(yè)、工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景；(4)序、缺相、過(guò)熱多種安全保障。滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)依靠氣缸中偏心圓筒形轉(zhuǎn)子的滾動(dòng)減小內(nèi)部容積，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的有效壓縮，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、易損件少、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，主要用于空調(diào)/熱泵、輕商冷凍冷藏等領(lǐng)域。在熱泵領(lǐng)域，滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)主要用于CO2工質(zhì)，采用雙級(jí)壓縮的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)效率高、振動(dòng)低和噪聲小。大金工業(yè)有限公司從2002年開(kāi)始開(kāi)發(fā)用于CO2熱泵熱水器和汽車(chē)空調(diào)的高性能和高可靠性的滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)，GMCC美芝從2006年已經(jīng)開(kāi)始CO2滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)研發(fā)工作。羅茨壓縮機(jī)羅茨壓縮機(jī)作為最早問(wèn)世的旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)，19世紀(jì)中葉就開(kāi)始在市場(chǎng)上獲得應(yīng)用，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低，逐漸在蒸汽壓縮領(lǐng)域獲得應(yīng)用。由于羅茨蒸汽壓縮機(jī)齒型為直齒設(shè)計(jì)，沒(méi)有扭轉(zhuǎn)角，因此沒(méi)有內(nèi)壓縮過(guò)程，效率隨著壓比上升急劇下降，主要用于中小流量、溫升10~15°C的MVR裝置，在一些溫升超過(guò)15°C的場(chǎng)合，也有雙級(jí)羅茨蒸汽壓縮機(jī)的應(yīng)用。隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能的日益重視，羅茨壓縮機(jī)在空氣動(dòng)力行業(yè)逐漸被螺桿壓縮機(jī)與離心壓縮機(jī)所替代，在蒸汽壓縮行業(yè)也呈現(xiàn)這樣的趨勢(shì)。為了提高羅茨蒸汽壓縮機(jī)的效率，國(guó)外制造商（如凱撒）開(kāi)始往高速方向發(fā)展，除了要解決軸承與軸封的可靠性問(wèn)題，更大的瓶頸在于羅茨蒸汽壓縮機(jī)的排氣噪聲的控制。單螺桿壓縮機(jī)單螺桿壓縮機(jī)除了具有回轉(zhuǎn)壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小和無(wú)氣閥組件等特點(diǎn)外，還因?yàn)閮蓚€(gè)星輪在螺桿兩側(cè)對(duì)稱(chēng)配置而具備獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)合理，具有理想的力平衡性；(2)單機(jī)容量大，無(wú)余隙容積；(3)高速輕載，易于建立流體動(dòng)力潤(rùn)滑。單螺桿壓縮機(jī)的主要缺點(diǎn)是中、高頻率的噪聲較大，嚙合副與機(jī)殼的幾何形狀和相互位置精度要求高。不同于雙螺桿壓縮機(jī)，單螺桿壓縮機(jī)不存在同步齒輪結(jié)構(gòu)，因此轉(zhuǎn)子與星輪需要良好的潤(rùn)滑來(lái)減少直接接觸帶來(lái)的磨損，這就意味著單螺桿壓縮機(jī)主要用于噴油壓縮。歐適能制造的高溫?zé)岜貌捎昧藛温輻U壓縮機(jī)，熱匯溫度為95-130°C。廢熱來(lái)自溫度為35-55°C（一級(jí)經(jīng)濟(jì)器循環(huán)）或8-25°C（兩級(jí)復(fù)疊循環(huán)）的熱源。單機(jī)供熱能力為170-750kW，通過(guò)多臺(tái)機(jī)器并聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)更高的容量，例如1.5MW的雙機(jī)組。StarRefrigeration的熱泵（Neatpump）可以產(chǎn)生高達(dá)90°C的熱水，加熱能力從380-2600kW。采用特殊鑄鋼設(shè)計(jì)的Vilter單螺桿壓縮機(jī)技術(shù)（VSSH系列）可承受高達(dá)76bar的壓力。在50/90°C時(shí)，可實(shí)現(xiàn)約4的COP。雙螺桿壓縮機(jī)雙螺桿壓縮機(jī)由于尺寸小、重量輕和易維護(hù)，在諸多工業(yè)領(lǐng)域?qū)Υ笮屯鶑?fù)壓縮機(jī)和小型離心壓縮機(jī)形成了全面挑戰(zhàn)，尤其在制冷、空調(diào)及熱泵應(yīng)用場(chǎng)合，還具有部分負(fù)荷下的良好性能。Ochsner基于雙螺桿壓縮機(jī)制造的工業(yè)熱泵，熱匯溫度可以實(shí)現(xiàn)130°C，制熱量可以達(dá)到750kW。在空氣源熱泵中，由于環(huán)境溫度隨著季節(jié)變換及日夜更替波動(dòng)較大，空氣側(cè)低溫級(jí)循環(huán)的壓比會(huì)在2~10之間波動(dòng)，為熱泵壓縮機(jī)帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)，要求熱泵壓縮機(jī)在寬壓比變動(dòng)范圍內(nèi)仍然能維持高效。而雙螺桿壓縮機(jī)由于帶有內(nèi)容積比調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可以根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行壓比調(diào)節(jié)排氣孔口形狀，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)效率的最優(yōu)化。雙螺桿蒸汽壓縮機(jī)介入高溫（排氣溫度達(dá)到200°C或更高）領(lǐng)域，主要沿用無(wú)油雙螺桿氣體壓縮機(jī)路線，結(jié)構(gòu)上將以滑動(dòng)軸承、多道充氣碳環(huán)密封（或干氣密封）來(lái)應(yīng)對(duì)高溫工況下的技術(shù)挑戰(zhàn)。離心壓縮機(jī)離心壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)零件少，且制造精度要求低，具有制造成本低和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。雖然離心壓縮機(jī)在部分負(fù)荷下具有喘振風(fēng)險(xiǎn)，但在一些工作壓力變化范圍狹小的場(chǎng)合（如水源熱泵）、制熱量較大（>1MW）的應(yīng)用場(chǎng)合中，仍將具有無(wú)可比擬的系統(tǒng)總效率與極有競(jìng)爭(zhēng)力的投資回收期。FriothermAG的Unitop系列工業(yè)熱泵采用兩級(jí)離心壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)40-90°C的供熱溫度，斯德哥爾摩地區(qū)的供暖網(wǎng)絡(luò)采用了大型熱泵機(jī)組，配備了6臺(tái)并聯(lián)的Unitop50FY。上海交通大學(xué)與格力空調(diào)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的基于離心壓縮機(jī)的10MW級(jí)水源熱泵，在30~40°C熱源溫度與60~70°C熱水溫度下運(yùn)行，在供暖季累計(jì)12個(gè)月的運(yùn)行中充分驗(yàn)證了離心壓縮機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。離心蒸汽壓縮機(jī)由于容積流量大，可靠性高，動(dòng)力平衡性好，是目前蒸汽壓縮領(lǐng)域的主要應(yīng)用機(jī)型，目前單級(jí)壓縮最大溫升可達(dá)20~25°C，雙級(jí)壓縮最大溫升可達(dá)40~45°C，而且離心蒸汽壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)不受排氣溫度與排氣壓力限制，因此可以用在羅茨蒸汽壓縮機(jī)與螺桿蒸汽壓縮機(jī)所不能勝任的高溫工況（可達(dá)250°C或更高）。離心蒸汽壓縮機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是小型化與多級(jí)化，以延伸到更小氣量與更大溫升的蒸汽壓縮工況。從結(jié)構(gòu)上而言，高速電機(jī)直驅(qū)將是未來(lái)的主要發(fā)展方向，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用磁懸浮軸承或氣懸浮軸承將避免齒輪傳動(dòng)所帶來(lái)的成本增加與效率損失問(wèn)題。工業(yè)熱泵用壓縮機(jī)的發(fā)展大容量半封閉高溫?zé)岜脡嚎s機(jī)采用封閉式的結(jié)構(gòu)，把電動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)連成一整體，裝在同一機(jī)體內(nèi)共用一根主軸，因而可以取消開(kāi)啟式壓縮機(jī)中的軸封裝置，避免了由此產(chǎn)生或多或少泄漏的可能性。半封閉壓縮機(jī)用于制冷循環(huán)及常規(guī)熱泵循環(huán)已經(jīng)成熟，但用于高溫?zé)岜萌匀皇艿揭恍┫拗?。目前小型半封閉高溫壓縮機(jī)如往復(fù)式壓縮機(jī)與渦旋式壓縮機(jī)不存在潤(rùn)滑油管理問(wèn)題，當(dāng)高溫壓縮機(jī)往大型化發(fā)展，螺桿式壓縮機(jī)必然要面臨潤(rùn)滑油管理問(wèn)題，因?yàn)楣ぷ鞲焙陀捅仨氃诟邷叵录嫒?，并且必須考慮回油的熱回收，由于高排放溫度和油的熱穩(wěn)定性，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)受到限制。一種有效的解決方案是采用多級(jí)磁懸浮離心壓縮機(jī)，由于磁懸浮離心壓縮機(jī)純無(wú)油運(yùn)行，不存在潤(rùn)滑油管理問(wèn)題，在壓縮機(jī)熱力學(xué)方面顯然不存在溫度限制。但另一個(gè)困難在于高溫工況下（如蒸發(fā)溫度>60°C，冷凝溫度>100°C），半封閉電機(jī)散熱問(wèn)題，這需要平衡兩個(gè)方面：電機(jī)冷卻造成的熱損失與電機(jī)過(guò)熱引起的可靠性下降。高溫蒸汽壓縮機(jī)在可供選擇的低GWP工質(zhì)中，R1336mzz(Z)由于臨界溫度達(dá)到164.1°C，不易燃且無(wú)毒，將高溫?zé)岜玫臒釁R溫度推向了155°C。當(dāng)高溫?zé)岜脽釁R溫度的目標(biāo)值是175°C或更高時(shí)，采用R718(水)成為目前的最佳選擇，這就要求開(kāi)發(fā)高溫蒸汽壓縮機(jī)來(lái)適應(yīng)該要求。綜合考慮壓縮機(jī)的運(yùn)行原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與操作特性，雙螺桿蒸汽壓縮機(jī)與離心蒸汽壓縮機(jī)成為高溫蒸汽壓縮機(jī)的兩個(gè)選擇。雙螺桿蒸汽壓縮機(jī)由于允許注水，采用單級(jí)壓縮可以達(dá)到較大的溫升(>60°C)，由于是容積式壓縮，采用剛性軸設(shè)計(jì)，適應(yīng)變工況能力強(qiáng)，變轉(zhuǎn)速范圍寬廣。但缺點(diǎn)是在高溫工況下水蒸汽經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子的間隙產(chǎn)生較大的泄漏損失，導(dǎo)致效率偏低。同時(shí)高壓水蒸汽要求復(fù)雜的軸封結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)來(lái)防止水蒸汽漏入軸承側(cè)污染潤(rùn)滑油，由于其雙軸結(jié)構(gòu)配備4套軸封，必然增大了雙螺桿蒸汽壓縮機(jī)的制造成本?？尚械慕鉀Q方案是提高雙螺桿壓縮機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速來(lái)減少壓縮機(jī)尺寸，提高壓縮機(jī)效率，這可以通過(guò)采用高速永磁電機(jī)直驅(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)。雙螺桿蒸汽壓縮機(jī)在高速、高溫下的可靠性問(wèn)題是下一步需要研究的重要問(wèn)題。與雙螺桿蒸汽壓縮機(jī)相比，離心蒸汽壓縮機(jī)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，流量大，單軸設(shè)計(jì)時(shí)造價(jià)低。缺點(diǎn)是離心蒸汽壓縮機(jī)作為速度式壓縮機(jī)，適應(yīng)變工況能力差，變轉(zhuǎn)速范圍狹窄。同時(shí)為了控制排氣溫度及確保一定的壓縮效率，單級(jí)壓縮溫升一般不超過(guò)18~22°C，導(dǎo)致大溫差工況下需要采用兩級(jí)或多級(jí)壓縮。據(jù)調(diào)研，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上已有用于MVC裝置的兩級(jí)和三級(jí)離心蒸汽壓縮機(jī)，溫升分別達(dá)到35和50°C，可以預(yù)見(jiàn)的是，多級(jí)壓縮不應(yīng)該成為離心蒸汽壓縮機(jī)應(yīng)用于高溫?zé)岜玫募夹g(shù)障礙。困難在于，在MVC多級(jí)離心蒸汽壓縮機(jī)技術(shù)引入高溫?zé)岜玫倪^(guò)程中，如何使制造成本在批量化生產(chǎn)過(guò)程中獲得大幅下降。工業(yè)熱泵用工質(zhì)高溫循環(huán)工質(zhì)是壓縮式高溫?zé)岜玫摹把骸?，蒸氣壓縮循環(huán)的關(guān)鍵工況點(diǎn)的設(shè)計(jì)與熱泵工質(zhì)的選型直接相關(guān)，而壓縮機(jī)的選型與設(shè)計(jì)也需要首先確定熱泵工質(zhì)。熱泵工質(zhì)往往從制冷劑中選取，而制冷劑到目前為止已經(jīng)經(jīng)歷了近200年的發(fā)展，在過(guò)去的200年中，由于需求的不同，對(duì)制冷劑的選型要求也一直變化。在高溫?zé)岜孟到y(tǒng)中，對(duì)工質(zhì)的選型要求大多也符合對(duì)制冷系統(tǒng)中制冷劑的要求。但是，熱泵工質(zhì)的壓力溫度工作范圍往往更高，對(duì)熱泵工質(zhì)的熱物理性質(zhì)要求更好。同時(shí)在余熱回收中的熱泵系統(tǒng)與制冷系統(tǒng)相比，往往具有更高的容量，因而對(duì)工質(zhì)的環(huán)保特性和經(jīng)濟(jì)性要求相應(yīng)也會(huì)更高。同時(shí)工質(zhì)與潤(rùn)滑油混合后的熱穩(wěn)定性也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的因素。工質(zhì)與潤(rùn)滑油混合物的性質(zhì)將進(jìn)一步限制壓縮機(jī)的排氣溫度，過(guò)高的溫度有可能引起潤(rùn)滑油和系統(tǒng)其他部件材料的化學(xué)分解或焦化。此外，熱泵工質(zhì)需要具有與金屬材料或其他化學(xué)材料良好的相容性，避免在運(yùn)行過(guò)程中降解。需要相容的常見(jiàn)材料有鋁、鋼、銅，以及聚合物等。目前工質(zhì)的成熟應(yīng)用在當(dāng)前的技術(shù)體系中，R134a和R245fa具有相對(duì)優(yōu)異的熱力學(xué)性能，已經(jīng)在熱泵系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。R134aR134a的臨界溫度為101.1°C，對(duì)蒸氣壓縮式熱泵而言，當(dāng)冷凝溫度低于70°C時(shí)，R134a往往是比較合適的選擇。東京電力公司研制了以R134a為工質(zhì)的離心式高溫?zé)岜?，制?30℃的高溫高壓水及高溫空氣，用以木材干燥和變壓器制造的工藝過(guò)程。該系統(tǒng)采用了跨臨界多級(jí)循環(huán)流程，COP達(dá)到3.0，與化石燃料鍋爐相比，節(jié)省了27%一次能源消耗量，降低CO2排放量達(dá)44%。瑞士Friotherm公司開(kāi)發(fā)了工質(zhì)為R134a，最高冷凝溫度為90°C，制熱量范圍為2MW到20MW的離心式高溫?zé)岜脵C(jī)組。由于R134a的GWP達(dá)到1300，出于環(huán)境保護(hù)的考慮，已經(jīng)被各國(guó)逐漸限制使用。R245faR245fa是工業(yè)高溫?zé)岜弥惺褂玫闹饕べ|(zhì)，臨界溫度為154°C，對(duì)蒸氣壓縮式熱泵而言，當(dāng)冷凝溫度低于125°C時(shí)，R245a往往是比較合適的選擇。R245a具有較高的熱穩(wěn)定性和水解穩(wěn)定性，但其GWP值為858，很可能在未來(lái)幾年被淘汰(或降低)。日本神戶制鋼所研制的系列蒸汽高溫?zé)岜?，采用高壓縮比高溫適用的兩級(jí)螺桿式壓縮機(jī)，工質(zhì)采用高溫工質(zhì)R245fa，熱功率380~660kW，冷凝溫度可達(dá)120°C，COP達(dá)到3.2，可對(duì)工廠內(nèi)的溫排水實(shí)施熱回收，適用于食品、藥品、輕化工等工業(yè)的原料濃縮及干燥等多種工序。未來(lái)工質(zhì)的發(fā)展工質(zhì)的選擇在蒸汽壓縮熱泵中起著關(guān)鍵作用。工質(zhì)的特性不僅決定了蒸汽壓縮熱泵的性能，還對(duì)環(huán)境有較大影響。目前，工質(zhì)選擇原則優(yōu)先考慮其全球變暖潛能(GWP)和臭氧消耗潛能(ODP)，首選ODP值為零和GWP小于150的工質(zhì)。基于這些要求，純低GWP(GWP<150)工質(zhì)，如天然工質(zhì)、碳?xì)浠衔?HCs)、低GWP氫氟碳化合物(HFC)、新型氫氟碳化合物(HFO)和氫氯氟烴(HCFOs)，被建議在蒸汽壓縮熱泵中推廣使用。根據(jù)工業(yè)用熱需求和各種蒸汽壓縮熱泵選項(xiàng)提供的輸出溫度范圍，這些熱泵在不同環(huán)境下的應(yīng)用滿足30-200°C的輸出溫度。天然工質(zhì)、合成氫氟烴(HFO)和氫氯氟烯烴(HCFOs)被認(rèn)為是有望取代HFC的第四代低GWP工質(zhì)。在高溫?zé)岜煤陀袡C(jī)朗肯循環(huán)(ORC)應(yīng)用中，HFC-245fa的主要替代品是HFO-1366mzz(Z)、HFO-1234ze(Z)、HCFO-1233zd(E)、HCFO-1224yd(Z)以及碳?xì)浠衔颒C-601(正戊烷)和HC-600(正丁烷)。HFOs適用于高溫?zé)岜玫腍FOs工質(zhì)包括R1336mmz(Z)、R1336mmz(E)、R1234ze(E)和R515B等等。R1336mmz(Z)具有相對(duì)較低的臨界壓力(29bar)，臨界溫度為171.3℃，該工質(zhì)的安全分類(lèi)為A1，ODP為零，GWP為2，大氣壽命為22天。它在250°C以下穩(wěn)定，因此適用于余熱回收工業(yè)熱泵和有機(jī)朗肯循環(huán)等應(yīng)用，以替代R245fa。其同分異構(gòu)體R1336mzz(E)的GWP約為18，臨界溫度為137.7°C。R1234ze(E)的臨界壓力為36.3Bar，臨界溫度為109.4°C，該工質(zhì)的安全分類(lèi)為A2L，大氣壽命為16.4天，ODP為零，GWP<1R515B的臨界壓力為35.8Bar，臨界溫度為108.9°C，該工質(zhì)的安全分類(lèi)為A1，ODP為零，GWP為299。R1234ze(E)和R515B兩種工質(zhì)的熱物性非常接近，基本可以共用相同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。R1234ze(E)和R515B適用于工業(yè)熱泵的各種場(chǎng)景，以替代R134a。尤其在80°C～95°C溫度區(qū)間，相比于R134a，R1234ze(E)和R515B的能效優(yōu)勢(shì)非常顯著，更好的適用于各種熱源需要。HCFOs適用于高溫?zé)岜玫腍CFOs工質(zhì)包括R1233zd(E)與R1224yd(Z)。在可用的HCFOs中，R1233zd(E)被認(rèn)為是高溫?zé)岜玫臐撛诠べ|(zhì)。對(duì)臭氧層幾乎無(wú)影響，ODP幾乎為0且大氣壽命短（6天），GWP為1，臨界溫度為166.5°C，臨界壓力為36.2bar，安全分類(lèi)為A1。盡管R1233zd(E)在高溫?zé)岜脩?yīng)用中的實(shí)驗(yàn)案例比較少，但是其在有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）和離心冷水機(jī)組等應(yīng)用領(lǐng)域大量應(yīng)用，基于其在高溫應(yīng)用中具有優(yōu)異的傳熱性能和顯著的能效優(yōu)勢(shì)，因此適用于余熱回收工業(yè)熱泵、有機(jī)朗肯循環(huán)和離心冷水機(jī)組等應(yīng)用領(lǐng)域，以取代R245fa。根據(jù)R1233zd(E)可以在COP和VHC之間做出很好的折衷，它的VHC高(當(dāng)VHC是唯一標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，它是熱匯出口溫度低于140°C的首選流體)，同時(shí)COP也很好，因此它可能是一種適合的流體，尤其適用于熱源入口溫度大于65°C的范圍。HCFO工質(zhì)R1224yd(Z)是一種A1安全等級(jí)的工質(zhì)，主要用于透平式制冷機(jī)和余熱回收熱泵。由于ODP(大氣壽命為21天)幾乎為0，GWP值低于1，R1244yd(Z)對(duì)環(huán)境的影響很小。其物理性質(zhì)與R245fa和R1233zd(E)非常接近。此外，它還與最常用的金屬、塑料和彈性體具有良好的相容性，并且可與合成油(如POE)混溶。天然工質(zhì)適合高溫?zé)岜玫奶烊还べ|(zhì)有水(R718)、二氧化碳(R744)、氨(R717)、碳?xì)浠衔锏取?1)水(R718)水工質(zhì)有以下特殊優(yōu)點(diǎn)：(1)水的ODP為零，GWP<1，這意味著水是一種環(huán)境友好的工質(zhì)，未來(lái)不會(huì)受到限制；(2)濟(jì)的工質(zhì)，自來(lái)水、經(jīng)處理的廢水或經(jīng)過(guò)粗過(guò)濾的河水都可直接用作補(bǔ)給水；(3)不易爆，不具有其他危險(xiǎn)性質(zhì)；(4)水的化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，長(zhǎng)期使用不會(huì)分解；(5)和二氧化碳相比，水的蒸發(fā)潛熱和單位質(zhì)量制熱量較大；(6)施；(7)與其他工質(zhì)相比，水具有較高的理論性能系數(shù)(COP)；(8)熱交換器進(jìn)行蒸發(fā)和冷凝。水蒸氣作為工質(zhì)的缺點(diǎn)是其高比容、所需的高壓比，以及由此產(chǎn)生的壓縮機(jī)出口溫度高。已經(jīng)證明，這些技術(shù)挑戰(zhàn)可以通過(guò)專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的壓縮機(jī)來(lái)克服，尤其是帶有級(jí)間冷卻器的多級(jí)渦輪壓縮機(jī)。在當(dāng)今世界，COP高的制冷系統(tǒng)是主要目標(biāo)，但它并不是決定使用哪種工質(zhì)的唯一因素。ODP和GWP等環(huán)境參數(shù)正變得越來(lái)越嚴(yán)格。此外，還大量考慮了工質(zhì)的經(jīng)濟(jì)成本和安全性能。就所有這些方面和上述特定操作條件而言，水是最好的工質(zhì)。(2)二氧化碳(R744)二氧化碳熱泵通常采用較小的尺寸。它們也在更大范圍內(nèi)被商業(yè)化。盡管低臨界溫度為31°C，高臨界壓力為73.6bar，二氧化碳熱泵在跨臨界循環(huán)中也能達(dá)到90至120°C的熱匯溫度。如果熱匯的入口溫度不遠(yuǎn)高于臨界溫度，二氧化碳作為高溫?zé)岜昧黧w是可行的。氣體冷卻器中的高跨臨界溫度滑移使二氧化碳成為一種特別適用于熱源和熱匯溫差大的場(chǎng)景的工質(zhì)。天然工質(zhì)CO2是第一代工質(zhì)之一。在制冷與熱泵領(lǐng)域，相比NH3更安全。同時(shí)由于其高流體密度和高工作壓力，可以使用更小型的熱泵系統(tǒng)。其單位體積制冷量是CFC、HCFC、HFC和HC工質(zhì)的3-10倍，在制冷循環(huán)中顯示出巨大優(yōu)勢(shì)。對(duì)于制熱，跨臨界循環(huán)是使用最廣泛的CO2熱泵配置。從二氧化碳的和圖可以看出，在接近臨界溫度時(shí)，隨著溫度的降低，焓和熵急劇下降，提高了氣體冷卻器的加熱性能。然而，CO2的工作壓力幾乎是傳統(tǒng)工質(zhì)的5-10倍。所需的高溫排放與高壓有關(guān)，導(dǎo)致更高的壓差。此外，巨大的壓差導(dǎo)致膨脹過(guò)程中不可逆節(jié)流損失高，導(dǎo)致COP較低。(3)氨(R717)氨是一種實(shí)踐良好的工質(zhì)，具有優(yōu)異的熱力學(xué)和傳輸性能，已廣泛應(yīng)用于加熱和冷卻系統(tǒng)。在美國(guó)，超過(guò)95%的工業(yè)制冷使用氨氣，而且氨氣在歐洲也占有很高的市場(chǎng)份額。盡管氨在一定濃度下有毒，但它有明顯的刺鼻氣味，泄漏時(shí)很容易察覺(jué)。由于氨(B2L)的毒性，必須采取某些安全預(yù)防措施。由于氨具有較高的體積加熱能力，因此在大規(guī)模需求中具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。因此，體積小的壓縮機(jī)足以滿足相同的供熱能力。同時(shí)，與其他工質(zhì)相比，氨的成本更低。氨高溫?zé)岜玫妮敵鰷囟仁芨邏禾匦缘南拗?，例如?7.5°C下的飽和壓力為60bar。大多數(shù)氨高溫?zé)岜玫墓?yīng)溫度限制在90°C。最近，壓縮機(jī)材料的改進(jìn)使氨壓縮機(jī)在更高排氣溫度(約110°C)下的壓力增加到76bar成為可能。碳?xì)浠衔锾細(xì)浠衔镎⊥?R600)和戊烷(R601)是ODP為零且GWP極低的工質(zhì)。它們相對(duì)便宜，在38.0bar和33.7bar時(shí)的臨界溫度分別為152°C和196.6°C。R600被認(rèn)為是供熱溫度為120°C的高溫?zé)岜谜羝l(fā)生器的合適介質(zhì)，該溫度可通過(guò)成熟壓縮機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。另一方面，由于易燃性高(A3)，必須采取特殊的安全措施，因此HCs一般被建議用于充灌量小的小型系統(tǒng)。根據(jù)EN378，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的HCs最大容量限制為150g，在受監(jiān)督商業(yè)系統(tǒng)可達(dá)到2.5kg。其它乙醇是一種在130°C到150°C冷凝溫度和80K升程的單級(jí)循環(huán)中COP最高的工作流體。體積熱容量(VHC)是所有分析流體中最小的，這使得壓縮機(jī)尺寸顯著增大，因此意味著部件的采購(gòu)成本更高。在假設(shè)提升溫度為80K的情況下，對(duì)于所有考慮的蒸發(fā)溫度值，乙醇具有最少的火用損。乙醇是唯一一種性能系數(shù)隨冷凝溫度增加而增加的流體。高臨界溫度和飽和曲線的形狀允許該流體在110°C的蒸發(fā)溫度下達(dá)到最大COP。工質(zhì)的參考替代路線對(duì)于未來(lái)可用的替代工質(zhì)應(yīng)當(dāng)在綜合考慮工質(zhì)本身的性質(zhì)、熱泵系統(tǒng)的節(jié)能性、環(huán)保性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等各方面的性質(zhì)下做出選擇。從目前的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r看，國(guó)際上在各個(gè)產(chǎn)品領(lǐng)域采用何種替代技術(shù)路線仍存在諸多爭(zhēng)議，但是更低GWP的工質(zhì)在全球范圍內(nèi)的應(yīng)用推廣將是必然的趨勢(shì)。表2-1給出了工業(yè)熱泵用工質(zhì)的參考替代路線表。表2-1工業(yè)熱泵用工質(zhì)參考替代路線表常規(guī)工質(zhì)低GWP工質(zhì)HFOsHCFOs自然工質(zhì)低溫?zé)岜肦134aR1234ze(E)/R290/R717/R744中溫?zé)岜肦134aR1234ze(E)R1224yd(Z)R290/R600/R717/R744高溫?zé)岜肦245faR1336mzz(Z)R1233zd(E)/R1224yd(Z)R600/R744超高溫?zé)岜?//R601/R718/Ethanol工業(yè)熱泵用其他設(shè)備換熱器換熱器又稱(chēng)熱交換器，是工業(yè)熱泵中必不可少的部分。熱泵設(shè)備的換熱器有蒸發(fā)器、冷凝器、蒸發(fā)-冷凝器、中間冷卻器、回?zé)崞鞯?，其中蒸發(fā)器和冷凝器的換熱效率對(duì)熱泵設(shè)備的性能有決定性的影響，故本白皮書(shū)僅討論蒸發(fā)器、冷凝器兩種換熱器。換熱器使熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，熱泵設(shè)備中蒸發(fā)器、冷凝器的熱量傳遞方向不同：工質(zhì)在蒸發(fā)器中汽化，從熱源吸熱，進(jìn)而在冷凝器中液化，向熱匯放熱。根據(jù)換熱介質(zhì)不同，工業(yè)熱泵的換熱器的形式有所區(qū)別，主要可分為風(fēng)冷式換熱器、水冷式換熱器和蒸發(fā)式換熱器。風(fēng)冷式換熱器的主要代表是翅片管式換熱器。水冷式換熱器的主要代表是管殼式換熱器、板式換熱器、套管式換熱器。翅片管式換熱器的基本傳熱元件為翅片管，由基管和翅片組合而成。翅片主要作用為增加換熱面積，往往盤(pán)繞在盤(pán)管表面，通常呈U型以適配殼體。同時(shí)，為加快空氣流經(jīng)蒸發(fā)器，提高換熱效率，換熱器往往配有外機(jī)風(fēng)扇。翅片管式換熱器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、改造靈活、易于加工、適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用最廣泛的換熱器之一。為了降低能耗與提高換熱性能，目前翅片管式換熱器技術(shù)在朝著開(kāi)發(fā)管翅材料、優(yōu)化加工工藝、設(shè)計(jì)新型流程結(jié)構(gòu)等方面發(fā)展，旨在提高換熱效率，減少所需換熱面積。管殼式換熱器由殼體、傳熱管束、管板、折流板（擋板）和管箱等部件組成。殼體多為圓筒形，內(nèi)部裝有管束，管束兩端固定在管板上。進(jìn)行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內(nèi)流動(dòng)，稱(chēng)為管程流體；另一種在管外流動(dòng)，稱(chēng)為殼程流體。為提高管外流體的傳熱分系數(shù)，通常在殼體內(nèi)安裝若干擋板。該換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、流通截面較寬、易于清洗水垢；但傳熱系數(shù)低、占地面積大。板式換熱器由許多金屬板片貫疊連接而成，片與片之間采用焊接密封，形成傳熱板兩側(cè)的冷、熱流體通道，在流動(dòng)過(guò)程中通過(guò)板壁進(jìn)行熱交換。兩種流體在流道內(nèi)呈逆流式換熱態(tài)勢(shì)，加之板片表面制成瘤形、波紋形、人字形等等各種形狀有利于破壞流體的層流膜層，在低速下產(chǎn)生旋渦，形成旺盛素流強(qiáng)化了傳熱作用。板片的各種形狀造就了板片間的許多支撐點(diǎn)，使得可以承受3MPa左右壓力的換熱器板片厚度可減少到0.5mm左右(其板距一般為2~5mm)，使其在相同負(fù)荷的情況下，體積僅為殼管式的1/3~1/6，重量只有殼管式的1/2~1/5，所需的工質(zhì)充注量?jī)H為其1/7。就水的換熱而言，在相同負(fù)荷同樣水速的條件下，傳熱系數(shù)為殼管式傳熱系數(shù)的2~5倍。板式換熱器具有體積小、重量輕、傳熱效率高、可靠性好、工藝過(guò)程簡(jiǎn)單、適合于批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，但也存在易堵塞、壓力損失較大等缺點(diǎn)。套管式換熱器的核心部分是由兩種不同直徑的直管套在一起組成的同心套管。換熱時(shí)一種流體走內(nèi)管，另一種流體走環(huán)隙，內(nèi)管的壁面為傳熱面。每一段套管稱(chēng)為一程，程數(shù)可根據(jù)傳熱面積要求而增減。套管式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐高壓、傳熱面積可根據(jù)需要增減。其缺點(diǎn)是單位傳熱面積的金屬耗量大；套管接頭多，檢修清洗不方便。此類(lèi)換熱器適用于高溫、高壓及小流量流體間的換熱。水泵水泵是整個(gè)工業(yè)熱泵循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)力輸配裝置，無(wú)論在空氣源、地源、水源還是余熱源熱泵中，對(duì)系統(tǒng)的能耗、制熱效果和用戶舒適性都起到影響作用。在工業(yè)熱泵應(yīng)用中，水泵主要分為屏蔽泵和離心泵。屏蔽泵是一種無(wú)密封泵，泵和驅(qū)動(dòng)電機(jī)都被密封在一個(gè)被泵送介質(zhì)充滿的壓力容器內(nèi)，此壓力容器只有靜密封，并由一個(gè)電線組來(lái)提供旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)并驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子。屏蔽泵具有結(jié)構(gòu)緊湊，振動(dòng)與噪聲較小，泵效率高，無(wú)泄漏的特點(diǎn)。屏蔽泵由于的定子與轉(zhuǎn)子間隙很小，所以要求輸送的水足夠干凈，否則可能會(huì)堵塞屏蔽間隙，影響泵的冷卻與潤(rùn)滑，導(dǎo)致燒壞電機(jī)。另外，使用屏蔽泵的系統(tǒng)必須有防凍措施，以保證低溫環(huán)境下水泵里的水不會(huì)發(fā)生凍結(jié)現(xiàn)象從而影響水泵的啟動(dòng)甚至導(dǎo)致?lián)p壞。離心泵的基本構(gòu)造包括葉輪、泵體、泵軸、電機(jī)、軸承、密封環(huán)與填料函等。離心泵在泵殼和吸水管內(nèi)充滿水后啟動(dòng)，電機(jī)通過(guò)泵軸帶動(dòng)葉輪和水做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，水發(fā)生離心運(yùn)動(dòng)，被甩向葉輪外緣，經(jīng)蝸形泵殼的流道流入水泵的壓水管路。離心泵的優(yōu)點(diǎn)包括結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、可高速運(yùn)行、經(jīng)久耐用、排液均勻無(wú)脈沖等，但是易發(fā)生氣縛和氣蝕現(xiàn)象，應(yīng)盡量避免。閥件工業(yè)熱泵用閥件主要包括截止閥、電子膨脹閥等。截止閥，也叫截門(mén)，是使用最廣泛的一種閥門(mén)之一。截止閥閉合時(shí)依靠閥杠壓力，使閥瓣密封面與閥座密封面緊密貼合，阻止介質(zhì)流通。它在開(kāi)閉過(guò)程中密封面之間摩擦力小，比較耐用，開(kāi)啟高度不大，制造容易，維修方便，不僅適用于中低壓，而且適用于高壓。但是其結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度較大，流體阻力大，長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)密封可靠性不強(qiáng)。電子膨脹閥是一種可按預(yù)設(shè)程序調(diào)節(jié)進(jìn)入裝置的工質(zhì)流量的節(jié)流元件。它由步進(jìn)電機(jī)、閥芯、閥體、進(jìn)出液管等主要部件組成，通過(guò)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，使閥芯下端的錐體部分在閥孔中上下移動(dòng)，以此改變閥孔的流通面積，起到調(diào)節(jié)工質(zhì)流量的作用。在一些負(fù)荷變化較劇烈或運(yùn)行工況范圍較寬的場(chǎng)合，傳統(tǒng)的節(jié)流元件（如毛細(xì)管、熱力膨脹閥等）已不能滿足舒適性及節(jié)能方面的要求，電子膨脹閥結(jié)合壓縮機(jī)變?nèi)萘考夹g(shù)已得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)BrobergViklundS,JohanssonMTechnologiesforutilizationofindustrialexcessheat:PotentialsforenergyrecoveryandCO2emissionreduction[J].EnergyConversionandManagement,2014,77:369-379.ArpagausC,BlessUhlmannM,etal.Hightemperatureheatpumps:Marketoverview,stateoftheart,researchstatus,refrigerants,andapplicationpotentials[J].2018,152:985-1010.InternationalEnergyApplicationofIndustrialHeatPumps,Part2[R].Sweden:IEAHeatPumpCentre,2014.Mateu-RoyoC,ArpagausC,Mota-BabiloniA,etal.Advancedhightemperatureheatpumpconfigura-tionsusinglowGWPrefrigerantsforindustrialwasteheatrecovery:Acomprehensivestudy[J].EnergyConversionandManagement,2021,229:113752.ChoyuYU,SatoshiHirano,Hikawa.PioneeringIndustrialHeatPumpTechnologyinJapan[C].11thIEAHeatPumpConference,2014.JiangJHuB,RZ,etal.Areviewandperspectiveonindustryhigh-temperatureheatpumps[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2022,161:112106.HuB,LiuH,JiangJetal.megawattscalevaporcompressionheatpumpforlowtemperaturewasteheatrecovery:Onsiteapplicationresearch[J].2022,238:121699.InternationalEnergyApplicationofIndustrialHeatPumps,Part1[R].Sweden:IEAHeatPumpCentre,2014.BlessArpagausC,BertschSS,etal.Theoreticalanalysisofsteamgenerationmethods-CO2emission,andcostanalysis[J].2017,129:114-121.BamigbetanO,EikevikTM,Neks?etal.Theoreticalanalysisofsuitablefluidsforhightempera-tureheatpumpsupto125°Cheatdelivery[J].InternationalJournalofRefrigeration,2018,92:185-195.NowakHeatPumpsIntegratingtechnologiestodecarboniseheatingandcooling[M].2018.TingZHaoZ,Linetal.Applicationandanalysisofmulti-stageflashvaporizationprocessinsteamproductioninhigh-temperatureheatpumpsystemwithlargetemperaturedifference[J].Internation-alJournalofRefrigeration,2022,133:123-132.吳業(yè)正.制冷壓縮機(jī)[M].第3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2018.邢子文.螺桿壓縮機(jī)——理論、設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2000.束鵬程.回轉(zhuǎn)壓縮機(jī)[M].第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1989.MeroniA,ZühlsdorfB,ElmegaardB,etal.Designofcentrifugalcompressorsforheatpumpsystems[J].Applied2018,232:139-156.HuB,LiuH,RZ,etal.Ahigh-efficientcentrifugalheatpumpwithindustrialwasteheatrecoveryfordistrictheating[J].AppliedThermalEngineering,2017,125:359-365.?arevskiMN,?arevskiVN.Thermalcharacteristicsofhigh-temperatureR718heatpumpswithturbocompressorthermalvaporrecompression[J].AppliedThermalEngineering,2017,355-365.TianYShenJB,C,etal.Modelingandperformancestudyofawater-injectedtwin-screwwatervaporcompressor[J].InternationalJournalofRefrigeration,2017,83:75-87.HuB,D,RZ.vaporcompressionanditsvariousapplications[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2018,98:92-107.D,HuB,RZ.compressionheatpumpswithpureLow-GWPrefrigerants[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2021,138:110571.HZ,D,LiangJetal.Selectionandvalidationonlow-GWPrefrigerantsforawater-sourceheatpump[J].AppliedThermalEngineering,2021,193:116938.JiangJHuB,RZ,etal.Theoreticalperformanceassessmentoflow-GWPrefrigerantR1233zd(E)appliedinhightemperatureheatpumpsystem[J].InternationalJournalofRefrigeration,2021,131:897-908.KilicarslanA,MüllerN.Acomparativestudyofwaterasarefrigerantwithsomecurrentrefrigerants[J].InternationalJournalofEnergyResearch,2005,29(11):947-959.MikielewiczD,J.Performanceoftheveryhigh-temperatureheatpumpwithlowGWPworkingfluids[J].2019,182:460-470.[26]冉晴,崔明輝,劉濤.翅片管式換熱器的研究進(jìn)展[J].區(qū)域供熱,2022,No.220(05):129-135.[27]鄭賢德.制冷原理與裝置[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.11.工業(yè)熱泵經(jīng)濟(jì)性分析工業(yè)熱泵在眾多用熱工業(yè)部門(mén)如農(nóng)副食品加工、食品制造、酒、飲料和精制茶、紡織、木材加工、造紙、石油與煤炭、設(shè)備制造和汽車(chē)制造等，都具有廣泛的應(yīng)用前景。使用工業(yè)熱泵需要較大的初投資。為此，白皮書(shū)分別對(duì)使用化工工業(yè)冷卻水源、廢熱水源、乏汽源的工業(yè)熱泵進(jìn)行初步的經(jīng)濟(jì)性分析。分析按照制備熱水(熱風(fēng))和蒸汽兩種情況，并和電鍋爐及燃?xì)忮仩t進(jìn)行投資回收期的對(duì)比分析。需要說(shuō)明的是，能源價(jià)格和熱泵系統(tǒng)初投資，都在動(dòng)態(tài)變化中；本章的熱泵設(shè)備價(jià)格，是根據(jù)企業(yè)調(diào)研，按工業(yè)熱泵設(shè)備量產(chǎn)后的價(jià)格估算。在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估時(shí)，設(shè)定工業(yè)電價(jià)為0.8元/度，工業(yè)燃?xì)鈨r(jià)格3.8元/m3，熱泵年運(yùn)行時(shí)間為8000小時(shí)。投資回收期PBP按下式計(jì)算：PBPln[1/(1Cpr/Es)]ln(1r)其中Cp為工業(yè)熱泵總投資，Es為年凈節(jié)約費(fèi)用，r為貼現(xiàn)率(取5%)。為了便于進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，對(duì)不同系統(tǒng)類(lèi)型的工業(yè)熱泵機(jī)組售價(jià)進(jìn)行了預(yù)估，見(jiàn)表3-1。表3-1工業(yè)熱泵機(jī)組預(yù)估售價(jià)系統(tǒng)類(lèi)型單位售價(jià)(元/kW)單級(jí)熱泵1000復(fù)疊熱泵1500單級(jí)熱泵+閃蒸1200復(fù)疊熱泵+閃蒸1700單級(jí)熱泵+閃蒸+單級(jí)蒸汽壓縮2200單級(jí)熱泵+閃蒸+雙級(jí)蒸汽壓縮2800復(fù)疊熱泵+閃蒸+單級(jí)蒸汽壓縮2700復(fù)疊熱泵+閃蒸+雙級(jí)蒸汽壓縮3300單級(jí)蒸汽壓縮1000雙級(jí)蒸汽壓縮1500注：表3-1僅作為工業(yè)熱泵經(jīng)濟(jì)性分析的計(jì)算依據(jù)，不作為采購(gòu)參考價(jià)。電鍋爐、燃?xì)忮仩t與工業(yè)熱泵的相關(guān)安裝與服務(wù)價(jià)格見(jiàn)下表2-2。表3-2電鍋爐、燃?xì)忮仩t與工業(yè)熱泵安裝與服務(wù)價(jià)格項(xiàng)目安裝系數(shù)人工費(fèi)(萬(wàn)元/年)維保費(fèi)用(%)電鍋爐1.255燃?xì)忮仩t2105工業(yè)熱泵21010工業(yè)冷卻水源熱泵工業(yè)用水主要包括鍋爐用水、工藝用水、清洗用水和冷卻用水、污水等。其中用水量最大的是冷卻用水，約占工業(yè)用水量的百分之九十以上。工業(yè)冷卻水的供水溫度一般為30~32°C，回水溫度一般為40~42°C，溫差8~12°C，由于工業(yè)冷卻水循環(huán)量大，極其適合作為工業(yè)熱泵的熱源。制備熱水(熱風(fēng))利用工業(yè)冷卻水源熱泵制備熱水(熱風(fēng))的性能與經(jīng)濟(jì)性見(jiàn)表3-3。表3-3工業(yè)冷卻水源熱水(熱風(fēng))熱泵性能與經(jīng)濟(jì)性分析表供熱溫度(°C)COP投資回收期(年)循環(huán)類(lèi)型對(duì)標(biāo)電鍋爐對(duì)標(biāo)燃?xì)忮仩t605.280.370.98單級(jí)熱泵704.040.401.22803.130.441.74903.340.732.78復(fù)疊熱泵1002.940.773.531102.590.845.881202.260.94/制備蒸汽利用工業(yè)冷卻水源熱泵制備蒸汽的性能與經(jīng)濟(jì)性見(jiàn)表3-4。表3-4工業(yè)冷卻水源蒸汽熱泵性能與經(jīng)濟(jì)性分析表供熱溫度(°C)COP投資回收期(年)循環(huán)類(lèi)型對(duì)標(biāo)電鍋爐對(duì)標(biāo)燃?xì)忮仩t1002.830.84/復(fù)疊熱泵+閃蒸1102.490.91/1202.161.02/1302.261.66/復(fù)疊熱泵+閃蒸+單級(jí)蒸汽壓縮1402.141.73/1502.031.80/1601.992.47/復(fù)疊熱泵+閃蒸+雙級(jí)蒸汽壓縮1701.912.61/1801.832.76/1901.762.93/2001.703.11/注：冷卻水供水溫度30°C，回水溫度40°C，蒸發(fā)側(cè)與冷凝側(cè)傳熱溫差5°C，熱泵壓縮機(jī)絕熱效率80%，低溫?zé)岜脡嚎s機(jī)工質(zhì)采用R134a，高溫?zé)岜脡嚎s機(jī)工質(zhì)采用R245fa，級(jí)間蒸發(fā)溫度55°C，循環(huán)泵揚(yáng)程3m，循環(huán)泵絕熱效率70%，蒸汽壓縮機(jī)絕熱效率69%，低壓級(jí)蒸汽壓縮機(jī)入口溫度100°C，高壓級(jí)蒸汽壓縮機(jī)入口溫度140°C。從工業(yè)冷卻水源熱泵的經(jīng)濟(jì)性分析情況來(lái)看：制備熱水(熱風(fēng))：對(duì)標(biāo)電鍋爐，所有投資回收期均小于1氣鍋爐，熱匯溫度不超過(guò)80°C時(shí)，投資回收期不超過(guò)3年，具有一定投資價(jià)值。制備蒸汽：對(duì)標(biāo)電鍋爐，所有投資回收期均小于3.2年，具有一定投資價(jià)值；對(duì)標(biāo)燃?xì)忮仩t，各個(gè)情景下均沒(méi)有投資價(jià)值。廢熱水源熱泵廢熱水主要指工業(yè)排出的用于冷卻的廢水，主要來(lái)自發(fā)電站、鋼鐵廠、焦化廠等。為了避免廢熱水直接排向環(huán)境造成熱污染，往往需要采用冷卻塔對(duì)其進(jìn)行冷卻，一方面增大了處理成本，另一方面浪費(fèi)了大量余熱。如果能采用工業(yè)熱泵對(duì)這一部分廢水進(jìn)行回收，將有很好的社會(huì)價(jià)值與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。3.1.1制備熱水(熱風(fēng))利用廢熱水源熱泵制備熱水(熱風(fēng))的性能與經(jīng)濟(jì)性見(jiàn)表3-5。表3-5廢熱水源熱水(熱風(fēng))熱泵性能與經(jīng)濟(jì)性分析表供熱溫度(°C)COP投資回收期(年)循環(huán)類(lèi)型對(duì)標(biāo)電鍋爐對(duì)標(biāo)燃?xì)忮仩t1003.780.441.31單級(jí)熱泵1103.070.481.811202.500.543.42制備蒸汽利用廢熱水源熱泵制備蒸汽的性能與經(jīng)濟(jì)性見(jiàn)表3-6。表3-6廢熱水源蒸汽熱泵性能與經(jīng)濟(jì)性分析表供熱溫度(°C)COP投資回收期(年)循環(huán)類(lèi)型對(duì)標(biāo)電鍋爐對(duì)標(biāo)燃?xì)忮仩t1003.410.521.92單級(jí)熱泵+閃蒸1102.780.573.021202.260.6610.701302.651.094.38單級(jí)熱泵+閃蒸+單級(jí)蒸汽壓縮1402.481.126.291502.321.167.571602.191.71/單級(jí)熱泵+閃蒸+雙級(jí)蒸汽壓縮1702.081.74/1801.991.81/1901.901.87/2001.821.93/注：廢熱水冷卻后溫度50°C，蒸發(fā)側(cè)與冷凝側(cè)傳熱溫差5°C，熱泵壓縮機(jī)絕熱效率80%，工質(zhì)采用R245fa，循環(huán)泵揚(yáng)程3m，循環(huán)泵絕熱效率70%，蒸汽壓縮機(jī)絕熱效率69%，低壓級(jí)蒸汽壓縮機(jī)入口溫度100°C，高壓級(jí)蒸汽壓縮機(jī)入口溫度140°C。從廢熱水源熱泵的經(jīng)濟(jì)性分析情況來(lái)看：制備熱水(熱風(fēng))：對(duì)標(biāo)電鍋爐，所有投資回收期均小于1氣鍋爐，所有投資回收期不超過(guò)3.5年，具有一定投資價(jià)值。制備蒸汽：對(duì)標(biāo)電鍋爐，所有投資回收期均小于2爐，僅有制備溫度110°C以下的蒸汽，投資回收期不超過(guò)3年，具有一定投資價(jià)值。乏汽源熱泵用汽管道或者設(shè)備末端的低壓蒸汽因?yàn)樽陨頊囟?、壓力無(wú)法滿足生產(chǎn)工藝需求，往往直接向環(huán)境排放，造成能量損失，如果采用蒸汽壓縮機(jī)對(duì)這部分乏汽增壓后再利用，將給企業(yè)節(jié)省大量蒸汽費(fèi)用。最常見(jiàn)的乏汽源熱泵的應(yīng)用是廢水處理行業(yè)的MVR裝置，MVR技術(shù)通過(guò)重新利用蒸發(fā)系統(tǒng)自身產(chǎn)生的二次蒸汽的能量，來(lái)減少對(duì)外界能源的需求。利用廢水水源熱泵制備蒸汽的性能與經(jīng)濟(jì)性見(jiàn)表3-7~表3-16。進(jìn)汽溫度80°C表3-7乏汽源蒸汽熱泵性能與經(jīng)濟(jì)性分析表(進(jìn)汽溫度80°C)供熱溫度(°C)COP投資回收期(年)循環(huán)類(lèi)型對(duì)標(biāo)電鍋爐對(duì)標(biāo)燃?xì)忮仩t10013.170.320.69單級(jí)蒸汽壓縮1108.980.330.761206.890.350.831305.640.360.911404.810.371.001503.740.652.00雙級(jí)蒸汽壓縮1603.340.672.981703.020.693.701802.760.714.861902.550.736.992002.370.75/進(jìn)汽溫度90°C表3-8乏汽源蒸汽熱泵性能與經(jīng)濟(jì)性分析表(進(jìn)汽溫度90°C)供熱溫度(°C)COP投資回收期(年)循環(huán)類(lèi)型對(duì)標(biāo)電鍋爐對(duì)標(biāo)燃?xì)忮仩t11012.680.320.69單級(jí)蒸汽壓縮1208.520.330.751306.450.340.811405.220.360.891504.400.370.971603.850.642.38雙級(jí)蒸汽壓縮1703.430.662.841803.090.683.51902.820.704.522002.600.726.31進(jìn)汽溫度100°C表3-9乏汽源蒸汽熱泵性能與經(jīng)濟(jì)性分析表(進(jìn)汽溫度100°C)供熱溫度(°C)COP投資回收期(年)循環(huán)類(lèi)型對(duì)標(biāo)電鍋爐對(duì)標(biāo)燃?xì)忮仩t12013.030.320.69單級(jí)蒸汽壓縮1308.760.330.741406.630.340.801505.360.350.871604.520.360.951703.940.632.32雙級(jí)蒸汽壓縮1803.490.652.751903.150.673.362002.870.694.29進(jìn)汽溫度110°C表3-10乏汽源蒸汽熱泵性能與經(jīng)濟(jì)性分析表(進(jìn)汽溫度110°C)供熱溫度(°C)COP投資回收期(年)循環(huán)類(lèi)型對(duì)標(biāo)電鍋爐對(duì)標(biāo)燃?xì)忮仩t13013.370.320.68單級(jí)蒸汽壓縮1408.990.330.731506.810.340.791605.50.350.851704.630.360.921804.000.672.28雙級(jí)蒸汽壓縮1903.540.702.692003.190.743.26進(jìn)汽溫度120°C表3-11乏汽源蒸汽熱泵性能與經(jīng)濟(jì)性分析表(進(jìn)汽溫度120°C)供熱溫度(°C)COP投資回收期(年)循環(huán)類(lèi)型對(duì)標(biāo)電鍋爐對(duì)標(biāo)燃?xì)忮仩t14013.710.320.68單級(jí)蒸汽壓縮1509.220.330.731606.980.340.781705.640.350.841804.750.360.901904.050.621.77雙級(jí)蒸汽壓縮2003.590.641.92進(jìn)汽溫度130°C表3-12乏汽源蒸汽熱泵性能與經(jīng)濟(jì)性分析表(進(jìn)汽溫度130°C)供熱溫度(°C)COP投資回收期(年)循環(huán)類(lèi)型對(duì)標(biāo)電鍋爐對(duì)標(biāo)燃?xì)忮仩t15014.050.320.67單級(jí)蒸汽壓縮1609.440.330.721707.140.340.771805.770.350.821904.860.350.882004.200.360.95進(jìn)汽溫度140°C表3-13乏汽源蒸汽熱泵性能與經(jīng)濟(jì)性分析表(進(jìn)汽溫度140°C)供熱溫度(°C)COP投資回收期(年)循環(huán)類(lèi)型對(duì)標(biāo)電鍋爐對(duì)標(biāo)燃?xì)忮仩t16014.370.320.67單級(jí)蒸汽壓縮1709.660.320.711807.310.330.761905.900.340.812004.960.350.7進(jìn)汽溫度150°C表3-14乏汽源蒸汽熱泵性能與經(jīng)濟(jì)性分析表(進(jìn)汽溫度150°C)供熱溫度(°C)COP投資回收期(年)循環(huán)類(lèi)型對(duì)標(biāo)電鍋爐對(duì)標(biāo)燃?xì)忮仩t17014.690.320.69單級(jí)蒸汽壓縮1809.870.320.741907.460.330.802006.020.340.87進(jìn)汽溫度160°C表3-15乏汽源蒸汽熱泵性能與經(jīng)濟(jì)性分析表(進(jìn)汽溫度160°C)供熱溫度(°C)COP投資回收期(年)循環(huán)類(lèi)型對(duì)標(biāo)電鍋爐對(duì)標(biāo)燃?xì)忮仩t18015.000.310.66單級(jí)蒸汽壓縮19010.070.320.702007.610.330.74進(jìn)汽溫度170°C表3-16乏汽源蒸汽熱泵性能與經(jīng)濟(jì)性分析表(進(jìn)汽溫度170°C)供熱溫度(°C)COP投資回收期(年)循環(huán)類(lèi)型對(duì)標(biāo)電鍋爐對(duì)標(biāo)燃?xì)忮仩t19015.300.310.66單級(jí)蒸汽壓縮20010.270.320.70注：蒸汽壓縮機(jī)絕熱效率69%。從乏汽源熱泵的經(jīng)濟(jì)性分析情況來(lái)看：對(duì)標(biāo)電鍋爐：在乏汽溫度>80°C，熱匯溫度低于200°C的情境下，投資回收期均可小于1年，具有極高的投資價(jià)值；對(duì)標(biāo)燃?xì)忮仩t：在乏汽溫度>80°C，溫差小于60°C的情境下，投資回收期小于1年，具有極高的投資價(jià)值；當(dāng)溫差大于60°C、小于90°C的的情境下，投資回收期小于3年，具有一定投資價(jià)值。工業(yè)熱泵市場(chǎng)潛力與節(jié)能減碳效益市場(chǎng)潛力工業(yè)熱泵通常需要較大的投資，從投資者角度出發(fā)，希望將這項(xiàng)技術(shù)首先推廣到回收期最短的行業(yè)。因此，不管是投資者還是制造商，主要關(guān)注的是熱量需求最高的工業(yè)部門(mén)和用途。通過(guò)評(píng)估每個(gè)工業(yè)部門(mén)的熱量需求和應(yīng)用過(guò)程的溫度水平，可以估計(jì)熱泵在工業(yè)過(guò)程中的理論應(yīng)用潛力。根據(jù)中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒，表4-1給出了19個(gè)典型用熱工業(yè)部門(mén)的能源消耗。表4-1中國(guó)19個(gè)典型用熱工業(yè)部門(mén)的能源消耗序號(hào)工業(yè)部門(mén)能源消耗(百萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤)能源消耗(億GJ)1農(nóng)副食品加工412612.0772食品制造20425.9773酒、飲料和精制茶12833.7554紡織739821.6545木材加工10363.0326造紙384711.2607石油與煤炭3257295.3388化工53272155.9279醫(yī)藥制造21796.37810化學(xué)纖維制造24167.07211橡膠和塑料制造486814.24912非金屬礦物制品3334497.59813黑色金屬冶煉65387191.38814有色金屬冶煉2443671.52415金屬制品655219.17816通用設(shè)備制造362710.61617專(zhuān)用設(shè)備制造18845.51418汽車(chē)制造366310.72219其它1452342.509合計(jì)253932785.768目前中國(guó)沒(méi)有系統(tǒng)地梳理不同工業(yè)行業(yè)的用熱需求，現(xiàn)有的終端用熱數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)也沒(méi)有按溫度進(jìn)行拆分，因此中國(guó)工業(yè)部門(mén)的用熱溫度分布要大量參考?xì)W洲與美國(guó)的調(diào)研數(shù)據(jù)，盡管這些調(diào)研是針對(duì)特定地理區(qū)域得出的，但大多數(shù)數(shù)據(jù)被認(rèn)為代表了世界各地相應(yīng)的工業(yè)子部門(mén)。歐洲典型用熱工業(yè)部門(mén)占能源總消耗的比例見(jiàn)表4-2。表4-2歐洲典型用熱工業(yè)部門(mén)的用熱需求比例能源消耗(億GJ)用熱需求(億GJ)熱需求比例(%)鋼鐵與有色金屬26.71113.40350.18化工22.13812.89858.26非金屬14.2867.94755.63造紙12.9307.56958.54食品11.3536.46556.94機(jī)械7.4113.18542.98木材2.7121.70362.79交通工具3.1541.41945.00紡織與皮革2.4600.91537.18其它14.6016.05541.47根據(jù)表4-2的用熱需求比例，中國(guó)的典型用熱工業(yè)部門(mén)的用熱需求見(jiàn)圖4-1。其中“農(nóng)副食品加工”、“食品制造”與“酒、飲料和精制茶”參考?xì)W洲的食品部門(mén)，“石油與煤炭”、“醫(yī)藥制造”、“化學(xué)纖維制造”與“橡膠和塑料制造”參考?xì)W洲的化工部門(mén)，“金屬制品”、“通用設(shè)備制造”與“專(zhuān)用設(shè)備制造”參考?xì)W洲的機(jī)械部門(mén)。圖4-1中國(guó)典型用熱工業(yè)部門(mén)的用熱需求歐洲典型用熱工業(yè)部門(mén)的按溫度水平劃分的用熱比例(%)見(jiàn)表4-3。表4-3歐洲典型用熱工業(yè)部門(mén)的按溫度水平劃分的用熱比例(%)<80°C80~100°C100~150°C150~200°C>200°C鋼鐵84.5化工12.545.54.573.5有色金屬1.584非金屬6.5013.5080食品與煙草37.514.5354.58.5造紙1722103813機(jī)械72083.516.5木材2362.55.572交通工具1.512紡織58.51724.500其它733.5參考表4-3的歐洲用熱需求比例，表4-4與圖4-2給出了中國(guó)19個(gè)典型用熱工業(yè)部門(mén)分溫度區(qū)間的用熱需求估計(jì)