孫健，馬世財(cái)，霍成，戈志華，周少祥

（華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206）

0 引言

隨著人類活動(dòng)對(duì)全球氣候的影響，氣候危機(jī)正在逐漸加重。由于全球變暖，人類正在經(jīng)歷熱浪、洪水、干旱、森林火災(zāi)和海平面上升等一系列災(zāi)害性天氣氣候事件［1］。全球平均氣溫正在以前所未有的速度上升，全球變暖水平保持在相比工業(yè)化前1.5 ℃以下的可能性迅速降低，人類跨越不可逆轉(zhuǎn)的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)也在增加［2］。

2020年9月22日，中國(guó)在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出將力爭(zhēng)于2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。碳達(dá)峰，就是二氧化碳的排放不再增加，達(dá)到峰值后再慢慢降下去；碳中和，就是凈零排放，指人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)所必須的碳排放通過(guò)森林碳匯和其他人工技術(shù)或工程手段加以捕集、利用或封存，從而使排放到大氣中的溫室氣體凈增量為零［3］。

目前，我國(guó)工業(yè)能源消耗約占全國(guó)能源消耗總量的70%，而工業(yè)能源利用率低于世界平均水平，加工工業(yè)消耗的能源有50%以上轉(zhuǎn)變?yōu)閺U氣和廢水形式的余熱［4］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅有30%的廢熱得到再利用，這是能源利用率低的主要原因［5］。建筑領(lǐng)域碳排放量每年約20 億t，約占到全國(guó)總碳排放量的20%，如考慮相關(guān)建材生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)?，將占到全?guó)總排放量的近40%［6］。工業(yè)中低溫余熱的高效回收利用和建筑供暖、制冷及生活熱水供能形式改造為熱泵技術(shù)提供了廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。

熱泵是一種通過(guò)輸入少量高品位能量，從而將低溫物體的熱量轉(zhuǎn)移到高溫物體的裝置。按驅(qū)動(dòng)方式可分為壓縮式熱泵和吸收式熱泵。壓縮式熱泵以氟利昂等工質(zhì)為循環(huán)介質(zhì)，通過(guò)消耗電力或機(jī)械功，實(shí)現(xiàn)熱量由低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩吹霓D(zhuǎn)移，制熱性能系數(shù)（COP）可達(dá)3.0～7.0；吸收式熱泵按用途分為增熱型和升溫型。增熱型指利用少量高溫?zé)嵩礋崮埽a(chǎn)生大量中溫有用熱能，制熱COP 可達(dá)1.6～2.4；升溫型指利用大量中溫?zé)嵩礋崃慨a(chǎn)生少量高溫有用熱能，制熱COP為0.4～0.6。

熱泵技術(shù)比傳統(tǒng)鍋爐等方式可以顯著降低煤、石油和天然氣等一次能源消耗，進(jìn)而顯著降低碳排放，因此將成為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的有效技術(shù)路線。

1 熱泵在民用及工農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

熱泵技術(shù)在民用及工業(yè)行業(yè)已廣泛應(yīng)用，本文針對(duì)熱泵不同應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分析，具體包含以下幾個(gè)方面。

1.1 分散式家用冷熱領(lǐng)域

2018 年全國(guó)建筑全壽命周期碳排放總量為49.3 億t CO2，占全國(guó)能源碳排放的51.2%，其中建筑運(yùn)行階段碳排放為21.1億t CO2，占建筑全壽命周期碳排放的42.8%，占全國(guó)能源碳排放的21.9%［7］。為降低建筑運(yùn)行階段的碳排放，節(jié)能高效的分散式系統(tǒng)成為研究的主要方向。對(duì)分散式供暖的研究包括燃?xì)獗趻鞝t、電采暖、中央空調(diào)、太陽(yáng)能及空氣能等可再生能源系統(tǒng)，其中空氣源熱泵以其節(jié)能性強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)，在舒適家居及商用熱水領(lǐng)域迅速占領(lǐng)市場(chǎng)。根據(jù)不同資源條件和用能對(duì)象，目前對(duì)多能互補(bǔ)供暖系統(tǒng)，如太陽(yáng)能?空氣源熱泵等，在分散式冷熱領(lǐng)域的應(yīng)用展開(kāi)研究。

文獻(xiàn)［8］以西寧市一獨(dú)立建筑為例，介紹了以空氣源熱泵為核心搭建的太陽(yáng)能?空氣源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)模型仿真和實(shí)際供暖效果測(cè)試，空氣源熱泵加熱系統(tǒng)COP 的平均值為2.4，室內(nèi)平均溫度維持在21.9 ℃左右，滿足供熱需求。并將聯(lián)合供熱系統(tǒng)與單純的空氣源熱泵熱水機(jī)組進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性和CO2排放量的比較。結(jié)果表明，聯(lián)合供熱系統(tǒng)的年均費(fèi)用比單純的空氣源熱泵熱水機(jī)組下降了24.4%，一個(gè)供暖季內(nèi)聯(lián)合供熱系統(tǒng)的CO2排放量比單純的空氣源熱泵熱水機(jī)組減少了41.6%，減碳效果尤為顯著。太陽(yáng)能?空氣源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能-空氣源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)流程［8］Fig.1 Flow of solar energy-air source heat pump hybrid heating system［8］

文獻(xiàn)［9］在長(zhǎng)江流域某住宅安裝了空氣源熱泵和輻射地板供暖系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)供暖效果進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)輻射地板采用35 ℃的熱水供暖時(shí)，能夠維持室內(nèi)溫度16～18 ℃，而且垂直方向溫差在1 ℃以內(nèi)，溫度分布均勻，實(shí)現(xiàn)了較好的舒適性。

文獻(xiàn)［10］對(duì)圖2所示的多功能家用熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了制冷兼制熱水、單獨(dú)制熱水、供熱兼制熱水等7 種運(yùn)行模式的試驗(yàn)研究。圖中T1—T12 為溫度傳感器。結(jié)果表明，在合理的控制策略下，該多功能家用熱泵空調(diào)器是可以連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的，既能滿足全年制冷、供熱、除濕等需求，又能提供生活熱水，同時(shí)還有夜間低能耗模式，既實(shí)現(xiàn)了家用熱泵空調(diào)與熱水器的一體化，一機(jī)多用，又可以集成安裝，在家用冷熱領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

圖2 多功能家用熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理［10］Fig.2 Schematic working principle of the multi?functional household heat pump air conditioning system［10］

1.2 集中供熱領(lǐng)域

《中國(guó)區(qū)域清潔供暖發(fā)展研究報(bào)告》中提出，中國(guó)擁有全球最大的集中供暖系統(tǒng)，管網(wǎng)長(zhǎng)度超過(guò)200 Mm，供暖面積接近90 億m2，其中集中供熱占全部供熱負(fù)荷的80%［11］。熱電廠及燃?xì)?、燃煤鍋爐作為集中供熱的熱源，其中有大量的熱量可以回收利用。為了實(shí)現(xiàn)集中供暖為清潔供暖，相關(guān)研究對(duì)鍋爐進(jìn)行超低排放改造，對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行方式進(jìn)行優(yōu)化，采用吸收式熱泵和壓縮式熱泵進(jìn)行余熱回收利用。

文獻(xiàn)［12］以2臺(tái)300 MW機(jī)組供熱系統(tǒng)為例，對(duì)采暖抽汽壓力、背壓及一次網(wǎng)溫度等因素對(duì)熱源供熱能力及供熱能耗的影響進(jìn)行討論分析。結(jié)果顯示，采用吸收式熱泵換熱技術(shù)降低一次網(wǎng)回水溫度并配合提高背壓是降低熱源供熱能耗的有效途徑。此外，降低一次網(wǎng)回水溫度對(duì)于增加既有管網(wǎng)輸送能力也有明顯作用。吸收式熱泵供熱系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 吸收式熱泵供熱系統(tǒng)流程［12］Fig.3 Flow of the absorption heat pump heating system［12］

文獻(xiàn)［13］提出一種大型空氣能自適應(yīng)熱泵，其示意圖如圖4 所示，具備較大制熱負(fù)荷且占地面積較小，同時(shí)解決了多臺(tái)空氣能熱泵同時(shí)使用空氣側(cè)相互影響的難題。此外，空氣能自適應(yīng)熱泵還可在不同的室外溫度下自動(dòng)調(diào)節(jié)內(nèi)部循環(huán)工質(zhì)的質(zhì)量和調(diào)節(jié)不同風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而解決了空氣溫度變化時(shí)制熱量不能滿足用戶需求的難題。同時(shí)，空氣能自適應(yīng)熱泵采用新型智能熱水除霜系統(tǒng)，可以自動(dòng)判斷結(jié)霜區(qū)域并進(jìn)行分區(qū)除霜。

圖4 空氣能自適應(yīng)熱泵系統(tǒng)示意［13］Fig.4 Schematic air energy adaptive heat pump system［13］

地源熱泵系統(tǒng)利用建筑物周圍深埋的埋管系統(tǒng)與淺層能源（熱源或冷源）接觸，通過(guò)輸入少量高品位能量，實(shí)現(xiàn)住宅內(nèi)部與地?zé)崮芡瓿蔁崃拷粨Q。冬季熱泵利用電能從土壤中取熱，將熱量傳輸給建筑物實(shí)現(xiàn)供暖；夏季熱泵又利用電能將溫度較高的室內(nèi)熱量排入土壤，為建筑物制冷［14］。地源熱泵消除了傳統(tǒng)空氣源熱泵制熱效率低的應(yīng)用缺陷，從長(zhǎng)期來(lái)看，具有良好的發(fā)展前景。

太陽(yáng)能熱泵供熱系統(tǒng)按照太陽(yáng)能集熱器和熱泵蒸發(fā)器的連接方式，可以分為直膨式和非直膨式2 種類型。直膨式太陽(yáng)能熱泵供熱系統(tǒng)中的太陽(yáng)集熱器與熱泵蒸發(fā)器直接連接，而非直膨式太陽(yáng)能熱泵供熱系統(tǒng)通過(guò)中間介質(zhì)連接太陽(yáng)能集熱器與熱泵蒸發(fā)器［15］。以某總建筑面積為3 200 m2的示范小區(qū)為例，建筑物年供暖設(shè)計(jì)負(fù)荷40 W/m2，供暖期為180 d 為例計(jì)算，采用太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)供暖，使用壽命期內(nèi)節(jié)約常規(guī)能源代替量為6 t 標(biāo)準(zhǔn)煤，CO2減排量為14.9 t/a。建筑年采暖期天然氣運(yùn)行費(fèi)用為9.3 萬(wàn)元，太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用為3.7 萬(wàn)元，每年可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用5.6 萬(wàn)元，節(jié)能減排和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性良好。

在建筑供暖中采用太陽(yáng)能熱泵供暖技術(shù)，可以讓太陽(yáng)能資源替代常規(guī)能源，減少常規(guī)能源消耗，利于降低建筑供暖對(duì)常規(guī)能源的依賴，大幅度節(jié)省建筑能耗，而且太陽(yáng)能熱泵供暖技術(shù)基本是零排放、零污染，環(huán)境友好程度高，符合可持續(xù)發(fā)展的核心內(nèi)涵［16］。

1.3 農(nóng)業(yè)行業(yè)應(yīng)用

為了保證農(nóng)產(chǎn)品儲(chǔ)藏品質(zhì)，干燥已成為農(nóng)產(chǎn)品加工過(guò)程中普遍的單元操作，而農(nóng)產(chǎn)品干燥能耗僅次于造紙干燥能耗［17］。因此，在保證農(nóng)產(chǎn)品干燥品質(zhì)的前提下，需要尋求降低干燥過(guò)程能耗的方式［18］。熱泵干燥是隨著熱泵技術(shù)的興起而發(fā)展起來(lái)的，與傳統(tǒng)干燥方式相比具有實(shí)現(xiàn)大氣污染物和溫室氣體協(xié)同減排效果［19］。近年來(lái)，隨著我國(guó)“煤改電”和“煤改氣”政策的推廣和落實(shí)，熱泵干燥技術(shù)在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用已成為干燥領(lǐng)域關(guān)注和研究的熱點(diǎn)，包括對(duì)煙葉、玫瑰花和枸杞等的干燥都已得到一定應(yīng)用［20］。

文獻(xiàn)［21］研發(fā)設(shè)計(jì)了一種新型太陽(yáng)能?熱泵聯(lián)合干燥裝置，并進(jìn)行干燥香菇試驗(yàn)驗(yàn)證。系統(tǒng)原理如圖5 所示，圖中T1—T6 為溫度傳感器。試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)的COP 在3.50～4.35 之間，能源利用率在0.58～0.78 之間，在相同的干燥溫度條件下，太陽(yáng)能熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)的太陽(yáng)能利用率較普通熱泵干燥系統(tǒng)高，節(jié)能減碳效果顯著。

圖5 干燥系統(tǒng)原理［21］Fig.5 Working principle of the drying system［21］

文獻(xiàn)［22］針對(duì)圖6 所示的半封閉式熱泵干燥機(jī)，建立了空氣處理流程與準(zhǔn)二級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)耦合方案，建模分析了基于準(zhǔn)二級(jí)壓縮的過(guò)冷器和閃發(fā)器2 種熱泵系統(tǒng)流程的性能。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)相比，2 種準(zhǔn)二級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)均能降低壓縮機(jī)排氣溫度；在冷凝溫度為50 ℃，蒸發(fā)溫度為?25～0 ℃工況下，過(guò)冷器系統(tǒng)制熱COP 提高了5.0%～7.1%，閃發(fā)器系統(tǒng)制熱COP 提高了2.3%～6.6%，為新型熱泵干燥機(jī)開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

圖6 半封閉式熱泵干燥機(jī)系統(tǒng)［22］Fig.6 Schematic semi?closed heat pump drying system［22］

文獻(xiàn)［23］介紹了空氣源熱泵機(jī)組在糧食烘干領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)，并與不同熱源糧食烘干成本對(duì)比，發(fā)現(xiàn)空氣源熱泵初投資雖高于燃煤、燃油和電加熱等烘干方式，但低運(yùn)行成本及優(yōu)良的環(huán)保特性為其今后在烘干領(lǐng)域的應(yīng)用提供了保證。

文獻(xiàn)［24］介紹了熱泵?電加熱聯(lián)合烘干機(jī)在食品烘干上的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)比分析烘干機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，得出熱泵?電加熱聯(lián)合烘干的熱風(fēng)成本僅為純電加熱的60.9%，在節(jié)能降耗和降低生產(chǎn)成本上有明顯優(yōu)勢(shì)。

隨著熱泵干燥技術(shù)的日趨成熟，其優(yōu)異的節(jié)能減排效果已被各種試驗(yàn)研究所證明，加之人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題的關(guān)注，熱泵干燥技術(shù)已顯現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。結(jié)合熱泵多能互補(bǔ)的研究思路，針對(duì)熱泵干燥系統(tǒng)與太陽(yáng)能、微波和電熱等系統(tǒng)的耦合研究已成為農(nóng)產(chǎn)品干燥行業(yè)新的研究熱點(diǎn)，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品干燥的節(jié)能、降本、提質(zhì)和增效提供了方向。此外，通過(guò)開(kāi)發(fā)高溫?zé)岜脕?lái)提高熱泵干燥效率，是熱泵干燥技術(shù)研究的另一個(gè)發(fā)展方向。

1.4 工業(yè)行業(yè)應(yīng)用

我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的能源效率為20%～60%，余熱總量非常巨大［25］。工業(yè)余熱廣泛存在于冶金、建材、食品及化工等行業(yè)，而我國(guó)對(duì)工業(yè)余熱的資源回收率僅占30%［26］，將工業(yè)余熱充分回收利用作為常規(guī)能源的一部分替代品，是節(jié)能減排的有效途徑。熱泵作為回收工業(yè)余熱的有效途徑之一，在火力/核發(fā)電、印染、輪胎、油田和制藥等行業(yè)低溫余熱回收過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

目前工業(yè)行業(yè)研究較多的是用壓縮式熱泵和吸收式熱泵進(jìn)行余熱回收。壓縮式熱泵中以水源熱泵技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。例如，電廠以循環(huán)水或工藝產(chǎn)熱水作為熱源水，通過(guò)熱泵機(jī)組提升鍋爐給水的品位，減少鍋爐對(duì)燃煤的需求量，從而達(dá)到節(jié)能減碳的目的。在目前余熱回收領(lǐng)域?qū)ξ帐綗岜玫膽?yīng)用研究有回?zé)?、多效、多?jí)和壓縮?吸收復(fù)合等技術(shù)，基于余熱能量梯級(jí)利用原理，有效提升能源利用效率。此外，新型高溫?zé)岜玫燃夹g(shù)的設(shè)計(jì)研發(fā)勢(shì)必會(huì)成為未來(lái)熱泵在工業(yè)行業(yè)的主要研究方向。

文獻(xiàn)［27］介紹了目前大多數(shù)印染企業(yè)都使用燃煤或燃油蒸汽鍋爐，將生產(chǎn)工藝用水加熱至55～95 ℃，而印染結(jié)束后排出的廢水溫度高達(dá)40～50 ℃，即常溫水由15 ℃加熱至最終的排放溫度40～50 ℃所需要的能量全部來(lái)自于燃煤或者燃油，這部分能量卻被直接排放。而利用水源熱泵系統(tǒng)不僅可以充分利用地?zé)嵛菜挠酂?，還能降低近50%的蒸汽耗量，進(jìn)而減少50%左右的煤耗。煤耗每減少1 t，排放粉塵可減少21 kg，SO2可減少20 kg，NOx可減少7 kg。

以日排印染廢水10 000 t 的印染廠為例，平均日用煤量達(dá)到120 t以上，采用工業(yè)熱泵系統(tǒng)回收廢熱來(lái)制取生產(chǎn)用熱水，至少每天可節(jié)約用煤60 t，每年可減少粉塵、溫室氣體及有害氣體的排放量超過(guò)720 t。每天可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用44 887 元，按年運(yùn)行300 d 估算，每年可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用達(dá)1 347 萬(wàn)元，當(dāng)年即可收回用于工業(yè)熱泵系統(tǒng)的所有投資［27］。

文獻(xiàn)［28］以雙錢集團(tuán)股份有限公司載重輪胎分公司的改造為例，介紹熱泵技術(shù)在輪胎工業(yè)中的應(yīng)用，改造后的工業(yè)熱泵系統(tǒng)工作原理如圖7所示。改造后工業(yè)熱泵系統(tǒng)在完成工藝?yán)鋮s的同時(shí)通過(guò)間歇地利用機(jī)組的部分熱回收和全熱回收功能回收冷卻過(guò)程中所排放出的熱量，并使原有進(jìn)入除氧器的軟化水由15，20和25 ℃加熱至50 ℃，從而減少了蒸汽消耗，節(jié)省了燃煤用量，實(shí)現(xiàn)了能量的有序利用，同時(shí)30 ℃的工藝?yán)鋮s水不再經(jīng)過(guò)水?水換熱器，而是直接進(jìn)入工業(yè)熱泵機(jī)組蒸發(fā)器，這樣可使機(jī)組的能效比大大提高，同時(shí)省去一套換熱器和中間循環(huán)水泵，降低系統(tǒng)的能耗。該熱泵系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，平均每小時(shí)可節(jié)約用煤237.3 kg，每天節(jié)約用水48 t，平均每小時(shí)節(jié)約用電124.4 kW?h。以熱泵系統(tǒng)20 a 壽命計(jì)算，減排CO2343 320 t，SO21 114 t，NOx970 t，減碳效果尤為顯著。

圖7 改造后工業(yè)熱泵系統(tǒng)工作原理［28］Fig.7 Working principle of the industrial heat pump system after the transformation［28］

熱泵工作溫度范圍如圖8所示?，F(xiàn)有熱泵技術(shù)受熱力循環(huán)、工質(zhì)物性及壓縮機(jī)耐溫耐壓限制，只能工作在適宜的溫度范圍，難以滿足大溫差余熱回收的溫度范圍，阻礙了熱泵在某些場(chǎng)合的應(yīng)用。針對(duì)以上問(wèn)題，相關(guān)研究提出了耦合熱泵技術(shù)。

圖8 熱泵工作溫度范圍Fig.8 Operating temperature range of the heat pump

耦合熱泵是將吸收式熱泵和壓縮式熱泵進(jìn)行深度耦合的系列熱泵技術(shù)，相比于傳統(tǒng)余熱回收熱泵，拓寬了吸收式熱泵的溫升區(qū)域，降低了壓縮式熱泵的耗電量，顯著提升了工作溫度范圍和設(shè)備性能。

文獻(xiàn)［29］針對(duì)一種用于直接回收工業(yè)余熱制取高溫?zé)崴鸟詈蠠岜脫Q熱器，建立耦合熱泵換熱器的數(shù)學(xué)模型，對(duì)模型進(jìn)行求解并分析了關(guān)鍵參數(shù)對(duì)耦合熱泵換熱器性能影響的變化規(guī)律。在設(shè)計(jì)工況下，當(dāng)制取133 ℃熱水時(shí)，耦合熱泵換熱器COP達(dá)3.6，壓縮機(jī)排氣壓力為1.2 MPa，排氣溫度為79 ℃，遠(yuǎn)低于壓縮機(jī)耐溫耐壓上限和潤(rùn)滑油失效溫度，因此耦合熱泵換熱器在利用余熱制取高溫?zé)崴蛘羝I(lǐng)域具有一定的應(yīng)用潛力。耦合熱泵換熱器循環(huán)流程如圖9所示。

圖9 耦合熱泵換熱器循環(huán)流程Fig.9 Circulation process of the system coupled heat pump heat exchanger

1.5 儲(chǔ)能行業(yè)應(yīng)用

在實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)背景下，未來(lái)風(fēng)光電比例會(huì)大幅度提升。由于風(fēng)光電負(fù)荷波動(dòng)性強(qiáng)，經(jīng)常會(huì)造成棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象，為了保證電網(wǎng)的穩(wěn)定與安全，相關(guān)儲(chǔ)能技術(shù)在電網(wǎng)調(diào)頻中得到了廣泛應(yīng)用。儲(chǔ)能系統(tǒng)與可再生能源發(fā)電配套可靈活調(diào)控風(fēng)電、光伏等的出力，響應(yīng)速度快，起到調(diào)峰調(diào)頻和無(wú)功支撐的作用，有效解決高比例可再生能源發(fā)電的隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性給電網(wǎng)帶來(lái)安全和可靠方面的問(wèn)題［30］。

目前對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的研究主要集中在電儲(chǔ)能、相變儲(chǔ)能及化學(xué)燃料儲(chǔ)能等形式上，并對(duì)多種儲(chǔ)能形式的未來(lái)發(fā)展和應(yīng)用趨勢(shì)進(jìn)行了展望。在未來(lái)大比例風(fēng)光電的電源結(jié)構(gòu)背景下，熱泵在低溫蓄冷蓄熱等方面定有廣闊的應(yīng)用前景。

文獻(xiàn)［31］建立了熱電聯(lián)產(chǎn)熱力系統(tǒng)與電動(dòng)熱泵供熱系統(tǒng)的變工況模型，研究變工況條件下機(jī)組耦合電動(dòng)熱泵余熱回收系統(tǒng)供熱時(shí)的熱電解耦效果、煤耗特性以及相關(guān)影響因素。計(jì)算結(jié)果表明，熱泵余熱回收系統(tǒng)的加入有利于促進(jìn)機(jī)組的熱電解耦并產(chǎn)生節(jié)煤效益。此外，通過(guò)對(duì)比電動(dòng)熱泵和吸收式熱泵2 種余熱回收技術(shù)的運(yùn)行原理、調(diào)峰性能及節(jié)能性，發(fā)現(xiàn)電動(dòng)熱泵余熱回收系統(tǒng)更適用于作為面向風(fēng)電消納問(wèn)題時(shí)的電廠調(diào)峰手段。熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組耦合電動(dòng)熱泵余熱回水系統(tǒng)示意如圖10所示，圖中qm，o為主蒸汽流量，t/h；qm，h為抽汽流量，t/h；qm，p為乏汽流量，t/h；qm，c為變工況調(diào)節(jié)級(jí)級(jí)后通過(guò)的蒸汽流量，t/h；qm，j為變工況后第j級(jí)抽汽流量，t/h；Q為變工況后機(jī)組需輸出的熱出力，MW；P為變工況后機(jī)組需輸出的電出力，MW；QHP為電動(dòng)熱泵供熱量，MW；PHP為電動(dòng)熱泵驅(qū)動(dòng)功率，MW。

圖10 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組耦合電動(dòng)熱泵余熱回水系統(tǒng)示意［31］Fig.10 Schematic waste heat return water system of CHP units coupled electric heat pumps［31］

文獻(xiàn)［32］提出一種電動(dòng)熱泵和蓄熱裝置聯(lián)用的熱電機(jī)組及其調(diào)峰方法，通過(guò)電動(dòng)熱泵和蓄熱裝置聯(lián)用，根據(jù)熱電廠的發(fā)電調(diào)度要求進(jìn)行蓄熱模式和放熱模式切換，達(dá)到保證供熱同時(shí)改變熱電廠的上網(wǎng)發(fā)電量的目的；通過(guò)凝汽器和電動(dòng)熱泵的蒸發(fā)器回收乏汽熱量，降低熱電廠的供熱成本。文獻(xiàn)［33］采用Energy PRO 軟件建模優(yōu)化，認(rèn)為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組耦合熱泵與蓄熱裝置的聯(lián)合輔助供熱系統(tǒng)后可以提升系統(tǒng)整體能源利用率和經(jīng)濟(jì)性。

文獻(xiàn)［34?36］基于熱泵與蓄熱裝置的聯(lián)合輔助供熱系統(tǒng)提出了熱電協(xié)同理念。熱電協(xié)同概念下電動(dòng)熱泵耦合熱水蓄熱器的運(yùn)行模式如圖11所示。其基本運(yùn)行流程為：在電負(fù)荷低谷期利用電熱泵消耗電廠過(guò)剩電能供熱，降低電廠上網(wǎng)電量，同時(shí)向蓄熱器內(nèi)儲(chǔ)熱；在電負(fù)荷高峰期，利用蓄熱器放熱，使得熱電解耦后的機(jī)組可以視為純凝機(jī)組發(fā)電。

圖11 熱電協(xié)同概念下電動(dòng)熱泵耦合熱水蓄熱器的運(yùn)行模式［34］Fig.11 Operation mode of the electric heat pump coupled hot water accumulator under the concept of thermoelectric cooperation［34］

文獻(xiàn)［37?39］介紹了基于相變儲(chǔ)能的太陽(yáng)能空氣源熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)氣象情況靈活切換4 種供暖模式，大大減少了系統(tǒng)耗電量，通過(guò)獨(dú)特設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能冷凝器，不僅可以調(diào)節(jié)太陽(yáng)能空氣源熱泵系統(tǒng)能量分配，改善太陽(yáng)能空氣源熱泵系統(tǒng)制熱量和建筑熱負(fù)荷之間不平衡的供需關(guān)系、提高太陽(yáng)能利用率，還可以提高空氣源熱泵低溫性能，快速恢復(fù)供暖，從而實(shí)現(xiàn)提高太陽(yáng)能空氣源熱泵系統(tǒng)整體性能的目的。在石家莊農(nóng)村某戶安裝該系統(tǒng)進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)，一個(gè)供暖季（120 d）的運(yùn)行費(fèi)用約為2 241 元，占燃油鍋爐運(yùn)行費(fèi)用的25.5%、燃?xì)忮仩t運(yùn)行費(fèi)用的55.4%、電鍋爐運(yùn)行費(fèi)用的27.1%、空氣源熱泵運(yùn)行費(fèi)用的65.6%、聯(lián)合供暖系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用的88.7%，經(jīng)濟(jì)效益明顯。此外，該系統(tǒng)整個(gè)供暖期總耗電量為3 175.5 kW·h，相同耗電量對(duì)應(yīng)消耗0.6 t標(biāo)準(zhǔn)煤，太陽(yáng)能空氣源熱泵系統(tǒng)每年可節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤1.9 t，耗煤量的減少，使得COx及SOx等的排放量減少，節(jié)能環(huán)保效益顯著。

2 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，在民用及工業(yè)行業(yè)要大量減少碳排放。本文通過(guò)熱泵在不同行業(yè)應(yīng)用的研究分析，發(fā)現(xiàn)熱泵以其優(yōu)異的節(jié)能減排效果，在所述各行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，并產(chǎn)生了顯著的減碳效果。

（1）在分散式家用冷熱領(lǐng)域，以空氣源熱泵為核心的多種供熱制冷系統(tǒng)，減少了傳統(tǒng)獨(dú)立系統(tǒng)的能源消耗，拓寬了空氣源熱泵的工作溫度范圍，且具有良好的經(jīng)濟(jì)性和減碳效果。其中，太陽(yáng)能?空氣源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)在滿足建筑熱負(fù)荷的基礎(chǔ)上，年均費(fèi)用比單純的空氣源熱泵熱水機(jī)組下降了24.4%，1 個(gè)供暖季內(nèi)CO2排放量減少了41.6%；多功能家用熱泵空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了家用熱泵空調(diào)與熱水器的一體化，一機(jī)多用，在家用冷熱領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

（2）在集中供熱領(lǐng)域，通過(guò)熱泵技術(shù)來(lái)回收熱電廠余熱，可降低供熱成本，提高能源利用率，減少煤炭消耗和污染物排放?！队酂崤窆こ虒?shí)施方案》指出：截至2020年，通過(guò)回收利用余熱，替代燃煤供熱面積20 億m2以上，減少供熱用煤5 000 萬(wàn)t以上。此外，地源熱泵和太陽(yáng)能熱泵供熱系統(tǒng)在建筑供暖中，可大幅節(jié)省常規(guī)能源消耗，環(huán)境友好程度高，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性良好。

（3）熱泵干燥技術(shù)高效節(jié)能且對(duì)環(huán)境無(wú)污染，在農(nóng)業(yè)行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮?。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)干燥技術(shù)的廢氣排放愈來(lái)愈嚴(yán)格，白煙和異味的控制成為重點(diǎn)，將熱泵干燥技術(shù)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可在減少能源消耗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)近零碳排放。

（4）在工業(yè)領(lǐng)域，熱泵技術(shù)回收余熱資源顯著降低生產(chǎn)運(yùn)行成本的同時(shí)可起到良好的節(jié)能減碳效果，在雙碳目標(biāo)進(jìn)程中有著舉足輕重的地位。以印染和輪胎行業(yè)為例，在充分回收余熱的基礎(chǔ)上，可減少燃煤消耗，進(jìn)而降低大氣污染物的排放，同時(shí)能取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。為了進(jìn)一步提高余熱回收效率，降低余熱回收成本，新型高溫?zé)岜玫燃夹g(shù)勢(shì)必會(huì)成為該領(lǐng)域的重要研究方向。

（5）將可再生能源利用和熱泵蓄熱技術(shù)結(jié)合，可提高建筑可再生能源利用率，移峰填谷，調(diào)節(jié)電網(wǎng)側(cè)用電負(fù)荷，提高供電質(zhì)量和可靠性。蓄能裝置和新型設(shè)備研發(fā)，采用蓄能技術(shù)實(shí)現(xiàn)能源的產(chǎn)用一體化，并基于智能電網(wǎng)技術(shù)，使得供電側(cè)與熱泵蓄冷蓄熱系統(tǒng)相互配合，緩解地區(qū)性用電供需不平衡，同時(shí)實(shí)現(xiàn)建筑供熱供冷清潔化、可持續(xù)化發(fā)展。

綜上所述，熱泵技術(shù)在未來(lái)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)進(jìn)程中定會(huì)廣泛使用，以產(chǎn)生顯著的節(jié)能減碳效果。