高温热泵技术研发及工业应用前景
龚宇烈研究员中国科学院广州能源研究所2026.05.22北京 目录CONCENTS 1.背景及意义 2.高温热泵的研发 3.高温热泵的应用 4.未来研发思路 目录CONCENTS 1.背景及意义 2.高温热泵的研发 3.高温热泵的应用 4.未来研发思路 .1高温热泵已成为工业脱碳的关键技术 全球工业能耗占到总能耗的37%，其中2/3用于工业供热，长期依赖于化石能源，节能降碳潜力巨大。 热泵是实现能源消费侧高效电气化的重要技术手段，IEA发布的《2050年净零排放：全球能源行业路线图》指出，至2045年50%用热需求须由热泵满足：IRENA发布的《2022年全球热泵产业调研报告》指出，在目前的碳中和框架下，需要把工业电力消耗占比从2019年的26%提高到2050年的35%，高温热泵数量需要增长100倍，要达到8000万台 1.2高温热泵技术可拓宽热泵应用范围 工业领域100℃以上的蒸汽需求大，目前的锅炉供热方式造成大量环境污染。高温热泵可回收利用丰富的工业低品位余热资源，提供满足工业用热需求的热能热泵应用从建筑领域拓展到了工业领域包括石油化工、纺织印染、食品烟草等众多的工业场景。 1.3高温热泵可实现低品位能源能量品位的提升 我国低温地热资源储量大、但利用方式单，需要更多技术来开发这类资源。高温热泵通过少量电能的输入将低品位的地热能转化为高温热能，从而将低温的地热利用拓展至工业领域。 1.4 高温热泵研究与应用现状 高温热泵工质的研究进展 未来替代工质：R1336mzz-Z,R1233zd(E)，R1234ze(E)等氢氟烯烃(HFOs)制冷剂 1.4高温热泵研究与应用现状 高温热泵试验装置研究进展 1. 4高温热泵研究与应用现状 高温热泵的温度提升大多数在40°℃~100℃绝大多数高温热泵的输出温度在140°C以下高温热泵的热力完善度在40%~60%COP随着温升升高而显著下降，当温升从40℃C升至100C时，（COP约从5.8下降到2.4 目录CONCENTS 1.背景及意义 2.高温热泵的研发 3.高温热泵的应用 4.未来研发思路 2. 1高温热泵的研发一工质的优选 2.1 高温热泵的研发一工质的优选 对不同工质的循环性能进行对比得出，每种工质均有各自的优势，在进行优选时需进行综合评价 2.1高温热泵的研发一工质的优选 基于灰色关联分析法从COP、压比、单位容积制热量、排气温度等指标对工质进行了综合评价得出R1234Ze(Z）>R245fa>R365mfc>R1336mzz(Z）>Novec649，价格上R1234Ze(Z）约为R245fa价格的10倍，R245fa具备较为优越的综合循环性能，考虑价格因素选择R245fa作为高温热泵的循环工质 2.1 高温热泵的研发一工质的优选 蒸发器传热系数可以达到2500Wl(m2.°C）蒸发器压力和汽轮机前后的压差随着热水出口温度的增加而增加，热水流量对蒸发压力和冷凝压力的变化浮动较小。 2.2 高温热泵的研发循环研究 蒸汽热泵基本循环 蒸汽热泵基本循环T-s 系统COP值低压缩机排气温度高电子胀阀阀前温度高，影响控制效果甚至造成工质泄漏 优势 系统结构简单，主要部件只包含四大件和闪蒸器蒸发器换热面积小 2.2高温热泵的研发循环研究 采用中间补气准两级压缩循环 增设经济器和过冷器 2.2 高温热泵的研发循环研究 简单系统一简单蒸汽热泵系统改进1系统一准两级压缩不带过冷器的蒸汽热泵系统改进2系统一准两级压缩带过冷器的蒸汽热泵系统 效果：改进2系统（准两级压缩+过冷器）具有更大的COP和制热量，经济性能更佳原因：经济器和过冷器的耦合使用可实现更大的过冷度，即工质被过冷后，工质释放出的热量被更多的回收 2.2 高温热泵的研发循环研究 各冷凝温度下系统的COP均随着工质的过冷度增大而增加，且在经济器中的增加幅度显著大于过冷器采用经济器中间补气循环可取得比单独采用过冷器循环更佳的改进效果 刘炳伸，龚宇烈，陆振能，曲勇，高一峰.热泵蒸汽系统准两级压缩联合过冷器循环的性能分析及优化.化工进展，2017,36(7)：2360-2367 2.3 高温热泵的研发一一控制策略优化 针对工业应用场景中热源的不稳定性，当前市场上热泵机组的运行策略多以保护性控制为主，与变热源相适应的性能优化控制较少。基于极值搜索的高温热泵机组优化控制，在不同运行工况下，通过对控制参数（如中间压力等）施加干扰信号和解调信号，获取目标函数（如耗功或COP）变化趋势，进而获取目标函数的最优值和控制参数，实现无模型实时自优化控制，保证变热源和变供热条件下热泵系统的高效运行。 2.3 高温热泵的研发控制策略优化 准两级压缩式高温热泵系统极值搜索控制 基于牛顿法的极值搜索算法应用于准两级压缩式高温热泵系统，通过ESC控制器实时调节中间补气增炝管路的电子膨胀阀开度以对其压力进行控制，实现了在变热源条件下自动控制，使压缩机功耗最小化运行 Yulie Gong, Guangping Liu,Zhenneng Lu.Extremum seeking control for real-time optimization of high temperatureheat pump systems incorporatingvaporinjection.Thermal ScienceandEngineeringProgress,2023,42:101867. 2.3 高温热泵的研发-控制策略优化 三级压缩式高温热泵系统极值搜索控制 喷射式高温热泵系统极值搜索控制 基于不同参数间动态响应频率不同，区分不同的控制变量，在变工况下实现了对多变量的优化控制使压缩机功耗最小化运行。 通过控制喷射器驱动喷嘴的流通面积来控制压缩机排气温度，在变工况下实现了对系统实时自动控制，使压缩机功耗最小化运行。 Guang ping Liu, Zhenneng Lu, Yuan Yao, Yulie Gong.Multi-variable extremumseekingcontrolfor hightemperature heat pumpsystemincorporatingdoublerefrigerantinjection.InternationalJournalofRefrigeration(2023),doi:https://doi.0rg/10.1016/i.jjrefrig.2023.04.010 Guangping Liu,Huashan Li, Zhenneng Lu,Yongzhen Wang, Yulie Gong. Self-optimized efficient operation of trans-critical CO, ejector-expansion heat pumpwater heater system with two-stage evaporation.Energy and Buiding, 2023:113659. GuangzhouInstituteof EnergyConversion,ChineseAcademyofSciences 2.4 高温热泵的研发机组的研制 研制国内首台高温热泵蒸汽机组（2014年），在低温热源50-70C的条件下，供热温度达到120C，制热COP≥3，热泵技术从建筑应用拓展到工业应用 【中国科学报】中科院广州能源所等研制出120千瓦中低温热源热蒸汽机组 热票然汽机量一种以产生高量就汽为日的的新温压作式高温格票装量，生产100么以上的蔓温张汽，而遇内日前极关技?需究还题空自 会作取力在共建的低速热集（用改术研发中心会作平台的幕适上，脉决了仅然热系工质导物退各个感件的心配高通 用前深避已调试动，研究人员将进一步在预热器结稳优化说十，热累潜环参款揭合机理等方要开隔究工作，最货实制期力到120年E 填补国内技术空白引领高温热泵产业发展 2.4高温热泵的研发一一-机组的研制 2.4 高温热泵的研发机组的研制 120℃高温热泵蒸汽机组系列化产品开发 国家电网总部科技项目“面向工业用热领域电能替代的蒸汽热泵系统集成优化技术研究”（2021.1-2023.12）（经费：595万元） 山东省重大科技创新工程项目“"工业余热利用高温热泵蒸汽机组开发及产业化”(2019.1-2021.12）（经费：900万元） 依托山东省重大科技创新工程项目，研发团队研制了制热量120-1350kW、蒸汽产量150-2000kg/h的系列化高温热泵蒸汽机组，在热源温度为65℃、出水（蒸汽）温度为120℃的条件下，制热性能系数达到3.0。 依托国家电网总部科技项目，结合酿酒、印染等典型场景的热源条件和用能特点，开展蒸汽热泵集成关键技术研究，研发了适用于典型场景的蒸汽热泵机组，设计了典型场景的应用方案，并开展了经济性研究，目前正推动机组在酒厂的落地应用。 2.5150℃蒸汽热泵的研发 开展超高温蒸汽热泵的研发将供热温度由120C提升至150℃C，极大地拓宽热泵在工业中的应用范围，目前已获国家重点研发课题和山东能源研究院企业联合基金项目支持。 现有技术路线：热泵+蒸汽压缩机 技术攻关方向：热泵直接提升 优点：具有成熟的组成部件，可选择循环工质范围广缺点：系统复杂，蒸汽压缩机价格昂贵 优点：系统简单，利于控制系统的设计缺点：工质压缩机未成熟，可选的循环工质少 目录CONCENTS 1.背景及意义 2.高温热泵的研发 3.高温热泵的应用 4.未来研发思路 3.1 工农业干燥 3.1.1耦合太阳能的高温热泵茶叶干燥系统 1.项自来源：广东省一中国科学院战略合作专项2.太阳能装置：真空管集热器\热水温度90℃\储水箱0.5m33.高温热泵装置：空气源热泵\热风温度80℃\环保混合工质\高性能压缩机\新型换热器4.工作模式：根据太阳能辐射情况，该联合干燥装置可以实现太阳能单独干燥、热泵单独干燥和联合干燥三种模式，工作模式由系统自动切换，不需要人为干预。 GuangzhouInstituteofEnergyConversion,ChineseAcademyofSciences 3. 1. 2除湿-排湿双功能高温热泵烘干系统 1.双主机设置：干燥室内外各有一台主机，分别用于除湿和排湿模式2.在线称重系统：采用适于高温高湿环境下的重量传感器，可实时监控干燥物料含水率变化情能效分析系统：用于实时监控烘干各阶段的能耗情况，基于能耗最低目标，自动调整干燥参数4.远程监控系统：通过电脑、手机等终端进行远程控制5.高温热泵系统：烘干热风温度最高可达85℃，综合制热性能达到4.0 3. 2 化工制药 先进热泵示范项目（AdvancedHeatPumpDemonstrator） 高温热泵：丁烷工质装机容量：6MW第一级热源：70C废热供热温度：115-120CCOP: 4.4 MVR：水蒸气输出压强：11bar输出温度：≥184°℃C年减排CO2:1600吨 3. 2 化工制药 制热量：890kWCOP: 2.7热源：余热温度（40°C）蒸汽参数：165C饱和蒸汽 蒸汽参数已能满足制药、酿酒、化工、食品、印染等多个行业的主流工艺需求。 3.3 造纸行业 原料与化学药液在蒸煮锅中混合，需要通入150~170C高温蒸汽加热，使纤维与木质素分离，例如硫酸盐蒸煮需维持160~170°C、0.6~0.8MPa压力，反应时间3~5小时，能耗占比40%以上。 技术方案：高温热泵+蒸汽压缩MVR 第一级：以5~30C热源通过大型热泵生产高温热水； 第二级：闪蒸获取蒸汽后，通过机械蒸汽压缩机使蒸汽达到目标条件 德尔福特造纸厂制浆工艺改造 制冷剂：R600a热功率：12MWth冷凝温度：180C左右蒸发温度：5~30CCOP:2.2效益：3.4bar、20t/