综述：迈向多尺度创新：用于低品位废热回收的吸收式热泵——离子液体工质对、系统优化及多场景应用

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Towards multi-scale innovations in absorption heat pumps for low-grade waste heat recovery: ionic liquid working pairs, system optimization, and multi-scenario applications

低品位废热回收技术瓶颈及多尺度协同创新框架研究，提出离子液体工质分类与全生命周期评估模型，系统优化六类应用场景的系统结构及组件性能，实现COP提升17.9-40%，废热回收效率达42-80%，构建低碳集成技术路径。

　　

作者：田波、王海帆、王宁波、郭艳华、刘莉、游天、邵双全

华中科技大学能源与动力工程学院，武汉，430074，中国

摘要

在全球能源转型和双碳目标的背景下，全球72%的能源消耗以30至250°C的低品位热能形式被浪费掉。然而，其高效回收受到吸收式热泵（AHP）技术瓶颈的限制，包括传统工作物质的结晶和腐蚀问题、多尺度协同作用不足以及对波动热源的适应性差。现有的综述主要集中在单一尺度或单一场景的研究上，缺乏对离子液体基工作物质对、跨尺度优化以及定量环境经济评估的系统性整合。为了填补这些空白，本文对离子液体基工作物质对、吸收式热泵系统及其组件进行了多尺度分析，并探讨了六种典型应用场景。在方法上，将离子液体对分为四类：H₂O-离子液体、NH₃-离子液体、碳氢化合物-离子液体和CO₂-离子液体；建立了场景-需求-技术框架，并构建了全生命周期评估。主要发现包括：离子液体对克服了传统限制，例如H₂O-[emim][EtSO₄]在70°C以下仍能稳定运行；系统和组件优化将最低驱动温度提高到45°C，并使COP提高了17.9-40%；多场景应用实现了42-80%的能源节约。本文的核心贡献包括跨尺度协同创新框架和以场景为导向的低碳整合框架，为吸收式热泵的升级和高效利用低品位废热提供了技术参考。

引言

在全球能源转型和双碳战略深入实施的背景下，能源资源的有效利用和低碳发展已成为全球共识。能源节约是全球经济的关键因素，因为它满足了每个国家的工业和民用需求。据报道，全球72%的能源消耗以废热的形式通过废气、烟气和冷却剂散失[1]，而相关机制研究已经验证了回收这种低品位废热的技术可行性[2]。这不仅导致了严重的能源浪费，还加剧了对生态环境的压力。燃料价格的上涨、许多不可再生资源的枯竭、全球变暖、温室气体排放和不利的气候变化促使工程界进一步探索节能技术[3]。如何科学有效地回收和利用这种低品位废热已成为解决能源供需不平衡和减少碳排放的关键途径。

在此背景下，吸收式热泵（AHP）因其独特的技术优势而成为废热回收的核心技术之一。与传统电驱动热泵不同，AHP利用热能作为主要驱动力。该系统仅通过液体泵循环溶液，因此与常规热泵相比，运行功耗显著降低。其性能系数（COP）在应用于低品位废热场景时非常高。更重要的是，AHP具有广泛的工作温度适应性，能够将难以利用的低品位废热（如工业废水废热、烟气废热和冷却剂废热）转化为中高温热能，用于工业生产、建筑供暖和生活热水供应等应用场景。有效且最大化地利用来自工业部门和发电厂的废热可以提高能源效率并减少废热排放对环境的影响[5]。

图1(a)展示了过去二十年全球AHP的发展历程。2011至2015年，市场保持稳定增长。2016年，由于工业需求的激增和产品成本的下降，年增长率显著上升。2017至2025年，市场进入稳步扩张期。到2024-2025年，全球市场规模已超过600亿元人民币。图1(b)显示了2011年中国吸收式热泵市场的规模和年增长率。总体而言，市场规模持续扩大，增长率根据行业发展阶段而波动。值得注意的是，通过AHP回收低品位热能的方法引起了广泛关注，因为它代表了最大化利用低品位热能以提供有用能源的最合理方法，从而加速实现碳中和[6]。

在废热利用方法中，热驱动AHP将0至80°C范围内的低品位废热或可再生能源转化为高温热能和冷却能力[8]。这一过程利用少量高温能作为驱动力。由于其吸引人的热力学特性、紧凑的系统结构和灵活性，AHP已在低品位热回收中得到广泛应用。我们使用“吸收式热泵”和“包括废热回收的吸收式热泵”作为关键词，在Web of Science平台上搜索了2005年至2025年间发表的论文，并统计了它们的引用次数和不同研究类型的比例，如图2(a)和(b)所示。图2(c)和(d)总结了过去20年AHP相关出版物的分类。2016年标志着研究活动的显著转折点，年度出版物数量呈现整体上升趋势。过去三年中，相关出版物总数约为823篇，表明吸收式热泵技术持续稳定发展。

表1总结了吸收循环领域的代表性综述研究。AHP已成为低品位废热回收的关键技术，但现有研究中仍存在显著局限性。当前研究主要集中在单一应用场景上，发现相对分散。缺乏跨场景比较分析以及多能源系统中协同机制的研究。系统和组件的优化往往独立进行，没有充分考虑它们之间的耦合效应，而且对AHP在非设计条件下的动态性能研究还不够深入。关于新型离子液体（IL）基工作流体对的研究，尚未对其热力学特性、长期运行稳定性、环境影响和成本效益进行系统评估。在AHP与低碳技术整合的研究中，缺乏对其减排潜力和技术经济权衡的定量分析。同时，很少对吸收式热泵系统进行覆盖整个链条的生命周期评估（LCA）。为解决AHP基废热回收综述研究中的空白，本文的结构如图3所示。

为解决上述研究空白，本文从三个核心维度出发，聚焦AHP的跨尺度协同创新。首先，针对现有单一场景研究的碎片化以及应用场景与技术优化之间的跨尺度联系不足，本文综合了六种典型应用场景，明确了不同场景下AHP的差异化技术要求，并建立了以场景为导向的技术适应框架，填补了当前研究中场景需求与系统/工作对优化之间关联不足的空白。其次，针对系统优化、组件改进和工作对开发之间的独立研究状态，本文揭示了溶液循环调节、辅助系统耦合、换热器增强与IL工作对性能之间的耦合效应。明确指出系统级和组件级的优化需要与IL基工作对的物理特性相匹配，而IL基工作对的开发应针对特定场景和系统的优化目标，从而克服现有研究中多尺度技术研究的脱节。第三，为解决跨尺度协同需求下IL基工作对的系统评估不足问题，本文将IL基工作对分为四类（水-IL、氨-IL、碳氢化合物-IL、CO₂-IL），并通过元分析对现有实验数据进行了全面性能评估。评估体系涵盖了热力学性能、运行稳定性和场景适应性，解决了当前工作对研究未能将场景与系统优化要求联系起来的问题。最后，总结了关键技术挑战和未来研究方向，为AHP的技术创新和产业升级提供了全面的技术参考。

为了系统地展示多尺度创新框架及其实施，本文的每个部分都与核心贡献逻辑相关联：第2节详细阐述了AHP的基本结构和运行原理，为后续的跨尺度分析奠定了理论基础。第3节综合了六种典型应用场景，明确了每个场景的差异化技术要求，并构建了以场景为导向的需求基础。第4节关注系统级优化和组件级改进，揭示了优化策略与工作对属性之间的耦合机制，构成了跨尺度框架的系统-组件协同层。第5节将IL基工作对分为四类：H₂O-IL、NH₃-IL、碳氢化合物-IL和CO₂-IL，形成了该框架的材料创新核心。第6节总结了多尺度协同创新、低碳整合和场景适应的核心结论，并概述了促进所提框架产业应用的未来研究方向。每个部分相互支持，确保了研究逻辑的完整性和严谨性。

吸收式热泵概述

为了清楚地阐述本文提出的创新解决方案，首先系统地描述了吸收式热泵的核心结构和运行原理，为后续的跨尺度分析、场景应用、系统优化和工作对替换奠定了理论基础。

AHP的核心组件包括发生器（GEN）、吸收器（ABS）、冷凝器（CON）、蒸发器（EVA）和溶液热...

AHP在废热回收中的应用场景

本章详细阐述了AHP在低品位废热回收中的六种典型应用场景，为后续的系统优化和工作对筛选提供了以场景为导向的基础。AHP的应用已超越了传统的工业烟气废热回收，扩展到了海洋热能利用、海水淡化过程中的废热回收以及数据中心冷却液中的废热回收等专业应用。

AHP系统和组件的优化设计

不同应用场景的特点，如海洋能源利用中的低温稳定性要求和海水淡化中的耐腐蚀性要求，对AHP的性能提出了更高要求，这些要求仅靠基本结构无法满足。因此，基于第3章提出的典型场景的差异化技术需求，本章重点关注从系统层面优化AHP系统和组件。

工作对的替换

系统和组件的优化需要与工作对的物理化学性质高度兼容。然而，传统工作对的固有缺点（如结晶、腐蚀和需要精馏）已成为性能提升的瓶颈。在此背景下，本章重点关注新型IL基工作对，探讨它们如何克服传统限制并适应优化后的系统和组件。

结论

本文全面回顾了AHP的多尺度创新，重点关注IL基工作对、系统和组件优化以及多场景应用。它为低品位废热回收和低碳能源利用提供了关键技术参考，核心结论如下：

• ●IL基工作对克服了传统工作对的固有缺点。

作者致谢

田波：概念构思、方法论、软件开发、调查、验证、可视化、形式分析、撰写——初稿。 王海帆：概念构思、审稿与编辑、监督。 王宁波：审稿。 郭艳华：数据整理。 刘莉：概念构思。 游天：审稿。 邵双全：概念构思、方法论、监督、资金获取、撰写-审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本研究报告的工作。

致谢

本研究得到了湖北省技术创新计划项目（2024BAB102）和国家自然科学基金（编号：52576012）的支持。所有支持本研究发现的代码和模型均可根据合理请求向作者索取。