中國的超高溫熱泵有望將陽光轉化為工業

中國科學院物理化學技術研究所的科研團隊開發出一種無運動部件的超高溫熱泵，能夠利用相對低溫的熱源產生遠超傳統熱泵極限的高溫輸出。

在實驗室測試中，這種基于熱聲學原理的裝置以145攝氏度的熱源驅動，成功輸出270攝氏度的熱能，突破了困擾工業熱泵技術多年的200攝氏度瓶頸。研究團隊負責人羅爾倉博士表示，隨著材料和系統設計的進步，到2040年該技術有望實現1300攝氏度的零碳熱能輸出，這將為陶瓷、冶金和石化等高耗能行業的脫碳提供關鍵技術路徑。

工業供熱占據中國總能源消耗的近40%，而中國又是全球最大的工業生產國，其技術選擇對全球減排目標具有決定性影響。國際能源署數據顯示，工業部門的脫碳進展遠落后于電力和交通領域，主要原因是許多工業流程需要極高溫度，而這些熱能傳統上只能通過燃燒化石燃料獲得。造紙、染色和制藥等行業需要100到200攝氏度的蒸汽，陶瓷燒制和金屬冶煉則要求溫度超過1000攝氏度。用電力或可再生能源直接加熱到如此高溫不僅成本高昂，而且技術上面臨諸多挑戰。

更嚴峻的現實是能源浪費問題。中國工業系統以廢熱形式損失的能量占總能耗的10%到27%，這些熱量通常直接排放到大氣或冷卻水中。如果能夠捕獲并升級這些廢熱，將其轉化為可用的高品質熱能，既能提高能源效率，又能減少對化石燃料的依賴。但傳統熱泵技術存在根本性限制，目前商業化的吸收式熱泵輸出溫度通常不超過100攝氏度，即使最先進的吸收式熱變壓器也難以超越200攝氏度，遠不能滿足高溫工業流程的需求。

熱聲學原理的創新應用

中科院團隊開發的熱聲熱泵采用了完全不同的工作機制。傳統熱泵依靠壓縮機等機械部件驅動制冷劑循環，通過相變吸收和釋放熱量。這種系統雖然成熟可靠，但機械部件限制了工作溫度上限，高溫環境下潤滑劑失效和材料疲勞問題難以克服。熱聲熱泵則利用聲波與熱量的相互作用來傳遞能量，完全沒有運動部件。

熱聲效應的基本原理是，當聲波在充滿氣體的管道中傳播時，會引起氣體分子的周期性壓縮和膨脹。在適當設計的諧振腔內，這些壓縮和膨脹會伴隨溫度變化，形成"熱聲堆"效應。通過精心布置的多孔材料堆棧，可以將熱量從低溫端泵送到高溫端。這個過程本質上是利用聲能驅動熱量逆著溫度梯度流動，類似于傳統熱泵用機械功驅動熱量從冷端到熱端。

熱聲技術的優勢在于簡單性和可靠性。沒有運動部件意味著磨損和故障點大幅減少，維護需求降低。更重要的是，系統可以使用惰性氣體作為工質，避免了傳統制冷劑的環境問題。高溫材料的發展使得諧振腔和熱交換器能夠承受極端溫度，突破了機械壓縮系統的溫度限制。研究團隊在設計中采用了斯特林循環的熱聲學實現方式，這種循環理論上可以達到接近卡諾效率的性能。

實驗原型機的成功驗證了概念可行性。以145攝氏度的熱源驅動輸出270攝氏度熱能，溫升達到125攝氏度，這在熱泵領域是顯著的成就。更關鍵的是，這個溫度級別已經可以滿足不少工業流程的需求。研究團隊指出，通過級聯配置多個熱聲熱泵，或者優化諧振腔幾何結構和工質選擇，輸出溫度可以進一步提升。

通往超高溫的技術路線

超高溫熱泵

羅爾倉團隊設定的長期目標極具雄心：到2040年實現1300攝氏度的輸出溫度。這個目標如果實現，將徹底改變高溫工業的能源格局。鋼鐵冶煉、玻璃熔化、水泥煅燒等流程都需要這個溫度范圍的熱能，目前完全依賴化石燃料燃燒。如果能用太陽能熱收集器、核反應堆余熱或工業廢熱驅動熱聲熱泵產生千度級高溫，這些行業的碳排放可以大幅削減。

實現這個目標需要多方面的技術突破。首先是材料挑戰，1300攝氏度環境下，普通金屬會熔化或嚴重氧化，需要采用陶瓷基復合材料或難熔金屬合金。這些材料不僅要耐高溫，還要具有良好的熱傳導性能和機械強度。其次是系統效率問題，熱聲轉換過程存在各種不可逆損失，包括粘性耗散、熱傳導損失和聲波輻射。提高效率需要精密的聲學設計和優化的熱交換結構。

工質選擇也是關鍵因素。常溫下使用空氣或氦氣作為工質，但在極高溫度下需要考慮氣體的熱穩定性和化學惰性。氦氣雖然性能優異但成本較高，可能需要探索其他惰性氣體或混合氣體。熱源溫度與輸出溫度之間的匹配也影響系統整體效率，需要根據具體應用場景進行定制化設計。

太陽能熱利用可能是該技術最有前景的應用方向之一。聚光太陽能系統可以將陽光聚焦到很小的面積上，產生數百甚至上千攝氏度的高溫。但這些熱能的利用效率一直受限，直接發電的效率不高，儲熱系統成本昂貴。如果能用聚光太陽能驅動熱聲熱泵，將溫度進一步提升并輸出穩定的工業用熱，將大幅提高太陽能的價值。這種方案特別適合日照充足的地區建設零碳工業園區。

核能余熱回收是另一個潛在應用。核反應堆產生大量熱能,目前主要用于發電,但熱效率只有30%到40%,大量余熱通過冷卻系統排放。如果能將這些200到300攝氏度的余熱升級到工業可用溫度,既提高了核能利用效率,又為周邊工業提供清潔熱源。這種核能-工業共生模式在一些國家已有探索,熱聲熱泵可能提供更高效的技術路徑。

當然,從實驗室原型到工業化應用還有漫長的路要走。技術成熟度、經濟可行性、工程放大等問題都需要時間解決。羅爾倉團隊將2040年設為目標年份,意味著還有約15年的研發周期。這個時間框架與中國雙碳目標基本契合,2030年前實現碳達峰,2060年前實現碳中和,工業脫碳是其中的關鍵環節。

國際能源署強調,工業部門占全球溫室氣體排放的約四分之一,其脫碳進展對實現全球氣候目標至關重要。但工業脫碳面臨技術和經濟雙重挑戰,許多高溫流程缺乏可行的替代方案。熱聲熱泵這類突破性技術如果能夠成功商業化,將為全球工業轉型提供重要工具。

研究成果已在《自然·能源》《應用物理快報》和《能源》等權威期刊發表,顯示了學術界對該技術的認可。接下來的工作可能包括建造更大規模的示范裝置,在實際工業環境中驗證性能,以及降低成本以提高市場競爭力。中國在工業規模和制造能力上的優勢,可能為該技術的推廣創造有利條件。如果進展順利,這種基于聲波的供熱方式可能成為未來工業的標準配置,為清潔能源時代的到來鋪平道路。