工业热泵是一种极具吸引力的工业用能量转换技术。根据应用要求，使用各种热源，不同工质和热泵的输出温度也不同。在本白皮书中，根据工业应用的温度要求和热泵的进一步发展，将热泵分为四种不同的类型：低温热泵、中温热泵、高温热泵和超高温热泵，如图2-1所示。在该分类方案中，不同类型的热泵严格按照供热温度（Tout）定义。当供热温度大于160°C时，可直接产生饱和温度为160°C的高压水蒸汽，用于正常的工业蒸汽工艺，因此这种新的分类方案将160°C的输出温度定义为高温热泵和超高温热泵之间的边界。水的正常沸点100°C定义为中温热泵和高温热泵之间的边界，60°C定义为低温热泵和中温热泵之间的边界。
作为最常规的热泵循环，蒸气压缩热泵系统基于逆卡诺循环，并通过理想等熵压缩和等焓膨胀进行了改进。最常见的配置是单级循环，包括原始的单级、带有蒸气喷射或喷射器以改善循环性能的单级循环，以及配有经济器和内部热交换器的单级循环。多级系统采用多个压缩级数，以牺牲机械能消耗为代价，实现更高的输出温度。复叠式热泵系统将两种或更多工作流体的循环耦合起来，以实现更大的温升。混合热泵系统将蒸气压缩热泵与吸收、吸附、太阳能或化学热泵系统等其他热力系统集成在一起。
余热回收热泵系统的典型配置包括单级、多级、复叠热泵和并联热泵。在这些基本配置的基础上，增加了一些有效的改进，如过冷器、中间热交换器、喷射器等，以进一步提高系统效率或降低排气温度。单级热泵是基本配置，具有连接、运行和维护简单的优点。然而，由于压缩比较低，温升受到限制。同时，当用于大规模供热场合时，组件需要定制。带过冷器的单级热泵可以增加供热能力，改善系统性能。安装在蒸发器后的中间热交换器通过吸收冷凝器后过冷液体的热量，在蒸气进入压缩机之前对其进行预热来提高排气温度，进一步扩大热泵的应用范围。热泵中增加的喷射器可以通过高压蒸气驱动，将低压蒸气提升到中压，降低压缩机的功耗，节省投资。
多级压缩式热泵可以大大提高温升，适用于热源和热汇温差较大的场合。中间冷却和蒸气喷射在降低排气温度方面表现良好，不仅确保了压缩机的安全运行，还降低了压缩机的功耗。通过组合使用不同工质的两个热泵系统，复叠热泵也可以实现更高的温升，其系统性能受工质匹配和中间热交换效率的影响。
2.1热水（热风）制备
在加热、洗涤、消毒和干燥等过程中需要大量热水或热风，其通常由锅炉、燃烧器或电加热器制备，工艺过程中产生的余热通过冷却塔排放。
热水或热风也可以通过热泵来制备，根据温升不同，制备过程可以采用单级压缩或复叠压缩等系统循环方式，在一些热源温度较低的场合也可以采用跨临界（CO2 ）循环。
亚临界热泵循环的温度上限由工质的临界温度决定。必须保持与所需冷凝温度之间约10-15K的温差，以确保亚临界热泵运行。冷凝温度越接近临界点，冷凝焓和COP（性能系数）越小。跨临界或超临界热泵循环适用于二氧化碳。在跨临界循环过程中，传递到汇的热量是敏感的，并且需要较大的温度滑动，这适用于热水（热风）加热。跨临界循环的流程图可参考单级压缩循环。
2.2 蒸汽制备
水蒸气具有高热容量和传热性能，是一种应用广泛的热载体。与其他加热流体(如热水和空气)相比，蒸汽具有更高的比能量，系统可以采用更合理的流速和管道直径。此外，在冷凝过程中，其潜热可以在恒定温度下使用。
具有巴氏杀菌等应用的工业过程，干燥和蒸馏在100-125°C的温度范围内有热需求。这个温度区间正好是微压蒸汽热泵机组的适用范围。在低温余热回收领域，微压蒸汽热泵机组可回收余热水、乏汽、乏风等余热，来生产微压蒸汽。本报告将制备120°C以下饱和水蒸汽的热泵机组称为微压蒸汽热泵机组。
根据温升不同，微压蒸汽的制备可以采用单级压缩与复叠压缩等配合闪蒸罐的循环方式，这些循环的典型流程见图2-4与图2-5。
当热汇温度>120°C，大部分低GWP工质脱离亚临界状态，少数能使用的工质(如R1336mzz(z)与R1234zd(E))由于冷凝温度接近临界温度，冷凝焓和COP较低。在微压蒸汽热泵机组的基础上增加水蒸汽压缩机，可直接对闪蒸罐出口的微压蒸汽进行增压，达到最大200°C的蒸汽使用温度。本报告将制备120~200°C饱和水蒸汽的热泵机组称为低压蒸汽热泵机组。
在120°C到200°C的温度区间内，低压蒸汽热泵机组进一步提升了高温热泵的使用范围，可以渗透到过去未能触及的领域如医药与食品的消毒和灭菌、化学行业的分离及纸张行业的烘干等。
低压蒸汽的制备可视温升的不同，可以采用单级压缩与复叠压缩等配合闪蒸罐的循环方式，这些循环的典型流程见图2-6与2-7。
工业热泵技术可以成为供应温度低于100°C的首选供热技术，目前该技术已十分成熟。对于供应温度在100°C和200°C之间的技术，当前处于开发和示范应用阶段，而提供更高热汇温度的热泵技术需要进一步研究。示范项目应旨在打破应用障碍，解决大型热泵系统升级和广泛使用的问题。额外的研发活动应侧重于性能改进，并制定向完全可再生的热系统(包括热泵)过渡的能源战略。这些研发项目需要跨行业合作，涵盖从研发到制造和应用的整个范围。
3.1跨临界CO2 热泵
跨临界CO2 热泵在上世纪90年代的日本率先商业化，通过采用工作压力超过10MPa的高压往复压缩机，CO2 热泵成功用于民用热水制备，并进一步拓展到工业领域的热风制备，最高热水及热风的温度可达120°C。德国将工艺离心机技术引入跨临界CO2 循环系统，从而实现了大规模冷热电三联储能方案。
由于工艺用往复压缩机的运行压力不低于30MPa，而工艺用离心压缩机的运行压力也不低于20MPa，因此压缩机不会成为制约CO2 热泵的瓶颈。技术难题可能在于CO2 热泵用于工业领域的系统设计与匹配，以达到运行性能与制造成本的最佳平衡。
3.2带储能功能的高温热泵
随着可再生电力的发展，电力波动将大大增加。储能系统可以吸收或释放电力，被认为是消除电力波动、提高间歇性电力并网能力的有效技术。热泵与热能存储相结合，提供了全系统的灵活性服务，如负荷转移、调峰和需求侧管理，从而确保在非高峰时段提高多余可再生能源的利用率。热泵提供了利用热能存储系统转移电力负荷的潜力，并可用于需求侧管理策略。它们可以提供需求响应，从而降低系统运行成本，实现调峰和节能。
更重要的是，热泵与热能存储相结合，可以在一定程度上实现大型热泵机组的连续运行，避免了频繁启停机导致的压缩机可靠性问题。而储能功能甚至可以替代热泵机组的调频，实现热泵压缩机在工频下运行，这又对高可靠性的离心热泵压缩机在高温热泵领域拓展应用极为有利。