【飞丝走线“织就”百万次超折叠导电材料】近年来，柔性电子尤其是可穿戴器件发展迅速，有望为人们的工作和生活带来翻天覆地的变化。然而，当它们在朝着便携、变形等方向进一步发展的过程中，遭遇了导电材料无法大量无损真折叠的瓶颈问题。
比如，目前热炒的可折叠手机实际上只是利用了一个旋转轴，根本无法进行任意折叠；一些可穿戴电子设备不可避免地要遇到反复折叠的问题，至今也无法解决。若要解决这些问题，超折叠导电材料无疑是关键的一环。
实际上，人们对导电材料的折叠已经进行了大量的探索，可距离超折叠性能仍相差甚远，哪怕千次以上的无损真折叠也无法实现。
近日，来自同济大学、上海师范大学以及大连理工大学的科研人员，在用化学键理论阐明本征导电材料不能经受大量真折叠原理的基础上，应用超材料设计思想和仿生设计思路，使用改进的静电纺丝/梯度碳化技术，首次仿生制备了一种可承受100万次乃至无限次真折叠而无任何损伤的超折叠导电碳材料（SFCMs）。相关研究成果在线发表于《物质》（Matter）。
【难啃的超折叠“骨头”】
在日常工作和生活中，人们常常存在一个认识误区，那就是认为导电材料的折叠根本不是事儿。
实则不然。比如，金属材料是由无方向性的金属键组成的，因而具有一定的柔韧性，可以进行弯曲甚至少量折叠。但金属键作为化学键的一种，也是短程力，经不住180°真折叠的大幅度的调度，多次折叠带来的损伤积累最终会导致断裂。
导电高分子是由共轭大∏键组成的，具有双键性质，并且比单键具有更多的刚性，经受不住大的变形，更不必说反复折叠了。
以单层石墨烯、单根碳纳米管和碳纳米纤维为代表的碳材料通常被认为具有很好的柔性，但实际上石墨烯是由sp2杂化的大的共轭Π键构成的超薄平面结构，其中共轭Π键具有双键性质，无法承受大量反复的真折叠；碳纳米管其实相当于卷曲的石墨烯，碳纳米纤维中含有大量的石墨化结构，自然经受不住反复的真折叠。
总之，目前的本征导电材料在理论上和实践上都不能承受大量次数的真折叠。如果要实现超折叠性能，需要设计出能够避免化学键直接面对折叠的应力分散结构。
为此，人们进行了大量的探索，通过引入不同的孔结构、调节组装单元间的界面作用、组装不同的立体结构，制备出如金属网格、瓦楞状石墨烯多层膜、竹节状的碳纳米纤维等柔性导电材料，因此它们的柔性得到了有效的提升。原本只能弯一弯的材料变得可以折叠，甚至有的材料在以结构损伤为代价的前提下可以实现千次的折叠。
遗憾的是，由于没有理论的指引，科研人员一直在黑暗中摸索，使得现有材料的折叠性能远远不能满足实际使用的要求，更谈不上超折叠。
山重水复疑无路，柳暗花明又一村。一次参观蚕厂的机会，让同济大学的科研人员倍受启发，走出了一条实现超折叠结构和性能的“仿生之路”。
【源于喷丝作茧的灵感】
人类养蚕抽丝已有数千年的历史，家蚕通过神奇的飞丝走线技艺喷丝作茧，为生产柔软的丝绸提供了优质的原材料。但是这种生蚕茧质地僵硬，不能直接制造纺织品。劳动人民在生产实践中发现，通过简单的碱煮缫丝就能同步实现蚕茧解交联、造孔和膨化等复杂变化，使之由僵硬变得超柔，能够承受大量反复折叠同时产生了ε折叠结构。
“家蚕吐丝—做茧—缫丝等一系列过程能够获得具有超折叠能力的熟蚕茧及其自然形成的‘ε’折叠结构。这些都为超折叠导电材料的制备提供了正确的设计思想与合理的设计路线。” 此项工作的通讯作者之一、同济大学化学科学与工程学院教授吴庆生告诉《中国科学报》。
如果能够对这个制备过程和最终结构进行模仿，那么超折叠的结构和性能有可能实现。基于这样的想法，吴庆生和同济大学特聘研究员吴彤领衔的研究团队使用仿生的高分子静电纺丝来模仿家蚕的喷丝作茧过程和类似的网络结构；进一步通过梯度升温原位碳化模仿缫丝过程，不仅同时实现了材料的解交联、造孔和膨化，而且赋予材料导电特性。最终，通过过程和功能的联合仿生技术，实现了导电超折叠材料的制备（见图）。
图2：制备超折叠碳材料的仿生设计 （同济大学供图）
随后，科研团队对该材料的柔性尤其是折叠性能进行了系统的研究。不仅通过自制的折叠机对它承受反复折叠的能力进行了考察，而且通过自主设计的SEM微观动态观察系统首次实现了折叠过程的实时解析。结果发现，它能够承受超过100万次的反复折叠而没有任何的微结构损伤和导电率变化。而实时折叠观察揭示了这种突破性的无损超折叠能力起源于折叠时形成的ε结构的全面应力分散作用。
这种导电柔性材料的问世，不仅实现了导电材料在超折叠性能上的突破，还弄清了其在折叠过程中的应力分散机制，为其他超折叠导电材料的制备指明了方向。与此同时，该项研究还将解决一系列折叠相关的柔性电子器件的瓶颈问题，乃至为任意变形的电脑/手机一体化超柔设备的制造带来曙光。
【创新永不止步】
研究结果的取得令人振奋，但过程中的个中滋味却只有亲历者才能体会。在研究过程中，研究人员也曾遇到很多困难，甚至一度冒出放弃的念头，但最终还是依靠坚强的意志和团队的力量，经过三年多的刻苦攻坚，终于取得了成功。
对于超折叠材料的实现而言，摆在科研团队面前的最大难题是至今无人知道什么样的构造可以实现超折叠。后来由于受到熟蚕茧能够超折叠并且产生ε结构的启发，明白了其中的构造奥秘，难题便迎刃而解。
如何实现这种构造的制备，是团队亟需解决的第二个难题。家蚕的喷丝作茧过程与常用的高分子静电纺丝工艺非常相似。但是现有的大量静电纺丝工作都没有实现超折叠的结果。“这说明生搬硬套老方法是完全行不通的，必须在传统的静电纺丝中闯出一条新路来。于是我们通过大量的仪器改造和技术优化探索，终于迎来了超折叠碳材料的诞生。”本研究第一作者、同济大学博士昝广涛告诉《中国科学报》。
在科学探索的道路上，创新永无止境。“下一步，我们将会把本工作建立的理论和方法拓展到更多更广的超折叠材料和设备中去。让可折叠手机等柔性电子设备变得收放自如，让可穿戴器件可以自身发电、自由活动、随意洗藏，让折纸式手机/电脑一体化早日实现。”吴庆生充满信心地表示。https://t.cn/A6MSZrLU
比如，目前热炒的可折叠手机实际上只是利用了一个旋转轴，根本无法进行任意折叠；一些可穿戴电子设备不可避免地要遇到反复折叠的问题，至今也无法解决。若要解决这些问题，超折叠导电材料无疑是关键的一环。
实际上，人们对导电材料的折叠已经进行了大量的探索，可距离超折叠性能仍相差甚远，哪怕千次以上的无损真折叠也无法实现。
近日，来自同济大学、上海师范大学以及大连理工大学的科研人员，在用化学键理论阐明本征导电材料不能经受大量真折叠原理的基础上，应用超材料设计思想和仿生设计思路，使用改进的静电纺丝/梯度碳化技术，首次仿生制备了一种可承受100万次乃至无限次真折叠而无任何损伤的超折叠导电碳材料（SFCMs）。相关研究成果在线发表于《物质》（Matter）。
【难啃的超折叠“骨头”】
在日常工作和生活中，人们常常存在一个认识误区，那就是认为导电材料的折叠根本不是事儿。
实则不然。比如，金属材料是由无方向性的金属键组成的，因而具有一定的柔韧性，可以进行弯曲甚至少量折叠。但金属键作为化学键的一种，也是短程力，经不住180°真折叠的大幅度的调度，多次折叠带来的损伤积累最终会导致断裂。
导电高分子是由共轭大∏键组成的，具有双键性质，并且比单键具有更多的刚性，经受不住大的变形，更不必说反复折叠了。
以单层石墨烯、单根碳纳米管和碳纳米纤维为代表的碳材料通常被认为具有很好的柔性，但实际上石墨烯是由sp2杂化的大的共轭Π键构成的超薄平面结构，其中共轭Π键具有双键性质，无法承受大量反复的真折叠；碳纳米管其实相当于卷曲的石墨烯，碳纳米纤维中含有大量的石墨化结构，自然经受不住反复的真折叠。
总之，目前的本征导电材料在理论上和实践上都不能承受大量次数的真折叠。如果要实现超折叠性能，需要设计出能够避免化学键直接面对折叠的应力分散结构。
为此，人们进行了大量的探索，通过引入不同的孔结构、调节组装单元间的界面作用、组装不同的立体结构，制备出如金属网格、瓦楞状石墨烯多层膜、竹节状的碳纳米纤维等柔性导电材料，因此它们的柔性得到了有效的提升。原本只能弯一弯的材料变得可以折叠，甚至有的材料在以结构损伤为代价的前提下可以实现千次的折叠。
遗憾的是，由于没有理论的指引，科研人员一直在黑暗中摸索，使得现有材料的折叠性能远远不能满足实际使用的要求，更谈不上超折叠。
山重水复疑无路，柳暗花明又一村。一次参观蚕厂的机会，让同济大学的科研人员倍受启发，走出了一条实现超折叠结构和性能的“仿生之路”。
【源于喷丝作茧的灵感】
人类养蚕抽丝已有数千年的历史，家蚕通过神奇的飞丝走线技艺喷丝作茧，为生产柔软的丝绸提供了优质的原材料。但是这种生蚕茧质地僵硬，不能直接制造纺织品。劳动人民在生产实践中发现，通过简单的碱煮缫丝就能同步实现蚕茧解交联、造孔和膨化等复杂变化，使之由僵硬变得超柔，能够承受大量反复折叠同时产生了ε折叠结构。
“家蚕吐丝—做茧—缫丝等一系列过程能够获得具有超折叠能力的熟蚕茧及其自然形成的‘ε’折叠结构。这些都为超折叠导电材料的制备提供了正确的设计思想与合理的设计路线。” 此项工作的通讯作者之一、同济大学化学科学与工程学院教授吴庆生告诉《中国科学报》。
如果能够对这个制备过程和最终结构进行模仿，那么超折叠的结构和性能有可能实现。基于这样的想法，吴庆生和同济大学特聘研究员吴彤领衔的研究团队使用仿生的高分子静电纺丝来模仿家蚕的喷丝作茧过程和类似的网络结构；进一步通过梯度升温原位碳化模仿缫丝过程，不仅同时实现了材料的解交联、造孔和膨化，而且赋予材料导电特性。最终，通过过程和功能的联合仿生技术，实现了导电超折叠材料的制备（见图）。
图2：制备超折叠碳材料的仿生设计 （同济大学供图）
随后，科研团队对该材料的柔性尤其是折叠性能进行了系统的研究。不仅通过自制的折叠机对它承受反复折叠的能力进行了考察，而且通过自主设计的SEM微观动态观察系统首次实现了折叠过程的实时解析。结果发现，它能够承受超过100万次的反复折叠而没有任何的微结构损伤和导电率变化。而实时折叠观察揭示了这种突破性的无损超折叠能力起源于折叠时形成的ε结构的全面应力分散作用。
这种导电柔性材料的问世，不仅实现了导电材料在超折叠性能上的突破，还弄清了其在折叠过程中的应力分散机制，为其他超折叠导电材料的制备指明了方向。与此同时，该项研究还将解决一系列折叠相关的柔性电子器件的瓶颈问题，乃至为任意变形的电脑/手机一体化超柔设备的制造带来曙光。
【创新永不止步】
研究结果的取得令人振奋，但过程中的个中滋味却只有亲历者才能体会。在研究过程中，研究人员也曾遇到很多困难，甚至一度冒出放弃的念头，但最终还是依靠坚强的意志和团队的力量，经过三年多的刻苦攻坚，终于取得了成功。
对于超折叠材料的实现而言，摆在科研团队面前的最大难题是至今无人知道什么样的构造可以实现超折叠。后来由于受到熟蚕茧能够超折叠并且产生ε结构的启发，明白了其中的构造奥秘，难题便迎刃而解。
如何实现这种构造的制备，是团队亟需解决的第二个难题。家蚕的喷丝作茧过程与常用的高分子静电纺丝工艺非常相似。但是现有的大量静电纺丝工作都没有实现超折叠的结果。“这说明生搬硬套老方法是完全行不通的，必须在传统的静电纺丝中闯出一条新路来。于是我们通过大量的仪器改造和技术优化探索，终于迎来了超折叠碳材料的诞生。”本研究第一作者、同济大学博士昝广涛告诉《中国科学报》。
在科学探索的道路上，创新永无止境。“下一步，我们将会把本工作建立的理论和方法拓展到更多更广的超折叠材料和设备中去。让可折叠手机等柔性电子设备变得收放自如，让可穿戴器件可以自身发电、自由活动、随意洗藏，让折纸式手机/电脑一体化早日实现。”吴庆生充满信心地表示。https://t.cn/A6MSZrLU
研究背景
来源：中国制冷学会 如有侵权，请联系删除。
Contact：138 181 54378 ;13818154378@qq.com;
现代生产生活中存在大量的用热需求，区域供暖、生活热水、工艺浓缩等等，甚至农产品干燥等流程也需要大量热能。工业生产往往还需要大量的蒸汽，蒸汽的产生也需要消耗大量热能。传统热能提供的方法主要通过化石燃料的燃烧或电加热，需要耗费巨大能量，燃料燃烧还造成了环境污染，而热泵技术则可以通过消耗少量的电能从低温热源中提取能量，以热泵工质为载体将热能温度升高并供给用户，因此热泵可以比传统的加热方法节约数倍的能量消耗。就余热回收式热泵而言，其主要利用生产生活中产生的废热形成低温热源，同时部分系统也采用空气、土壤、水源作为辅助低温热源，选取合适的热泵工质和循环系统，即可大幅度提升热能品质，并供给用户侧。
目前用于余热回收的热泵系统主要包括压缩式热泵和吸收式热泵，在包括热电和化工等行业的余热回收中扮演了重要角色。除此之外，基于特定场景的吸收式换热技术和热泵干燥技术的重要性也越来越明显，并在远距离供热和工农业干燥中发挥了重要作用。
压缩式热泵
蒸汽压缩式热泵系统是最常见的热泵系统之一，热泵工质在低温热源的加热下，发生蒸发相变，之后低温的热泵工质蒸汽进入压缩机，在压缩过程中增压升温，压缩机出口排出的高温高压热泵工质进入冷凝器相变放热，将蒸发、压缩中吸收的能量传递到高温侧。近年来兆瓦级的压缩式热泵在工业余热回收中取得了快速进展，下图所示的就是应用于钢铁厂余热回收供暖的独立双系统离心式压缩热泵机组，在实现30℃以上的温度提升下可以保证系统COP在6以上，单机制热量达到了9 MW以上。
图1用于余热回收的独立双系统离心式压缩热泵机组
蒸汽压缩式热泵这个名词经常与工业热泵联系在一起，主要用于热供应过程的余热回收，也称之为高温热泵，这也是近年来压缩式热泵的研究热点。在实际应用中，由于存在热源温度较低，用热温度高等问题，常常要对热泵系统进行一些优化设计，由此形成了如喷射压缩式热泵、双级压缩等热泵系统。在循环以外，高温循环工质是压缩式高温热泵的“血液”，热泵工质往往从制冷剂中选取，同时制冷剂与润滑油混合后的热稳定性也是系统设计中需要重点考虑的因素，此外热泵工质需要具有与金属材料或其他化学材料良好的相容性，避免在运行过程中降解。下图就是以水蒸气为工质的超高温压缩式热泵（VHTHP），当系统温升为40℃时，此时冷凝温度为127℃，系统COP为4.2。
图2 热泵技术的划分与水蒸气热泵
对高温热泵来说，目前的研究方向主要集中在新型制冷剂的开发和利用，系统循环形式的优化与系统供热温度的提升这几个方面。而为了实现如上目标，R1336mzz(Z)、R1233zd(E)或R718（水）等新工质的应用，抑或是大型离心式压缩机、螺杆式压缩机的开发都引起了学界和产业界的关注和研究。尽管高温热泵技术已经在许多工业和生活应用场景下开始发挥了作用，然而由于缺乏对工业用热的明确认识、低GWP环保制冷剂的匮乏以及相比与电力与化石燃料的较高的投入成本，高温热泵技术的推广仍然存在着许多困难。未来高温热泵领域的研究主要将集中在以下几个方面：高温换热器和压缩机的设计、高效热力循环构建和热泵系统部件材料优化。
吸收式热泵
工业余热具有体量大和温度分布复杂的特点，此外在进行工业余热回收时用户侧的需求也通常是多变的，除了低温段的供暖和生活热水需求外，还包括中温段的工业流程预热和高温段的工业蒸汽供给等。吸收式热泵以高温蒸汽、余热热水、化石能源燃烧等的热能为驱动能源，通过不同的循环方式实现热能的品位提升或体量增加等目的，在采用不同热源、余热和热泵循环时可以满足60~150℃的热能输出，是工业余热利用的重要方式之一。与只有升温型的压缩式热泵不同，吸收式热泵不但具有升温型的热泵循环还具有增量型的热泵循环方式，一般增量型的吸收式热泵被称为第一类吸收式热泵，而升温型吸收式热泵被称为第二类吸收式热泵或吸收式热变温器。增量型吸收式热泵在采用高温热源驱动的时候可以回收低温余热并进行温度提升，而中温输出热量是高温热源量与低温余热回收量之和，因此可以达到热能增量的目的。升温型吸收式热泵在仅以中温余热进行驱动时，可以产生高温的输出，因此可以达到热能品位提升的目的。吸收式热泵对于热能品位和体量的灵活转换也使得它非常适合于工业余热回收与转换。
第一类吸收式热泵在用于余热回收时输出温度不高，因此其主要目的是供暖。IEA热泵中心的工业热泵报告中介绍了吸收式热泵应用于奥地利一家生物质能发电站的案例，该电站采用77%的木材和23%的内部加工残留物作为燃料，可提供5 MW的电量输出和30 MW的热输出。本案例中用了容量为7.5 MW的吸收式热泵回收烟气中的余热，当吸收式热泵蒸发温度低于50 ℃时即可达到烟气露点温度并从烟气中回收水蒸气的冷凝热。吸收热泵的驱动热源来自蒸汽轮机中温度为165 ℃的蒸汽，并向区域供暖提供95 ℃的热输出。
图3 用于低温余热回收供暖的一类吸收式热泵
第二类吸收式热泵的输出温度高，因此其主要目的是工业用热供给。例如在橡胶合成工业中，反应釜顶部产生温度约为96.5℃的热气需要被冷却从而回收其中温度约为80℃的冷凝水，另一方面反应釜底部需要持续地供给102.5℃热输入，这部分原本需要采用蒸汽进行加热，而如果采用二类吸收式热泵一方面回收反应釜顶部气体释放的冷凝热，另一方面为反应釜底部提供高温热输入就可以达到节省蒸汽的目的。
现阶段基于常规流程的吸收式热泵的应用已经逐渐成熟，包括一类二类热泵和单效、双效以及两级等多种流程也可以满足余热回收的基本需求，并已经在工业余热回收中广泛使用，一些具体实施的案例也具有可观的经济和环境效益，其进一步推广仍然依赖于系统的经济性，因此吸收式热泵的未来发展主要包括：（1）结合余热回收的实际场景进一步提升吸收式热泵效率、适应性和整个余热回收系统的能量回收效率是进一步推广应用的关键。（2）结合实际余热回收场景进行带有热能转换的复杂余热换热网络优化以及因地制宜地开发多种先进吸收式热泵技术仍然是需要高校和产业共同努力的方向。
吸收式换热技术
低品位余热源与需求间往往存在显著的空间差异性，例如在余热回收供暖中余热往往在工业园区比较集中，但用热方则是居民区并远离工业园区。作为提取低品位工业余热实现供热的重要手段，吸收式热泵与吸收式换热器被广泛应用在集中供热系统中，其中吸收式换热器更擅长低品位热量的长距离输送，并可以分为第一类和第二类吸收式换热器。
第一类吸收式换热器可以实现小流量侧的热源出口温度低于大流量侧热汇的进口温度，其本质上是第一类吸收式热泵与水-水换热器的组合，一次网水（热源测热水）首先经过吸收式热泵的发生器作为热源，将一部分热量通过冷凝器传递给一部分二次网水（热汇侧热水），之后发生器的一次网出水进入水-水板式换热器，将热量进一步释放给一部分二次网水，进而板换出口的一次网水最终进入吸收式热泵的蒸发器进一步降温，其热量抬升品位后用于加热一部分二次网热水，最终实现一次网出水温度低于二次网进水温度。第一类吸收式换热器可以在末端热力站比常规技术实现更低的回水温度，并提升热能输配能力。
第二类吸收式换热器可以实现小流量侧热汇的出口温度高于大流量侧热源的进口温度，实质上是第二类吸收式热泵与水-水换热器的组合。热源分成三部分，一部分进入发生器，将热量通过冷凝过程释放给热汇侧进口热水，同时热源温度与热汇侧进口段温度之间形成驱动温差，制备出浓溶液；之后冷凝器出口的热汇侧热水进入水-水板换被一部分热源加热，之后热汇侧热水进入吸收器，同时最后一部分低品位热源被送入蒸发器，在驱动温差的作用下，低品位热源抬升品位后将热量释放给溶液进而释放给热汇侧热水，使得热汇侧热水经过吸收器后输出系统最高温度的出水，从而使得热汇侧出水高于热源侧进水。第二类吸收式换热器可以在低品位热源供给段提升低品位热源供给温度，并提升热能输配能力。
吸收式换热器的典型应用是利用两类吸收式换热器实现低品位余热的长距离输送。如图所示，在热源处通过第二类吸收式换热器将热量从小的供回水温差变换为一次网大的供回水温差以进行长距离输热；在末端热力站，通过第一类吸收式换热器，将热量自一次网的大供回水温差变换为二次网的小供回水温差，用于建筑末端的供热。从而加大热量的输送温差，实现低品位工业余热的长距离输送。
图4 基于吸收式换热器的远距离热输送
热泵干燥技术
采用热泵进行余热回收所产生的热量不但可以用于供暖，还可以广泛应用于工农业生产中的干燥过程。干燥是以热的方式将水分从物料中脱除的过程，也是高耗能生产单元，在一些产品生产中，干燥过程所消耗的能量甚至占到生产总能耗的30%-70%，因此在保证物料干燥品质的前提下需要寻求降低能耗的方式十分重要。和传统干燥方式相比，热泵干燥具有很多优点，包括具有更高的能源利用效率以及受外部天气因素影响较小等，在与余热回收结合后可以达到进一步提升能效的目的。
图5 热泵除湿干燥技术原理与半开式烟草热泵干燥系统实物
目前热泵干燥系统多采用蒸汽压缩式的空气源热泵，其具有更广泛的适应性。根据实际应用需求将热泵干燥技术分为如下几类：除湿型、双热源型、半开式、密闭主机室型、多级串联型和水蒸气直接压缩型。为了实现更加节能和高效的热泵干燥，近年来该技术主要在以下方面取得了进展。
（1）结合多能互补的新思路开展研究工作，包括与太阳能、微波、余热和电热等的结合。与太阳能结合的主要特点是以太阳能为主，晚上利用热泵补热。与微波干燥结合的特点是干燥初期高湿阶段采用热泵，后期以微波为主进行干燥以降低干燥时间。与蒸汽、电热耦合主要是在热泵达不到的80ºC以上的高温升温阶段使用。
（2）结合干燥工艺开展相关研究工作，围绕热泵特点开发不同的干燥工艺设备。相关研究非常多，农业方面包括烟叶、玫瑰花、红枣、山药等都已得到一定的应用，最大宗是南方稻谷干燥开始大量采用热泵，东北的热泵玉米干燥技术也在发展。工业方面包括污泥、挂面、蚊香、木材、树脂等的热泵烘干技术也在逐渐展开。当前，传统工业干燥的废气排放愈来愈严格，白烟和异味的控制成为重点，采用热泵干燥有可达到近零排放的要求，会有很大的发展空间。
（3）结合具体干燥物料对象的不同，有针对性的开展新技术、新装备的开发，这对热泵干燥技术应用领域的不断开拓有重要的意义。南方由于四季温度较高，空调制热模式的热泵干燥技术得到了快速的发展；但对于北方地区冬季低温的特定情况，国内开发了密闭主机室配合低温空气源热泵和相变材料蓄热的新思路，系统操作简单易行，得到了一定的发展推广。针对东北冬季粮食干燥的特点，国内开发了综合多级串联除湿、梯级加热及热管回热的完整方案，表明在冬季严寒条件下可以得到高于南方环境条件下的热泵干燥效率。
热泵的余热回收集中供暖解决方案。
余热回收解决方案通过回收低品位工业余热，生产高温热水用于市政供暖或工艺加热，帮助企业实现节能、减排目标。可广泛应用于热电厂、企业自备电厂、市政污水厂、工矿企业及石油化工等领域。
江森自控通过技术创新，以高性能产品及创新方案为企业带来经济、环境及社会综合收益，为中国节能、减排事业做出积极贡献。
江森自控工业级余热回收式热泵，采用开式设计，驱动方式可灵活选用电机驱动或蒸汽透平驱动。热泵产品主要包括电驱动的YEWS，YS，YK，CYK及蒸汽驱动的Titan OM。单机制热量范围从400KW 到30MW，热水出水温度范围从45℃到82℃。
特色产品
约克TITAN™多级离心式热泵
江森自控旗下约克TITAN™工业级离心式热泵机组，单机制热能力达30MW，单机热水出水温度可达82℃，可广泛应用于区域能源中心、大型工业厂房、城市集中供暖等大型集中供热/采暖场合。
约克YDST单级离心式高温热泵机组
此机组回收利用电厂凝汽器冷却水低品位热量，用于城市大规模集中供暖，也可增加热电厂供热能力，降低热电厂运行能耗，节能、节水、减排。
成功案例
沈阳市政污水余热回收集中供暖
山东某热电厂冷却水余热回收集中供暖
市场活动
第四届中国国际分布式能源及储能技术设备展览会
约克TITAN™多级离心式热泵
约克YDST单级离心式高温热泵机组
离心式热泵工业余热回收解决方案
论文蒸汽驱动型压缩式热泵在热电厂余热回收中的应用
蒸汽驱动型离心式热泵在热电厂及市政污水厂余热回收集中供暖中的应用
来源：中国制冷学会 如有侵权，请联系删除。
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现代生产生活中存在大量的用热需求，区域供暖、生活热水、工艺浓缩等等，甚至农产品干燥等流程也需要大量热能。工业生产往往还需要大量的蒸汽，蒸汽的产生也需要消耗大量热能。传统热能提供的方法主要通过化石燃料的燃烧或电加热，需要耗费巨大能量，燃料燃烧还造成了环境污染，而热泵技术则可以通过消耗少量的电能从低温热源中提取能量，以热泵工质为载体将热能温度升高并供给用户，因此热泵可以比传统的加热方法节约数倍的能量消耗。就余热回收式热泵而言，其主要利用生产生活中产生的废热形成低温热源，同时部分系统也采用空气、土壤、水源作为辅助低温热源，选取合适的热泵工质和循环系统，即可大幅度提升热能品质，并供给用户侧。
目前用于余热回收的热泵系统主要包括压缩式热泵和吸收式热泵，在包括热电和化工等行业的余热回收中扮演了重要角色。除此之外，基于特定场景的吸收式换热技术和热泵干燥技术的重要性也越来越明显，并在远距离供热和工农业干燥中发挥了重要作用。
压缩式热泵
蒸汽压缩式热泵系统是最常见的热泵系统之一，热泵工质在低温热源的加热下，发生蒸发相变，之后低温的热泵工质蒸汽进入压缩机，在压缩过程中增压升温，压缩机出口排出的高温高压热泵工质进入冷凝器相变放热，将蒸发、压缩中吸收的能量传递到高温侧。近年来兆瓦级的压缩式热泵在工业余热回收中取得了快速进展，下图所示的就是应用于钢铁厂余热回收供暖的独立双系统离心式压缩热泵机组，在实现30℃以上的温度提升下可以保证系统COP在6以上，单机制热量达到了9 MW以上。
图1用于余热回收的独立双系统离心式压缩热泵机组
蒸汽压缩式热泵这个名词经常与工业热泵联系在一起，主要用于热供应过程的余热回收，也称之为高温热泵，这也是近年来压缩式热泵的研究热点。在实际应用中，由于存在热源温度较低，用热温度高等问题，常常要对热泵系统进行一些优化设计，由此形成了如喷射压缩式热泵、双级压缩等热泵系统。在循环以外，高温循环工质是压缩式高温热泵的“血液”，热泵工质往往从制冷剂中选取，同时制冷剂与润滑油混合后的热稳定性也是系统设计中需要重点考虑的因素，此外热泵工质需要具有与金属材料或其他化学材料良好的相容性，避免在运行过程中降解。下图就是以水蒸气为工质的超高温压缩式热泵（VHTHP），当系统温升为40℃时，此时冷凝温度为127℃，系统COP为4.2。
图2 热泵技术的划分与水蒸气热泵
对高温热泵来说，目前的研究方向主要集中在新型制冷剂的开发和利用，系统循环形式的优化与系统供热温度的提升这几个方面。而为了实现如上目标，R1336mzz(Z)、R1233zd(E)或R718（水）等新工质的应用，抑或是大型离心式压缩机、螺杆式压缩机的开发都引起了学界和产业界的关注和研究。尽管高温热泵技术已经在许多工业和生活应用场景下开始发挥了作用，然而由于缺乏对工业用热的明确认识、低GWP环保制冷剂的匮乏以及相比与电力与化石燃料的较高的投入成本，高温热泵技术的推广仍然存在着许多困难。未来高温热泵领域的研究主要将集中在以下几个方面：高温换热器和压缩机的设计、高效热力循环构建和热泵系统部件材料优化。
吸收式热泵
工业余热具有体量大和温度分布复杂的特点，此外在进行工业余热回收时用户侧的需求也通常是多变的，除了低温段的供暖和生活热水需求外，还包括中温段的工业流程预热和高温段的工业蒸汽供给等。吸收式热泵以高温蒸汽、余热热水、化石能源燃烧等的热能为驱动能源，通过不同的循环方式实现热能的品位提升或体量增加等目的，在采用不同热源、余热和热泵循环时可以满足60~150℃的热能输出，是工业余热利用的重要方式之一。与只有升温型的压缩式热泵不同，吸收式热泵不但具有升温型的热泵循环还具有增量型的热泵循环方式，一般增量型的吸收式热泵被称为第一类吸收式热泵，而升温型吸收式热泵被称为第二类吸收式热泵或吸收式热变温器。增量型吸收式热泵在采用高温热源驱动的时候可以回收低温余热并进行温度提升，而中温输出热量是高温热源量与低温余热回收量之和，因此可以达到热能增量的目的。升温型吸收式热泵在仅以中温余热进行驱动时，可以产生高温的输出，因此可以达到热能品位提升的目的。吸收式热泵对于热能品位和体量的灵活转换也使得它非常适合于工业余热回收与转换。
第一类吸收式热泵在用于余热回收时输出温度不高，因此其主要目的是供暖。IEA热泵中心的工业热泵报告中介绍了吸收式热泵应用于奥地利一家生物质能发电站的案例，该电站采用77%的木材和23%的内部加工残留物作为燃料，可提供5 MW的电量输出和30 MW的热输出。本案例中用了容量为7.5 MW的吸收式热泵回收烟气中的余热，当吸收式热泵蒸发温度低于50 ℃时即可达到烟气露点温度并从烟气中回收水蒸气的冷凝热。吸收热泵的驱动热源来自蒸汽轮机中温度为165 ℃的蒸汽，并向区域供暖提供95 ℃的热输出。
图3 用于低温余热回收供暖的一类吸收式热泵
第二类吸收式热泵的输出温度高，因此其主要目的是工业用热供给。例如在橡胶合成工业中，反应釜顶部产生温度约为96.5℃的热气需要被冷却从而回收其中温度约为80℃的冷凝水，另一方面反应釜底部需要持续地供给102.5℃热输入，这部分原本需要采用蒸汽进行加热，而如果采用二类吸收式热泵一方面回收反应釜顶部气体释放的冷凝热，另一方面为反应釜底部提供高温热输入就可以达到节省蒸汽的目的。
现阶段基于常规流程的吸收式热泵的应用已经逐渐成熟，包括一类二类热泵和单效、双效以及两级等多种流程也可以满足余热回收的基本需求，并已经在工业余热回收中广泛使用，一些具体实施的案例也具有可观的经济和环境效益，其进一步推广仍然依赖于系统的经济性，因此吸收式热泵的未来发展主要包括：（1）结合余热回收的实际场景进一步提升吸收式热泵效率、适应性和整个余热回收系统的能量回收效率是进一步推广应用的关键。（2）结合实际余热回收场景进行带有热能转换的复杂余热换热网络优化以及因地制宜地开发多种先进吸收式热泵技术仍然是需要高校和产业共同努力的方向。
吸收式换热技术
低品位余热源与需求间往往存在显著的空间差异性，例如在余热回收供暖中余热往往在工业园区比较集中，但用热方则是居民区并远离工业园区。作为提取低品位工业余热实现供热的重要手段，吸收式热泵与吸收式换热器被广泛应用在集中供热系统中，其中吸收式换热器更擅长低品位热量的长距离输送，并可以分为第一类和第二类吸收式换热器。
第一类吸收式换热器可以实现小流量侧的热源出口温度低于大流量侧热汇的进口温度，其本质上是第一类吸收式热泵与水-水换热器的组合，一次网水（热源测热水）首先经过吸收式热泵的发生器作为热源，将一部分热量通过冷凝器传递给一部分二次网水（热汇侧热水），之后发生器的一次网出水进入水-水板式换热器，将热量进一步释放给一部分二次网水，进而板换出口的一次网水最终进入吸收式热泵的蒸发器进一步降温，其热量抬升品位后用于加热一部分二次网热水，最终实现一次网出水温度低于二次网进水温度。第一类吸收式换热器可以在末端热力站比常规技术实现更低的回水温度，并提升热能输配能力。
第二类吸收式换热器可以实现小流量侧热汇的出口温度高于大流量侧热源的进口温度，实质上是第二类吸收式热泵与水-水换热器的组合。热源分成三部分，一部分进入发生器，将热量通过冷凝过程释放给热汇侧进口热水，同时热源温度与热汇侧进口段温度之间形成驱动温差，制备出浓溶液；之后冷凝器出口的热汇侧热水进入水-水板换被一部分热源加热，之后热汇侧热水进入吸收器，同时最后一部分低品位热源被送入蒸发器，在驱动温差的作用下，低品位热源抬升品位后将热量释放给溶液进而释放给热汇侧热水，使得热汇侧热水经过吸收器后输出系统最高温度的出水，从而使得热汇侧出水高于热源侧进水。第二类吸收式换热器可以在低品位热源供给段提升低品位热源供给温度，并提升热能输配能力。
吸收式换热器的典型应用是利用两类吸收式换热器实现低品位余热的长距离输送。如图所示，在热源处通过第二类吸收式换热器将热量从小的供回水温差变换为一次网大的供回水温差以进行长距离输热；在末端热力站，通过第一类吸收式换热器，将热量自一次网的大供回水温差变换为二次网的小供回水温差，用于建筑末端的供热。从而加大热量的输送温差，实现低品位工业余热的长距离输送。
图4 基于吸收式换热器的远距离热输送
热泵干燥技术
采用热泵进行余热回收所产生的热量不但可以用于供暖，还可以广泛应用于工农业生产中的干燥过程。干燥是以热的方式将水分从物料中脱除的过程，也是高耗能生产单元，在一些产品生产中，干燥过程所消耗的能量甚至占到生产总能耗的30%-70%，因此在保证物料干燥品质的前提下需要寻求降低能耗的方式十分重要。和传统干燥方式相比，热泵干燥具有很多优点，包括具有更高的能源利用效率以及受外部天气因素影响较小等，在与余热回收结合后可以达到进一步提升能效的目的。
图5 热泵除湿干燥技术原理与半开式烟草热泵干燥系统实物
目前热泵干燥系统多采用蒸汽压缩式的空气源热泵，其具有更广泛的适应性。根据实际应用需求将热泵干燥技术分为如下几类：除湿型、双热源型、半开式、密闭主机室型、多级串联型和水蒸气直接压缩型。为了实现更加节能和高效的热泵干燥，近年来该技术主要在以下方面取得了进展。
（1）结合多能互补的新思路开展研究工作，包括与太阳能、微波、余热和电热等的结合。与太阳能结合的主要特点是以太阳能为主，晚上利用热泵补热。与微波干燥结合的特点是干燥初期高湿阶段采用热泵，后期以微波为主进行干燥以降低干燥时间。与蒸汽、电热耦合主要是在热泵达不到的80ºC以上的高温升温阶段使用。
（2）结合干燥工艺开展相关研究工作，围绕热泵特点开发不同的干燥工艺设备。相关研究非常多，农业方面包括烟叶、玫瑰花、红枣、山药等都已得到一定的应用，最大宗是南方稻谷干燥开始大量采用热泵，东北的热泵玉米干燥技术也在发展。工业方面包括污泥、挂面、蚊香、木材、树脂等的热泵烘干技术也在逐渐展开。当前，传统工业干燥的废气排放愈来愈严格，白烟和异味的控制成为重点，采用热泵干燥有可达到近零排放的要求，会有很大的发展空间。
（3）结合具体干燥物料对象的不同，有针对性的开展新技术、新装备的开发，这对热泵干燥技术应用领域的不断开拓有重要的意义。南方由于四季温度较高，空调制热模式的热泵干燥技术得到了快速的发展；但对于北方地区冬季低温的特定情况，国内开发了密闭主机室配合低温空气源热泵和相变材料蓄热的新思路，系统操作简单易行，得到了一定的发展推广。针对东北冬季粮食干燥的特点，国内开发了综合多级串联除湿、梯级加热及热管回热的完整方案，表明在冬季严寒条件下可以得到高于南方环境条件下的热泵干燥效率。
热泵的余热回收集中供暖解决方案。
余热回收解决方案通过回收低品位工业余热，生产高温热水用于市政供暖或工艺加热，帮助企业实现节能、减排目标。可广泛应用于热电厂、企业自备电厂、市政污水厂、工矿企业及石油化工等领域。
江森自控通过技术创新，以高性能产品及创新方案为企业带来经济、环境及社会综合收益，为中国节能、减排事业做出积极贡献。
江森自控工业级余热回收式热泵，采用开式设计，驱动方式可灵活选用电机驱动或蒸汽透平驱动。热泵产品主要包括电驱动的YEWS，YS，YK，CYK及蒸汽驱动的Titan OM。单机制热量范围从400KW 到30MW，热水出水温度范围从45℃到82℃。
特色产品
约克TITAN™多级离心式热泵
江森自控旗下约克TITAN™工业级离心式热泵机组，单机制热能力达30MW，单机热水出水温度可达82℃，可广泛应用于区域能源中心、大型工业厂房、城市集中供暖等大型集中供热/采暖场合。
约克YDST单级离心式高温热泵机组
此机组回收利用电厂凝汽器冷却水低品位热量，用于城市大规模集中供暖，也可增加热电厂供热能力，降低热电厂运行能耗，节能、节水、减排。
成功案例
沈阳市政污水余热回收集中供暖
山东某热电厂冷却水余热回收集中供暖
市场活动
第四届中国国际分布式能源及储能技术设备展览会
约克TITAN™多级离心式热泵
约克YDST单级离心式高温热泵机组
离心式热泵工业余热回收解决方案
论文蒸汽驱动型压缩式热泵在热电厂余热回收中的应用
蒸汽驱动型离心式热泵在热电厂及市政污水厂余热回收集中供暖中的应用
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