《Machines》：A Review on Performance Optimization and Relevant Application Research of Heat Pump Technologies for Energy System Decarbonization
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热泵是高效利用低品位热能和实现能源结构低碳转型的核心设备，在建筑供暖和工业废热回收(WHR)方面具有巨大的节能潜力。本文回顾了压缩式、吸收式和吸附式热泵，以及纳米流体强化传热技术和弹热热泵系统的研究进展与技术挑战。空气源热泵可以通过变频、蓄热和废热回收来延缓结
热泵是高效利用低品位热能和实现能源结构低碳转型的核心设备，在建筑供暖和工业废热回收(WHR)方面具有巨大的节能潜力。本文回顾了压缩式、吸收式和吸附式热泵，以及纳米流体强化传热技术和弹热热泵系统的研究进展与技术挑战。空气源热泵可以通过变频、蓄热和废热回收来延缓结霜。然而，目前缺乏在极寒条件下性能衰减的准确预测模型。尽管地源和水源热泵表现出显著的能效优势，但地源系统可能会因地下热不平衡而出现性能衰减。水源系统的应用则严格受到水资源条件的制约。在低品位废热的驱动下，采用传统工质对的吸收式热泵面临着结晶、腐蚀或高精馏能耗的问题。在80~100 °C的废热条件下，单效循环的性能系数(COP)仅为1.2~1.9，而混合循环在120~150 °C时可以达到约3.2。尽管吸附式热泵在连续回热循环下的性能得到显著改善，但金属有机框架等新型吸附剂的全尺寸功率密度仍低于传统硅胶的功率密度。此外，在非设计工况下，其性能较理论值下降了23~48%。纳米流体可以强化传热，但高温下颗粒团聚对泵功耗和系统兼容性的长期影响仍需系统评估。弹热热泵系统可以实现无制冷剂制冷，但目前的样机在长周期疲劳可靠性和功率密度方面仍无法与传统蒸汽压缩系统相媲美。当前的热泵技术普遍面临对极端条件适应性不足、工质与材料瓶颈以及缺乏长期验证等挑战。未来的研究必须构建多源耦合优化系统，解决工质和材料的共性问题，推进长期验证和千瓦级样机示范，并推动热泵技术向高效、智能和高可靠性方向进行规模化部署与工程应用。
1. 引言
在全球能源结构加速转型和“双碳”目标的驱动下，建筑和工业供热领域的低碳改造提供了重要的节能减排途径。基于逆向热力学循环原理，热泵系统消耗少量电能从空气、水和土壤中提取低品位热能，并将其升温利用，其性能系数(COP)可达3.0~5.0。由于高效率和低碳排放，热泵广泛应用于建筑供暖、制冷、车辆热管理和工业废热回收(WHR)。然而，各种热泵技术均存在特定缺点，且理论设计性能往往与实际工程性能存在显著偏差。蒸汽压缩制冷(VCR)系统应用最广，但不同模型存在固有缺陷。空气源热泵结构简单，但在低温高湿条件下易结霜导致性能下降；地源热泵季节稳定性好，但长期运行可能因地下热不平衡导致COP低于设计预期，且初投资高；水源热泵严重依赖水文条件，适用范围受限。在底层机制上，行业仍缺乏针对低温制热衰减规律和结霜除霜过程中动态能效损失机制的准确预测理论模型。除VCR系统外，废热驱动的吸收式热泵(AHPs)和吸附式热泵(ADHPs)也面临技术瓶颈。AHPs中的LiBr-H2O工质对存在结晶和腐蚀问题，NH3-H2O系统精馏能耗高且易泄漏。单效循环COP通常在1.2~1.9之间，混合循环可达3.2。ADHPs中的金属有机框架材料在工程放大后功率密度低于硅胶，非设计工况下COP较理论值低23~48%。纳米流体和弹热热泵等新技术仍处于样机阶段，面临颗粒团聚和材料疲劳等问题。
2. 热泵性能参数
为定量评估不同热泵的能效，需采用系统的性能参数，因为COP的定义随驱动形式和循环配置而异。VCR依赖电力驱动，AHPs依赖热驱动，ADHPs则因动态吸附解吸过程需采用特殊评价指标。
2.1 基本性能系数
COP是衡量瞬时能量转换效率的最基本参数，定义为有用输出热量与消耗功之比。对于蒸汽压缩循环，制热模式COPH和制冷模式COPC基于制冷剂侧焓差表达。在实验评估中，通常使用二次流体侧的测量值间接计算瞬时COP。对于单效吸收循环，COPAHP受热力循环约束，由发生器热输入与蒸发器吸热量之比决定。对于超高温吸收-压缩混合循环，由于存在功与热的耦合，总体COPhybrid表示为净供热量与总压缩机功耗之比。
2.2 吸附式热泵的特定性能参数
ADHPs的工作特性与动态吸附解吸过程和材料物理性质密切相关，需采用特定参数评估。建立了硅胶-水双床吸附制冷机的经验公式，将COP和制冷量与运行变量直接关联。在材料筛选和系统设计中，单位质量吸附剂的比冷功率(SCP)和单位体积的体积冷功率(VCP)通常作为核心指标。
3. 蒸汽压缩热泵
VCR系统由电力驱动，通过压缩机循环工质并冷凝放热。根据热源类型，分为地源热泵(GSHPs)、空气源热泵(ASHPs)和水源热泵(WSHPs)。单一热源系统存在应用局限，如ASHPs极寒性能衰减、GSHPs热失衡风险及WSHPs水文条件约束。多源耦合与系统集成优化成为关键研究方向。
3.1 空气源热泵性能增强技术与工程应用
ASHPs以室外空气为低品位热源。在低温高湿下易结霜导致能效下降。运行控制优化是提升稳定性和能效的关键。变频技术能有效抑制结霜，智能预测控制进一步挖掘节能潜力。蓄热增强技术通过增加系统热惯性缓解负荷波动。排风热回收与部件强化技术回收低品位废热并优化内部换热，实现能源梯级利用。然而，当前研究多在理想条件下独立进行，缺乏协调控制，对动态演化和长期性能变化研究不足。
3.2 地源热泵系统设计与工程应用
GSHPs利用浅层地热能，具有温度稳定和气候独立性优势。岩土热物理参数的精确测量是科学设计与闭环换热器(BHE)尺寸匹配的核心前提。热源优化与能效提升主要关注可再生能源耦合与系统运行策略优化。多能互补耦合技术利用光伏等清洁能源辅助调峰。为保障长期高效稳定运行，需进行场景适应性和运行模式优化的长期性能研究。尽管工程实践验证了其节能优势，但实际换热量偏离设计参数，且缺乏统一的土壤热失衡定量评估标准。
3.3 水源热泵系统开发与工程应用进展
WSHPs利用自然水作为热源或冷源，整体能效在三种单源VCR系统中最高。水源和负荷侧温度条件是决定能效的主要因素。基于工况特征的能效优化和水环境热平衡分析是其大规模应用的关键方向。智能控制优化与工程场景适配成为新兴方向，旨在平衡能效、电网灵活性和运行稳定性。然而，不同水文条件下的最优运行参数未统一，水环境影响评估缺乏统一标准，制约了其大规模推广。
3.4 多源热泵协同系统工程应用研究
多源热泵利用不同热源的互补优势克服单源模型局限。研究重点关注不同热源组合的适应性与集成路径、性能评价与优化。多源耦合架构增加了系统复杂性和初投资。各热源水力特性与热响应差异大导致强水热耦合，阻碍了多工况协调最优运行。系统适应性与气候、能源结构强相关，长期运行稳定性和经济性仍需验证。
4. 吸收式热泵
AHPs通过工质对(WP)相变传热，具有低功耗、能利用低品位热源及采用自然工质的优点，适用于工业废热回收(WHR)。但传统工质对存在热力学缺陷。当前研究主要聚焦于工质对筛选与改性、循环配置优化和复合系统集成。
4.1 吸收式热泵循环理论与研究基础
单效循环技术成熟但能效上限低。多效循环可提高热利用率但可用温升范围窄。吸收-压缩混合循环是高温和变负荷工业场景的核心优化方向。通过双循环和双工质协同匹配打破单一循环的热边界限制。然而，当前研究多基于理论模型，变工况下的实际性能和工程转化仍需深化。
4.2 吸收工质对特性与性能优化
H2O-LiBr工质对工业最成熟，但存在结晶和腐蚀隐患。NH3-H2O具有零臭氧消耗潜能(ODP)和低全球变暖潜能(GWP)，但排气温度高且润滑性差。新型替代工质对旨在实现低腐蚀、宽温区和免除精馏。尽管新材料在高低温条件下展现潜力，但整体仍处于理论分析和初步测试阶段，缺乏工程可靠性评估。
4.3 吸收式热泵工程应用研究
AHPs应用于工业废热回收(WHR)和民用低碳供能场景。工业领域通过优化系统集成将低品位废热转化为高品质热能；民用领域通过多能耦合实现供暖和热水一体化供应。然而，大规模部署仍面临与工业过程耦合不足、动态适应性差、长期运行缺乏防腐蚀和防结垢控制策略等核心瓶颈。
5. 吸附式热泵
ADHPs由低品位热能驱动，通过固体吸附剂与制冷剂间的可逆物理吸附解吸升级和传递热量，适用于工业废热回收、低温制冷等领域。其不依赖氟利昂制冷剂，但比冷功率(SCP)和体积冷功率(VCP)受限。
5.1 吸附式热泵循环理论与研究基础
循环机制与热力学建模是性能分析与结构优化的核心。研究从循环机制、新材料兼容性和系统级蓄热集成三个维度改进系统。确定了四步循环的关键物理参数，明确了分层蓄热与吸附循环耦合可有效回收热量。但理论结果多处于推导层面，实验验证和定量设计基础尚不完善。
5.2 吸附工质对开发与循环优化
硅胶-水、沸石-水和金属有机框架等主流工质对均面临低导热、慢动力学和高成本的瓶颈。硅胶-水通过基质热处理和纳米铜掺杂改性提升导热率和动力学。沸石需高温脱附，适用于高温升场景。MOFs材料通过盐复合改性显著提升吸附容量，匹配等温线形状可成倍提升功率密度。添加膨胀石墨等导热增强剂可改善床内传热。但仍需克服工艺鲁棒性和全生命周期可靠性。
5.3 工业废热驱动吸附热泵工程应用
工业废热低于150 °C时难以通过常规技术回收。ADHPs通过回热循环与蓄热耦合应对系统体积大、响应慢的问题。以废咖啡渣制备生物质整体活性炭吸附剂可降低成本并提升功率密度。但在变工况下性能衰减显著，生物质吸附剂长期老化规律不明，循环理论与材料-系统关联机制缺乏实验验证。
6. 两种前沿热泵技术
6.1 纳米流体：传热强化辅助技术
纳米流体通过将金属或碳纳米颗粒分散在基础液体中制备，能显著提升传热性能。其强化机制源于多物理场耦合。高温工业热泵需采用抗团聚改性的TiO2和Al2O3等耐高温纳米流体。混合纳米流体展现出更优的综合热物理性能。然而，多场耦合传热的定量模型尚未建立，高温抗团聚策略和长期悬浮稳定性不足，对泵功耗和系统兼容性的长期影响不明。
6.2 弹热热泵：新型固态热泵
弹热热泵(ECHP)基于形状记忆合金(SMAs)的弹热效应，通过固态相变进行热能传递，摒弃了传统工质。材料性能优化通过微观结构调控和疲劳性能优化实现，显著降低相变滞后损失。结构形态优化明确了管状压缩结构在抗疲劳方面的稳定性优势。结构创新与多级集成有效提升了温度跨度和功率。但ECHP面临材料疲劳、功率密度低、驱动-蓄热集成设计规范缺失及制造成本高等工程挑战。
7. 结论、技术挑战与展望
热泵技术体系以蒸汽压缩制冷(VCR)为主流，吸收式和吸附式热泵为补充，纳米流体传热强化和弹热热泵为前沿突破。当前行业普遍面临四大挑战：对极端工况适应性不足且变工况性能衰减显著；工程验证体系不健全致缺乏长期循环稳定性数据；多源耦合架构强水热耦合导致系统集成与智能控制困难；针对新工质和新材料的行业标准化体系不发达。针对各技术路线的具体缺点，未来研究应聚焦于设备对极端工况的适应性、工质迭代、前沿技术工程化转化，以及多源耦合与智能控制的系统集成。通过构建全生命周期技术经济评价模型，推动热泵技术向高效、智能、高可靠性迈进。
