造纸、印染、烤酒、医药等工业生产中需要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℃之间甚至更高温度的高温热能。工业供热在我国热能消耗中占比达40%。国际能源署（IEA）在2024年能源技术展望报告中指出，中国的供热技术选择将深刻影响全球趋势，热泵技术是实现碳中和的六大关键能源技术，与光伏发电、风电等新能源技术并列，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。

然而，传统的热泵技术面临严峻挑战，现有的蒸汽压缩热泵难于实现200℃以上的工作温区，且环保安全工质匮乏；采用温室效应较低的CO₂热泵技术则面临系统工作过高（超10MPa）、能效不高等难题。

中国科学院理化技术研究所低温科学与技术全国重点实验室低温制冷与特种动力技术研究中心罗二仓研究团队近十几年来聚焦于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究，该技术不仅工质环保安全，而且具有工作温区广（极低温和超高温）、潜在效率高等优势，是一种具有广阔应用前景的新一代热泵技术。

近期，该研究团队在电驱动热声高温热泵和热驱动高温热声热泵技术研究方面取得了重要进展，研究工作发表在能源领域国际刊物上。研究团队对包括热声斯特林热泵技术在内几种潜在可实现超高温热泵技术等研究工作做了总结凝练，并对未来超高温热泵技术（600K至1600K）所涉及的关键材料、关键技术等发展方向提出了建议及展望，相关工作以“Emerging Opportunities for High-Temperature Solid-State and Gas- Cycle Heat Pumps”为题发表于国际期刊Nature Energy（2025）。

研究团队创新性地提出了电调相，从而实现了双作用热泵的 “反相运行”的声场调相机制，巧妙地实现系统中声功的反向传输，实现了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，从根本上解除了超高温压缩机研制的困难和挑战，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。该项突破性成果以“An ultra-high temperature free-piston thermoacoustic Stirling heat pump capable of achieving above 200℃”为题发表于国际期刊Applied Physics Letters（2025）。

研究团队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。研究工作以“A heat-driven thermoacoustic heat pump supplying heat up to 270℃”为题发表于国际期刊Energy（2025）。

以上研究工作获得国家自然科学基金、国家重点计划项目、中国科学院理化技术研究所所长基金以及低温科学与技术全国重点实验室基金等项目资助。

文章链接：

1． Andrej Kitanovski*, Katja Klinar, Ercang Luo*, Miguel Muñoz Rojo*, Vladimir Soldo*, Luka Boban, Kaiqi Luo, Rui Yang, Xavier Moya*，Emerging Opportunities for High-Temperature Solid-State and Gas-Cycle Heat Pumps, Nature Energy (2025),https://www.nature.com/articles/s41560-025-01908-4.

2. Longran Dai, Depeng Chang, Kaiqi Luo, Yanlei Sun* ,Jianying Hu, Ercang Luo*， An ultra-high temperature free-piston thermoacoustic Stirling heat pump capable of achieving above 200℃, Appl. Phys. Lett. 127, 143902 (2025)，https://doi.org/10.1063/5.0292379.

3. Yupeng Yang, Tianqi Wu, Yiwei Hu, Hao Chen, Chen Zhou , Xiaoyuan Zhang , Rui Yang*, Ercang Luo，A heat-driven thermoacoustic heat pump supplying heat up to 270 ℃，Energy 335, 138325 (2025),https://doi.org/10.1016 /j.energy.2025.138325.

图1. 固态和气体循环高温热泵潜在应用示意图

图片来源：Emerging Opportunities for High-Temperature Solid-State and Gas- Cycle Heat Pumps, Nature Energy (2025), https://www.nature.com/articles/s41560-025-01908-4.

图2 自由活塞热声斯特林超高温热泵实物图、结构示意图及性能对比图

图片来源：A ultra-high temperature free-piston thermoacoustic Stirling heat pump capable of achieving above 200℃, Appl. Phys. Lett. 127, 143902 (2025)， https://doi.org/10.1063/5.0292379.

图3 热声热泵样机及高温性能图

图片来源：A heat-driven thermoacoustic heat pump supplying heat up to 270℃，Energy (2025), https://doi.org/10.1016/j.energy.2025.138325.