背景

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 *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。