大型工業用熱泵機組節能改造分析

袁 杰 溫素珍 金阿龍 周德強 金賢松

（浙江青風環境股份有限公司，浙江 麗水 323000）

0 引言

從節能設備方面來看，具有較高節能效率的就是熱泵，為了實現熱源由低位向高位的轉變，需要采用反向循環的方式，使能源的質量以及使用的效率在很大程度上得到提升。目前，該技術已逐漸成熟，使用過程安全可靠，可以廣泛的地用于工業生產中。

1 工業熱泵系統

最初在采暖的過程中，工藝車間是利用中央空調和蒸氣鍋爐系統進行的，能源的消耗量較大，通過燃煤提供一次性能源，同時采用冷凍水釋放大氣的熱量。冷卻水過程可以吸收熱量，冷卻劑產生冷卻水，然后使用熱交換器提高溫度，最后使用冷卻塔將熱量釋放到大氣中[1]。軟化至室溫的水應先用蒸汽預熱，然后經除氧器脫氧后再進入鍋爐。但是，這種能源使用結構是不合理的。一方面釋放熱量，另一方面需要熱量。工藝冷卻水在熱交換中失去了更多的冷量，這大大降低了系統的能效比，并造成大量的能量損失。

該文建議使用工業熱泵系統進行熱傳遞，在回收和生產過程中會排放一定量的廢熱。必須預熱軟化水的溫度，然后將其排放到除氧器中。工業熱泵系統中的熱源水是工藝冷卻水。該熱泵機組可以提高鍋爐水位以及鍋爐水溫，并在冷卻過程完成后回收熱量，從而減少了燃煤爐的需求，達到了節能的目的。改造后的工業熱泵系統利用機組釋放的熱量進行回收，可以減少蒸汽消耗，節省煤炭消耗并有效利用能源。同時，工藝冷卻水可以直接進入熱泵工業裝置的蒸發器中，從而提高裝置的能效，并節省熱交換和中間循環水泵，以減少工業熱泵系統的能耗。

2 研究背景及意義

十九大報告指出：“壯大節能環保產業、清潔生產產業、清潔能源產業。推進能源生產和消費革命，構建清潔低碳、安全高效的能源體系”[2]。由于目前我國的經濟在持續發展，資源消耗量過大也是最為重要的1個因素，缺少合理的能源利用模式，從而增加了對環境的影響，能耗與排放量的增加，在很大程度上給環境帶來了巨大的影響，不利于環境的健康發展，同時，對我國的經濟水平也具有重要的影響。

“十三五”綱要中對碳排放有明確的規定。截至2030年，碳排放量要降低至65%以下。為此，為了確保環境可以實現可持續發展，實現經濟的綠色增長，需要將能源、經濟、環境3個方面結合起來。

鑒于我國能源利用的事實和環境問題與能源消費過程的關系，除了開發利用新能源外，節能將是緩解或解決這2個大問題的必然選擇。節能不僅要求對能源總量進行有效利用，而且要降低用能過程中的不可逆性。據統計，我國有接近50%的工業能耗沒有被利用，而是以各種形式將余熱直接排放掉，我國余熱資源平均回收利用率落后于國際先進水平近20%[3]。

特高溫熱泵機組技術是從質的角度開發節能降耗技術，減少對煤炭等燃料能源的消耗，緩解能源短缺問題。傳統的冷水與熱泵機組多用于中央空調市場、煤改電等，目前國內外的研究工作主要在日常生活領域的小型或中型冷水與熱泵機組[4]。但是工業領域由于需要工藝要求較高，以銅鋁箔行業為例，其反應加熱溫度一般＞100 ℃，目前可利用的100 ℃以上的加壓熱水或蒸汽主要是依靠鍋爐加熱水生成的，無論使用哪種燃料（石油、燃氣，煤等），能源利用效率都比較低，而且還存在大氣污染的問題。而工業領域用高溫熱泵機組是1種節能環保產品，節能潛力巨大。

特高溫熱泵機組在冷鏈物流市場設備、銅鋁箔、煉鋼和表面處理等行業應用前景廣泛，目前工業行業內對特高溫熱泵機組的能效要求越來越高，節能減排勢在必行，高效節能環保是各大冷水機組與熱泵機組廠家追求的目標，高能耗的大型工業用冷水機組會逐漸被市場淘汰，同時突破特高溫下的熱泵機組節能設計關鍵技術有助于提高產品市場競爭力，擴大新市場的競爭力。因此，大型工業用冷水（熱泵）深度節能改造研發及應用具有重要戰略意義。

3 高溫熱泵關鍵技術及主要創新點

3.1 研究開發內容

用于鋁箔行業廢熱回收制取100 ℃以上高溫加壓熱水，廢熱源溫度為60 ℃～70 ℃，冷凍介質：廢熱水。

3.2 關鍵技術

關鍵技術包括以下4點：1）采用KF-05環保制冷劑，蒸發器廢熱源進水70 ℃，出水65 ℃，冷凝器側90 ℃回水，95 ℃出水，最高出水溫度為110 ℃，機組制熱量約為800 kW，制熱COP5.0。2）機組采用混合降膜蒸發器，能很好地解決高溫熱泵滿液式系統拋油后的回油難題，運行更加安全可靠。3）機組采用帶獨立過冷的多流程防腐冷凝器，有利于高溫氣態冷媒全部液化，保證底部過冷。4）系統和經濟器節流機構采用自主研發的特高溫智能節流閥與液位傳感器結合精確控制制冷劑流量。機組采用三級分油機構，油分、儲油、油冷進行集成，兩級油位保護，使壓縮機運行更加安全可靠：特高溫下的熱泵機組的結構設計技術與防腐設計實現是技術關鍵與難點。通過關鍵傳熱元件的結構和加工工藝強化設計，提高了換熱傳熱效率。機組采用三級分油機構，對油分、儲油、油冷進行集成，建立兩級油位保護，使特高溫下的壓縮機運行更加安全可靠。采用混合降膜蒸發器解決了特高溫熱泵系統拋油后回油的難題，采用帶獨立過冷的多流程防腐冷凝器與耐腐蝕材料噴涂工藝，在增加抗腐蝕性的同時有利于高溫氣態冷媒全部液化，保證底部過冷。采用無級調節，其出水溫度可以恒定在很小的波動范圍。閉式加壓熱水循環系統保障熱水側流量溫度不汽化成蒸汽。

3.3 高溫熱泵主要創新要點

高溫熱泵主要的應用原理是蒸發器中的制冷劑從低溫冷水側的熱源蒸發并吸收能量，并通過壓縮機將其轉化為高溫制冷劑，然后制冷劑利用冷凝器，在熱水中釋放出大量的熱量，從而達到給熱水加溫的目的，如圖1所示。

圖1 高溫熱泵主要的應用原理

3.3.1 節能環保效益顯著

眾所周知，我國是能耗大國，在工業制造上所消耗的能源巨大，而高溫熱泵的面世與應用，不僅能減少能耗，而且可以使整個熱泵領域邁上新的臺階，特別是第三代降膜防腐熱泵鍋爐的發明（如圖2所示），其可以將18 ℃～22 ℃的低品位廢熱資源回收到氧化槽，制出65 ℃～90 ℃熱水，用于熱水洗75 ℃，酸蝕槽45 ℃，中溫封孔溫度為60 ℃，堿蝕槽50 ℃加溫等領域，不僅節約能源，而且節能環保效益顯著。

3.3.2 提高能量利用率

該公司（浙江青風環境股份有限公司）研制的超高溫熱泵機，與普通的小型渦旋機相比，超高溫熱泵機直接采用意大利柯茂螺桿壓縮機，不僅具有單臺制冷大、運行穩定、故障率低等優點，而且換熱器采用高效防腐殼管式，安裝簡單、拆洗方便。槽液直接進入機組，達到直接冷卻的效果，可以在很大程度上提高能量利用率。超高溫熱泵機與小型渦旋機對比優缺點見表1。

表1 超高溫熱泵相較小型渦旋機的優點

4 項目預期目標

4.1 主要技術性能指標

該項目完成后可將大型工業用熱泵機組制熱性能出水溫度為110 ℃，制熱COP≥ 5.0。熱泵機組與以前的燃氣鍋爐相比，可節能60%，CO2排放量削減了約70%，運營成本降低25%左右，產品升級周期縮短30%以上。

4.2 項目應達到的主要經濟指標

項目實施后可實現年增產值1000萬元，年增利潤600萬元，年增稅金100萬元。大型工業用冷水機組與冷水機組在冷鏈物流市場設備、銅鋁箔、煉鋼以及表面處理等行業應用前景廣泛，對機組的能效、工藝要求越來越高。

4.3 產業化前景

該項目產品技術成熟，設備配套齊全，原材料供應有保證，質量控制措施有效可行，產品市場巨大，人力資源充沛，已經具備成熟的投產條件，可以進行批量化生產。產品經多家客戶試用，反應良好。因此，在公司的發展中使用該產品可以有效提高公司的經濟效益。

5 高溫熱泵的經濟、社會效益分析

目前，我國能源消耗巨大，但是并沒有得到廣泛的應用，從相關研究數據看出，在我國的工業中，有接近50%以上的能耗沒有得到合理的利用，而是以各種形式的把余熱直接排放掉。特高溫熱泵技術技術是從質的角度開發節能降耗技術，在進一步降低能源消耗的同時，還可以針對能源緊缺的問題進行解決。特高溫熱泵技術機組又屬于高耗能產業，實現其深度節能改造對節能減排、增強企業市場競爭力有重要的意義。將能量階梯技術應用在特高溫的熱泵機組中，基于循環-工質-系統三維度協同節能改造設計，適用于多功能變工況復雜環境，降低能耗的同時有助于保護環境。特高溫下的熱泵機組節能設計關鍵技術是推動產品在節能領域中廣泛應用的重要基礎。

圖2 第三代降膜防腐熱泵鍋爐

大型工業用冷水機組與熱泵機組在冷鏈物流市場設備、銅鋁箔、煉鋼、表面處理等行業應用前景廣泛，對機組的能效、工藝要求越來越高。結合數字孿生技術的大型工業用冷水機組與熱泵機組集成設計與制造，全工況能耗仿真及綜合性能測試平臺開發，以及基于大數據的在線測量運維技術使傳統制造企業實現生產的透明化，實時顯示生產狀態的信息、實時在線放映生產狀態報告、統一分析管理工具、對生產過程的每個環節進行有效地監控。有效解決傳統制造企業分散、信息孤島等問題，形成統一的數據標準，實現多IT系統的平臺集成，以及更有深度的節能改造。

6 高溫熱泵在工業中的應用

6.1 海水淡化

海水淡化主要利用海水冷凍，電滲析和蒸餾。這些方法消耗大量的熱或電。例如，蒸餾的成本相對較高，設備系統更復雜，并且需要能量來加熱海水。這些技術的能耗較高，將加劇全球溫室效應和環境污染。人們需要開發新的海水淡化技術，進一步提高能源的利用效率，降低運營的成本，減少污染。為了降低海水淡化系統的能源利用率可以有效利用熱泵海水淡化技術，同時還可以降低系統的運行成本。熱泵機械熱泵脫鹽技術可以將海水溫度直接加熱到至少80 ℃。與海水脫鹽技術相比，它可以節省大量能源和運營成本，而不會造成污染環境。當前，高溫熱泵技術可以廣泛用于海水淡化，以提高能源效率并減輕淡水源的缺乏。

6.2 電廠廢熱

通常來說，大型發電廠的熱效率只有40%，會導致環境中出現了大量的熱量。目前，在冷卻的過程中，結合冷卻水進行循環，使電廠在大氣中釋放出一定的熱量，會在很大程度上造成大氣的污染，熱源的消耗也較為嚴重。發電廠必須充分利用這部分熱量，并將其應用于熱水系統和供暖系統，同時使電廠的綜合熱能利用效率得到提升，產生一定的經濟效益。在熱泵低熱源的供暖期間，發電廠使用循環冷卻水將循環水和水泵連接起來。一旦插入熱交換器，它就會從水泵升起并進入冷卻水池和冷凝器循環水入口冷卻管。

6.3 污水廢熱

目前，由于居民的生活水平越來越高，城市所產生的廢水量也逐步增加，與此同時，污水處理廠的數量也在增加。在污水處理廠中不僅有較多的水資源種類，而且經過處理后，對水質也有較高的要求。應合理利用廢水源熱泵空調，其具有多種特電，如結構簡單、安裝方便和熱交換效率高等。由于目前機房和熱泵系統的出水口必須緊密相連，當距離過長時，需要在地下埋置循環水管道，這可能會造成額外的損失。這種類型的熱泵適用于中小型廢水處理廠和附近的住宅供熱系統。

利用污水泵對污水進行傳輸至熱泵系統蒸發器中，最后將低溫熱源轉換為高溫，污水通過排水管排出。在對自來水進行加熱的過程中有效的利用冷凝器，以滿足用戶的需求。此外，工業企業可以使用高溫水源熱泵技術來回收熱量，而不需要使用冷卻系統，并且可以獲得用于處理生產線的高溫熱水。根據運行中的實際效果對電費進行綜合考慮，企業可以綜合利用高溫水源熱泵和儲熱水箱，以確保節能效果，節省運行成本。

7 結語

熱泵在工業上的應用具有良好的節能效果，可以節省系統的燃煤消耗，電能消耗和水資源消耗，避免了環境破壞。特高溫熱泵在工業上的具體應用，具有節約能源、環保等方面優勢，使制造業的整體經濟效益得以提高，實現其廣泛應用。