工业高温热泵发展现状与展望

摘 要：当前，中国能源结构仍以煤炭为主，非化石能源发展面临多重制约，产业存在高耗能、高排放、低能效问题，绿色低碳技术亟待加强。工业过程供热占能源消耗的50%，实现其低碳化是实现碳中和的重要部分。高温/蒸汽热泵为实现工业过程供热所需体量和温度，需深入研究与广泛推广。本文从国内外工业热泵技术现状出发，分析系统循环型式、制冷剂压缩技术、水蒸气压缩技术；结合第四代低全球变暖潜值制冷剂发展现状，给出环保工业热泵适用制冷剂；提出工业热泵技术发展展望，并结合双碳目标实现和工业锅炉替代市场分析，拓展工业热泵应用场景。

一、引言

2020年全年，中国共排放CO₂103.76亿吨，其中工业排放量最多，达51.63亿吨，占比50%。因此，实现碳中和目标的关键在于有效控制工业碳排放。工业部门脱碳手段包括提高工艺效率和应用新工艺以减少最终能源消耗，如余热回收、使用可再生能源代替化石能源等。

热能是最大的能源终端用户，占全球最终能源消耗的50%。2020年，中国消耗了全球热量的25%，其中60%以上用于工业过程，通常由工业锅炉提供。工业锅炉在制造行业广泛采用，多以分散式安装运行，平均容量约为3.8t/h。近年来，我国工业锅炉正向电气化、燃气化发展，小型锅炉产品在统计产品中占比逐年上升，台数占比已超过50%。中国各部委发布了一系列与工业锅炉相关的政策，以减少能源使用和控制燃煤工业锅炉的污染。目前，燃煤锅炉的替代品（如燃油锅炉、燃气锅炉、电锅炉和生物质锅炉）存在明显局限性和缺点，限制了其推广应用。因此，采用工业热泵取代工业锅炉成为供热脱碳的重要解决方案。

我国工业消耗的能源有50%以上以废气和废水的形式转化为余热，其中仅30%被重新利用，这是能源利用效率低下的原因之一。工业热泵作为一种主动热回收装置，可借助外部能源将工业过程中的余热温度提升至更高温度，以满足同一过程或其他过程的热需求。其价值在于通过使用低碳电力减少供暖碳排放，具有提供大规模、灵活性热能的潜力，以及降低平衡电力系统和用户端消耗热能成本的能力，可从根本上实现热量和电力的脱碳。本文将回顾国内外工业热泵的发展现状，分析高温/蒸汽热泵及其在工业领域的应用潜力，估算节能和碳减排潜力，为后续推进高温/蒸汽热泵技术进一步发展以及在工业领域的应用提供指导。

二、工业热泵技术现状

（一）系统循环

蒸汽压缩热泵系统基于逆卡诺循环，并通过理想等熵压缩和等焓膨胀进行改进。常见的循环形式多样，各有特点与适用场景。

1. 单级压缩循环：包括原始单级、带补气增焓或喷射器以改善性能的单级循环，以及配有经济器和中间换热器的单级循环。单级热泵是基本循环，连接、运行、维护简单，但因压缩比较低，温升受限，大容量机组组件需定制。带过冷器的单级热泵可增加制热量，改善性能；安装中间换热器可预热蒸汽，提高排气温度，扩大应用范围；增加喷射器可降低压缩机功耗，节省投资。

2. 多级压缩式热泵：通过多次压缩，以机械能消耗为代价实现更高输出温度，可大幅提高温升，适用于热源和热量需求相差较大的情况。中间冷却、补气增焓、喷液冷却能有效降低压缩机排气温度，确保安全运行。

3. 复叠热泵系统：将两种或多种工质的循环耦合，利用不同工质在不同温区的优势实现更大温升，系统性能受制冷剂匹配和中间换热温度影响。

4. 并联热泵系统：一般分为并联压缩和并联循环两种，可实现热水梯级加热，降低传热温差和换热损失，并联循环在系统性能改善方面表现更好。

上述热泵系统循环是目前较为成熟的形式，工业热泵主要用于生产高温热水（热空气）和蒸汽，以下重点分析适用于工业热泵的系统循环形式。

1. 热水（热空气）制备循环

在供暖、干燥、洗涤和消毒等工艺过程中需大量使用热水，通常由工业锅炉供应，生产过程中产生的余热由冷却塔冷却。干燥过程广泛应用于各种生产线，如工业原料、化肥、食品和医疗用品、日用品等。干燥操作和温度取决于产品物理性质、过程规模和频率。例如，在挥发、干燥涂漆过程中，为缩短干燥时间，通常使用约120℃的热空气，一般通过锅炉、燃烧器或电加热器产生。

采用热泵技术生产热水（热空气），可根据温升大小采用单级压缩、双级压缩、复叠压缩等循环方式，热源温度较低时可采用跨临界CO₂循环。亚临界热泵循环的温度上限由制冷剂临界温度决定，需保持与所需冷凝温度约10 - 15K的温差。CO₂适用于跨临界或超临界热泵循环，在气体冷却器中温度滑移大，适合用作热水器、加热空气，被推荐作为80 - 100℃热水、热空气的热泵机组。

2. 蒸汽制备循环

蒸汽具有高潜热和良好传热性能，是便捷的加热流体。与其他加热流体相比，蒸汽流速和管道直径更合理，比热容高，无需高压即可过热到高温，且冷凝过程中可在恒定温度下利用高潜热，加热效率远高于单相液态水。为得到不同温度热水，可采用蒸汽与热水混合方法，因此蒸汽是较理想的用热载体。

具有巴氏杀菌等应用的工业过程中，干燥和蒸馏在100 - 125℃温度范围内有热需求，该区间正好是微压蒸汽热泵机组（热水温度<120℃）的适用范围。微压蒸汽热泵机组应用于低品位回收领域，可回收余热水、乏汽、乏风等余热，生产微压蒸汽。制备微压蒸汽可视温升不同采用单级压缩、双级压缩、复叠压缩等配合闪蒸罐的循环方式。

当热水温度大于120℃，大部分低GWP制冷剂脱离亚临界状态，少数能使用的制冷剂因冷凝温度接近临界温度，冷凝潜热和COP较低。此时在微压蒸汽热泵机组基础上，增加水蒸气压缩机直接对闪蒸罐出口的微压蒸汽进行升温升压，蒸汽使用温度最高可达175℃。制备120 - 175℃饱和水蒸气的热泵机组称为低压蒸汽热泵机组，其进一步提升了高温热泵使用范围，可渗透至医药与食品消毒灭菌、化学行业分离、纸张行业烘干等领域。低压蒸汽制备可视温升不同采用单级压缩、双级压缩、复叠压缩等配合闪蒸罐的循环方式。

（二）制冷剂压缩技术

热泵机组是制冷剂、结构、部件的集成，对性能有决定性影响，压缩机是核心部件。目前适用于工业热泵的主要压缩机型式如下：

1. 往复压缩机

往复式压缩机应用广泛。Viking与AVL Schrick合作开发的HeatBooster高温热泵，制热量200kW，最高输出温度150℃，使用活塞式压缩机，可在高达200℃温度下工作40000h，工质用R1336mzz(Z)，润滑油用聚烯烃油（POE）。Mayekawa的Eco Sirocco高温热泵采用CO₂跨临界循环，可提供100 - 120℃热空气，回收25℃废热水并提供120℃热空气（进气温度20℃）时，系统COP达2.9，制热量约90kW。Dürr thermea的thermeco₂高温热泵工作热源温度8 - 40℃，供热温度高达110℃，制热量0.051 - 2.2MW，根据容量可并联最多6台活塞式压缩机，thermeco₂HHR1000热泵在特定条件下COP为3.9。Combitherm GmbH的HWW R245fa系列高温热泵产品使用活塞式压缩机，供热温度高达120℃，制热量62 - 252kW，在与DürrEcocleanGmbH的合作项目中使用该机组，回收工件清洗厂50℃余热，供热温度达100℃，COP为3.4。Johnson Controls生产的单级Sabroe HeatPAC HPX热泵中活塞式压缩机可承受高达6000kPa压力，在特定条件下以4.0的COP提供326 - 1324kW热量。奥地利格拉茨理工大学开发的R600热泵样机，制热量40kW，使用改进的、变频驱动的分离罩活塞压缩机，首次实验表明在特定条件下可稳定运行，COP为3.5。

2. 涡旋压缩机

为降低蒸气压缩循环能耗，降低压缩机能耗是关键。涡旋压缩机效率比标准往复式压缩机约高10%，原因有三：一是吸入和排出过程分开，吸入气体进入压缩机时不添加热量；二是压缩过程在540°旋转范围内缓慢进行，驱动扭矩波动仅为往复式压缩机的10%；三是能消除吸入阀和排出阀，减少压力损失。此外，涡旋压缩机运动部件少，液击条件下运行更好，可靠性更高。AlterECO项目设计的高温热泵最高冷凝温度140℃，制热量200kW，使用新型ECO3混合制冷剂（含R245fa），两台功率均为75kW的涡旋压缩机并联运行。天津大学研究的新二元近共沸混合物BY - 5，应用于带有涡旋压缩机、储液罐和气液分离器的单级高温热泵，制热量16 - 19kW，供热温度高达130℃，在特定条件下COP约为2.2。格力空调研究了使用恒速涡旋压缩机和R245fa作为制冷剂的单级热泵系统性能，最高出水温度114℃，冷凝温度120℃，温升49℃，COP可达5.18。

3. 双螺杆压缩机

双螺杆压缩机是工作容积作回转运动的容积式气体压缩机械，按运行方式分无油双螺杆压缩机和喷油双螺杆压缩机，均采用喷油润滑运行。Kobelco的HEM - 90A高温热泵采用半封闭变频双螺杆压缩机，从环境空气中输送高达90℃热水，用于食品、饮料、汽车和化学工业，使用R134a和R245fa混合物，制热量约70 - 230kW，COP为1.7 - 3.0。最新一代GEA Grasso双螺杆压缩机压力高达6300kPa，可将温度降至90℃，在特定条件下COP为5.0，制热量14MW。为解决高温热泵运行时热源温度波动大、压缩机外压比变化导致内外压比不相同问题，邢林芬等提出采用经济器补气过程调节双螺杆压缩机运行过程中的压缩最终压力，消除欠压缩过程，提高压缩效率与热泵能效。

4. 单螺杆压缩机

单螺杆压缩机具有结构简单、体积小、无气阀组件等特点，两个星轮在螺杆两侧对称配置使其具有理想力平衡性、单机容量大、无余隙容积、高速轻载、易于建立流体动力润滑等优点，但中、高频率噪声较大，啮合副与机壳几何形状和相互位置精度要求高，主要用于喷油压缩。Ochsner使用单螺杆压缩机的高温热泵机组，供热温度95 - 130℃，余热温度不同时采用不同循环，系统制热量170 - 750kW，通过连接多台机组可实现更高容量。Star Refrigeration的Neatpump热泵可产生高达90℃热水，制热量380 - 2600kW，采用特殊铸钢设计的Vilter单螺杆压缩机技术（VSSH系列）可承受高达7600kPa压力，在特定条件下可实现COP约为4。

5. 透平压缩机

与容积式压缩机相比，透平压缩机具有高效率潜力、在高压比下运行可能性、紧凑设计和无油运行等优势。过去几十年技术进步，尤其是高速发电机引入，使其可应用于制冷和热泵领域小型机组。丹佛斯的TurbocorTG310是双透平压缩机，磁性轴承实现无油制冷剂回路，制冷剂为R1234ze(E)，标称容量65 - 310kW。Friotherm AG的Unitop系列采用两级透平压缩机，工作温度40 - 90℃，Unitop 50可实现高达20MW极高热容量，斯德哥尔摩地区供暖网络已建造配备6台并联Unitop 50FY机组的最大热泵。为达到更高温度，Friotherm将使用临界温度为165.5℃的低压制冷剂R1233zd(E)。格力电器的PSF透平式热泵采用补气增焓的两级压缩等关键技术，与传统单级变频透平式热泵相比，压缩机效率和加热系数提高较大，无油直接驱动变速制冷透平压缩机的最新发展和技术也有诸多研究，进一步提升其性能。

（三）水蒸气压缩机技术

由于水蒸气特殊物理性质，机械压缩机需满足大体积流量、特殊材料、严格轴封要求、高压力比、低排放蒸汽温度或低过热度、高效率且成本合理等技术要求。

1. 多级透平压缩机

水是冷凝温度高于100℃的最有效介质，对于高温操作是优越工作流体。但当蒸发温度低于80℃时，蒸汽密度相对较低，要求热泵压缩机具有较高容积容量。透平压缩机具有高体积流量容量，是水蒸气热泵的良好解决方案之一。透平式水蒸气压缩机是速度型压缩机，先通过叶轮旋转增加水蒸气速度，再将动能转化为压力能增加压力。随着先进制造技术发展，越来越多透平式水蒸气压缩机用于特定系统，效率不断提高，压比范围不断扩大，虽主要用于大流量压缩设备，但小流量透平式水蒸气压缩机也有一定应用市场。以色列IDE Technologies公司在20世纪60年代至80年代是透平式水蒸气压缩机技术先驱，水蒸气透平压缩机已应用于热蒸发器/浓缩器和海水淡化厂。R718透平式冷水机由德国德累斯顿Für Luft研究所和Kältetechnik于20世纪90年代末开发和制造。

2. 双螺杆压缩机

无油双螺杆压缩机中气体压缩时不与润滑油接触，转子不直接接触，有一定间隙，阳转子通过同步齿轮带动阴转子高速旋转，同步齿轮传输动力同时确保转子间间隙，“无油”指压缩腔或转子之间无油润滑，但轴承、齿轮等零部件仍采用普通润滑方式，仅在润滑部位和压缩腔之间采取有效隔离轴封。为降低干式螺杆压缩机排气温度，提高单级排气压力，发展了向压缩腔喷水的无油螺杆压缩机。自2001年以来，神户制钢以Kobelco品牌销售蒸汽发生热泵SGH120和SGH165，SGH165型号能在165℃温度下从35 - 70℃工艺余热中产生蒸汽，并将120℃蒸汽重新压缩至165℃（700kPa），首选应用领域是食品和饮料灭菌等，半密封双螺杆压缩机专门为高压和高温开发，余热温度70℃时，输出165℃蒸汽，流量890kg/h，COP为2.5。里昂大学利用改进密封和水蒸气喷射的双螺杆压缩机建造实验装置，以85 - 95℃余热为热源，冷凝温度145℃时，可提供超过300kW热量输出。

三、低GWP制冷剂技术

制冷剂选择在蒸汽压缩热泵中起关键作用，其物性决定热泵性能。目前制冷剂选择优先考虑GWP和ODP，为保护环境，首选ODP为0、GWP小于150的制冷剂。低GWP（GWP < 150）制冷剂，如天然制冷剂、碳氢化合物（HCs）、氢氟烯烃（HFOs）、氢氯氟烃（HCFOs）近期在蒸汽压缩热泵中得到广泛使用和研究。氢氟碳化合物R245fa是工业高温热泵中使用的主要制冷剂，但其GWP为858，很可能在未来几年被淘汰或削减。天然制冷剂、HFOs、HCFOs被认为是有望取代HFCs的第四代低GWP制冷剂，在高温热泵和有机朗肯循环（ORC）发电应用中，R245fa的主要替代品是R1366mzz(Z)、R1234ze(Z)、R1233zd(E)、R1224yd(Z)以及碳氢化合物R601（正戊烷）和R600（正丁烷）。

（一）HFOs

适用于高温热泵的HFOs工质包括R1336mmz(Z)、R1336mmz(E)、R1234ze(Z)、R1234ze(E)。R1336mmz(Z)可在相对较低压力（2900kPa）下提供较高临界温度171.3℃，不易燃（安全级别A1）、ODP为0、GWP为2、大气寿命22d，适用于余热回收、ORC和蒸汽产生等应用，在250℃以下稳定。其异构体R1336mzz(E)的GWP约为18、临界温度为137.7℃。关于R1234ze(Z)信息相对较少，被认为是轻度易燃，但很难点燃（安全级别A2L、燃烧速度低于250px/s）。在亚临界温度条件下，R1234ze(E)被认为是最合适的制冷剂，COP在较宽工作范围内保持相对较高，体积热容量仅低于R1234yf，优于其他工质，随着冷凝温度升高，R1234yf相比R1234ze(E)的COP衰减严重，R1234ze(E)压比逐渐大于R1234yf，过热程度介于2.6 - 4.9℃之间，在较宽工作区域内始终低于5℃，且不存在湿压缩问题。

（二）HCFOs

适用于高温热泵的HCFOs工质包括R1233zd(E)与R1224yd(Z)。R1233zd(E)被认为是适用于高温热泵的制冷剂，其ODP为0.0034、GWP为1、临界温度为166.5℃、临界压力为3620kPa、安全类别为A1，已被证实用于高温热泵时具有优异性能。R1224yd(Z)是非易燃制冷剂（安全类别A1），主要用于透平式制冷机和余热回收热泵，ODP几乎为0，GWP低于1，对环境影响较小，物理性质与R245fa和R1233zd(E)接近，与常用金属、塑料和弹性体相容性好，可与合成油（如POE）混溶，与经典热泵工质相比，R1233zd(E)可在COP和单位体积制热量（VHC，volumetric heating capacity）之间做出很好折中，VHC较高，COP也较高，可能是一种适合的流体，尤其适用于热源入口温度大于65℃的范围。

（三）天然工质

适合高温热泵的天然制冷剂有水（R718）、二氧化碳（R744）、氨（R717）、碳氢化合物（HCs）等。

1. 水

水作为制冷剂优点众多：ODP为0，GWP小于1，对臭氧层无损害，对全球变暖影响小，是环境友好制冷剂，未来不会受限；原料易得、成本低，自然界中大量存在，自来水、经处理的废水或粗过滤河水均可直接用作补给水；安全性好，无毒、不易燃、不易爆，泄漏不会造成安全问题，使用后无需处理；化学性质稳定，长期使用不分解；汽化潜热巨大，与丙烷、氨和二氧化碳相比，蒸发潜热和单位质量制冷量较大；系统运行安全，水压差较小，减少安全预防措施；理论性能系数高，与CFCs相比，具有较高COP；以水为制冷剂的系统可使用直接热交换器进行蒸发和冷凝。但水蒸气作为制冷剂也有缺点，高压比（由高比容所致）和压缩机出口温度较高，不过这些缺点可通过专门开发的压缩机克服，尤其是带有级间冷却器的多级涡轮压缩机。综合考虑环境参数、经济成本和安全性能，水是最好的制冷剂。

2. 二氧化碳

CO₂热泵机组尺寸较小，已实现较普及的商业化应用。依靠气体冷却器中的高跨临界温度滑移，CO₂热泵跨临界循环系统中供热温度可达90 - 120℃。CO₂属于第一代制冷剂，相比NH₃更安全，可用于冷却和加热场合。CO₂具有高流体密度和工作压力，可使用轻型热泵系统，体积制冷量是CFCs、HCFCs、HFCs和HCs制冷剂的3 - 10倍，在制冷循环中优势巨大。虽然临界温度低至31℃，但临界压力高达7360kPa，几乎是传统制冷剂的5 - 10倍，一定程度上限制了其高温应用。对于供暖，跨临界循环是使用最广泛的CO₂热泵配置。从CO₂的T - s图和T - h图可知，在接近临界温度时，随着温度降低，焓和熵急剧下降，提高了气体冷却器的加热性能，高压阻力的气体冷却器确保了通过更高流速改善传热的可能性，紧凑型热交换器更适合高压，使CO₂成为一种特别适用于家庭的冷水加热和进回水温差较大的其他工艺的制冷剂。此外，巨大压差导致膨胀过程中不可逆节流损失高，COP较低。

3. 氨

NH₃是良好制冷剂，具有优异热力学性能和传热性能，已广泛应用于加热和冷却系统。在美国，超过95%的工业制冷使用NH₃，在欧洲也占据较高市场份额。虽然NH₃在一定浓度下具有毒性，必须采取安全预防措施，但其有刺鼻气味，泄漏时易察觉。NH₃具有较高体积制热量，在大容量需求中具有竞争优势，小体积压缩机足以满足相同供热能力，与其他制冷剂相比成本更低。NH₃高温热泵的输出温度受高压特性限制，例如，97.5℃饱和温度对应饱和压力为6000kPa，大多数NH₃高温热泵的供应温度限制在90℃。压缩机材料的改进使NH₃压缩机在更高排气温度（约110℃）下的压力增至7600kPa成为可能。

4. 碳氢化合物

HCs中正丁烷（R600）和戊烷（R601）是零ODP和极低GWP的制冷剂，价格低廉，临界温度分别为152℃和196.6℃（在3800kPa和3370kPa时）。但HCs易燃性高（A3），必须采取特殊安全措施，建议用于充注量小的小型系统。根据文献，实验室设备的HCs最大容量限制为150g，用于具有防爆资质的商业机组充注量限制为2.5kg。

四、工业热泵技术发展展望

在当前电力结构下，由于热泵运行具有较高COP，实施该技术将直接减少一次能源消耗以及CO₂排放。根据电力生产的平均CO₂排放强度，热泵的实施使排放量减少至化石燃料驱动过程的33%（减少67%）。若电力系统完全脱碳，热泵驱动过程的排放量将降至0（100%减少）。随着可再生能源在电力结构中所占份额的增加，热泵的实施成为了一个强有力的行业选择。

工业热泵技术可成为供应温度低于100℃的首选供热技术。对于供应温度在100 - 200℃的技术，重点应放在开发和示范上，而更高的温度需要研究活动。示范项目应旨在打破应用障碍，解决大型热泵系统升级和广泛使用的问题。额外的研究活动应侧重于性能改进，并制定向完全可再生的过程热系统（包括热泵）过渡的能源战略。这些研发项目需要跨行业合作，涵盖从研发到制造和应用的整个范围。

（一）大容量半封闭高温制冷剂压缩机

采用封闭式结构将电动机和压缩机连成整体，装在同一机体内共用一根主轴，可取消开启式压缩机中的轴封装置，避免泄漏。半封闭压缩机用于制冷循环及常规热泵循环已经成熟，但用于高温热泵仍受一些限制。目前小型半封闭高温压缩机（如往复式压缩机、涡旋式压缩机）不存在润滑油管理问题，当高温压缩机向大型化发展，螺杆式压缩机必然面临润滑油管理问题，因为工质和油必须在高温下兼容，且必须考虑回油的热回收。由于高排气温度和油的热稳定性，传统结构受到限制。采用多级磁悬浮离心压缩机是一种有效解决方案，磁悬浮离心压缩机纯无油运行，不存在润滑油管理问题，在压缩机热力学方面不存在温度限制，但存在高温工况下（如蒸发温度>60℃、冷凝温度>100℃）半封闭电机的散热问题，需要平衡电机冷却造成的热损失与电机过热引起的可靠性下降。

（二）高温蒸气压缩机

在可供选择的低GWP制冷剂中，R1336mzz(Z)由于临界温度达到164.1℃，不易燃且无毒，将高温热泵的供热温度推向155℃。当高温热泵供热温度的目标值为175℃或更高时，采用水作为制冷剂是目前的最佳选择，因此要求开发高温蒸气压缩机来适应该要求。综合考虑压缩机的运行原理、结构特点与操作特性，双螺杆蒸气压缩机与离心蒸气压缩机成为高温蒸气压缩机的两个选择。双螺杆蒸气压缩机可结合喷水降温，单级压缩时温升较大（>60℃），容积式压缩采用刚性轴设计，适应变工况能力强，变转速范围宽，但在高温工况下水蒸气经过转子间隙产生较大泄漏损失，导致效率偏低，同时高压水蒸气要求复杂轴封结构及系统防止水蒸气漏入轴承侧污染润滑油，制造成本增大。可行的解决方案是提高双螺杆压缩机的运行转速来减少压缩机尺寸，提高压缩机效率，可通过采用高速永磁电机直驱来实现，但双螺杆蒸气压缩机在高速、高温下的可靠性问题是下一步需要研究的重要问题。与双螺杆蒸气压缩机相比，离心蒸气压缩机结构简单、流量大、单轴设计时造价低，但适应变工况能力差，变转速范围狭窄，为了控制排气温度及确保一定的压缩效率，单级压缩温升一般不超过18 - 22℃，导致大温差工况下需采用两级或多级压缩。国内市场上已有用于MVC（mechanical vapor compression）装置的两级和三级离心蒸气压缩机，温升分别为35、50℃，由此可预见，多级压缩不应成为离心蒸气压缩机应用于高温热泵的技术障碍，但在MVC多级离心蒸气压缩机技术引入高温热泵的过程中，如何使制造成本在批量化生产过程中获得大幅下降是关键。

（三）跨临界CO₂高温热泵

20世纪90年代跨临界CO₂热泵就在日本率先商业化，通过采用工作压力超过10MPa的高压往复压缩机，CO₂热泵成功用于民用热水制备，并进一步拓展至工业领域的热空气制备，最高热水及热风温度可达120℃。德国将工艺离心机技术引入跨临界CO₂压缩，从而实现了大规模冷热电三联储能方案。由于工艺用往复压缩机、离心压缩机的运行压力分别不低于30、20MPa，因此压缩机不会成为制约CO₂热泵的瓶颈。技术难题可能在于CO₂热泵用于工业领域的系统设计与匹配，达到运行性能与制造成本的最佳平衡。

（四）带储能功能的高温热泵

随着可再生电力的发展，电力波动将大幅增加。储能系统可吸收或释放电力，被认为是消除电力波动、提高间歇性电力并网能力的有效技术。热泵与热能存储相结合，提供了全系统的灵活性服务（如负荷转移、调峰和需求侧管理），从而确保在非高峰时段提高多余可再生能源的利用率。热泵提供了利用热能存储系统转移电力负荷的潜力，并可用于需求侧管理策略，还可提供需求响应，从而降低系统运行成本，实现调峰和节能。热泵与热能存储相结合，可在一定程度上实现大型热泵机组的连续运行，避免了频繁启停机时热泵压缩机容易出现的可靠性问题，而储能功能甚至可替代热泵机组的调频，实现热泵压缩机在工频下运行，这对高可靠性的离心热泵压缩机在高温热泵领域拓展应用极为有利。

五、工业热泵应用场景拓展分析

（一）耦合空气源与可再生能源的集中式供热系统

工业领域用热温度较高（一般大于80℃），采用分布式空气源热泵给工业装置供热存在局限性：一是空气源热泵热源侧是环境空气，供热与热源温差较大，且温差随季节及昼夜波动较大，使空气源热泵的COP偏低，且环境温度波动必然导致运行工况波动，进而降低热泵机组可靠性；二是空气源高温热泵采用工业电驱动，工业电价较高，导致高温热泵机组运行费用大幅高于天然气锅炉；三是工业领域余热资源较为丰富，在有余热资源利用的前提下，利用环境空气作为热源不是一个经济的选择。在这种情况下，在靠近可再生能源的附近建立空气源集中式供热系统，就近利用廉价的可再生电力来驱动工业热泵制备热水或蒸汽进行集中供热，同时大型化的热泵机组可降低投资回收期，有效避免分布式空气源热泵供热系统存在的弊端。

（二）基于工业循环水余热回收的集中式供热系统

在大型应用场景中（如企业或工业园区），大部分工业装置的余热被循环冷却水带走，冷却水汇集后通过大型冷却塔降温再回到工业装置循环使用。循环水水温随季节变化在25 - 45℃之间，且在一定时间跨度内波动较小，循环水经过大型冷却塔释放掉的热量为10 - 100MW，若对该循环水的热量加以利用并制备80℃以上的高温热水，形成集中式供热系统给企业或园区的装置供热，可大幅减少化石类燃料的消耗。

（三）耦合高温热泵与DAC的分布式碳捕集装置

在钢铁、水泥、电解铝、石化、化工等行业存在大量余热，由于余热与用热需求无法完全匹配，必然造成大量余热未经利用向环境排放，造成能量损失。直接空气捕获（direct air capture，DAC）是一种高效的负排放技术，可捕获分布式碳排放源，但DAC技术耗能大、成本高、无法商业化。DAC的平均能源需求约为80%的热能和20%的电能，应用热泵技术回收工业余热来驱动DAC将是工业节能实现城市碳减排的一个重要技术途径。采用高温热泵从工业余热中生产100 - 120℃的蒸汽，用于DAC设备中吸附剂的再生和净化。通过该能源系统集成设计，以及新型高温工业热泵和基于吸附的DAC系统耦合技术开发，降低DAC技术的总能耗，并将从空气中直接捕获CO₂的运营成本大幅降低。

六、总结

面对2030碳达峰的阶段性目标，工业用能的转型迫在眉睫，工业热泵技术是高能耗工业锅炉的理想替代技术。本文对目前典型工业热泵、高温/蒸汽热泵的系统循环形式、关键制冷剂压缩技术、水蒸气压缩技术进行总结，得出以下结论：

1. 《基加利修正案》生效后，第四代低GWP制冷剂得到重点发展，工业热泵也需进一步发展以低GWP制冷剂为工质的系统。

2. 基于目前工业热泵的技术现状，结合工业锅炉替代应用场景，工业热泵技术在大容量半封闭高温制冷剂压缩机、高温蒸气压缩机、CO₂高温热泵、带储能功能的高温热泵方面未来将会有进一步的发展。

3. 结合未来工业热泵技术进一步拓展的方向，分析拓展的应用场景，工业热泵将会进一步拓展至结合可再生能源的民用集中供热、余热回收的工业集中供热领域和碳捕集余热回收流程中。