摘要

工业热泵作为一种能够将低品位热能提升为高品位热能的高效节能技术，正经历从辅助节能手段到工业碳中和核心引擎的历史性转变。本文系统阐述了工业热泵的热力学原理与循环构型，深入分析了制冷剂、压缩机等核心技术的演进路径，梳理了从低温应用到超高温蒸汽供应的技术发展历程。基于全球最新研究进展与工程案例，全面展示了工业热泵在食品加工、化工制药、纺织印染等多元场景的应用实践。本文进一步探讨了热声热泵、跨临界CO₂循环等前沿突破，以及热泵与储能、数字化技术融合的发展趋势。研究表明，随着输出温度突破200℃瓶颈、能效水平持续提升、投资回收期缩短至2-4年，工业热泵正迎来百亿级市场空间，将成为构建零碳工业体系的核心支撑技术。

关键词：工业热泵；高温热泵；蒸汽热泵；余热回收；碳中和；热力学循环

1 引论：工业供热变革的时代呼唤

1.1 工业用能的碳困局

全球气候变化的严峻挑战面前，工业部门脱碳已成为国际社会的核心议题。根据国际能源署统计，工业部门占全球最终能源消费的约38%，贡献了能源相关CO₂排放的近27%-2。在这庞大的能源消耗中，过程供热占据50%-70%的份额，是工业用能的绝对主体-4。

以全球最大工业国中国为例，2024年全国能源消费总量达59.6亿吨标准煤，其中工业用能占比超过65%-4。这些热能长期以来主要依赖煤炭、天然气等化石燃料的直接燃烧供应——工业锅炉、窑炉构成了工业生产的热力心脏，也成为了碳排放的主要源头。这种“化石燃料锁定的”技术路径形成了强大的路径依赖：管网设施、设备资产、工艺规范乃至人员技能都围绕燃烧技术构建，转型成本与阻力可想而知。

更令人警醒的是能源浪费的惊人程度。研究显示，工业过程产生的余热资源占到了总供热量的大约17%-67%-4。在中国庞大的工业系统中，以废热形式损失的能量占总能耗的10%-27%-7。这些本可加以利用的热量，通常被直接排放到大气或冷却水中，既浪费能源又加剧热污染。

1.2 供热低碳转型的技术选择

面对工业供热的脱碳挑战，技术路线图呈现多元化格局。生物质燃烧是成熟的替代方案之一，在造纸、制糖等行业已有长期应用，但受限于资源总量和可持续供给能力，难以支撑大规模替代-2。太阳能热利用清洁无碳，但间歇性与能量密度问题制约其工业应用。绿氢燃烧理论上可实现零碳，但制氢成本与储运难题短期内难以突破。

在此背景下，热泵技术展现出独特价值：它不直接产生热量，而是像“热能搬运工”一样，利用电能将低品位热能提升到可用温度。这种工作原理决定了其能效优势——消耗1单位电能，可搬运3-5单位的热能，效率远超电热转换。随着可再生电力占比提升，热泵的环境效益将同步增长，实现真正的“绿色电力驱动绿色热能”。

1.3 从节能配角到碳中和核心引擎

工业热泵的发展历程折射出一项技术从边缘走向中心的典型路径。2009年至2015年左右是技术萌芽期，热泵主要解决基础温升需求，输出温度仅80℃，性能系数（COP）维持在2.5-3.0之间，被视为一种辅助节能技术-1。2015年至2020年进入成长期，高温热泵成为技术主流，输出温度突破100℃，应用场景从建筑供热拓展至工业领域-1。

2020年至今是创新爆发期。超高温热泵成为研发核心，采用CO₂跨临界循环与喷射增效技术，温度上限推至165℃-170℃-1。2025年年中，中国节能协会热泵专业委员会发布的《工业热泵发展白皮书（2025）》标志着这项技术已完成身份转变——从辅助节能技术升级为工业碳中和的核心解决方案-1。

2026年初，高温热泵国际研讨会在丹麦召开，530余名参会者与35家展商共同见证了“从技术创新到工业现实”的跨越-3。会议传递的核心信息是：高温热泵不再是利基技术，而是工业脱碳的新兴基石。问题已从“是否可行”转变为“多快能规模化”-3。

1.4 本文研究框架

本文旨在系统呈现工业热泵技术的全貌。第2章从热力学基础出发，阐明工业热泵的工作原理与循环构型；第3章聚焦核心技术要素，分析制冷剂演进、压缩机选型与系统集成创新；第4章梳理技术发展历程与最新突破，呈现从低温到超高温的跃升轨迹；第5章通过典型行业应用案例，展示技术落地成效；第6章展望未来发展趋势，包括前沿技术突破、市场前景与产业生态构建。通过这一框架，本文力图回答一个根本问题：工业热泵何以成为碳中和时代的关键技术，又将走向何方？

2 原理篇：热力学基础与循环构型

2.1 热泵的热力学本质

要理解工业热泵，首先要理解热力学第二定律揭示的一个基本事实：热量不会自发地从低温物体传向高温物体。要实现这一“逆天而行”的热量输送，必须消耗外部能量作为补偿——这正是热泵工作的物理基础。

热泵的热力学模型可追溯到卡诺的卓越洞见。1824年，法国青年工程师卡诺提出了理想热机的循环效率上限，这一思想后来被推广到逆向循环，形成了“逆卡诺循环”的概念。在压-焓图上，理想的逆卡诺循环由两个等温过程和两个等熵过程构成：制冷剂在低温下等温吸热（蒸发），然后等熵压缩升温，再在高温下等温放热（冷凝），最后等熵膨胀降温回到起点。

现实中的蒸汽压缩热泵是对逆卡诺循环的工程化修正。由于等温压缩在技术上难以实现，实际循环采用等熵压缩近似；等熵膨胀同样困难，通常用等焓膨胀（节流）替代-4。这些修正虽然带来效率损失，却使得热泵具备了工程可行性。

评价热泵性能的核心指标是性能系数（COP），定义为制热量与输入功之比：

COP = Q_h / W

其中Q_h为热泵供给高温热源的热量，W为压缩机等消耗的机械功。从热力学第一定律看，Q_h = Q_c + W，Q_c为从低温热源吸收的热量，因此COP总是大于1。这体现了热泵的本质优势：它输出的热能总是大于消耗的机械能，差额来自低温热源“免费”获取的热量。

从热力学第二定律出发，可以导出理想情况下（可逆过程）的最高COP：

COP_carnot = T_h / (T_h - T_c)

式中T_h为冷凝温度，T_c为蒸发温度，均采用热力学温度（开尔文）。这一公式揭示了热泵效率的根本制约：温升（T_h - T_c）越大，COP越低；供热温度越高，对效率的影响越敏感。例如，当蒸发温度20℃（293K）、冷凝温度80℃（353K）时，理想COP可达353/60≈5.88；若冷凝温度升至160℃（433K），理想COP降至433/140≈3.09。这一关系构成了高温热泵面临的根本挑战。

2.2 工业热泵的温度谱系

工业领域对热能的温度需求跨度极大，从几十度的低温干燥到上千度的高温熔炼，构成了一个完整的温度谱系。相应地，工业热泵也形成了按温度等级划分的技术家族。

中温工业热泵通常指输出温度80-100℃的范围，主要供应热水或热风，应用于物料干燥、空间供暖、清洗消毒等场景-4。这类热泵技术最为成熟，多采用单级压缩循环，以R134a、R245fa等为制冷剂，在中小型工业项目中已广泛应用。

高温工业热泵（HTHP）覆盖100-160℃区间，能够产生低压蒸汽或高温热风，满足化工蒸馏、纸浆干燥、纺织印染等工艺需求-4。这一温度区间是当前技术竞争的主战场，系统多采用两级压缩、复叠循环或带经济器的准二级循环，制冷剂选用R245fa、R1336mzz(Z)等高温工质。

超高温工业热泵（UHTHP）瞄准160℃以上直至200℃甚至更高的温度范围，目标是用电驱动热泵替代燃气锅炉，直接生产工业蒸汽-4。这一领域曾是热泵技术的“禁区”，近年来通过CO₂跨临界循环、水蒸气再压缩、热声热泵等创新路径逐步突破。2026年初，东方电气自主研制的高温蒸汽热泵在国药太极涪陵药厂成功投运，在余热源低至40℃时仍稳定产出165℃饱和蒸汽，实测COP达2.7-9，标志着超高温热泵正从实验室走向工程化。

需要指出的是，学术界有时将高温与超高温热泵统称为HTHPs，以简化表述-4。本文后续章节将根据语境区分使用，但在讨论通用技术问题时采用广义概念。

2.3 循环构型的演进与比较

工业热泵的系统循环是实现温升目标的核心技术载体。随着温度要求的提高，循环构型从简单到复杂不断演进，形成了丰富的技术谱系。

2.3.1 单级压缩循环

单级压缩循环是最基本的构型，由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器四大部件串联而成-4。制冷剂在系统中经历蒸发、压缩、冷凝、节流四个过程，完成热量的吸收与释放。这一构型的优势在于结构简单、成本较低、可靠性高，适用于温升30-60℃的场景-4。

研究显示，在蒸发温度50℃、温升50℃的工况下，采用R1233zd(E)的单级系统COP可达5.04；但当温升增至60℃，COP降至4.0左右，效率衰减明显-4。杨等人对R245fa单级系统的实验研究发现，蒸发温度恒定时，冷凝器出口水温每升高5℃，COP下降10%-25%-4。当蒸发器进水60℃、冷凝器出水100℃时，COP为3.102；升至105.8℃时，COP降至2.7。

单级循环在高压缩比下面临排气温度过高的问题。高温制冷剂如R245fa具有正斜率饱和蒸汽线，压缩过程可能进入两相区导致“液击”-4。工程实践中常在蒸发器与压缩机之间增设回热器，提高吸气过热度，同时增强冷凝器过冷度，从而提升系统性能-4。

2.3.2 准二级压缩循环

准二级循环通过在压缩过程中间补气，实现了对单级循环的改良-4。这一构型在压缩机中间腔注入部分制冷剂蒸气，既降低了排气温度，又增加了冷凝侧的质量流量，显著提升制热量。

根据补气方式不同，准二级循环分为带闪发器的构型和带经济器的构型-4。闪发器构型中，冷凝后的制冷剂经一级节流进入闪发器，闪发蒸气被吸入压缩机中间腔，液体继续节流后进入蒸发器。经济器构型则采用板式换热器，使部分制冷剂在主路节流前与辅路换热，辅路完全蒸发后注入压缩机中间腔。研究表明，闪发器构型因补气过热度更低，通常具有更高的制热能力和COP-4。

宁等人对R290工质的闪发器型准二级热泵进行了性能评估，发现在最佳一级压比1.5时，相比单级循环COP提升18.57%，排气温度降低10.03℃-4。严等人开发的带经济器准二级热泵样机，在蒸发温度65℃、温升45℃工况下，COP超过2.85，排气温度低于125℃-4。准二级循环的典型温升能力为60-90℃，填补了单级与两级之间的空白区间。

2.3.3 两级与多级压缩循环

当目标温升超过90℃，两级甚至多级压缩成为必要选择-4。两级系统将压缩过程分为两段，中间设置级间冷却或闪发，有效降低每级压比和排气温度，同时减少压缩过程的不可逆损失。

两级压缩循环可根据级间冷却方式和经济器配置分为多种构型。王等人对四种两级构型的数学模型研究表明，对于大温升需求，采用两级压缩、单级节流、级间不完全冷却的构型（中间冷却器仅部分冷却第一级排气）表现最优-4。这种构型在保证系统可靠性的同时，实现了更高的能效水平。

两级系统的工程实现需要考虑级间压力优化、压缩机匹配、润滑油管理等一系列问题。工业应用中常采用两台压缩机串联或集成的双级压缩机，前者灵活性高，后者结构紧凑。在造纸、化工等需要大量150℃左右蒸汽的场合，两级热泵已成为主流选择。

2.3.4 复叠循环

复叠循环是另一种实现大温升的技术路径，它将两个独立的单级循环通过级间换热器耦合起来-4。低温级循环吸收余热，向级间换热器放热；高温级循环从级间换热器吸热，向用户供热。两级采用不同的制冷剂，各自在最适宜的温度区间运行。

复叠循环的优势在于：避免了单级循环在大压比下的效率损失和可靠性问题；可采用针对不同温度段优化的制冷剂组合；级间温度可灵活调节以适应工况变化。其代价是系统复杂度增加，设备投资上升，且存在级间换热温差带来的不可逆损失。

典型应用中，低温级可采用R134a、R245fa等中温工质，高温级选用R1336mzz(Z)、水等高温工质。级间温度的选择是系统优化的关键——过高则高温级压比增加，过低则低温级压比上升，存在最优值使总功耗最小。

2.3.5 水蒸气再压缩与开式循环

前述循环均为闭式系统，制冷剂在封闭回路中循环。开式循环则另辟蹊径：它以水为工质，直接压缩工业过程中产生的废蒸汽，提升其压力与温度后回用-4。这种技术被称为机械蒸汽再压缩（MVR）或蒸汽压缩（VC）。

MVR的工作原理是：将蒸发器等设备产生的二次蒸汽（低压、低温）经机械压缩，提升压力和饱和温度，再送回原设备作为加热源使用。这样，原本要排放或冷凝的废蒸汽得到回收利用，仅需补充少量新鲜蒸汽维持系统平衡。MVR的COP定义方式不同，通常以压缩功耗与回收热量之比衡量，电效率可达10-30（即每度电搬运10-30度热）。

开式循环的技术关键在于水蒸气压缩机的设计-6。水蒸气的比容大，压缩过程易出现液滴，对材料和密封要求严格。多级透平压缩机和带喷水冷却的双螺杆压缩机是当前主流选择-6。前者适用于大流量场合，效率高但调节范围窄；后者对变工况适应性强，适用于中小规模应用。

MVR在蒸发浓缩、结晶、干燥等领域已有长期应用。化工行业的PTA生产采用蒸汽再压缩技术，将0.3MPa低压蒸汽压缩至0.8MPa后回用，单条生产线年减碳15000吨-1。啤酒厂引入冷热双效热泵系统，实现热能精准供给与回收，年节约成本300多万元，减碳3840吨-1。

2.4 不同循环构型的适用边界

各种循环构型并无绝对的优劣之分，关键在于与应用场景的匹配。表1总结了不同构型的适用温度范围、典型COP及特点。

表1 工业热泵主要循环构型对比

*注：MVR的COP定义为制热量与电耗之比，数值较高因其回收潜热。

选择循环构型时需综合考虑热源温度、目标温度、负荷特性、投资预算等因素。一般而言，温升60℃以内优先考虑单级；60-90℃可选用准二级或小型两级；90℃以上需采用两级或复叠；若有废蒸汽可用，MVR往往是高效选择。

3 技术篇：核心要素的系统解析

3.1 制冷剂：从高GWP到低GWP的演进

制冷剂是热泵系统的“血液”，其热物性直接决定系统性能边界。工业热泵向高温域的拓展，与制冷剂技术的进步密不可分。与此同时，全球环境治理的刚性约束正在推动制冷剂技术路线发生深刻变革。

3.1.1 制冷剂选择的多维约束

工业热泵制冷剂的选择面临热力学性能、安全性、环境友好性、经济性的多维权衡。从热力学角度，理想制冷剂应具有：合适的临界温度（略高于冷凝温度），避免超临界运行；适中的饱和压力，避免过高承压要求；高体积制热能力，减小压缩机尺寸；良好的传热性能，降低换热器面积。

安全性方面，毒性（安全分级）和可燃性是核心关切。工业应用场景人员密集、环境复杂，对安全性的要求尤为严格。美国采暖制冷与空调工程师学会（ASHRAE）将制冷剂按安全性分为A1（无毒不可燃）、A2（无毒低可燃）、A2L（无毒弱可燃）、A3（易燃）、B类（有毒）等级别，其中A1级是工业应用的“黄金标准”。

环境友好性已成为越来越重要的约束。1987年《蒙特利尔议定书》对消耗臭氧层物质（ODS）的淘汰，推动了CFCs向HCFCs再向HFCs的第一次转型。2016年《基加利修正案》则将HFCs列入管控清单，要求逐步削减高GWP值制冷剂。在此背景下，第四代制冷剂的开发聚焦于低GWP（理想情况下<150）、零ODP（臭氧消耗潜值）的目标-6。

3.1.2 高温热泵制冷剂技术现状

传统高温热泵多采用HFCs类制冷剂如R245fa、R134a等。R245fa的GWP约为1030，虽低于早期CFCs，仍不符合长期环保要求。近年来，HFOs（氢氟烯烃）和HCFOs（氢氯氟烯烃）类低GWP工质成为研究热点-6。

适用于高温热泵的HFOs工质包括R1336mzz(Z)、R1336mzz(E)、R1234ze(Z)、R1234ze(E)等。其中R1336mzz(Z)表现尤为突出：临界温度171.3℃，临界压力2900kPa，GWP仅为2，大气寿命22天，安全等级A1（无毒不可燃），在250℃以下化学性质稳定-6。这些特性使其成为100-160℃温区高温热泵的理想选择，适用于余热回收、蒸汽发生等场景。

HCFOs类中，R1233zd(E)是代表性工质。其ODP为0.0034（可忽略不计），GWP为1，临界温度166.5℃，临界压力3620kPa，安全等级A1-6。研究表明R1233zd(E)在高温热泵中性能优异，是R245fa的有力替代者。

天然工质在高温热泵中也占据重要位置-6。水（R718）是终极环保选择，GWP=0、ODP=0、无毒不可燃，但工作压力极低（高温下仍为负压），比容极大，对压缩机提出特殊要求。二氧化碳（R744）临界温度31℃，跨临界循环可产生高达120℃的热水，但工作压力高达10MPa以上，对系统承压能力要求苛刻。氨（R717）热力学性能优异，但有毒性，需采取严格安全措施。碳氢化合物（如丙烷R290）性能良好，但可燃性限制了其在工业场景的应用。

3.1.3 环保制冷剂的未来趋势

从技术演进趋势看，低GWP制冷剂替代已不可逆转。欧盟F-gas法规、美国SNAP计划、中国《基加利修正案》履约承诺都在加速这一进程。对于工业热泵，制冷剂选择呈现两条并行路径：一是在现有技术框架内以HFOs/HCFOs替代HFCs，保持系统构型相对稳定；二是采用天然工质，从根本上解决环境问题。

R1336mzz(Z)和R1233zd(E)作为“直接替代品”，可在不改变系统设计的前提下替换R245fa等传统工质，成为当前工程应用的首选。从长远看，水、二氧化碳、氨等天然工质将扮演更重要角色，但需要配套的压缩机技术突破和系统设计创新-6。

值得关注的是，复叠循环为不同制冷剂的组合应用创造了条件。例如，低温级采用R134a或R1234ze，高温级采用R1336mzz(Z)或水，可在各自适宜温区发挥优势，同时满足环保要求。

3.2 压缩机：热泵系统的动力心脏

压缩机是热泵系统的核心部件，其型式选择直接关系到系统的可靠性、效率和成本。工业热泵对压缩机的要求远高于民用和商用热泵：更高排气温度、更大压比、更宽工况范围、更长运行时间、更严苛可靠性标准。

3.2.1 主要压缩机型式及其适用边界

工业热泵常用的压缩机类型包括往复式、涡旋式、螺杆式（双螺杆/单螺杆）和离心式（透平式）-6。各类型式有其适宜的功率范围和压比能力。

往复式压缩机是最成熟的型式，通过活塞在气缸内的往复运动实现气体压缩。其优点是压比高、加工技术成熟、成本相对较低；缺点是运动部件多、振动大、单机容量有限。在中小型高温热泵（<200kW）中有应用，但受限于排气温度控制和可靠性，份额逐渐被涡旋和螺杆挤压。

涡旋压缩机由一对动、静涡旋盘啮合形成月牙形压缩腔，通过动盘公转实现连续压缩。其特点是结构紧凑、运转平稳、容积效率高、噪音低。近年来，涡旋压缩机通过喷气增焓（EVI）技术拓展了低温应用，排气温度控制能力提升，在100kW以下高温热泵中有一定应用。但受限于涡旋盘材料强度和密封结构，排气温度通常限制在120℃以内-6。

双螺杆压缩机是工业热泵的主流选择，覆盖100kW至数MW的宽广功率范围。其工作原理是一对相互啮合的阴、阳转子在“∞”字形缸体内旋转，形成周期性变化的齿间容积实现压缩。双螺杆压缩机的优势在于：结构简单可靠，对湿压缩不敏感，可通过滑阀实现无级调节，压比适应范围广-6。在高温热泵应用中，双螺杆压缩机通过喷油冷却控制排气温度，可满足高达160℃的冷凝温度需求。

单螺杆压缩机由一个螺杆转子和两个星轮啮合构成，对称布局使径向力平衡。相比双螺杆，单螺杆的轴承寿命更长，容积效率略高，但加工精度要求更高，市场保有量较小。在部分高温热泵产品中有所采用。

离心式压缩机通过高速旋转的叶轮对气体做功，使气体流速增加后进入扩压器减速升压。其优点是单机容量大（可达数MW至数十MW）、无油运行、效率高；缺点是压比较低、对工况变化敏感、喘振现象需特殊控制-6。随着气动设计和控制技术进步，多级离心压缩机已能实现较高压比，在大规模高温热泵和MVR领域应用前景广阔。德国已将工艺离心机技术引入跨临界CO₂压缩，实现了大规模冷热电三联供-6。

3.2.2 水蒸气压缩机的特殊挑战

水蒸气作为制冷剂时，对压缩机提出独特要求-6：1）水蒸气比容大（90℃饱和蒸汽比容约2.36m3/kg，是R245fa的数十倍），导致相同热容量的体积流量巨大；2）需要耐腐蚀材料应对高温水汽；3）轴封要求严格，以保证蒸汽纯度；4）压力比较高（例如从80℃到160℃的饱和温升对应压比约4），要求多级压缩；5）排放蒸汽温度不宜过高，或过热度要求低；6）整体效率需合理，成本可控。

MVR领域的水蒸气压缩机已有成熟应用，但多为温升较低的场合（如蒸发浓缩，温升8-15℃）。高温热泵所需的水蒸气压缩机面临更大温升（40-80℃）和更高压比，对设备能力提出新挑战-6。

多级透平压缩机是MW级以上大容量水蒸气压缩的选择。通过多级叶轮串联，实现较高总压比；级间可设置冷却，控制排气温度。双螺杆水蒸气压缩机则适用于中小容量（数百kW至数MW），通过喷水冷却实现近饱和压缩，排气过热度可控制在几度以内-6。后者在东方电气等企业的超高温热泵产品中得到应用，实现了40℃余热源到165℃蒸汽的跨越-9。

3.2.3 大容量压缩机的技术突破

工业热泵走向规模化应用，需要大容量压缩机支撑。近年来，大容量半封闭高温制冷剂压缩机取得重要进展-6。半封闭结构将电机与压缩机集成在同一机体内，取消轴封装置，从根本上避免了泄漏风险。这一技术在常规制冷和热泵领域已很成熟，但用于高温热泵仍面临电机冷却、材料耐温、润滑油稳定性等挑战。

针对高温热泵需求，压缩机厂商开发了耐高温绝缘材料、强化电机冷却设计、优化润滑油路等措施，使半封闭螺杆压缩机在150℃冷凝温度下可靠运行成为现实。部分领先产品已实现160-180℃的供热能力。

离心压缩机方面，磁悬浮轴承技术和高速永磁电机的应用，使得无油离心压缩机结构简化、效率提升、调节范围拓宽。这为大型工业热泵（5MW以上）提供了高效、紧凑的动力选项。

3.3 系统集成与智能控制3.3.1 余热回收系统的集成设计

工业热泵的性能发挥不仅取决于设备本身，更依赖于与工业流程的系统集成。余热回收系统的设计需要考虑热源特性、热汇需求、管网配置等多重因素。

热源侧的集成需关注温度水平、流量稳定性、介质特性等因素。工业余热以循环冷却水形式最为普遍，水温随季节在25-45℃间变化，流量大且相对稳定-6。针对这类热源，大型集中式热泵系统可回收冷却塔散失的热量，制备80℃以上热水供园区使用。对于腐蚀性或易结垢的废水热源，需采用钛合金板换等耐腐蚀设计，如乳品加工中采用的防腐蚀钛合金板换-1。

热汇侧的匹配需要考虑温度梯度和用热方式。许多工业过程存在不同温度的热需求，如同时需要4-20℃冷水、50-95℃热水及100-170℃饱和蒸汽-1。中国科学院广州能源研究所开发的大温差冷热双供热泵、超高温直接蒸发式蒸汽热泵，可同时满足此类多样化需求，实现冷热汽三联供-1。

热泵与现有能源系统的集成方式包括并联、串联和替代三种模式。并联模式中热泵与锅炉并行运行，优先使用热泵；串联模式中热泵作为锅炉的预热级，提升进水温度后由锅炉进一步加热；替代模式则完全拆除锅炉，由热泵独立供能。选择何种模式需综合考虑可靠性要求、改造条件和投资回收期。

3.3.2 多能互补与储能耦合

单一技术难以应对所有工况，多能互补成为提升系统可靠性的有效路径-5。热泵可与太阳能、生物质、燃气锅炉等能源形式协同，构建多能互补供热系统。太阳能具有季节波动性，热泵可在夜间和阴天补充；生物质锅炉提供调峰能力，热泵承担基荷；燃气锅炉作为备用，确保极端工况下的供应安全。

热泵与储能的耦合是另一重要方向-2-6。储热系统可在电价低谷时段蓄热，高峰时段放热，实现负荷转移和运行成本优化。研究表明，配置储热的蒸汽热泵可将70%以上的用电量转移至低价时段，显著降低平准化供热成本-2。储热还能缓冲热泵启停冲击，使压缩机在工频下稳定运行，对离心机等高可靠性要求的设备尤为重要-6。

储热形式包括显热储热（热水、导热油）、相变储热和热化学储热。工业场景中，常压和承压热水罐最为成熟，可实现数小时热存储，成本相对低廉。对于蒸汽需求，可采用蒸汽蓄热器，利用水的汽化潜热实现高密度储热。

3.3.3 智能控制与数字化运维

工业热泵的智能化正在从理念走向实践-1-5-9。物联网、大数据、人工智能技术的应用，使热泵系统具备了自感知、自诊断、自优化的能力。

智能控制系统可实时监测热源温度、负荷变化、电价信号等多维信息，通过优化算法确定最优运行策略。例如，根据峰谷电价自动切换储热与直供模式；预测未来负荷变化，提前调整储热状态；多台热泵间优化负荷分配，使整体效率最优。

故障预警与能效诊断功能可大幅降低运维成本。通过分析压缩机振动、电流谐波、换热器温差等特征参数，系统可识别早期故障征兆，避免非计划停机。能效诊断功能实时对比实际性能与理论性能，发现效率下降趋势并提示维护需求。

东方电气投运的高温蒸汽热泵实现了自适应主蒸汽管道压力变化，灵活输出蒸汽，双余热源协同高效运行，应用智能化最优运行策略提升系统整体能效-9。这种智能化的设计使设备在变工况条件下始终运行在最佳状态，确保了节能效果。

4 进展篇：技术发展历程与最新突破

4.1 工业热泵十五年的演进轨迹

回顾工业热泵的发展历程，可以清晰识别三个鲜明阶段-1。

技术萌芽期（2009-2015年）：这一时期的工业热泵主要解决基础温升需求，输出温度上限约80℃，COP维持在2.5-3.0之间。技术路线以单级压缩和简单的余热回收为主，应用场景集中在建筑供热和低温工业过程。此时的热泵被定位为辅助节能技术，尚未进入工业核心工艺。

快速成长期（2015-2020年）：高温热泵（HTHP）成为技术主流，温度与能效实现双重突破。通过新型制冷剂与多级压缩技术，输出温度突破100℃门槛，部分领先产品达到120-130℃。日本研发的二级压缩系统在90℃工况下COP达3.8，较单级系统提升22%-1。应用领域从辅助环节拓展至核心工艺，食品加工、纺织印染等行业的示范项目增多。

创新爆发期（2020年至今）：超高温热泵成为研发核心，采用CO₂跨临界循环与喷射增效技术，温度上限推至165-170℃-1。中国科学家取得重大突破，中国科学院广州能源研究所构建了以绿色电力为驱动的冷热汽耦合供能系统，可同时供应4-20℃冷水、50-95℃热水及100-170℃饱和蒸汽-1。2025年《工业热泵发展白皮书》的发布，标志着技术身份从节能配角转变为核心引擎-1。

这一演进轨迹背后是多重驱动力的共同作用：碳中和目标形成的刚性约束、技术进步带来的可行性提升、能源价格波动激发的经济性需求、以及产业政策营造的有利环境。

4.2 温度突破：从80℃到200℃的跃升

温度突破是工业热泵技术进步最直观的体现。图1展示了工业热泵输出温度随时间的演进轨迹（概念示意）：2009年普遍低于80℃，2015年突破100℃，2020年达到130-140℃，2025年实现165-170℃的商业化应用，前沿研究已触及200℃以上-1-4-7。

这一跃升的技术内涵十分丰富：从制冷剂角度，R134a让位于R245fa，再演进至R1336mzz(Z)和水；从压缩机角度，涡旋让位于螺杆，再引入离心和多级压缩；从循环角度，单级演进至两级、复叠，再到热声等新型循环。

2026年初，东方电气自主研制的高温蒸汽热泵在制药行业成功投运，实现了“余热源温度低至40℃时稳定产出165℃饱和蒸汽”的工程突破-9。该设备输入电功率约330kW，额定制热量890kW，大温升下实测COP仍达2.7。这一案例表明，超高温热泵已走出实验室，在真实工业环境中验证了技术可行性。

更令人振奋的是，中国科学院物理化学技术研究所开发的热声热泵在实验室条件下，以145℃热源驱动成功输出270℃热能，一举突破200℃瓶颈-7。这种基于热声效应的新型热泵完全没有运动部件，利用声波与热量的相互作用传递能量，理论上可突破机械压缩系统的温度限制。研究团队展望，到2040年有望实现1300℃的零碳热能输出，为陶瓷、冶金、石化等高温行业提供脱碳路径-7。

4.3 能效提升：从3.0到5.0的优化

伴随温度突破的是能效水平的持续提升。早期工业热泵COP普遍在2.5-3.0之间，如今领先产品在适宜工况下可达5.0以上。这一进步来自多个层面的技术优化。

循环优化方面，从单级到两级再到复叠，每一步都伴随着对热力学不可逆损失的削减。准二级循环相比单级，COP提升18%以上-4。两级循环相比单级，在同等温升下压比分配更合理，减少了压缩过程的不可逆损失。

部件改进方面，压缩机效率从80%左右提升至90%以上；换热器从传统的管壳式发展到高效板式、微通道，传热温差从10℃以上降至3-5℃；膨胀装置从毛细管发展到电子膨胀阀，调节精度和适应能力大幅提升。

工质优选方面，低GWP制冷剂不仅环保，部分品种的热力学性能也优于传统工质。R1233zd(E)在单级压缩50℃温升工况下COP达5.04-4。天然工质中，CO₂跨临界循环在热水制备场景下表现优异。

系统集成方面，多能互补、储能耦合、智能控制等技术进一步挖掘了节能潜力。如热泵+蓄热设计利用谷电储能，使系统综合运行成本降低30%以上-1。

4.4 国际前沿与国内进展的对比

工业热泵的技术竞争呈现全球化格局。欧洲、日本、中国是主要的技术策源地和市场应用区。

欧洲在高温热泵领域底蕴深厚。欧盟通过Repower EU计划投入3000亿欧元支持热泵部署，目标2030年安装量翻倍-1。德国、荷兰等国提供高额补贴，如德国热泵安装可获总成本30%-40%的基础补贴-1。技术研发方面，欧洲在离心压缩机、天然工质应用、系统集成等方面保持领先。2026年高温热泵国际研讨会在哥本哈根召开，530余人参会，反映欧洲在该领域的活跃度-3。

日本在热泵技术商业化方面表现突出。日本环境省设定2040年工业部门减排46%的目标，将热泵作为核心支撑，补贴比例提高至50%-1。日本企业在压缩机技术、控制技术、小型化等方面拥有优势，二级压缩系统在90℃工况下COP达3.8的纪录体现了其技术实力-1。

中国在应用规模和技术突破方面双双发力。作为全球最大工业国，中国拥有最丰富的应用场景和最迫切的脱碳需求。市场预测显示，2030年中国工业热泵市场规模将达百亿级，年复合增长率8.7%-1。技术层面，中国在超高温热泵、热声热泵等领域取得突破-1-7。中国科学院广州能源研究所开发的冷热汽三联供系统、东方电气投运的制药行业首台高温蒸汽热泵-9，都表明中国正从技术追赶走向并跑甚至领跑。

从市场规模看，2025年全球工业热泵市场约105.5亿美元，预计2035年达205.6亿美元，年复合增长率6.9%-8。欧洲占34.1%份额，亚太地区稳定增长-8。从细分产品看，空气源热泵份额最大（2035年预计64.2%），<500kW容量段占主导（2035年约50.2%）-8。

5 应用篇：多行业实践与案例分析

5.1 食品加工：高温杀菌与干燥

食品加工是工业热泵应用最成熟的领域之一。巴氏杀菌、高温清洗、干燥、发酵等环节都需要60-100℃的热能，与高温热泵的供应能力高度匹配。

北海道某乳制品工厂的案例具有代表性-1。该工厂采用高温热泵系统替代传统燃气锅炉，为鲜奶巴氏杀菌提供80℃稳定温度，节能率达40%。系统设计中将冷凝器与蒸发器温差控制在25K以内，实现年平均COP 3.4。针对乳品加工常见的结垢问题，采用防腐蚀钛合金板换设计，保障了长期稳定运行。

肉类加工行业同样成效显著。山东某屠宰企业通过氨热泵回收制冷系统余热，替代天然气锅炉供应热水，运行成本降低54.2%，投资回收期仅2.3年，年减碳113.3吨-1。福建某屠宰企业采用多级热回收机组，制取65℃和95℃热水，替代外购蒸汽，年节约成本250.3万元，减碳3125吨-1。

干燥过程在食品加工中能耗占比较高。热泵干燥利用闭式循环回收排风余热，相比传统热风干燥节能30%-50%，且温度可控、产品质量好。香菇、海产品、果蔬干制品等领域已有规模化应用。

5.2 化工制药：蒸汽回收与高温热利用

化工行业用热温度跨度大，从几十度的反应保温到数百度的高温裂解。热泵技术的切入点主要集中在150℃以下的中低温蒸汽回收和余热利用。

PTA（精对苯二甲酸）生产中的蒸汽再压缩案例效果显著-1。化工企业采用蒸汽再压缩技术（VRC），将0.3MPa低压蒸汽压缩至0.8MPa后回用，单条生产线年减碳15000吨。这种开式循环直接回收工艺废蒸汽，避免了能量浪费，也减少了锅炉燃料消耗。

2026年初，东方电气高温蒸汽热泵在国药太极涪陵药厂的成功投运，标志着制药行业高温热泵应用取得突破-9。该项目针对医药制造场景用能特点定制解决方案，采用余热回收技术，在余热源低至40℃时稳定产出165℃饱和蒸汽，自适应主蒸汽管道压力变化，智能化控制提升系统能效。所产蒸汽参数可满足制药、酿酒、化工、食品、印染等多个行业的主流工艺需求，具备可复制性和推广价值-9。

石化行业也有成熟案例。山西某化工厂利用超级热泵回收循环水余热，减少蒸汽消耗52%，年减碳7329吨，投资回收期2年-1。浙江某磷化工厂采用空气源热泵蒸汽机，替代燃气锅炉，运行成本降低50%，年节约90万元-1。

5.3 纺织印染：余热梯级回收

纺织印染是典型的高耗水、高耗热行业，染整、烘干、定型等环节消耗大量80-100℃热能，同时排放大量高温废水。余热回收潜力巨大。

某印染企业通过多级阶梯式余热回收系统，回收高温废水热量，年节约蒸汽费用963万元，投资回收期仅为1.5年-1。系统采用梯级利用思路：高温废水先经板换预热清水，再经热泵进一步提升温度，实现热能的高效回收。另一纺织企业采用热泵系统，年节约标煤约2000吨，减少二氧化碳排放约5000吨-5。

纺织行业的热泵应用正从单一环节向系统化发展。通过将热泵与染色机、烘干机等设备集成，可实现工艺过程的热能自平衡，大幅降低外部热源需求。

5.4 汽车制造：涂装车间余热回收

汽车制造中涂装车间是能耗大户，烘干炉排放的废气含有大量余热。同时，前处理、电泳等环节需要热水加热。热泵技术在两者之间搭建桥梁，实现余热回收利用。

某车企工厂涂装车间的余热回收系统，通过热泵将废弃热能转化为生产用热水，每年减少CO₂排放约1200吨-1。另一车企工厂采用“热泵+蓄热”混合设计，利用70-80℃涂装烘干废气为热源，通过两级热泵将水温提升至95℃存储，智能控制系统使谷电利用率达78%，全年节省能源费用约600万元-1。

汽车行业的应用表明，热泵技术可与现有生产工艺深度融合，在不影响产品质量的前提下实现节能降碳。

5.5 造纸与木材加工：干燥与浓缩

造纸行业能耗密集，干燥部消耗大量蒸汽，同时存在废热回收潜力。热泵技术在造纸行业的应用包括气罩排风余热回收、烘缸排水闪蒸汽回收等场景。

纸浆浓缩是MVR技术的传统优势领域。通过机械压缩回收蒸发过程产生的二次蒸汽，可大幅降低能耗。在化学浆生产线，黑液浓缩采用MVR已是成熟配置。

木材干燥是另一重要应用。常规干燥窑能耗高、周期长。热泵干燥可在低温下进行，木材开裂少、色泽好，同时节能30%以上。随着木材加工行业对品质要求提高，热泵干燥市场份额逐步扩大。

5.6 园区级应用：从单厂到协同

工业园区的能源系统集成代表了更高层级的应用模式。多个企业集聚在同一园区，能源需求多样，余热资源丰富，为热泵技术的规模化应用创造了条件。

最新研究提出了园区级协同优化框架，将电网互动型蒸汽热泵、储热系统、跨企业生物质蒸汽调配整合在同一边界内优化-2。研究表明，园区级协同优于单个工厂独立运行：生物质蒸汽优先满足高温需求，热泵利用外部核能余热满足中低温负荷，储热实现70%以上用电量转移至低价时段。优化配置实现了完全零碳供热，年减排362万吨CO₂，平准化供热成本67.7元/GJ，低于天然气锅炉的100-120元/GJ-2。

中国某工业园区采用地源热泵集中供热，供热面积50万平方米，年节约标煤约8000吨-5。数据中心余热回收用于周边建筑供热，年节约能源费用约300万元-5。这些案例展示了热泵在区域能源系统中的纽带作用。

5.7 应用效果的经济性分析

从经济角度看，工业热泵项目的投资价值日益凸显-5。

投资成本构成：设备投资约占项目总投资的50%-60%，包括热泵主机、末端设备、控制系统等。安装工程（管道敷设、电气安装、土建等）约占20%-30%。其他费用（设计、监理、调试等）约占10%-20%-5。随着技术进步和规模化生产，设备价格呈下降趋势。

运行成本：电力成本是主要构成，与当地电价密切相关。通过峰谷电价优化、需求侧响应等手段可显著降低运行成本。维护成本较低，年维护费用约占设备投资的2%-3%。智能控制系统可实现无人值守，大幅降低人工成本-5。

经济效益：工业热泵COP可达3.0-5.0，相比传统锅炉节能30%-50%。以年能耗1000万元的企业为例，年节约能源费用可达300-500万元-5。此外，热泵系统零排放、低噪音，可减少碳排放和污染物排放，获得碳资产收益。

投资回收期：工业热泵项目投资回收期通常在2-4年，随着技术进步和政策支持，回收期有望进一步缩短-1-5。相比2010年的7-8年，当前的经济性已大幅改善，正形成“环境友好型盈利”模式-1。

6 未来篇：趋势研判与前景展望

6.1 前沿技术突破方向

6.1.1 热声热泵：无运动部件的突破

传统热泵依赖压缩机等机械部件，受限于润滑剂失效、材料疲劳等问题，工作温度难以突破200℃。热声热泵采用截然不同的工作原理，利用声波与热量的相互作用传递能量，完全没有运动部件，为超高温供热开辟了新路径-7。

中国科学院团队开发的热声热泵基于热声效应：声波在充满气体的管道中传播时，引起气体分子的周期性压缩和膨胀，在精心设计的谐振腔内形成温度变化。通过多孔材料堆栈的布置，热量可从低温端泵送到高温端，实现“声能驱动热量逆梯度流动”-7。

实验室测试中，该装置以145℃热源驱动成功输出270℃热能，温升达125℃。研究团队展望，通过级联配置和优化设计，到2040年有望实现1300℃的零碳热能输出，为陶瓷、冶金、石化等高耗能行业提供脱碳路径-7。

热声热泵的优势包括：无运动部件带来的高可靠性和低维护需求；可使用惰性气体为工质，避免环境问题；高温材料发展使谐振腔和热交换器能承受极端温度-7。商业化应用还需解决效率提升、工程放大、成本控制等挑战。

6.1.2 跨临界CO₂循环的深化应用

CO₂跨临界循环是另一重要发展方向。CO₂作为天然工质，GWP=1、ODP=0、无毒不可燃，环境友好性无可挑剔。跨临界循环中，气体冷却器内CO₂处于超临界状态，存在显著的温度滑移，与水的温升过程良好匹配，适用于制备高温热水。

20世纪90年代，跨临界CO₂热泵在日本率先商业化，采用工作压力超10MPa的高压往复压缩机，成功用于民用热水制备-6。近年技术向工业领域拓展，最高热水及热风温度可达120℃。德国将工艺离心机技术引入跨临界CO₂压缩，实现了大规模冷热电三联储能方案-6。

跨临界CO₂循环的挑战在于高压工况下的系统设计和安全控制。随着高压压缩机、耐压换热器、安全控制技术的成熟，其在工业热泵中的应用空间将持续扩大。

6.1.3 混合工质与非共沸混合物

单一工质难以在所有性能指标上达到最优，混合工质提供了更大的设计自由度。非共沸混合物在相变过程中存在温度滑移，与变温热源匹配时可减少换热不可逆损失，提升系统效率。

针对高温热泵，研究者正在探索HFOs与HFCs、HCs等的混合配方，以期在环保性、安全性、热力学性能之间取得平衡。混合工质的设计需要精密的热物性测量和循环仿真，研究周期较长，但潜力巨大。

6.1.4 储能型热泵系统

热泵与储能的深度耦合是系统级创新的重要方向-2-6。带储能功能的热泵可实现连续运行，避免频繁启停对压缩机的冲击；储能功能还可替代热泵调频，使压缩机在工频下稳定运行，对离心机等高可靠性要求设备极为有利-6。

储热与热泵的一体化设计正在从概念走向产品。例如，采用相变储热材料集成于热泵机组，实现紧凑化设计；利用热化学储热实现长期储能，跨周或跨季节调节。

6.2 市场前景与产业规模

6.2.1 市场规模预测

全球工业热泵市场正步入高速增长通道。2025年市场规模约105.5亿美元，预计2035年将达205.6亿美元，2026-2035年复合年增长率6.9%-8。

中国市场的增长更为强劲。预测到2030年，中国工业热泵市场规模将达百亿级，年复合增长率8.7%-1。驱动因素包括：双碳目标下工业部门刚性减排需求；工业锅炉替代的存量市场空间巨大；技术进步使经济性持续改善；政策支持力度不断加大。

6.2.2 细分市场结构

按产品类型分，空气源热泵占据最大份额，预计2035年达64.2%-8。其技术成熟度高、安装灵活、适用性广，在食品饮料、石油、化工等行业需求持续增长。水源热泵和地源热泵在特定场景中保持增长，工业余热热泵受益于节能需求增速较高。

按容量分，<500kW热泵占据主导，预计2035年份额约50.2%-8。中小容量热泵适用于分散式工业用户和单点改造项目。500kW-2MW和2MW-5MW段增速加快，反映大型工业应用增多。

按温度分，100-150℃和150-200℃温区增长最快，与工业过程供热的主流需求匹配。>200℃温区虽基数小，但增速预期高，一旦技术成熟将打开新的市场空间。

6.3 政策驱动与产业生态构建6.3.1 全球政策态势

全球主要经济体已将热泵纳入能源转型战略的核心工具箱-1-8。

欧盟通过Repower EU计划投入3000亿欧元支持热泵部署，目标2030年安装量翻倍。德国、荷兰等国提供高额补贴，德国热泵安装可获总成本30%-40%的基础补贴-1。

日本环境省设定2040年工业部门减排46%的目标，将热泵技术作为核心支撑，补贴比例提高至50%，并放宽税收优惠条件-1。

中国在《“十四五”工业绿色发展规划》中明确提出推广热泵等高效节能技术-5。北京、青岛等地方出台具体补贴政策，如北京平谷区对空气源热泵最高补贴0.6万元/户-1。合同能源管理、能源托管等创新商业模式获得政策认可，碳交易市场成熟为热泵项目创造新的价值实现机制-5。

6.3.2 产业生态演进

工业热泵产业生态正在形成多层次结构-5。

上游包括压缩机、换热器、控制系统等核心部件制造商。随着市场需求释放，专业化的高温压缩机、高温制冷剂供应商增多，产业链配套能力增强。

中游是热泵主机制造商和设备集成商。传统暖通企业向上拓展工业市场，专业工业热泵企业涌现，竞争格局日益活跃。

下游是工程服务商、能源管理公司和终端用户。合同能源管理、能源托管、碳资产开发等创新模式降低用户投资门槛-5。

产学研用协同创新机制正在形成。中国制冷展、中国供热展等平台促进技术交流-5-6。上海交通大学等科研机构与企业深度合作，推动成果转化-6。

6.3.3 标准规范建设

标准体系是产业健康发展的重要保障。当前工业热泵相关标准加快制定，包括能效评价、安全规范、测试方法等-5。国际层面，IEC、ISO等组织推动热泵标准国际化。中国在国家标准、行业标准、团体标准多个层面完善体系。

碳核算标准的建立使热泵减碳效益可量化、可核查、可交易，为碳资产开发奠定基础-5。

6.4 挑战与应对策略

尽管前景广阔，工业热泵发展仍面临多重挑战。

技术层面：超高温应用（>200℃）仍需突破，热声热泵等新概念技术尚处实验室阶段。大容量压缩机的可靠性、寿命有待进一步验证。低GWP制冷剂的长期稳定性需要更多实证。

经济层面：初始投资高于传统锅炉，部分中小企业承受能力有限。投资回收期对能源价格敏感，油价、气价、电价波动影响项目收益。碳减排价值尚未完全货币化，影响了环境效益的经济转化。

市场层面：用户认知不足，对热泵技术的信任度有待提升。工程设计和施工能力参差不齐，影响项目效果。标准体系不完善，市场秩序有待规范。

政策层面：补贴政策的稳定性和持续性存在不确定性。电价政策对热泵经济性影响显著，工业电价偏高制约运行成本优势。碳交易市场覆盖范围有限，价格信号不足以充分激励减排。

应对这些挑战需要多方协同-5。强化技术创新，加大高温热泵、高效压缩机、智能控制等关键技术研发。完善标准体系，规范行业发展。创新商业模式，降低企业投资压力。加强政策对接，争取财政补贴、税收优惠、绿色信贷支持。构建产业生态，形成设备制造商、系统集成商、金融机构等优势互补的格局。

7 结语

工业热泵技术正站在历史性转折点上。从2009年至今的十五年间，它完成了从辅助节能技术到碳中和核心引擎的身份转变，实现了输出温度从80℃到165℃的跃升，催生了百亿级市场空间，并向着200℃以上、甚至千度级的目标持续突破-1-7。

这一演进的技术内涵极为丰富：热力学循环从单级走向复叠，制冷剂从高GWP走向低GWP和天然工质，压缩机从通用走向专用，系统集成从单机走向多能互补和智能控制-4-6。应用场景从建筑供热走向工业核心工艺，从单一环节走向全厂集成，从单点改造走向园区协同-2。

更深层的意义在于，工业热泵为工业供热提供了根本性的脱碳路径。它以电力为驱动，以余热为源，以热力学循环为媒介，将可再生电力与工业热需求连接起来。随着可再生电力占比提升，热泵的环境效益同步增长，成为真正的“绿色电力驱动绿色热能”解决方案。

面向未来，热声热泵等前沿技术可能彻底改写游戏规则。无运动部件的设计突破了机械系统的温度限制，为千度级工业供热开辟了想象空间-7。跨临界CO₂循环、混合工质、储能型系统等技术持续演进，不断拓展热泵的适用边界-6。

工业热泵的发展不仅是技术问题，更是系统工程。它需要政策、市场、资本、人才的多维支撑，需要产学研用的协同创新，需要标准规范的引导约束。当这些要素形成合力，工业热泵将从一项关键技术成长为基础性技术体系，成为构建零碳工业的支柱力量。

问题已不再是“工业热泵是否可行”，而是“如何加速规模化”。在碳中和的时代命题面前，工业热泵给出了一个充满希望的回答。

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