工業余熱熱泵及余熱網絡化利用的現狀和發展

趙豐收

荏原冷熱系統（中國）有限公司 山東煙臺 265500

工業能源消耗中會產生大量的余熱，工業余熱熱泵技術的應用可以將余熱回收再利用到工業流程中或者其他區域供熱制冷等方面，實現工業綠色節能發展。現階段工業余熱熱泵技術通常分為壓縮式、吸收式、與化學式，這三種熱泵技術在都工質、循環、系統創新等方面都在不斷的更新發展，并且達到了較高的技術水平。但是其溫升、容量、能效比、等方面還存在諸多待完善領域，而且工業余熱網絡化利用可以實現輸入熱能的階梯式利用，進而提升工業余熱的利用率。這就需要相關研究人員繼續對工業余熱熱泵及余熱網絡化利用進行更加深入鉆研，獲取更高水平的網絡化工業余熱熱泵技術。

1 工業余熱熱泵及余熱網絡化利用的現狀和發展

1.1 壓縮式熱泵

壓縮式熱泵技術的研究應用較早，20世紀90年代國外的壓縮式熱泵技術已經在工業中得到了較大范圍的應用及關注，其研究水平及成果遠遠領先于國內，國內的壓縮式熱泵技術的研究方向主要在高溫工質、系統循環及設備，其中高溫工質、運行可靠性、大容量機組是我國壓縮式熱泵技術的研究的重點。目前，我國的壓縮試熱泵技術通常是以高校研究為主，而且普遍應用在家用和商用機組，其溫升范圍為30-35，COP的最高值為4.3左右，已經達到一級能效的標準。但是，國外壓縮式熱泵機組的COP的最高值可達到5.5左右，這是因為其提升溫差、工質等方面的技術都優于國內技術。工業壓縮試熱泵技術在90度的工業余熱處理中可達到蒸發溫度30度-60度的技術效果，這就決定了其在高溫工程的應用的研究方向[1]。

1.2 吸收式熱泵

我國現階段的吸收式熱泵技術已經具備獨立設計、加工直燃式機組、熱水式機組和蒸氣式機組的能力，并且可以根據實際應用需求設計兩級、單效、雙效等不同應用方式機組模式，形成了完善的技術應用體系，推動了我國工業產業化、節能化、標準化進展。我國的上海交通大學、北京工業大學、北京清華大學等高校在吸收式熱泵技術方面的研究投入了極大的精力，為吸收式熱泵技術的應用及革新提供了先進的技術支持及方向。例如，上海交通大學曾提出的變效吸收制冷循環技術理論，可以大幅度提高吸收式熱泵技術在化熱源應用環境中的制冷或制熱效率。近些年來，我國對吸附式熱泵技術方向也開展了專項研究，其研究重點基于系統數值模擬及實驗機組設計，目前還不具備實踐應用條件，僅僅停留在理論研究及模擬試驗階段，隨著研究的深入及技術的發展，其在工業中的高質量應用及大面積推廣值得期待。

1.3 化學熱泵

化學熱泵技術是借助可逆吸放熱化學反應完成的工業余熱回收、儲備、應用技術。化學熱泵機組系統通常利用反應物在低溫分解、高溫合成的化學特性形成高品位熱能，其系統循環過程中存在中間反應過程，如產物分離、冷凝、回熱等，進而形成對環境的放熱或者吸熱。化學熱泵技術具有適用范圍廣、溫度升幅大、儲能密度大等優點，通常與與壓縮式熱泵技術和吸收式熱泵技術合用形成技術互補，實現對工業余熱更高質量的利用。化學熱泵技術通常根據其反應物分為無機系化學熱泵技術和有機系化學熱泵技術。我國的無機化學熱泵技術主要集中于金屬氫化物、金屬氯化物等反應物，并在其傳熱性能、系統優化等方面取得了極高的研究成果。我國的有機化學熱泵技術主要集中于異丙嗪、丙酮等反應物，有機物化學熱泵技術具有傳熱性能好、連續運行等優點，具有極佳的發展及應用前途。化學熱泵目前的實踐應用中的反應穩定性、速率、催化劑等方面還存在較大的研究空間，這就需要相關研究機構及研究人員繼續對其開展更加深入的研究，以期其能發揮出更加高效的工業應用價值[2]。

1.4 網絡化利用

我國的工業余熱回收系統是不同溫區采用了不同的熱泵技術，并通過不同的熱泵技術相互配合、相互補充，提升工業余熱的回收應用，而且需要對余熱轉換、冷熱電聯供、熱源等環節進行合理配置，借此完成能量目標及回收質量。現階段的工業余熱網絡化利用的研究方向主要為分布式能源冷熱電聯供系統。冷熱電聯供系統主要通過燃氣輪機、內燃機、余熱回收利用裝置、控制系統等組構而成，可以實現輸入熱能的階梯式利用，進而提升溫區能量的高品質配比，發揮能源的最大利用率。例如，將高溫熱能利用于對外發電；中溫熱能利用于制冷負荷；低溫熱能利用于生活熱水。但是，現階段的工業余熱大都以單一能量形式回收，缺乏系統性、先進性的利用需求、熱泵選型等方面的指導，對工業余熱回收的質量及效率產生了較大的制約。因此，我國工業余熱回收系統研究要以熱泵供給形式、熱泵聯合特點、容量等為主要研究方向，結合用戶需求、溫位熱泵、熱源側、余熱轉化技術等構建廣譜、高效的工業余熱網絡化運行系統。

2 結語

工業余熱熱泵及余熱網絡化利用，可以極大的提升工業余熱的利用效率，對工業的高效、節能發展有著顯著的促進作用。現階段，我國的工業余熱熱泵技術的研究方向主要是熱泵工質、運轉穩定性、運轉可靠性、能量轉換效率、溫度適應性等，常用的熱泵技術為壓縮式熱泵技術、吸收式熱泵技術、化學熱泵技術。我國的工業余熱熱泵技術已經有較高的應用水平，但其存在較大的提升空間，尤其是化學熱泵及系統網絡化利用等方面具有極大的優化空間及發展價值，需要研究人突破化學熱泵技術反應穩定性差、速率低的局面，同時提升熱泵技術的聯合應用及熱、電、儲、運等方面的網絡化利用效果，實現更高利用率、更安全穩定的網絡化工業余熱熱泵體系[3]。