董益秀，王如竹
（上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240）
摘要：能源使用结构的不合理会造成资源短缺和环境破环.在制造业大国中，工业是能源消耗最大的部门，其用能转型受到广泛关注.能满足工业用热需求的高温热泵是推动工业用能清洁化，电气化的重要一环.高温热泵的构建主要围绕循环和工质两方面展开.在循环结构方面，杭理了压缩式、吸收式、压缩-吸收混合式高温热泵，提炼出了每项研究中热泵能实现的工作温度范围，总结了不同循环结构下系统需要的热源温度及能实现的 温升幅度，从热源品位和用热温度需求的角度为高温热泵循环结构的选择提供参考.在工质方面，梳理了它的演变和替代过程，根据工质特点分析了其适宜的工作温区，总结了工质的筛选原则.最后，对高温热泵的应用场景进行了展望.除用于工业过程外.还可以帮助构建卡诺电池，实现电能-热能-电能的存储与转化.
中图分类号：TB61：TB69文献标志码：A文章编号：0438-1157（2023)
application potentials
DONG Yixiu WANG Ruzhu
Abstraet: The unreasonable energy consumption will lead to the shortage of resource and the damage ofenvironment. Among large manufacturing countries industry is the sector with the largest energy consumption andits energy use transformation has.received extensive attention. The high temperature heat pump which can meet the industrial heat demand is essential to promote the clean and electrification of industrial energy consumption. Theestablishment of high temperature heat pump mainly focuses on two aspects: cycle configuration and working fluid.In cycle configuration pression absorption and hybrid pressionabsorption high temperature heat pumpsare sorted out; the working lemperature range of the heat pump in each study is extracted; the heal source temperahure and temperature lif in different cycle configurations are summarized; and a selection guideline of cyeleconfigurations according to the condition of heat ssurce and users * temperature demand is provided. As for workingluids their evolution process is sorted out; the suitable working temperature region is analyzed according lo theircharacteristics and the screening principles of working fluids are summarized. Finally the application scenarios ofCarmot batteries to achieve the storage and cnversion of electricityheatelectricity. high tenperature heat pump are prospected. Besides being used in industrial processes it can also be involved in
Key words: high temperature heat pump; cycle configurations; working fluids; adaptability analysis; applicationscenarios
结构多样，具有较广泛的应用场景.在闭式热泵中，系统能否提供目标高温、能否高效稳定运行，都与工质密切相关.工质除了要具备合适的热力学性质外还要考虑环保性、安全性、材料兼容性，此外 还要适当兼顾经济性和效率.随着20世纪80年代臭氧层破坏问题的发现以及21世纪对全球变暖间题的关注，非环保工质已经或将被限制使用，由此给高温热泵工质的研究划定了范围、指明了方向. 高温高压给热泵系统的部件带来了挑战.较高的排气温度可能会损坏压缩机机械部件，降低润滑剂性能；压缩机吸入口流体温度过高，会导致电机冷却不足.高压也对换热器的承压性能提出了要求.开发能够在高温高压条件下高效运行的压缩 机、膨胀阀、换热器等部件是构建成熟高温热泵系统的关键
引言
面引发生态破坏，最终威胁人类生存.CO等温室 全球变暖会引起海平面上升、制造极端气候从气体的大量排放是导致全球变暖的一大元凶，其主要成因是能源的不合理利用，具体体现在化石燃料的过度消耗.2020年，中国总的能源消耗量为49.8亿吨标准煤，其中化石燃料占比84.1%.为应 对全球变暖，中国明确提出了“2060年实现碳中和”的目标.中国作为一个制造业大国，在各用能部门中，工业能耗占到了66.8%".工艺用热占到总工业能耗的50%-70%.热泵是一项利用电能或热能辅助，使热能品位得到提升的技术.从工业用能现状来看，热泵具有很大的应用潜力.此外，随着电气 化进程的推进，各行各业中热泵正在加速部署.由于民用常温热泵技术较成熟，建筑供热领域热泵部署进程较快，而工业用高温热泵技术有待完善，因此在工业领域还未普遍推广.在工业过程中，生产环节会产生大量的低品位废热.如果能将此部分 热量回收并再次用于生产过程，将会有显著的节能效果.如若能匹配到适用的热泵技术，就能实现工业余热的提质及回收利用.
此前已经有许多学者贡献了许多有深度的研究型论文和有广度的综述.本文聚焦于供热温度吸收式以及压缩-吸收混合式热泵的表现进行综合 80℃以上的高温热泵"，在循环构建方面将压缩式、对比分析：在工质选择方面总结普遍筛选原则，并对部分热物性特殊的工质的使用进行重点阐述：最后本文对已经得到应用的高温热泵系统进行概述，并对未来有潜力的应用方向做出展望.
Arpagaus等总结了工业用热的温度需求.食品加工、化工、木材加工等部门的干燥、消毒、蒸馏 等过程有大量的80℃以上的热需求.然而常规热泵主要用于建筑物空间加热和民用热水的供应，供热温度通常在40-60℃，难以达到工业用热标准.因此需要开发专门的高温热泵，使其具备与高温特性相匹配的结构、工质、系统硬件.
1高温热泵结构
1.1压缩式高温热泵系统
压缩式热泵以其安装方便、控制准确、驱动温度低、效率高、规格多样等优点，具有广泛的应用场级压缩式、多级压缩式、复叠压缩式. 景，可以适应不同的热需求.其常见的形式有单
近年来，高温热泵已有理论计算与仿真、实验室规模测试以及工业化应用等各尺度的研究.开发高温热泵的三个重要方向是：优化循环结构、选择匹配工质、研发高性能部件；研究目的是构建温度适应性强、性能表现优且兼顾环保性的高温热 泵叫.热泵循环结构分为开式和闭式两大类.开式包含机械蒸汽再压缩和热力蒸汽再压缩，常被直接用于蒸发、精馏、提纯、浓缩等工艺过程或与其他部件结合来提升过程的能效结构和应用场景括压缩式、吸收式以及压缩-吸收混合式热泵，循环
单级压缩式系统结构最为简单，许多学者针对它开展了工质性能表现、变工况测试、结构优化等方面的研究.Zhang等将一种新型的二元近共沸混合物工质BY-5应用于单级热系循环，在70-80℃ 蒸发和110-130℃冷凝下，对该热泵系统进行了实验研究.证明了BY-5作为一种新型高温制冷剂的可行性和可靠性.Huang等设计并搭建了以R245fa为工质的涡旋压缩机高温热泵实验系统，对相对固定.本文主要探讨的是闭式热泵技术，它包多组工况进行了测试，当冷凝温度为120℃温升为 49C时，性能系数（COP）可达5.18.降低压缩机排
气温度在高温热泵中尤为重要.Wu等构建了一个向压缩机中喷水的水蒸气双螺杆压缩式高温热泵机组，喷水冷却使得压缩过程接近于饱和过程. 可以实现150℃的高温输出.喷气增熔也是一种常用于改善性能的设计，结合闪蒸罐、经济器等部件将中间压力的工质再次送入压缩机，降低压缩机排气温度、提高制热量.从面提高系统COP
如图1c）所示，复叠压缩式热泵的中间换热器用于连接两个独立的循环，将热泵分成了高温级和低温级，低温级的冷凝热用于高温级的蒸发过程. 相比多级压缩，其最大的优点是两级可以分别用不同的工质，二者均在最佳的工作温区.复叠压缩式热泵系统的主要研究方向有实现超大温升、开发工质对、提升系统能效等.Zou等开发了一个高温级带有喷气增的复叠热泵样机.它可以在环境温 度-10-20℃的条件下实现140℃的供热，实现超大温升.Wu等将自主开发的BY3B/BY6混合工质分别用在低温级和高温级，在最佳运行工况下，系统的供热能力为498.9kW，投资回收期为3.9年.大温升热泵通常COP较低，然而合适的应用场景可以提高综合能源利用效率.Schlemminger等搭建 了一台能够同时在0℃左右蒸发和115℃左右冷凝的复叠热泵机组，刚好可以满足牛奶生产过程的冷热需求.其制冷制热综合COP为2.6-2.8
气温度，增大温升，提高压缩效率，能实现更高的 与单级压缩式热泵相比，多级压缩可以降低排COP.典型的两级压缩式热泵系统如图1（a所示.Mateu-Royo等对比了带有中间换热器的单级压缩和两级压缩系统，当系统温升40℃以上时，两级压缩系统性能表现更优.Hu等分析了单级、两级、三级压缩式热泵循环，以比较基于余热回收的 120℃加压热水供应系统的性能，结果表明随着压缩级数的增加，系统具有更好的能量效率和拥效率.并联压缩也是一种多级压缩的形式，典型系统如图1(b)所示.Hu等对单循环双压缩机、双压缩机并联和双循环并联的高温热泵系统进行了对比分 析，仿真结果表明，双循环并联系统由于在传热过程中不可逆损失最小.因此在制热量、COP方面具有很大的优势.Liu等搭建了该双循环并联热泵系统，并在蒸发器进水温度30℃.冷凝器出水温度60-90C的工况下进行了性能测试，其COP始终优 于双压缩机并联系统，平均差值为9%.
1.2吸收式高温热泵系统
工业余热，节约电能的消耗.吸收式热泵有增热型 吸收式热泵属于热驱动型热泵，可以直接利用和升温型两种，后者又叫第二类吸收式热泵，结构如图1（d）所示.增热型热泵利用少量高温热源产生大量中低温可用能，立足于增“量”，常被用于构建民用制冷供暖热泵.而升温型热泵是利用中低温热能驱动，产生高温有用能，侧重于提“质”，因此多
图1高温热泵循环结构
Fig.1The cyele configurations high temperature hea pump
数高温热泵采取第二类形式.Horuz等"呈现了一个用第二类吸收式热泵获取热水的应用，该系统在[图1（e]和双效[图1（0]吸收式热泵是第二类吸收式 90℃的热源温度下能够提供120℃的热水.双级热泵的变体.在双级吸收式热泵中，工质对在低温吸收器中完成第一次放热，释放的热量用于加热即将进人高温吸收器的制冷剂蒸气，使其处于更高的结果表明，双级吸收式热泵对提高系统总温升有很 温度，以实现进一步的热升级.Rivera等的实验大的帮助，相比单级吸收式面言.温升幅度可以提高30℃.双效吸收式热泵有两个发生器，高温发生器中产生的蒸气在低温发生器中冷凝释放热量，用式热泵对能源的利用会更加充分，机组更节能. 于低温发生过程.由于有两次发生过程，双效吸收Zhao等“将双效和单级吸收式热泵进行了对比.随着吸收温度的升高，双效比单级吸收式热泵的COP下降更快，使得其可用温升范围较窄，此外，发生温度越高，可用温升范围越大，因此该类型适用于热 源温度高且温升不太大的场合.
1.3压缩-吸收混合式高温热泵系统
吸收式与压缩式热泵结合，可以降低热泵发生器的驱动热源温度，提高吸收器的供热温度运行范围更灵活，也能够实现更大的机组容量.Jensen等将压缩-吸收混合式热泵与蒸气压缩式 热泵进行了对比.该混合式热泵如图Ig）所示，发生器下游设置一个气液分离器，蒸气被送人压缩机，稀溶液通过水泵泵送，二者在进入吸收器之前再混合.研究结果表明混合式热泵能够提供更高的供热温度和更大的温升.Ahrens等对氨-水吸 收-压缩混合式热泵面临的挑战和未来发展方向进
行了分析，未来混合式高温热泵的研究应侧重于经济高效的压缩机的开发以及吸收器、解吸器的高效设计和操作.混合热泵还可以搭建成复叠的形式， 如图1（h）所示.该结构充分发挥了两种循环结构的优势，避免了不足.压缩式热泵先将环境温度进行一定的抬升，为吸收式热泵提供合适的发生温度；吸收式热泵放在高温级使用，避免了高温高压工况给压缩机带来的挑战.Gao等搭建了一台复叠压 缩-吸收混合式高温热泵机组，实验结果显示该机组可以将50℃的废热提升至100℃左右，进一步理论分析表明，该系统可以在30-60C的热源温度下，输出90-115C的热能.
1.4高温热泵结构的适用性分析
构建高温热泵的两个重要依据是热源温度及供热温度，二者分别从供应侧和需求侧对热泵提出了要求.本部分梳理了文献中各类型热泵所需要的热源温度和能完成的温升幅度，总结出不同循环结构的特征并进行对比，以此对高温热泵的构建提 供指导.
图2显示了5种循环结构的高温热泵工作时的热源温度和温升情况.其中，带数字编号的散点对应的数值是各项研究中所进行的实验或模拟参数范围的平均值（例如某实验测试的热源温度范围是标记表示该循环类型各项研究的平均值. 30-60℃，则在图中标记为45℃），相同形状的大尺寸
从图2中大尺寸标记所在位置可以看出各类型热泵的典型特征.图中阴影部分为热源温度小于35C且供热温度大于80℃的区域，该区域表示热泵能从环境温度取热并产生高温热量供应.落 在该区域的主要热泵类型是复叠压缩式，由此说
图2不同循环结构热泵工作时的热源温度和温升幅度
Fig.2 The heat sare temperature and the temperature lif f different cyele configurations while working
明其具有良好的温度适应性，工作条件较少受到热源温度的限制.多级压缩相对于单级压缩面高的温升幅度.吸收式热泵对热源温度要求较 言.在热源温度需求上没有太大差异，但能提供更高，通常需要50℃以上的余热.混合式热泵由于有电能辅助增加热能品位，因此相对于纯吸收式热泵面言，对热源温度的需求可以降低，温升幅度也有所提高.
机由于受到结构的限制，只能用于小容量机组.热驱动型热泵由于不受硬件的限制，容易做到大容量，具有良好的经济效益.
高温热泵的适用性分析是多方面的，本文只基于部分指标对其进行讨论.例如复叠压缩式热泵虽然温度适应性好，但其COP相对较低；吸收式热泵尽管COP低，但无须耗电：多级压缩能提升系统的能效，但经济性不佳.因此未来还需构建更全面 的.包含当地能源状况、用户需求、性能表现、经济性、环保性的综合分析框架.
究案例的个性特征.除复叠压缩式热泵以外，研究 图中的小尺寸散点所在的位置可以体现出研5研究30也落在了阴影区域.其中，研究5采用的是以CO为工质的跨临界循环系统，虽为单级压缩，但CO可以实现较大的温度滑移和较高排气优势.能够实现较大温升.研究30的循环结构 温度，在热泵热水器领域具有其他工质无法比拟的为复叠压缩吸收混合式热泵[图1(h].先由压缩循环将环境热源提升至中温，再供给第二类吸收式热泵使用，二者充分配合，能够实现低温取热、高温供热.
2高温热泵工质
2.1工质的演变和替代
热泵技术高温化研究的一项重要任务就是寻求循环性能，环境特性俱优的工质".工质的首要筛选原则是具有与工作温度相匹配的热物性.对 于输出温度80℃以上的压缩式高温热泵，匹配热物性的工质并不缺乏.但随着人们对环境保护越来越重视，具有高臭氧消耗潜能值（ODP）的R114等CFCs类工质已在2010年全面禁用，作为CFCs过渡将于2040年禁用.基加利修正案签订后，R245fa、 性替代品的R142b、R123R124等HCFCs类工质也R236fa、R365mfc等18种具有高全球变暖潜能值（GWP）的HFCs类工质也被列人了受控物质清单.HO、CO、NH、碳氢化合物（HCs）等天然工质和保工质，是未来重点发展的方向. HFOsHCFOs类合成工质属于0 ODP、低GWP的环
度，复叠压缩式热泵具有良好的温度适应性，能够 总地来说，基于热源温度和用户热需求的角利用最易得的环境热量，产生高温，灵活满足工业用热需求.吸收式热泵对热源温度的要求较高，应用时需要考虑当地的余热情况.CO跨临界循环能够发挥工质的特性实现大温升，但其高工作压力会 对系统中各部件的承压能力提出挑战.复叠的压缩-吸收混合式热泵是一种构建大温升热泵的新构想，其实现大温升还处于模拟阶段，需要实验进一步验证.
许多学者研究了传统工质和环保工质之间的替代方案.Brunin等在80-120C的供热温度范围内筛选了R114R123、R142b、R124四种工质的替代物，研究发现HCs是一种合适的替代方案.Maleu= Royo等用理论和半经验分析的方法对比了R245fa和R1234yd(Z）在110-140C供热温度下的性能表现，发现二者性能参数接近，可以互为替代品.表1总
在梳理文献过程中，暂未发现热泵容量与结构的显著关系.压缩式热泵的制热量主要与压缩机 种类有关大容量机组需要采用离心式或螺杆式压缩机.但从经济性的角度，离心式压缩机的费用对规格大小相对不敏感.而螺杆式压缩机对功率相对敏感，在中等规格下经济性最优”.活塞式压缩结了几种传统高温热泵工质的替代品.
表1传统高温热泵工质及其替代品
Table 1 Traditional working fluids of high temperature heat pumps and their alternatives
传统工历R114 R123 .R142b .R124 HCs(例如:R290 R600 R601) 整代品 [56 58] 文献R114 R744/R600或 R744/R600a [59]R2456a R134 R1224yd(Z) R1234ze(E) R1233al(E) R1336mzz(Z) R600 B601 R1234yf R1234ze [57 6162] [60]
