摘要

低温余热 (低于 200℃) 占工业余热资源总量的 50% 以上，但由于其品位低、回收价值小，目前利用率不足 20%。热泵技术是回收低温余热最有效的技术手段之一，它可以将低温余热提升到更高的温度等级，用于工业生产、建筑供暖和生活热水。本文系统介绍了压缩式热泵、吸收式热泵和吸附式热泵三种主流的低温余热热泵技术，详细分析了它们的工作原理、技术特点和适用场景，并结合典型应用案例，探讨了工业低温余热热泵技术的经济性和发展前景。

一、引言

工业生产过程中产生的大量低温余热，如循环冷却水、冷凝水、低温烟气、空压机排气等，温度通常在 30℃~80℃之间。这些余热虽然总量巨大，但由于其温度低，难以直接用于工业生产或发电，大部分被直接排放到环境中，不仅造成了巨大的能源浪费，还加剧了热污染。

热泵技术可以消耗少量的高品位能源 (电能或热能)，将低温余热从低温热源转移到高温热源，从而实现低温余热的高效利用。据测算，采用热泵技术回收工业低温余热，其能源利用效率可达 300%~500%，是传统锅炉供热效率的 3~5 倍，节能效果显著。

二、压缩式热泵技术

2.1 工作原理

压缩式热泵是通过消耗电能，驱动压缩机做功，将低温余热从低温热源转移到高温热源。其工作过程包括四个主要阶段：

1. 蒸发：蒸发器中，液态工质吸收低温余热，蒸发成低压蒸汽

2. 压缩：压缩机将低压蒸汽压缩成高温高压蒸汽

3. 冷凝：冷凝器中，高温高压蒸汽释放热量，加热被加热介质

4. 节流：膨胀阀将冷凝后的工质节流降压，送入蒸发器，完成循环

2.2 技术特点

• 能效比高：COP 值可达 3/6，即消耗 1kWh 的电能，可以产生 3/6kWh 的热量

• 技术成熟：应用广泛，设备可靠性高，运行寿命可达 15~20 年

• 体积小：安装方便，占地面积小，适合于各种工业场所

• 适用温度范围：可将 10℃/80℃的余热提升到 50℃/120℃

2.3 高温压缩式热泵

传统的压缩式热泵出水温度一般不超过 80℃，难以满足工业生产的需求。近年来，高温压缩式热泵技术取得了重大突破，出水温度已可达 120℃~150℃，可直接用于工业工艺加热。

高温压缩式热泵采用特殊的工质和压缩机设计，能够在高温高压下稳定运行。目前，150℃高温热泵已实现商业化应用，200℃高温热泵正在研发中。高温压缩式热泵的 COP 值虽然比传统热泵低 (约为 2.54.0)，但仍比传统锅炉供热效率高 23 倍。

2.4 应用案例

案例 1：某化工厂有大量温度约为 40℃的循环冷却水，每年排放量约为 100 万吨。采用 2 台 1MW 高温压缩式热泵系统后，将循环冷却水的余热提升到 90℃，用于生产工艺加热。系统 COP 值为 4.2，年节约蒸汽约 2 万吨，年节约标准煤约 2400 吨，年减少二氧化碳排放约 6400 吨，投资回收期约为 2.5 年。

案例 2：某啤酒厂有大量温度约为 35℃的发酵冷却水，每年排放量约为 80 万吨。采用 1 台 800kW 压缩式热泵系统后，将发酵冷却水的余热提升到 60℃，用于啤酒生产过程中的糖化和清洗。系统 COP 值为 4.5，年节约天然气约 120 万 m³，年节约标准煤约 1440 吨，年减少二氧化碳排放约 3840 吨，投资回收期约为 2 年。

三、吸收式热泵技术

3.1 工作原理

吸收式热泵是通过消耗热能 (蒸汽、燃气或高温热水)，利用吸收剂对制冷剂的吸收和解吸过程，实现热量从低温热源向高温热源的转移。常用的工质对包括溴化锂 - 水溶液和氨 - 水溶液。

吸收式热泵分为第一类吸收式热泵和第二类吸收式热泵：

• 第一类吸收式热泵：消耗高温热能，将低温余热提升到中温，COP 值约为 1.52.0，即消耗 1kWh 的热能，可以产生 1.52.0kWh 的热量

• 第二类吸收式热泵：利用中温热能驱动，将低温余热提升到更高的温度，COP 值约为 0.4/0.6，即消耗 1kWh 的热能，可以产生 0.4/0.6kWh 的热量

3.2 技术特点

• 以热能为动力：适合有大量废热或廉价蒸汽的场合，可实现 "以热制热"

• 运行安静：无运动部件，噪音低，适合于对噪音要求高的场所

• 对环境友好：不使用氟利昂类工质，对臭氧层无破坏作用

• 适用温度范围：可将 20℃/80℃的余热提升到 60℃/150℃

3.3 应用案例

案例 1：某钢铁厂有大量温度约为 50℃的冲渣水，每年排放量约为 500 万吨。采用 4 台 5MW 第一类溴化锂吸收式热泵系统后，利用钢铁厂的余热蒸汽驱动，将冲渣水的余热提升到 85℃，用于厂区和周边居民供暖。系统 COP 值为 1.8，年供暖面积约为 100 万平方米，年节约标准煤约 1.5 万吨，年减少二氧化碳排放约 4 万吨，投资回收期约为 3 年。

案例 2：某炼油厂有大量温度约为 90℃的工艺余热，采用 2 台 2MW 第二类溴化锂吸收式热泵系统后，将工艺余热提升到 120℃，用于生产工艺加热。系统 COP 值为 0.5，年节约蒸汽约 1.5 万吨，年节约标准煤约 1800 吨，年减少二氧化碳排放约 4800 吨，投资回收期约为 3.5 年。

四、吸附式热泵技术

4.1 工作原理

吸附式热泵是利用吸附剂对制冷剂的吸附和解吸过程实现热量转移。常用的吸附剂 - 制冷剂工质对包括硅胶 - 水、沸石 - 水、活性炭 - 甲醇等。

吸附式热泵的工作过程是间歇式的，通常由两个或多个吸附床交替运行，实现连续供热。当一个吸附床吸附制冷剂时，释放吸附热，加热被加热介质；同时，另一个吸附床被加热，解吸制冷剂，制冷剂在冷凝器中冷凝，然后在蒸发器中蒸发，吸收低温余热。

4.2 技术特点

• 可利用极低温度的余热：可利用 50℃以下的余热，甚至可以利用 30℃左右的余热

• 无运动部件：运行可靠，维护简单，运行寿命可达 20 年以上

• 对环境友好：不使用氟利昂类工质，对臭氧层无破坏作用

• 缺点：体积大，COP 值较低 (约为 0.5~1.0)，单位投资成本高

4.3 应用现状

吸附式热泵技术目前仍处于发展阶段，主要用于低品位余热的回收和制冷。由于其 COP 值较低，尚未得到大规模推广应用。但随着技术的不断进步，吸附式热泵在低温余热回收领域将发挥越来越重要的作用。

2021 年，我国在上海建成了国内首座 1MW 吸附式热泵示范电站，该电站利用数据中心的 35℃余热，将水温提升到 60℃，用于周边居民供暖，系统 COP 值达到了 0.8，运行情况良好。

五、三种热泵技术的对比分析

六、结论与展望

热泵技术是回收工业低温余热最有效的技术手段之一，具有广阔的应用前景。目前，压缩式热泵和吸收式热泵技术已经成熟，在工业领域得到了广泛应用；吸附式热泵技术仍需进一步改进和完善。

未来，工业低温余热热泵技术将朝着以下方向发展：

1. 提高热泵的出水温度和能效比。研发 150℃以上的高温热泵技术，进一步提高热泵的 COP 值，扩大热泵的应用范围。

2. 开发新型环保工质和吸附剂。研发 ODP=0、GWP 值低、热力学性能优异的新型工质，以及吸附容量大、吸附速度快的新型吸附剂。

3. 发展热泵与其他余热利用技术的联合系统。将热泵与 ORC 发电、余热干燥等技术相结合，实现余热的梯级利用，提高能源利用效率。

4. 推进热泵系统的模块化和智能化。实现热泵系统的模块化生产和智能化运行，缩短安装周期，提高系统的运行效率和可靠性。

5. 完善相关政策和标准，促进热泵技术的推广应用。制定工业热泵的能效标准和补贴政策，加大对工业热泵项目的支持力度。