新一代超高温热泵原型样机问世

中国科学院理化技术研究所研究员罗二仓团队，系统梳理研究了未来高温热泵发展技术路线，并成功研制出国际首台泵热温度超过200℃的电驱动双作用自由活塞及热驱动热声超高温热泵原型样机，相关研究成果近日发表于《自然-能源》《应用物理快报》和《能源》。

当前工业生产中，造纸、印染、烤酒、医药等需要100℃至200℃的热能或蒸汽供应，而陶瓷、冶金、石油化工等则需200℃至1000℃甚至更高温度的高温热能。然而，传统的热泵技术正面临严峻挑战，现有的蒸汽压缩热泵难以实现200℃以上的工作温区，且环保安全工质匮乏。同时，采用温室效应较低的二氧化碳热泵技术面临系统工作压力过高、能效不高等难题。

“发展可高效实现能源利用的超高温工业热泵，将成为实现‘双碳’目标的关键路径之一。”罗二仓说。

近十几年来，罗二仓团队聚焦采用环保工质，如氦气、氩气、氮气等绿色工质的热声斯特林技术，研发具有广阔应用前景的新一代热泵技术。

研究团队对包括热声斯特林热泵技术在内的几种潜在可实现超高温热泵技术的研究工作做了总结凝练，并对未来超高温热泵技术所涉及的关键材料、技术等的发展方向提出了建议及展望。

同时，团队创新性地提出了电调相，从而建立了双作用热泵的“反相运行”声场调相机制，巧妙实现了系统中声功的反向传输、高温换热器与低温换热器功能对调，保障了压缩机的低温运行，从根本上破解了超高温压缩机研制的难题，成功研制出国际首台泵热温度超过200℃的双作用自由活塞型热声斯特林超高温热泵原型样机。

此外，团队还研究了完全无运动部件的热声热泵，实验样机以热能驱动，可以将140℃左右的低品位热能泵送到270℃以上的热源。

“下一步，研究团队将针对更高温度需求的石化、冶金、陶瓷等高温工业过程热泵技术开展研究。例如，可将压水堆核反应堆仅为300℃左右供热温度或者太阳能槽式集热400℃至500℃的热源，通过超级高温热声热泵技术提高到500℃至800℃，为重工业零碳高温用热提供一种崭新的技术途径。”罗二仓说。