工業(yè)余熱熱泵及余熱網(wǎng)絡(luò)化利用的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

王如竹 王麗偉 蔡 軍 杜 帥 胡 斌 潘權(quán)穩(wěn) 江 龍 徐震原

(1 上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240； 2 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所 北京 100190)

工業(yè)余熱熱泵及余熱網(wǎng)絡(luò)化利用的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

王如竹1王麗偉1蔡 軍2杜 帥1胡 斌1潘權(quán)穩(wěn)1江 龍1徐震原1

(1 上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240； 2 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所 北京 100190)

當(dāng)前工業(yè)能源消耗中所排放的低品位余熱量大面廣，若采用高效的余熱利用技術(shù)將這部分余熱回收，將具有顯著的節(jié)能效果。工業(yè)余熱熱泵技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)余熱品位的提升或容量的擴(kuò)大，一方面可以將回收的熱量應(yīng)用到工業(yè)流程中，另一方面可以在區(qū)域供熱及供冷方面發(fā)揮作用。本文分析了壓縮式熱泵、吸收式熱泵與化學(xué)熱泵的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)。目前三種熱泵技術(shù)都在工質(zhì)、循環(huán)以及系統(tǒng)創(chuàng)新方面得到了較大的發(fā)展，但是在容量、能效比、溫升與可靠性方面存在不可兼得的瓶頸問(wèn)題。此外，工業(yè)余熱根據(jù)種類(lèi)以及溫度品位的不同，適用場(chǎng)合與特點(diǎn)也各不相同。但目前在余熱回收利用的設(shè)備與系統(tǒng)方面，缺乏針對(duì)不同余熱特點(diǎn)的指導(dǎo)性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。未來(lái)的研究需要集中在發(fā)展效率高、容量大、熱適應(yīng)性好、穩(wěn)定可靠的熱泵技術(shù)，形成各余熱熱泵互補(bǔ)利用的廣譜化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。同時(shí)需要通過(guò)對(duì)余熱的熱、電、冷、儲(chǔ)、運(yùn)的網(wǎng)絡(luò)化利用進(jìn)行余熱系統(tǒng)高質(zhì)化集成，實(shí)現(xiàn)工業(yè)余熱的高效利用。

工業(yè)余熱；壓縮式熱泵；吸收/吸附式熱泵；化學(xué)熱泵；網(wǎng)絡(luò)化利用

1 工業(yè)余熱熱泵應(yīng)用背景

工業(yè)余熱主要指冶金、電力、化工、食品等工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備或系統(tǒng)所排出的可以以熱能形式回收的能量，通常這種熱能無(wú)法用于工藝生產(chǎn)過(guò)程。根據(jù)余熱存在的形式，低品位余熱的表現(xiàn)形式可分為：固態(tài)<400 ℃，液態(tài)<120 ℃，氣態(tài)<250 ℃，經(jīng)過(guò)合理的能源轉(zhuǎn)化，在工業(yè)流程中可獲得再次應(yīng)用以滿足用能需求。根據(jù)2015年國(guó)家統(tǒng)計(jì)年鑒的數(shù)據(jù)，目前工業(yè)能源消費(fèi)量相當(dāng)于29.1億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，低品位余熱占總能源消費(fèi)的14.2%。各工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)和居民生活存在大量的用熱或用冷需求，若采用高效的回收與利用技術(shù)將這部分余熱回收40%，相當(dāng)于節(jié)約了1.65億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，具有顯著的節(jié)能效果。目前低品位余熱回收存在回收困難以及利用難度大等諸多問(wèn)題。通過(guò)熱泵技術(shù)能夠提高余熱的品位實(shí)現(xiàn)質(zhì)的提升，或者提高余熱的利用效率實(shí)現(xiàn)量的擴(kuò)大，可將余熱回收并入工業(yè)流程，也可以在區(qū)域供熱和供冷方面發(fā)揮作用。因此，發(fā)展工業(yè)余熱熱泵技術(shù)可以有效利用余熱。

2 工業(yè)余熱熱泵的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

利用工業(yè)余熱的熱泵主要包括壓縮式熱泵、吸收/吸附式熱泵、化學(xué)熱泵。不同類(lèi)型的熱泵所適合的溫區(qū)不同，以熱量輸出為例，壓縮式熱泵(圖1(a))利用工質(zhì)蒸發(fā)過(guò)程回收低品位熱能，利用工質(zhì)冷凝過(guò)程輸出所需要的熱量，輸出溫度一般在55～100 ℃。吸收式熱泵分為第一類(lèi)和第二類(lèi)，第一類(lèi)吸收式熱泵(圖1(b))以80～150 ℃熱源驅(qū)動(dòng)，通過(guò)工質(zhì)的蒸發(fā)吸收低溫?zé)嵩礋崃?，通過(guò)釋放冷凝熱和吸收熱實(shí)現(xiàn)低溫?zé)崮芷肺坏奶嵘土康谋对?，輸出溫度?0～95 ℃。第二類(lèi)吸收式熱泵(圖1(c))以70～100 ℃熱源驅(qū)動(dòng)，通過(guò)向低溫?zé)嵩磁艧岫鴮?shí)現(xiàn)部分熱能品位的提升，輸出溫度為100～150 ℃?；瘜W(xué)熱泵(圖1(d))本質(zhì)上屬于增溫型熱泵，反應(yīng)物系在吸熱反應(yīng)器發(fā)生分解反應(yīng)吸收低品位余熱(如80 ℃)，在放熱反應(yīng)器發(fā)生合成反應(yīng)，釋放出高品位熱能，輸出溫度可達(dá)150～200 ℃。

圖1 工業(yè)余熱熱泵技術(shù)Fig.1 Heat pump technologies for industrial waste heat utilization

2.1 壓縮式熱泵

在國(guó)外，自20世紀(jì)90年代起，壓縮式熱泵的工業(yè)應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注，總體研究水平領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)，主要集中在新型環(huán)保高溫工質(zhì)和系統(tǒng)循環(huán)及設(shè)備兩個(gè)方面。L. Liebenberg等[1]對(duì)R22/R142b高溫?zé)岜脽崴鬟M(jìn)行理論研究，盡管R142b的熱力性能良好，但環(huán)境指標(biāo)較高且易燃易爆，通常與其它工質(zhì)混合使用，適用于木材干燥等小型熱泵裝置中。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局和國(guó)家航空航天局、日本神戶(hù)制鋼所和荏原制作所、印度理工學(xué)院分別對(duì)不同的新型熱泵工質(zhì)(包括R134a、R254fa、R123、R142b、R227、R114等)物性進(jìn)行了研究，熱泵供水溫度可達(dá)85 ℃。近年來(lái)日本神戶(hù)制鋼所又成功研制了采用R134a/R245fa混合工質(zhì)的高效升溫型熱泵，最高出水溫度為90 ℃[2-3]。法國(guó)M.Chamoun等[4]對(duì)采用H2O為工質(zhì)的高溫系統(tǒng)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和高可靠性，并針對(duì)不同溫度的工業(yè)余熱，得到了制熱量和COP的變化趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)中的冷凝溫度可達(dá)130～140 ℃, 引領(lǐng)了高溫?zé)岜霉べ|(zhì)研究的新方向。國(guó)內(nèi)沈九兵等[5]針對(duì)工業(yè)熱泵的高溫需求，研究分析了以H2O為工質(zhì)的閉式高溫?zé)岜孟到y(tǒng)，在90 ℃蒸發(fā)溫度和130 ℃冷凝溫度時(shí)，COP高達(dá)30以上。水蒸氣壓縮式熱泵的實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖2(a)所示，在蒸發(fā)器與冷凝器側(cè)采用噴淋裝置進(jìn)行傳熱傳質(zhì)強(qiáng)化。在熱泵系統(tǒng)循環(huán)及設(shè)備研究方面，挪威能源科技研究所開(kāi)發(fā)了一種高溫壓縮吸收式熱泵[6]，該熱泵可以利用50 ℃的工業(yè)廢熱，同時(shí)產(chǎn)生90～100 ℃的熱水和5～10 ℃的冷凍水。德國(guó)GEA公司采用環(huán)保工質(zhì)氨和專(zhuān)用高壓螺桿壓縮機(jī)，開(kāi)發(fā)出大型工業(yè)用熱泵系統(tǒng)，出水溫度最高達(dá)90 ℃，能效比達(dá)3.35，單臺(tái)制熱量400 kW以上。瑞士Friotherm公司開(kāi)發(fā)了80 ℃冷凝溫度，2～20 MW制熱量的離心式高溫?zé)岜脵C(jī)組[7-8]。離心式高溫壓縮熱泵通常采用R134a、R1233zd(E)為制冷劑(圖2(b))，通過(guò)中冷器的二次換熱或者高溫高壓氣體的冷凝來(lái)輸出熱量。環(huán)保工質(zhì)高溫?zé)岜眠\(yùn)行的可靠性和工業(yè)余熱回收用大容量機(jī)組的開(kāi)發(fā)是以后研究的重點(diǎn)，同時(shí)，關(guān)鍵部件例如壓縮機(jī)、膨脹閥等的高溫適用性研究也勢(shì)在必行。

圖2 兩種壓縮式熱泵[4,8]Fig.2 Two kinds of compression heat pump

國(guó)內(nèi)關(guān)于余熱回收高溫壓縮式熱泵技術(shù)的研究主要集中在高校。上海交通大學(xué)利用混合工質(zhì)將冷凝水從70 ℃加熱到90 ℃，同時(shí)結(jié)合太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，針對(duì)壓縮機(jī)頻率和COP的關(guān)系開(kāi)展了一系列研究[9]。西安交通大學(xué)設(shè)計(jì)搭建了余熱回收高溫?zé)岜孟到y(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，采用壓縮機(jī)噴油冷卻技術(shù)，有效控制了螺桿壓縮機(jī)在高溫工況下的排氣溫度，使得出水溫度達(dá)到85 ℃，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出制熱量700 kW的油田余熱回收高溫?zé)岜脵C(jī)組和制熱量420 kW的印染工藝用高溫?zé)岜脵C(jī)組，并進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用[10-11]。天津大學(xué)研究了混合工質(zhì)BY3和BY4的熱力學(xué)特性，并研究開(kāi)發(fā)出水溫度可達(dá)100 ℃的高溫?zé)岜脵C(jī)組[12]。合肥通用機(jī)械研究院分析研究了高溫?zé)岜糜脡嚎s機(jī)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到了良好的應(yīng)用效果。珠海格力電器公司針對(duì)包括帶有經(jīng)濟(jì)器的雙級(jí)離心式壓縮機(jī)、臥式殼管式冷凝器、浮球膨脹閥、滿液式蒸發(fā)器以及回?zé)崞鞯汝P(guān)鍵部件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)各關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行合理匹配，對(duì)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較[13]。

目前壓縮式熱泵多用于家用與商用機(jī)組，針對(duì)溫升30～35 ℃的范圍，COP最高為4.2左右。按照空調(diào)熱泵標(biāo)準(zhǔn)，COP 4.2已經(jīng)達(dá)到一級(jí)能效。但在工業(yè)應(yīng)用中，目前國(guó)外機(jī)組的COP可以達(dá)到5～5.5左右，提高性能系數(shù)受到了提升溫差、工質(zhì)等多方面的限制。

根據(jù)國(guó)際能源署(IEA)2014年的報(bào)告[14-15]，部分當(dāng)前應(yīng)用的不同工質(zhì)的壓縮式工業(yè)熱泵的案例如表1所示。由表1可知，壓縮式熱泵已經(jīng)在各行業(yè)進(jìn)行工程應(yīng)用，產(chǎn)生熱量最高到90 ℃。與有機(jī)制冷劑相比，氨和二氧化碳這兩種自然工質(zhì)更多應(yīng)用于大容量熱泵，更高品位的熱量輸出可由第二類(lèi)吸收式熱泵或者化學(xué)熱泵達(dá)到。實(shí)際上，壓縮式熱泵高溫應(yīng)用也進(jìn)行了可行性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，Alter ECO項(xiàng)目中采用混合制冷劑和渦旋壓縮機(jī)，蒸發(fā)溫度為30～60 ℃，冷凝溫度可達(dá)140 ℃[14]，雖然在效率和經(jīng)濟(jì)性上還需改進(jìn)，但可以期待高溫的工程應(yīng)用。

2.2 吸收/吸附式熱泵

相比于壓縮式熱泵，吸收式熱泵覆蓋的余熱資源溫度范圍較寬。目前吸收式熱泵相關(guān)研究工作包括以提升系統(tǒng)效率和適應(yīng)性為目的的循環(huán)優(yōu)化、工質(zhì)對(duì)和傳熱傳質(zhì)強(qiáng)化等方面的基礎(chǔ)研究，以及高效率氨水GAX系統(tǒng)和大型高效商業(yè)機(jī)組等方面的應(yīng)用研究。

表1 壓縮式工業(yè)熱泵的部分實(shí)際工程應(yīng)用

圖3 新型吸收式熱泵循環(huán)[19]Fig.3 Novel absorption heat pump cycles

早期吸收式熱泵技術(shù)研究主要集中在美國(guó)，又先后推廣到日本和德國(guó)等國(guó)家，比較有代表性的研究為自20世紀(jì)70年代以來(lái)圍繞美國(guó)能源部開(kāi)展的持續(xù)研究，諸如先進(jìn)吸收循環(huán)的研究和“熱驅(qū)動(dòng)熱泵項(xiàng)目”等[16]。美國(guó)能源部聯(lián)合橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，以及Carrier和Energy Concepts等公司都對(duì)吸收式制冷和熱泵技術(shù)進(jìn)行了持續(xù)研發(fā)[17-18]，形成了一系列典型研究成果并帶動(dòng)了行業(yè)的發(fā)展。其中，Carrier、Trane和York等公司較擅長(zhǎng)溴化鋰系統(tǒng)，而Energy Concepts和Robur公司較擅長(zhǎng)氨水系統(tǒng)，部分公司在吸收式熱泵領(lǐng)域也做了進(jìn)一步應(yīng)用推廣。例如在2001～2002年間，基于“熱驅(qū)動(dòng)熱泵項(xiàng)目”中的“hi-cool熱泵”計(jì)劃，Energy Concepts的吸收熱泵在環(huán)境溫度-8 ℃的工況下實(shí)現(xiàn)了1.4的熱泵效率，Rocky Research則在多級(jí)復(fù)合氨工質(zhì)吸收熱泵中實(shí)現(xiàn)了相似的效率。除美國(guó)外，日本的吸收式技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化也較為先進(jìn)，自20世紀(jì)引進(jìn)并改進(jìn)吸收式技術(shù)后，涌現(xiàn)了一批吸收式機(jī)組生產(chǎn)商，例如Yazaki、Ebara、川崎、三洋，成為美國(guó)以外吸收式技術(shù)發(fā)展最為迅速的國(guó)家。近年來(lái)，為提高燃?xì)鉄崴餍?，美?guó)能源部又開(kāi)展了民用吸收式熱泵熱水器的研發(fā)，例如配合GE公司開(kāi)展溴化鋰-水工質(zhì)對(duì)添加劑及新型有機(jī)鹽工質(zhì)對(duì)等研究工作。

我國(guó)的吸收式熱泵和制冷技術(shù)最早由上海第一冷凍機(jī)廠和中船工業(yè)七○四所等單位共同引進(jìn)并進(jìn)行研究。早期研究主要集中在制冷方面，直到1990年才由上海交通大學(xué)、上海第一冷凍機(jī)廠和上海溶劑廠共同研制出350 kW第二類(lèi)吸收式熱泵并通過(guò)鑒定，然而產(chǎn)品并沒(méi)有得到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。經(jīng)過(guò)上海第一冷凍機(jī)廠和江陰溴化鋰制冷機(jī)廠的研究，以及遠(yuǎn)大和雙良等公司的諸多技術(shù)改進(jìn)，目前我國(guó)吸收式熱泵行業(yè)已經(jīng)具備了直燃式、熱水式和蒸氣式機(jī)組的設(shè)計(jì)加工能力，可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合需求設(shè)計(jì)出兩級(jí)、單效和雙效等不同類(lèi)型的機(jī)組，逐步形成了完善的產(chǎn)品系列，推動(dòng)了技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化。

國(guó)內(nèi)高校中，上海交通大學(xué)、清華大學(xué)、東南大學(xué)、浙江大學(xué)和北京工業(yè)大學(xué)等單位也在吸收式循環(huán)、工質(zhì)對(duì)和熱質(zhì)傳遞等方面積極開(kāi)展研究，為行業(yè)發(fā)展提供了技術(shù)儲(chǔ)備。例如上海交通大學(xué)近年提出了如圖3(a)所示的變效吸收制冷循環(huán)，可以適應(yīng)變化熱源條件下的制冷與制熱，大幅度提高變熱源條件下的能量效率。此外近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的多級(jí)第二類(lèi)熱泵技術(shù)(圖3(b))，也為提高熱泵輸出溫度提供了有效的手段。

同樣根據(jù)IEA2014年的報(bào)告[14-15]，部分當(dāng)前應(yīng)用的不同工質(zhì)的吸收式工業(yè)熱泵的案例如表2所示。

表2 吸收式工業(yè)熱泵的部分實(shí)際工程應(yīng)用

由表2可以看出，吸收式熱泵的應(yīng)用主要是傳統(tǒng)的LiBr-H2O和NH3-H2O工質(zhì)，均可達(dá)到兆瓦級(jí)以上應(yīng)用，第一類(lèi)吸收式熱泵可產(chǎn)生95 ℃熱水，第二類(lèi)吸收式熱泵可以輸出高于100 ℃的熱量。另外，吸收-壓縮式熱泵也已有工程應(yīng)用。

吸附熱泵的研究主要集中于系統(tǒng)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)開(kāi)發(fā)。S. V. Shelton等[22-23]對(duì)采用方波型和斜波型熱波循環(huán)的沸石-氨吸附熱泵進(jìn)行數(shù)值模擬，在熱源溫度316 ℃、蒸發(fā)溫度5 ℃和供熱溫度38 ℃條件下，系統(tǒng)制熱性能系數(shù)分別達(dá)到1.87和1.60。但熱波循環(huán)的系統(tǒng)目前不具備實(shí)用性，因此其研究只限于理論和模擬階段[24-25]。R. E. Critoph等[26]提出一種可實(shí)現(xiàn)吸附劑強(qiáng)制對(duì)流換熱的對(duì)流熱波循環(huán)。以活性炭-氨為工質(zhì)對(duì)，該循環(huán)可從0 ℃熱源獲得50 ℃的熱量輸出，制熱性能系數(shù)為1.3。但目前的技術(shù)手段難以達(dá)到對(duì)流熱波循環(huán)高效換熱的要求，所以該循環(huán)尚不具備實(shí)用價(jià)值。王德昌[27]研制了雙分離熱管型回?zé)峄刭|(zhì)硅膠-水吸附熱泵，并對(duì)其進(jìn)行相關(guān)熱泵工況實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該機(jī)組在80～110 ℃變化熱源溫度和5.8～8 ℃環(huán)境溫度條件下，供熱溫度為40.4～41.7 ℃，制熱性能系數(shù)為1.19～1.30。T. Núez等[28]研制了一臺(tái)小型的硅膠-水吸附熱泵，在82.9 ℃熱源溫度、20.3 ℃環(huán)境溫度和38.8 ℃供熱溫度條件下，機(jī)組制熱量和制熱性能系數(shù)分別為12 kW和1.39。盡管硅膠-水吸附熱泵制熱性能系數(shù)和供熱溫度并不高，但有驅(qū)動(dòng)熱源溫度低的優(yōu)點(diǎn)。除了針對(duì)第一類(lèi)閉式吸附熱泵的研究，B. Xue等[29]提出并研究了直接接觸式吸附熱泵。該熱泵是一個(gè)間歇的升溫型開(kāi)放式系統(tǒng)，采用沸石-水作為工質(zhì)對(duì)。系統(tǒng)在發(fā)生階段可輸出180 ℃的蒸氣，在恢復(fù)階段需要130 ℃高溫干空氣對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行再生。直接接觸式吸附熱泵是一種比較新穎的技術(shù)，但其蒸氣產(chǎn)生量不高，需要通過(guò)強(qiáng)化吸附劑與空氣或水蒸氣的傳熱傳質(zhì)性能來(lái)增大蒸氣產(chǎn)生量。

當(dāng)前還沒(méi)有吸附式熱泵機(jī)組工程應(yīng)用的報(bào)道，但理論和實(shí)驗(yàn)的研究可證明其可行性，隨著余熱利用技術(shù)的發(fā)展與推廣，吸附式熱泵可期得到發(fā)展以及工程應(yīng)用。

2.3 化學(xué)熱泵

化學(xué)熱泵是集熱泵和儲(chǔ)能功能于一體的新型節(jié)能技術(shù)，通過(guò)可逆吸放熱化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)能量品位提升與儲(chǔ)存，整個(gè)系統(tǒng)利用吸放熱反應(yīng)器(見(jiàn)圖1(d))間的平衡壓力差作為驅(qū)動(dòng)力，其工作循環(huán)如圖4所示。反應(yīng)物系在低溫?zé)嵩碩M下發(fā)生分解反應(yīng)(圖4中的點(diǎn)1)，吸收低品位余熱，在高溫TH條件下發(fā)生合成反應(yīng)(圖4中的點(diǎn)4)，釋放出高品位熱能。在系統(tǒng)循環(huán)過(guò)程中，不同類(lèi)型化學(xué)熱泵均存在中間過(guò)程，如反應(yīng)產(chǎn)物的精餾分離、冷凝以及回?zé)岬?，這些過(guò)程涉及到循環(huán)工質(zhì)向低溫環(huán)境放熱或者吸熱(圖4中的點(diǎn)2和3所示)?；瘜W(xué)熱泵具有溫度適應(yīng)范圍寬、溫度提升幅度大、儲(chǔ)能密度大、儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可與壓縮式熱泵和吸收式熱泵形成互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)低品位工業(yè)余熱的深度利用。

根據(jù)反應(yīng)物系不同，化學(xué)熱泵可分為無(wú)機(jī)系和有機(jī)系化學(xué)熱泵。國(guó)外相關(guān)研究進(jìn)展列于表3。無(wú)機(jī)化學(xué)熱泵研究較多的物系包括金屬氫化物/氫氣、金屬氯化物/氨以及金屬氫氧化物/水等。美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家從20世紀(jì)70年代開(kāi)始積極研究無(wú)機(jī)化學(xué)熱泵，1977年美國(guó)獲得了第一個(gè)金屬氫化物熱泵的專(zhuān)利[30]。近年來(lái)，各國(guó)學(xué)者在反應(yīng)熱/動(dòng)力學(xué)、新型材料研制、傳熱性能強(qiáng)化和系統(tǒng)優(yōu)化等方面取得了一定進(jìn)展，申請(qǐng)了大量發(fā)明專(zhuān)利，建成了一些實(shí)驗(yàn)樣機(jī)和中試裝置，部分推向了實(shí)際應(yīng)用[31-34]。但是無(wú)機(jī)化學(xué)熱泵固有的周期性運(yùn)行、傳熱差和反應(yīng)物性能衰減等缺點(diǎn)仍然限制其大規(guī)模應(yīng)用。國(guó)內(nèi)無(wú)機(jī)化學(xué)熱泵的研究主要集中在金屬氫化物/氫氣和金屬氯化物/氨物系。20世紀(jì)80年代以來(lái)，西安交通大學(xué)、天津大學(xué)、中科院金屬所等針對(duì)金屬氫化物/氫氣物系中合金材料、傳熱性能強(qiáng)化和系統(tǒng)優(yōu)化等方面開(kāi)展了基礎(chǔ)研究。

表3 國(guó)外化學(xué)熱泵研究進(jìn)展

有機(jī)化學(xué)熱泵是以異丙醇/氫氣/丙酮等催化反應(yīng)體系為代表的熱泵系統(tǒng)，傳熱性能好，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行，被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的化學(xué)熱泵之一。20世紀(jì)80年代，美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始了對(duì)有機(jī)化學(xué)熱泵的研究，取得了一定進(jìn)展，但未形成系列知識(shí)產(chǎn)權(quán)。近年來(lái)，韓國(guó)、泰國(guó)等國(guó)家也相繼開(kāi)展了相關(guān)研究，已經(jīng)建成了小型實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，但目前尚未有實(shí)際應(yīng)用的報(bào)道。進(jìn)一步提高系統(tǒng)熱效率和改善循環(huán)穩(wěn)定性，并進(jìn)行規(guī)模化示范驗(yàn)證是現(xiàn)階段有機(jī)化學(xué)熱泵研究的重要任務(wù)?？傮w來(lái)看，化學(xué)熱泵應(yīng)用前景廣闊，目前國(guó)際上的研究處于關(guān)鍵技術(shù)突破和規(guī)?；痉厄?yàn)證階段[35]，未來(lái)有望大量推向?qū)嶋H應(yīng)用。

對(duì)于有機(jī)化學(xué)熱泵，國(guó)內(nèi)起步較晚，其中的難點(diǎn)主要在于反應(yīng)傳遞過(guò)程的協(xié)同強(qiáng)化及副產(chǎn)物的有效控制。近年來(lái)，中科院工程熱物理研究所率先對(duì)異丙醇-丙酮-氫氣化學(xué)熱泵進(jìn)行了系統(tǒng)深入研究，在反應(yīng)傳遞機(jī)理、新型催化劑制備、系統(tǒng)性能強(qiáng)化及優(yōu)化等方面取得了很好的進(jìn)展，通過(guò)實(shí)驗(yàn)及理論手段分析了副產(chǎn)物的生成機(jī)制，其化學(xué)物系反應(yīng)路徑如圖5(a)所示，并建成了千瓦級(jí)化學(xué)熱泵實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，如圖5(b)所示，系統(tǒng)主要包括吸熱反應(yīng)器、反應(yīng)精餾塔以及放熱反應(yīng)器。研究發(fā)現(xiàn)異丙醇/丙酮/氫氣在大溫升條件(將80 ℃提升到200 ℃)下是一種良好的工質(zhì)對(duì)，但是面臨不穩(wěn)定性與反應(yīng)速率提升方面的難題，需要通過(guò)高效催化劑篩選與反應(yīng)器內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)強(qiáng)化來(lái)解決。

2.4 網(wǎng)絡(luò)化利用

當(dāng)前可供工程利用的不同的余熱回收技術(shù)所適用的溫區(qū)是不同的，不同余熱轉(zhuǎn)換技術(shù)的典型適用溫區(qū)如圖6所示。以熱泵技術(shù)的熱量輸出為例，壓縮式熱泵的熱量輸出為55～100 ℃，吸收式第一類(lèi)熱泵為70～95 ℃，第二類(lèi)吸收式熱泵為90～150 ℃，而化學(xué)熱泵可達(dá)150～200 ℃。因此在余熱利用過(guò)程中，需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化的能源利用技術(shù)，形成不同溫區(qū)能量的優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)余熱的高效利用。此余熱網(wǎng)絡(luò)化利用不同于目前已有的網(wǎng)絡(luò)化利用方案。

圖5 化學(xué)熱泵熱化學(xué)物系反應(yīng)路徑及其樣機(jī)系統(tǒng)Fig.5 Reaction path of the chemicals of the chemical heat pump and the prototype

圖6 不同余熱轉(zhuǎn)換技術(shù)的典型適用溫區(qū)Fig.6 Typical applicable temperature ranges of different conversion technologies of waste heat

國(guó)外關(guān)于低品位余熱的網(wǎng)絡(luò)化利用主要集中在分布式能源的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)研究方面。冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)是熱電聯(lián)產(chǎn)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種分布式能源系統(tǒng)，主要通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)/燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、吸收式余熱回收利用裝置以及綜合控制系統(tǒng)等高新技術(shù)和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入的高中低熱能的梯級(jí)利用，達(dá)到更高的能源利用率。根據(jù)熱能品位的不同，高溫的熱能通過(guò)動(dòng)力機(jī)對(duì)外做功發(fā)電，中溫?zé)崮芡ㄟ^(guò)余熱回收設(shè)備制取冷負(fù)荷，低溫?zé)崮芄?yīng)生活熱水。

冷熱電聯(lián)供最早可追溯到1978年美國(guó)頒布的《公共事業(yè)管理政策法》，該法規(guī)試圖以小型系統(tǒng)為突破、讓中小企業(yè)帶頭，促進(jìn)冷熱電聯(lián)供的發(fā)展[36]。冷熱電系統(tǒng)具有較高的能源利用效率，同時(shí)節(jié)能環(huán)保，各個(gè)國(guó)家都非常重視，尤其在美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家得到了快速發(fā)展。美國(guó)于1998年實(shí)施了“熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)挑戰(zhàn)計(jì)劃”，以期待在此后的12年內(nèi)將冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的裝機(jī)容量翻一番達(dá)到92 GW。2004年，歐盟國(guó)家的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)達(dá)到了9 000多套，歐盟認(rèn)為要實(shí)現(xiàn) 2020年一次能源消耗和溫室氣體排放均減少20% 的目標(biāo)，僅憑分布式熱電聯(lián)供即可實(shí)現(xiàn)其中三分之一[37]。

我國(guó)在冷熱電聯(lián)供技術(shù)發(fā)展上相比國(guó)外起步較晚，但是發(fā)展勢(shì)頭非常迅猛。早期多以蒸氣輪機(jī)熱電聯(lián)供為主，此后政府不斷出臺(tái)政策加以引導(dǎo)。1998 年出臺(tái)《國(guó)家電力保護(hù)法》鼓勵(lì)能量綜合梯級(jí)利用技術(shù)的發(fā)展，2000年頒布《關(guān)于發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)的規(guī)定》明確強(qiáng)調(diào)要積極支持和發(fā)展以天然氣為燃料的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，2001年頒布CHP條例對(duì)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的最低效率進(jìn)行限制。2007年，上海市閔行區(qū)中心醫(yī)院分布式冷熱電聯(lián)供項(xiàng)目正式投入使用，其配備有1臺(tái)350 kW燃?xì)廨啓C(jī)、1臺(tái)0.2 t/h蒸氣余熱鍋爐和 1臺(tái)3 t/h熱水換熱器， 能同時(shí)為醫(yī)院提供電、蒸氣和熱水，系統(tǒng)運(yùn)行總效率達(dá)到76.3%。2009年，廣州大學(xué)城分布式冷熱電聯(lián)供項(xiàng)目建成投產(chǎn)，一期工程實(shí)現(xiàn)156 MW燃?xì)?蒸氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，并配有11萬(wàn)冷噸的冰蓄冷系統(tǒng)，一次能源利用效率達(dá)到80%以上[38]。我國(guó)冷熱電聯(lián)供技術(shù)目前雖然取得了一定的發(fā)展，但是系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，初期投資大，同時(shí)易受天然氣價(jià)格的影響。因此亟需發(fā)展一種新型高效的方式，將多種不同能量轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化并有機(jī)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)低品位余熱的有效利用。

實(shí)際上，余熱的網(wǎng)絡(luò)化利用不僅僅是冷熱電的聯(lián)供，也不是各種余熱轉(zhuǎn)換和利用技術(shù)的簡(jiǎn)單集成，而是需要綜合考慮余熱熱源、用戶(hù)需求和余熱轉(zhuǎn)換技術(shù)等，按照能量目標(biāo)和一定的匹配準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)各種技術(shù)和過(guò)程的優(yōu)化匹配。圖7所示為工業(yè)余熱利用的電、熱、冷、儲(chǔ)、運(yùn)技術(shù)的示意圖，可根據(jù)余熱資源和用戶(hù)需求，確定余熱利用目標(biāo)后，按照匹配準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)余熱的網(wǎng)絡(luò)化利用。當(dāng)前的工業(yè)余熱大多為單一能量形式一對(duì)一利用，缺乏針對(duì)低品位余熱數(shù)量、品位、需求及熱泵選型的指導(dǎo)性規(guī)則。因此，未來(lái)的研究方向是結(jié)合不同種類(lèi)熱泵形式及應(yīng)用特點(diǎn)形成不同容量、不同溫位熱泵與熱源側(cè)、需求側(cè)的廣譜化匹配方案，同時(shí)也需要結(jié)合其他余熱轉(zhuǎn)換技術(shù)形成熱、電、冷、儲(chǔ)、運(yùn)的整體網(wǎng)絡(luò)化利用方案，實(shí)現(xiàn)工業(yè)余熱的綜合梯級(jí)利用，這是以后余熱利用技術(shù)發(fā)展的方向。

圖7 余熱利用的熱、電、冷、儲(chǔ)、運(yùn)技術(shù)Fig.7 Waste heat utilization by heating, power generation, cooling, storage and transportation technologies

3 總結(jié)與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，對(duì)于壓縮式熱泵，熱泵工質(zhì)、輸出溫度、容量、能效、可靠性與溫度適應(yīng)性是研究的主流方向。吸收式熱泵在技術(shù)推廣中存在的問(wèn)題是效率低、熱源適應(yīng)能力和溫升能力有限?；瘜W(xué)熱泵需要進(jìn)一步突破化學(xué)熱泵熱效率低和穩(wěn)定性不足的技術(shù)瓶頸，并驗(yàn)證其可靠性。同時(shí)在熱泵技術(shù)的耦合應(yīng)用方面，不同溫區(qū)及應(yīng)用場(chǎng)合的熱泵廣譜化應(yīng)用準(zhǔn)則，以及熱、電、冷、儲(chǔ)、運(yùn)等綜合需求的網(wǎng)絡(luò)化利用是未來(lái)研究的重要方向。

未來(lái)發(fā)展方面，工業(yè)余熱用壓縮式熱泵需要針對(duì)熱泵能效低、可靠性與熱適應(yīng)性難以兼顧的問(wèn)題，通過(guò)高效熱泵壓縮機(jī)的研制及強(qiáng)化換熱、循環(huán)優(yōu)化等新技術(shù)研究，結(jié)合工質(zhì)物性與經(jīng)濟(jì)性分析以及工質(zhì)與非金屬材料、潤(rùn)滑油的兼容性研究形成效率高、熱適應(yīng)性好、可靠性強(qiáng)的壓縮式熱泵，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，熱能品位提升程度和熱能容量應(yīng)考慮采用不同的壓縮機(jī)形式、熱泵工質(zhì)、潤(rùn)滑油與密封技術(shù)等，低溫?zé)嵩磦?cè)與高溫?zé)岢羵?cè)的小溫差換熱設(shè)計(jì)也很關(guān)鍵。此外大型工業(yè)余熱用壓縮式熱泵存在評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)缺失的問(wèn)題，為此也需要與技術(shù)發(fā)展相對(duì)應(yīng)，形成新的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在吸收式熱泵方面，由于溴化鋰吸收式熱泵的進(jìn)一步發(fā)展受到容量、能效比、溫升、可靠性方面的限制，所以未來(lái)的研究需要重點(diǎn)關(guān)注兩方面：首先，改進(jìn)第一類(lèi)與第二類(lèi)熱泵的新型流程、循環(huán)改進(jìn)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及生產(chǎn)工藝，提高機(jī)組效率及工況適應(yīng)性，并拓寬溫度提升范圍；其次，針對(duì)不同余熱和熱能品位需求形成系統(tǒng)解決方案，形成核心設(shè)備及大型、高效、適應(yīng)性強(qiáng)的機(jī)組設(shè)計(jì)與生產(chǎn)能力。大溫升/大容量/高能效是吸收式熱泵的關(guān)注點(diǎn)。在化學(xué)熱泵應(yīng)用方面，針對(duì)系統(tǒng)效率低及循環(huán)穩(wěn)定性不足的問(wèn)題，需要攻克的技術(shù)為新型高效催化劑、吸/放熱反應(yīng)器、反應(yīng)精餾塔及緊湊式小溫差換熱設(shè)備方面，還要研發(fā)適用于化學(xué)熱泵的儲(chǔ)能設(shè)備及其與系統(tǒng)的耦合技術(shù)，研究循環(huán)工藝優(yōu)化及穩(wěn)定運(yùn)行智能化調(diào)控技術(shù)。大溫升/高效率/反應(yīng)器的熱質(zhì)傳遞強(qiáng)化以及催化劑的低成本是化學(xué)熱泵研發(fā)的核心點(diǎn)。

根據(jù)不同熱泵的溫度適用范圍、余熱條件和需求，進(jìn)行工業(yè)熱泵的應(yīng)用匹配。當(dāng)前缺乏廣譜性的應(yīng)用準(zhǔn)則，而且在余熱回收利用的設(shè)備與系統(tǒng)方面，缺乏針對(duì)不同余熱特點(diǎn)的指導(dǎo)性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。未來(lái)的研究需要集中在發(fā)展效率高、容量大、熱適應(yīng)性好、穩(wěn)定可靠的熱泵技術(shù)，形成各余熱熱泵互補(bǔ)利用的廣譜化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，同時(shí)通過(guò)對(duì)余熱的熱、電、冷、儲(chǔ)、運(yùn)的網(wǎng)絡(luò)化利用進(jìn)行余熱系統(tǒng)的高質(zhì)化集成。另外，還需要通過(guò)工質(zhì)對(duì)、新型循環(huán)、高密度熱質(zhì)傳遞等關(guān)鍵技術(shù)研究，研究分散式低品位余熱利用的高效吸附/吸收式制冷/熱泵機(jī)組及余熱儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)，形成集中-分散余熱覆蓋的熱、電、冷、儲(chǔ)、運(yùn)網(wǎng)絡(luò)化利用準(zhǔn)則與方案，實(shí)現(xiàn)工業(yè)余熱的高效利用。

[1] Liebenberg L, Meyer J P. Potential of the zeotropic mixture R-22/R-142b in high-temperature heat pump water heaters with capacity modulation[J]. ASHRAE Transactions, 1998, 104: 418-429.

[2] 胡斌, 王文毅, 王凱, 等. 高溫?zé)岜眉夹g(shù)在工業(yè)制冷領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 制冷學(xué)報(bào), 2011, 32(5): 1-5.(HU Bin, WANG Wenyi, WANG Kai, et al. The application of high-temperature heat pump in industrial refrigeration field[J]. Journal of Refrigeration,2011,32(5):1-5.)

[3] Lazzrazin R M. Heat pumps in industry: applications[J]. Heat Recover Systems & CHP, 1995, 15(3): 305-317.

[4] Chamoun M, Rulliere R, Haberschill P, et al. Experimental and numerical investigations of a new high temperature heat pump for industrial heat recovery using water as refrigerant[J]. International Journal of Refrigeration, 2014, 44: 177-188.

[5] 沈九兵, 何志龍, 邢子文. 采用噴水螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)的高溫?zé)岜迷O(shè)計(jì)及性能分析[J]. 制冷與空調(diào) (北京), 2014, 14(2):95-98. (SHEN Jiubing, HE Zhilong, XING Ziwen. Design and performance analysis of high temperature heat pump using water-jet screw type steam compressor[J]. Refrigeration and Air-conditioning, 2014, 14(2): 95-98.)

[6] Jensen J K, Markussen W B, Reinholdt L, et al. On the development of high temperature ammonia-water hybrid absorption-compression heat pumps[J]. International Journal of Refrigeration, 2015, 58: 79-89.

[7] Hattori T, Ishizuki Y. Heat pump apparatus and operation method for heat pump apparatus: U.S. Patent Application 13/544,189[P]. 2013-01-10.

[8] Shuichi U, Hiroyuki S, Jun M, et al. Development of a heat recovery centrifugal heat pump producing high temperature water [C]//Proceedings of the Japan Society of Mechanical,2013,79(799):423-429.

[9] Li T X, Guo K H, Wang R Z. High temperature hot water heat pump with non-azeotropic refrigerant mixture HCFC-22/HCFC-141b[J]. Energy Conversion and Management, 2002, 43(15): 2033-2040.

[10] He Y, Cao F, Jin L, et al. Development and field test of a high-temperature heat pump used in crude oil heating[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part E: Journal of Process Mechanical Engineering, 2015: 1-13.

[11] Wu X, Xing Z, He Z, et al. Performance evaluation of a capacity-regulated high temperature heat pump for waste heat recovery in dyeing industry[J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 93: 1193-1201.

[12] Chen C, Zhang Y, Deng N, et al. Experimental performance of moderate and high temperature heat pump charged with refrigerant mixture BY-3[J]. Transactions of Tianjin University, 2011, 17(5): 386-390.

[13] 劉華, 張治平, 王升. 高效離心式熱泵在集中供熱中的應(yīng)用[J]. 暖通空調(diào), 2015, 45(12): 44-48. (LIU Hua, ZHANG Zhiping, WANG Sheng. Application of high-efficient centrifugal heat pump to centralized heat supply system[J]. Journal of HV&AC, 2015, 45(12):44-48.)

[14] IEA heat pump programme. Applications of industrial heat pumps [R]. Final report part 1, 2014, No. HPP-AN35-1.

[15] IEA heat pump programme. Applications of industrial heat pumps [R]. Final report part 2, 2014, No. HPP-AN35-2.

[16] Fiskum R J, Adcock P W, DeVault R C. United states department of energy thermally activated heat pump program[C]//Energy Conversion Engineering Conference, 1996. IECEC 96, Proceedings of the 31st Intersociety. IEEE, 1996, 2: 736-741.

[17] Modahl R J, Hayes F C. Development and proof-testing of advanced absorption refrigeration cycle concepts[R]. Oak Ridge National Lab., TN (United States); Trane Co., La Crosse, WI (United States). Applied Unitary/Refrigeration Systems Div., 1992.

[18] Dao K. Regenerative absorption cycles with super-pressure boiler: U.S. Patent 5,218,843[P]. 1993-06-15.

[19] Xu Z Y, Wang R Z. Absorption refrigeration cycles: categorized based on the cycle construction[J]. International Journal of Refrigeration, 2016, 62: 114-136.

[20] Mostofizadeh C, Kulick C. Use of a new type of heat transformer in process industry[J]. Applied Thermal Engineering, 1998, 18(9): 857-874.

[21] Ma X, Chen J, Li S, et al. Application of absorption heat transformer to recover waste heat from a synthetic rubber plant[J]. Applied Thermal Engineering, 2003, 23(7): 797-806.

[22] Shelton S V, Wepfer W J, Miles D J. Square wave analysis of the solid-vapor adsorption heat pump[J]. Heat Recovery Systems and CHP, 1989, 9(3): 233-247.

[23] Shelton S V, Wepfer W J, Miles D J. Ramp wave analysis of the solid/vapor heat pump[J]. Journal of Energy Resources Technology, 1990, 112(1): 69-78.

[24] Sun L M, Feng Y, Pons M. Numerical investigation of adsorptive heat pump systems with thermal wave heat regeneration under uniform-pressure conditions[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1997, 40(2): 281-293.

[25] Sward B K, LeVan M D, Meunier F. Adsorption heat pump modeling: the thermal wave process with local equilibrium[J]. Applied Thermal Engineering, 2000, 20(8): 759-780.

[26] Critoph R E. Forced convection enhancement of adsorption cycles[J]. Heat Recovery Systems and CHP, 1994, 14(4): 343-350.

[27] 王德昌. 硅膠-水吸附式制冷機(jī)研制與吸附式制冷變熱源特性研究[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2004. (WANG Dechang. Development of a silica gel-water adsorption chiller and study of the characteristics of adsorption systems driven by variable heat source[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2004.)

[29] Xue B, Iwama Y, Tanaka Y, et al. Cyclic steam generation from a novel zeolite-water adsorption heat pump using low-grade waste heat[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2013, 46: 54-63.

[30] Cimch J M, Abelson H, Horowitz J S. The metal hydride chemical heat pump [C]//Proceedings of the DOE Thermal and Chemical Storage Annual Contractor′s Review Meeting, 1980:163.

[31] Astakhov B A. Metal hydride heat pump: U.S. Patent 6,000,463[P]. 1999-12-14.

[32] Venkatesan S, Ovshinsky S, Dhar S, et al. Rapid chemical charging of metal hydrides: U.S. Patent Application 10/684,616[P]. 2003-10-14.

[33] Dunlap R M. Heat driven heat pump using paired ammoniated salts: U.S. Patent 4,411,384[P]. 1983-10-25.

[34] Kabe T, Kameyama H. Chemical heat pump system: U.S. Patent 4,701,199[P]. 1987-10-20.

[35] KlinSoda I, Piumsomboon P. Isopropanol-acetone-hydrogen chemical heat pump: A demonstration unit[J]. Energy Conversion and Management, 2007, 48(4): 1200-1207.

[36] 朱成章. 美國(guó)冷熱電聯(lián)產(chǎn)綱領(lǐng)及啟示[J]. 中國(guó)電力,2000,33(9):91-94. (ZHU Chengzhang. Guiding principle for and enlightenment from coolant, heat and power cogeneration in USA [J]. Electric Power, 2000, 33(9):91-94.)

[37] 陳強(qiáng). 分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)全工況特性與主動(dòng)調(diào)控機(jī)理及方法[D].北京: 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 2014. (CHEN Qiang. Investigation of new active control methods and performance of a combined cooling, heating and power system (CCHP) based on gas turbine in all operating states[D]. Beijing: University of Chinese Academy of Sciences, 2014.)

[38] 華賁. 廣州大學(xué)城分布式冷熱電聯(lián)供項(xiàng)目的啟示[J]. 沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2009, 5(2): 97-102. (HUA Ben. An inspiration to Guangzhou university towns DES/CCHP project[J]. Journal of Shenyang Institute of Engineering (Natural Science), 2009, 5(2): 97-102.)

Research Status and Trends on Industrial Heat Pump and Network Utilization of Waste Heat

Wang Ruzhu1Wang Liwei1Cai Jun2Du Shuai1Hu Bin1Pan Quanwen1Jiang Long1Xu Zhenyuan1

(1. Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240，China; 2. Institute of Engineering Thermalphysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100190，China)

Plenty of low-grade heat is produced duringindustrial energy consumption. Waste heat reuse significantly contributesto energy-savings ifhigh-efficiency technologies are employed for heat recovery. Heat pump technology allowsfor temperature upgrading and capacity expansion of industrial waste heat. The recovered heat can then be supplied to industrial processes orused in district heating and cooling. In this paper, the characteristics and development trends of vapor compression heat pumps, sorption heat pumps, and chemical heat pumpsare introduced. These three heat pump technologies have been greatly improved interms of working fluid, cycle optimization,and system innovation. Nonetheless, there are some incompatible optimizing targetsassociated with capacity, energy efficiency, temperature lift, and stability. Moreover, the applications and characteristics of industrial waste heat vary depending on its category and temperature grade. Design guidelines suitable for different waste heat conditions are lacking for heatrecoveryequipment and systems. Further research should focus on heat pump technologies characterized as high efficiency, large capacity, and high thermal adaptability, stability, and reliability. In addition, general design principles should be developed for mutually complementary applications of different heat pumps. Meanwhile, the high-quality integration of heat recovery systems can be accomplished to realize the highly efficient use of industrial waste heat by means of energy network utilization, including heating, power generation, cooling, and storage and transportation technologies.

industrial waste heat; vapor compressed heat pump; sorption heat pump; chemical heat pump;network utilization

0253- 4339(2017) 02- 0001- 10

10.3969/j.issn.0253- 4339.2017.02.001

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFB0601200)資助項(xiàng)目。(The project was supported by the National Key Research and Development Program under the Contract (No.2016YFB0601200).)

2016年9月30日

TK115； TK124； TQ051.5

A

王如竹，男，教授，上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，(021)34206548，E-mail：rzwang@sjtu.edu.cn。研究方向: 低品位余熱回收利用，吸附式與吸收式制冷與儲(chǔ)能、太陽(yáng)能利用。About the corresponding author

Wang Ruzhu, male, professor, Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, +86 21-34206548，E-mail：rzwang@sjtu.edu.cn. Research fields: the conversion and utilization of low grade waste heat, sorption refrigeration and energy storage, solar energy utilization.