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近日，北京工业大学吴玉庭研究员团队应邀在Carbon Neutrality上发表了蒸汽发生热泵助力工业脱碳方面的原创性论文，开发了考虑余热回收价值、CO2交易价值和污染物排放成本的全面评估模型对不同工业生产中的蒸汽发生热泵的热力学性能和可持续性能进行了全面的对比评估。
文章亮点
1. 提出了考虑余热回收价值、CO2交易价值和污染物排放成本的更全面的蒸汽发生热泵评估模型。
2. 对蒸汽发生热泵进行了分类、比较和全面评估，并提出了设计和优化建议。
3. 利用TOPSIS方法对蒸汽发生热泵的COP和㶲效率进行了优化平衡。
内容简介
蒸汽发生热泵可以利用低温余热生产高温蒸汽，通过助力工业脱碳来减少碳排放。本文开发了一个考虑余热回收价值、CO2交易价值和污染物排放成本的全面评估模型来评估对比蒸汽发生热泵在不同工业领域的可行性和可靠性。此外，通过应用TOPSIS方法优化平衡了COP和㶲效率之间的冲突关系。结果表明，在不同的应用场景下，闭式热泵与开式热泵耦合的蒸汽发生热泵所有指标均高于闭式热泵与闪蒸罐耦合的蒸汽发生热泵。在系统最不利的运行条件下，COP 最小值为 1.31，㶲效率最小值为 20.42%。这些结果表明，用蒸汽发生热泵替代燃煤锅炉是可行的，该研究可为优化设计和制造蒸汽发生热泵提供理论指导。
图文导读
·结论一·
闭式热泵与开式热泵耦合的蒸汽发生热泵的热力学性能均高于闭式热泵与闪蒸罐耦合的形式。两种蒸汽发生热泵的热力学性能均与余热温度呈正相关，与闭式热泵冷凝温度呈负相关。但两种系统均表现出了良好的替代燃煤锅炉可行性。
图1. 两种系统的热力学性能对比
·结论二·
两种蒸汽发生热泵均具有良好的降低碳排放能力。在蒸汽发生热泵最不利的运行条件下，COP 最小值为 1.31，㶲效率最小值为 20.42%。在热源温度为 40℃ 时，产生 PBP 的最低冷凝温度为 125℃，此时的 PBP 为 1.33 年。
图2. 两种系统可持续性能对比
·结论三·
随着余热温度的变化，当产生的蒸汽温度保持不变时，蒸汽发生热泵 的 COP 和㶲效率之间会出现一个最佳平衡值。不同冷凝温度的SGHPO和 SGHPF达到最佳值的热源温度范围为 70~ 80℃。优化后的最大 COP 和㶲效率分别为 2.89和 47.00%。
图3. COP与㶲效率平衡
·结论四·
得出了系统在不同工况下的运行指南，可以指导不同蒸汽需求企业对于蒸汽发生热泵的优化设计。
图4. 蒸汽发生热泵的优化指南
总结展望
最后，作者指出尽管蒸汽发生热泵具有良好的经济和环境效益，但是仍需要根据余热温度、电价、蒸汽价格和CO2排放交易价格进行个案分析，以确定使用该系统的建议。未来对于蒸汽发生热泵的研究，应从大温升闭式热泵循环的构建和无油水蒸气压缩机的研发入手。
原文信息
Comprehensive performance evaluation of steam generating heat pumps for industrial waste heat recovery
作者：
Xudong Ma, Yuting Wu*, Yanjun Du, Cancan Zhang, Biao Lei & Yuanwei Lu
https://link.springer.com/article/10.1007/s43979-024-00111-w
DOI:
https://doi.org/10.1007/s43979-024-00111-w
Cite this article：
Ma, X., Wu, Y., Du, Y. et al. Comprehensive performance evaluation of steam generating heat pumps for industrial waste heat recovery. Carb Neutrality 3, 35 (2024). https://doi.org/10.1007/s43979-024-00111-w
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通讯作者介绍
吴玉庭，北京工业大学，研究员
研究领域
1. 传热蓄热；
2. 压缩机/膨胀机、热泵、制冷、有机朗肯循环发电；
3. 太阳能及地热能等可再生能源热利用及发电技术。
个人简介
现任北京工业大学学术委员会委员，传热与能源利用北京市重点实验室主任。学术兼职包括中国无机盐协会熔盐储能专业委员会副主任、中国电力技术市场协会储能技术设备专委会副主任、中国制冷学会新型储能技术与综合能源系统工作委员会副主任、中国化工学会储能专业委员会副主任、中国机械工业教育协会第一届新能源与储能专业教学委员会副主任、中国电机学会电力储能专业委员会委员、中国工程热物理学会传热传质分会委员、中国可再生能源学会太阳能热发电专业委员会委员、北京市北京理化分析测试技术学会热分析专业委员会理事等，担任《储能科学与技术》副主编和《太阳能学报》编委等。
先后发表论文370余篇，其中SCI收录200余篇，累计SCI他引9783次，最高单篇引用281次，h因子54；获得授权发明专利45项，美国专利1项，实现专利转让2600多万元。作为主要起草人参与了《空调通风系统清洗规范》GB19210-2003、《一般用喷油单螺杆空气压缩机》GB/T 26967-2011、《工业余热梯级综合利用导则》GB/T390912020、《蓄热型电加热装置》GB/T 39288-2020等国家标准的起草。参与国家能源局《太阳能热发电材料发展指南》、《太阳能热发电示范工程技术条件及实施方案》、《能源科技创新规划（2016-2025年）—先进储能技术与装置》等文件的编制，负责中国科协《储能技术学科方向预测及路线图—储热》的编写。协助马重芳教授组织编写了《工程热物理学科发展报告2007-2008》，《工程热物理学科发展报告2009-2010》中《传热传质学科发展》专题报告。
先后入选北京市长城学者、北京工业大学京华人才、服务北京创新人才和市委组织部优秀人才等；荣获北京航空航天大学优秀博士学位论文和全国优秀博士论文提名奖；北京市科技进步三等奖1项（排名第二）、河北科技进步三等奖1项（排名第3）和全国发明博览会银奖1项。
联系方式
E-mail: wuyuting@bjut.edu.cn
图文来源：原文作者
编辑：Carbon Neutrality编辑部
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