“零碳”食品工廠能源閉式循環(huán)技術研究

朱理權 馬莉鋒 童立上

前言

食品工廠通常涉及各類冷、熱使用場景，且用能溫度在2℃-125℃等的大區(qū)間范圍，從而使得提供的能源品位高低需求不等，用能點多且散。

上海交大王如竹教授領銜的能源-空氣-水ITEWA創(chuàng)新團隊分析指出中國的熱能需求在終端能源消耗占比應超過41%，其中低于150℃的中低溫熱能需求占比應超過23%，用熱溫度范圍如圖1[1]。中低溫、大區(qū)間溫度范圍的熱能需求，對如何分級、高效、系統(tǒng)的規(guī)劃、設計、管理提出了挑戰(zhàn)。因此需要通過精細化的能源管理，把分散的且能源品位高低不一的余熱回收使用，形成冷、熱站等儲能站，形成能源集控，有利于利用分散的低品能源，提高梯級用能。同時起到削峰填谷，穩(wěn)定設備負荷。

圖1 建筑和工業(yè)的用熱溫度范圍Figure1 The sequence number of industrial processes

首先，建立全廠能源管理系統(tǒng)路線，其主要目標是建立閉環(huán)式能源循環(huán)系統(tǒng)、“零碳”智慧工廠。實現(xiàn)能源生產(chǎn)內(nèi)部循環(huán)流轉，產(chǎn)能用能管能全流程環(huán)節(jié)控制，有效地提高企業(yè)能源管理水平和能源利用效率，為單體設備、各生產(chǎn)裝置和整個企業(yè)的多方位節(jié)能。然后，通過中央儲能站式熱能綜合回收使用技術提升能源品位，達到用能要求。冷熱站回收的能量，可以在滿足工藝需求下直接進行冷熱交換使用，也可進行提升使之滿足負荷端需求。能源品位提升可通過熱交換補冷熱的方式或利用熱泵對冷熱進行能源品位提升。由于水源熱泵的熱源溫度全年較為穩(wěn)定，一般為10 ～25℃，其制冷、制熱系數(shù)可達3.5 ～4.4，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運行費用為普通中央空調的50%～60%。因此利用空氣、水源復用熱泵來雙向提供冷水和熱水。因此利用空氣、水源復用熱泵來雙向提供低溫冷水和高溫熱水源。

1 能源閉式傳遞使用系統(tǒng)的提出

冷和熱、溫度高與低，是相對的概念，生產(chǎn)過程中，通常需要的是比自然界溫度相對低的低溫和相對高的高溫。根據(jù)熱力學第二定律，熱量只能從高溫體向低溫體傳遞，而不能自發(fā)地從低溫體向高溫體傳遞。若要使熱量從低溫體傳遞到高溫體，必須消耗一定的能量，這就是由壓縮機來做功實現(xiàn)上述逆過程，消耗外界能量從而使熱量從低溫體向高溫體傳遞的技術，稱為人工制冷技術[2]。因此工廠的用冷過程需要向外交釋放熱量，釋放的熱量包括制冷傳遞的熱量及機械做功產(chǎn)生的熱量。食品加工過程中的通常需要通過加熱殺菌等工藝進行產(chǎn)品生產(chǎn)，這就需要外界提供熱源。因此可以通過將制冷向外界釋放的熱量回收正向傳遞給加熱熱源熱量。為便于實現(xiàn)對不同溫度需求的熱源，將回收的熱量進行集中綜合管理使用，最大的發(fā)揮熱量的潛能。通過中央儲能站式熱能綜合回收使用技術提升能源品位，達到用能要求。冷熱站回收的能量，可以通過外界熱量加熱或者機械做功方式進行溫度提升從而達到工藝所需的使用條件，從而建立閉環(huán)式能源循環(huán)系統(tǒng)，其能源傳遞系統(tǒng)如圖2。

圖2 能源傳遞系統(tǒng)架構Figure2 Energy transfer system architecture

2 能源閉式系統(tǒng)的關鍵技術研究

2.1 分散能源的采集技術

一般食品工廠末端的熱量都是分散的、品位低且不一致。如何將這些熱量有效利用，關鍵在于回收的熱量能否達到可供生產(chǎn)的熱量總量和熱能品位。這就需要一個能夠進行集中回收并可以將熱能品位提高的技術，因此本文提出采用中央冷熱能儲能站技術，通過載冷劑和載熱劑將分散的末端能源回收集中。形成一個可供二次利用的能源供應站。

2.1.1 熱負荷平衡計算

可利用的熱能包括制冷壓縮機熱量q1；循環(huán)冷卻水熱量q2；殺菌末端冷卻水熱量q3;空壓機壓縮機熱量q4；其他生產(chǎn)設備末端熱量q5 等

總可利用熱量q=q1+q2+q3+q4+q5

食品工廠供熱通常包括食品工藝熱負荷Q1；采暖空調熱負荷Q2；生活用熱負荷Q3；熱損失負荷Q4；其他熱負荷Q5

總熱負荷Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5

因此設計熱站最小儲熱量為q，工廠總熱負荷為Q；

需外部補充熱量ΔQ1；

熱站熱平衡圖如圖3：

圖3 熱站熱平衡圖Figure3 Heat balance of heat center diagram

2.1.2 冷負荷平衡計算

總回收冷源

工藝用冷殘值冷量l1、環(huán)境用冷殘值冷量l2、制冷殘值冷量l3、其他用冷殘值冷量L4；

總冷負荷

工藝用冷L1,環(huán)境用冷L2,儲運用冷L3，其他冷負荷L4；

工藝用冷L1 按熱平衡方法計算,環(huán)境用冷L2 可參照《工業(yè)建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》[3]負荷計算方法，儲運用冷L3 可參照《冷庫設計規(guī)范》[4]總冷量負荷計算方法。

需外部補充制冷量ΔL1；

冷站熱平衡圖如圖4：

圖4 冷站熱平衡圖Figure4 Heat balance of Cool center diagram

從熱力學第一定律量原理出發(fā)，能量既不能憑空產(chǎn)生，也不能憑空消滅，它只能從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到另一個物體，在轉移和轉化的過程中，能量的總量不變。如果單純通過熱傳遞來改變物體內(nèi)能，要產(chǎn)生ΔL1 的冷量，就會有相同的熱量轉移或轉化。那么我們是否可以通過一種熱量高效轉移系統(tǒng)，將制冷需轉移的熱量去有效開發(fā)成為可使用的熱能，從而解決全部或部分熱平衡所需的外部補充熱量，達到“零碳”熱量傳遞使用，其熱平衡公式如下：

λ—熱量做功或熱傳遞的效率，與各傳熱單元傳熱系數(shù)、運行熱損耗量、可利于熱能比例等有關。

ΔQ1—熱負荷

ΔQ—外部能量

從以上研究分析看出，關鍵點在于解決如何高效的熱能傳遞或轉移熱能。在工廠用能溫度范圍廣，用能點分布散，使用工況復雜的特點情況下，把分散的且能源品位高低不一的能量轉移回收并且達到工廠生產(chǎn)所需的能量數(shù)量和質量要求。勢必需要適應這一工況的一種能力的轉移提升技術，熱泵技術能夠有效滿足這一需求。

2.2 能量轉移提升技術

熱泵是一種將低位熱源的熱能轉移到高位熱源的裝置，也是目前全世界備受關注的新能源技術。 熱泵通常是先從自然界的空氣、水或土壤中獲取低品位熱能，經(jīng)過電力做功，再向人們提供可被利用的高品位熱能。如圖5 熱泵循環(huán)示意圖所示，它是在低溫下提取熱量，通過用電來做功，把溫度較低的熱量提高到溫度較高的品位釋放出去，只要找到合適的低品位熱源，熱泵就可以高效地實現(xiàn)由電變熱，這是未來實現(xiàn)零碳能源非常重要的一條路徑[5]。食品工廠生產(chǎn)過程中排放的余熱，可以成為熱泵最好的熱源。

圖5 熱泵循環(huán)示意圖Figure5 Schematic diagram of the heat pump cycle

因此，通過熱泵將制冷散發(fā)的熱量轉化成高品位的熱能，從而實現(xiàn)滿足生產(chǎn)工藝所需冷熱雙向需求。實現(xiàn)熱量在工廠運行系統(tǒng)介質內(nèi)的閉式傳遞，達到零碳排放。為實現(xiàn)這一目的，需要大溫差范圍的熱泵，達到冷端低溫級換熱，熱端高溫級換熱。因此在工廠冷熱雙向需求的工況下，為滿足冷熱雙工況下不同載冷劑和載熱劑的熱能傳遞，并且實現(xiàn)能力轉移過程中將熱能或冷負荷達到使用工況要求，為此，本文提出一種冷熱雙工況覆疊型熱泵應用技術，雙工況覆疊型熱泵的中間換熱器用于連接兩個獨立的循環(huán)，將熱泵分成了高溫級和低溫級，低溫級的冷凝熱用于高溫級的蒸發(fā)過程。 相比多級壓縮，其最大的優(yōu)點是兩級可以分別用不同的工質，二者均在最佳的工作溫區(qū)[6]。雙工況覆疊型熱泵系統(tǒng)的主要研究方向有實現(xiàn)超大溫升、開發(fā)工質對、提升系統(tǒng)能效等。Schlemminger 等[7]搭建了一臺能夠同時在 0℃左右蒸發(fā)和 115℃左右冷凝的復疊熱泵機組，剛好可以滿足牛奶生產(chǎn)過程的冷熱需求。

3 能源閉式傳遞使用系統(tǒng)模型建立

根據(jù)之前建立的工廠能源傳遞系統(tǒng)架構，建立如圖6能量傳遞模型，冷端提供的冷負荷通過載冷劑集中到冷站，冷站的冷媒通過熱泵蒸發(fā)器端的吸熱，將熱量輸送到中間換熱器，通過中間環(huán)熱器將熱量傳遞給另一側的媒介，另一側經(jīng)壓縮后冷凝釋放熱量，通過載熱劑將熱量傳遞到熱站，熱站將熱量輸送到末端用熱端。這種冷熱雙工況性質，可以提高綜合性能系數(shù)CCOP，CCOP=EER+COP， 根據(jù)地源熱泵機組GB/T 19409 - 2013 表3[8]，冷熱水型EER、COP 均可達到4 以上，綜合性能系數(shù)可達4 - 8。

圖6 雙工況覆疊型熱泵能量傳遞系統(tǒng)模型Figure6 Model of double-case stacked heat pump energy transfer system

熱平衡計算： Q 放=Q 吸

實際應用中，應先定性分析找出系統(tǒng)吸收熱量有哪些途徑，然后定量分析找出系統(tǒng)放出熱量有哪些途徑。最后利用系統(tǒng)熱平衡求解系統(tǒng)通過某一途徑吸收或放出的熱量。

可計算熱量計算公式如下：

Q — 熱泵有效轉移能量 ΔQ1 — 總需求熱量

ΔQ — 外部能源供熱量

ΔL1 — 冷端制冷量

根據(jù)工廠實際使用總結分析，該系統(tǒng)理想工況能實現(xiàn)0℃-100℃的梯級溫升，冷端提供20℃以下的冷水， 10℃的冷水為理想工況；熱端提供60℃以上的熱水， 80℃的熱水為理想工況[9]。

4 實例測算及經(jīng)濟效益分析

4.1 計算分析

以華東地區(qū)某日產(chǎn)量1000 噸鮮奶工廠為例測算

1）冷端熱量計算：

生產(chǎn)車間的水、汽估算有三種方法：按生產(chǎn)線的能耗來估算，按單位產(chǎn)品耗水、耗汽量定額來估算，單機設備的能耗估算[10]。本文按單位產(chǎn)品來估算。

?

制冷端總熱負荷為13329KW/H。冰水制冷量：按照日產(chǎn)1000 噸產(chǎn)能，則需7350KW。車間暖通熱負荷3129 KW，合計約10479 KW ，塔水循環(huán)水2850 KW.從理論上根據(jù)能量守恒，冷端吸收冷量q 的同時會釋放等同熱量Q，通過熱站可實現(xiàn)回收部分熱量，從而應用于熱端通過覆疊熱泵提供雙向冷、熱源，冷端產(chǎn)出5 度冰水，熱端產(chǎn)出80 度熱水，供冷熱端用能。

2）熱端熱量計算：

?

配料殺菌用能溫度需求較高，回收的低品味能源使用條件不滿足，因此其余工藝所需熱量為11750KW/H。

3）ΔQ = ΔQ1 - Q = 11750 - 0.72×10479 = 4205 KW/H

注：以上為工廠提供的資料估算所得

根據(jù)以上計算熱量，該工廠可設計熱站100 噸保溫罐，冷站100 噸保溫罐，采用雙工況覆疊型熱泵回收制冷壓縮機能量、循環(huán)塔水能量，提供CIP 和清洗用水80 度熱水。另使用130 度蒸汽約7.8t/h，便可滿足日產(chǎn)量1000 噸鮮奶工廠全廠的清洗消毒熱量。

4.2 經(jīng)濟測算對比

同樣以鮮奶工廠為例。

1）使用蒸汽成本，每KW 熱值使用成本計算：

蒸汽鍋爐一噸的蒸汽的熱量按標準說；1 噸蒸汽=0.7兆瓦（700KW)=250 萬焦耳

按照100%的利用率，使用市政蒸汽單價320 元/噸，每KW 熱值的使用成本為：（320 元/噸）÷ 700KW = 0.457 元/ KW。

2）使用空氣源熱泵成本，每KW 熱值使用成本計算：

完全使用空氣源，按照平均溫度20℃，平均COP = 3。電價平均值為0.86 元/ kWh

每KW 熱值的使用成本為：0.86 元/ kWh÷3 = 0.287 元/KW。

以上KW 熱值的使用成本節(jié)省比例為：

（0.457 元/KW - 0.287 元/ KW）/0.457 元/ KW = 37%

3）使用空氣源+循環(huán)水余熱回收（降溫），按照平均溫度20℃，平均制熱COP = 4.2，平均制冷EER = 2，電價平均值為

0.86 元/kWh

每KW 熱值的使用成本為：0.86 元/ kWh ÷ 4.2 = 0.139 元/ KW。

以上KW 熱值的使用成本節(jié)省比例為：

（0.457 元/KW - 0.139 元/ KW）/0.457 元/KW=70%

注：以上計算不包含額外節(jié)省了冷卻塔等制冷的費用。

4）按1000 噸/日產(chǎn)量，熱量傳遞效率系數(shù)λ 取0.72

則熱泵系統(tǒng)相對使用蒸汽節(jié)約費用18832 元/日，噸產(chǎn)品節(jié)約成本18.83 元/噸。

注：該工廠所在地區(qū)能源成本（2022 年）：蒸汽280-330 元/噸、電8.6 元/度、水3.75 元/噸、天然氣3.57 元/立方米（非官方數(shù)據(jù)，僅供計算對比）

5 總結

食品工廠能源使用呈現(xiàn)分散多點，大區(qū)間溫度范圍要求、用能不連續(xù)且不穩(wěn)定的特性，對能源的回收使用提出了挑戰(zhàn)。為適應這一需求，集中式的能源站可以有效解決這問題，將分散的低品味能源回收集中進行儲能，并利用熱泵實現(xiàn)高效的電變熱，最終達到即時、穩(wěn)定、按需的能源動力供應系統(tǒng)。這種集中式的能源循環(huán)系統(tǒng)，將能源充分回收，按照能源正向的傳遞路線，在工廠內(nèi)部運行系統(tǒng)內(nèi)流轉能量，達到能源閉式循環(huán)使用的目的。在這系統(tǒng)中，首先要理清工廠工藝系統(tǒng)中的能源可傳遞線路系統(tǒng)，從而確定能源綜合回收利用系統(tǒng)。然后尋找工廠存在的能源無功釋放點，通常在能源傳遞末端，根據(jù)能源動態(tài)傳遞的需求量確立儲能站的規(guī)模，并將儲能站和能源傳遞線路系統(tǒng)結合，確立能源系統(tǒng)內(nèi)各項參數(shù)指標。最終實現(xiàn)工廠 “零碳”、“閉式”的能源循環(huán)使用。