技术交流：余热回收的热泵系统发展研究

 蒸汽压缩式热泵系统是最常见的热泵系统之一，热泵工质在低温热源的加热下，发生蒸发相变，之后低温的热泵工质蒸汽进入压缩机，在压缩过程中增压升温，压缩机出口排出的高温高压热泵工质进入冷凝器相变放热，将蒸发、压缩中吸收的能量传递到高温侧。近年来兆瓦级的压缩式热泵在工业余热回收中取得了快速进展，下图所示的就是应用于钢铁厂余热回收供暖的独立双系统离心式压缩热泵机组，在实现30℃以上的温度提升下可以保证系统COP在6以上，单机制热量达到了9 MW以上。

蒸汽压缩式热泵这个名词经常与工业热泵联系在一起，主要用于热供应过程的余热回收，也称之为高温热泵，这也是近年来压缩式热泵的研究热点。在实际应用中，由于存在热源温度较低，用热温度高等问题，常常要对热泵系统进行一些优化设计，由此形成了如喷射压缩式热泵、双级压缩等热泵系统。在循环以外，高温循环工质是压缩式高温热泵的“血液”，热泵工质往往从制冷剂中选取，同时制冷剂与润滑油混合后的热稳定性也是系统设计中需要重点考虑的因素，此外热泵工质需要具有与金属材料或其他化学材料良好的相容性，避免在运行过程中降解。下图就是以水蒸气为工质的超高温压缩式热泵（VHTHP），当系统温升为40℃时，此时冷凝温度为127℃，系统COP为4.2。

图2 热泵技术的划分与水蒸气热泵

工业余热具有体量大和温度分布复杂的特点，此外在进行工业余热回收时用户侧的需求也通常是多变的，除了低温段的供暖和生活热水需求外，还包括中温段的工业流程预热和高温段的工业蒸汽供给等。吸收式热泵以高温蒸汽、余热热水、化石能源燃烧等的热能为驱动能源，通过不同的循环方式实现热能的品位提升或体量增加等目的，在采用不同热源、余热和热泵循环时可以满足60~150℃的热能输出，是工业余热利用的重要方式之一。与只有升温型的压缩式热泵不同，吸收式热泵不但具有升温型的热泵循环还具有增量型的热泵循环方式，一般增量型的吸收式热泵被称为第一类吸收式热泵，而升温型吸收式热泵被称为第二类吸收式热泵或吸收式热变温器。增量型吸收式热泵在采用高温热源驱动的时候可以回收低温余热并进行温度提升，而中温输出热量是高温热源量与低温余热回收量之和，因此可以达到热能增量的目的。升温型吸收式热泵在仅以中温余热进行驱动时，可以产生高温的输出，因此可以达到热能品位提升的目的。吸收式热泵对于热能品位和体量的灵活转换也使得它非常适合于工业余热回收与转换。

第一类吸收式热泵在用于余热回收时输出温度不高，因此其主要目的是供暖。IEA热泵中心的工业热泵报告中介绍了吸收式热泵应用于奥地利一家生物质能发电站的案例，该电站采用77%的木材和23%的内部加工残留物作为燃料，可提供5 MW的电量输出和30 MW的热输出。本案例中用了容量为7.5 MW的吸收式热泵回收烟气中的余热，当吸收式热泵蒸发温度低于50 ℃时即可达到烟气露点温度并从烟气中回收水蒸气的冷凝热。吸收热泵的驱动热源来自蒸汽轮机中温度为165 ℃的蒸汽，并向区域供暖提供95 ℃的热输出。

第二类吸收式换热器可以实现小流量侧热汇的出口温度高于大流量侧热源的进口温度，实质上是第二类吸收式热泵与水-水换热器的组合。热源分成三部分，一部分进入发生器，将热量通过冷凝过程释放给热汇侧进口热水，同时热源温度与热汇侧进口段温度之间形成驱动温差，制备出浓溶液；之后冷凝器出口的热汇侧热水进入水-水板换被一部分热源加热，之后热汇侧热水进入吸收器，同时最后一部分低品位热源被送入蒸发器，在驱动温差的作用下，低品位热源抬升品位后将热量释放给溶液进而释放给热汇侧热水，使得热汇侧热水经过吸收器后输出系统最高温度的出水，从而使得热汇侧出水高于热源侧进水。第二类吸收式换热器可以在低品位热源供给段提升低品位热源供给温度，并提升热能输配能力。

吸收式换热器的典型应用是利用两类吸收式换热器实现低品位余热的长距离输送。如图所示，在热源处通过第二类吸收式换热器将热量从小的供回水温差变换为一次网大的供回水温差以进行长距离输热；在末端热力站，通过第一类吸收式换热器，将热量自一次网的大供回水温差变换为二次网的小供回水温差，用于建筑末端的供热。从而加大热量的输送温差，实现低品位工业余热的长距离输送。

采用热泵进行余热回收所产生的热量不但可以用于供暖，还可以广泛应用于工农业生产中的干燥过程。干燥是以热的方式将水分从物料中脱除的过程，也是高耗能生产单元，在一些产品生产中，干燥过程所消耗的能量甚至占到生产总能耗的30%-70%，因此在保证物料干燥品质的前提下需要寻求降低能耗的方式十分重要。和传统干燥方式相比，热泵干燥具有很多优点，包括具有更高的能源利用效率以及受外部天气因素影响较小等，在与余热回收结合后可以达到进一步提升能效的目的。

目前热泵干燥系统多采用蒸汽压缩式的空气源热泵，其具有更广泛的适应性。根据实际应用需求将热泵干燥技术分为如下几类：除湿型、双热源型、半开式、密闭主机室型、多级串联型和水蒸气直接压缩型。为了实现更加节能和高效的热泵干燥，近年来该技术主要在以下方面取得了进展。

在核心技术开发方面，主要包含三部分。一是热泵干燥专用压缩机的开发，这一工作需要在普通压缩机的基础上推进；二是热泵干燥专用制冷剂的开发，由于用量不大，目前标准很不统一；三是热泵蒸发器的开发，特别是结合含尘含冷凝水的换热过程，其结构优化和长期稳定性都很重要。