工業高溫熱泵發展現狀與展望

胡 斌 姜佳彤 吳 迪 蔡 宏 王如竹

(1 上海交通大學制冷與低溫工程研究所 上海 200240;2 上海諾通新能源科技有限公司 上海 200240)

2020年全年,中國共排放CO2103.76億t,其中工業排放CO2最多,排放量為51.63億t,占比50%[1],因此實現碳中和目標的關鍵是有效控制工業碳排放。工業部門的脫碳手段包括提高工藝效率和應用新工藝兩方面來減少最終能源消耗,如余熱回收、使用可再生能源代替化石能源等。

熱能是最大的能源終端用戶,占全球最終能源消耗的50%[2]。2020年,中國消耗了全球熱量的25%[3],其中60%以上用于工業過程[4],通常這些熱量由工業鍋爐提供。工業鍋爐在制造行業中被廣泛采用,多以分散式安裝運行,平均容量約為3.8 t/h。近年來,我國工業鍋爐正向電氣化、燃氣化發展,小型鍋爐產品在統計產品中占比逐年上升,其中臺數占比已超過50%。中國各部委發布了一系列與工業鍋爐相關的政策,包括國家鍋爐行動計劃[5],以減少能源使用和控制燃煤工業鍋爐的污染。目前燃煤鍋爐的替代品(如燃油鍋爐、燃氣鍋爐、電鍋爐和生物質鍋爐)具有明顯的局限性和缺點,一定程度上限制了其推廣應用。因而,采用工業熱泵取代工業鍋爐將成為供熱脫碳的重要解決方案[6]。

我國工業消耗的能源有50%以上以廢氣和廢水的形式轉化為余熱,其中僅30%被重新利用[7],這是能源利用效率低下的原因之一。作為一種主動熱回收裝置,工業熱泵可借助外部能源將工業過程中的余熱溫度提至更高溫度,以用于同一過程或其他過程的熱需求。工業熱泵的價值在于通過使用低碳電力減少供暖碳排放的能力,具有提供大規模、靈活性的熱能潛力以及降低平衡電力系統和在用戶端消耗熱能的成本。因此,工業熱泵可從根本上實現熱量和電力的脫碳。本文將回顧國內外工業熱泵的發展現狀,對高溫/蒸汽熱泵及其在工業領域的應用潛力進行分析,對節能和碳減排潛力進行估算,為后續推進高溫/蒸汽熱泵技術進一步發展以及在工業領域的應用發展提供指導。

1 工業熱泵技術現狀

1.1 系統循環

蒸汽壓縮熱泵系統是基于逆卡諾循環并通過理想等熵壓縮和等焓膨脹進行改進。最常見的循環是單級壓縮循環,包括原始的單級、帶有補氣增焓或噴射器以改善循環性能的單級循環以及配有經濟器和中間換熱器的單級循環。多級系統采用多次壓縮,以機械能消耗為代價,實現更高的輸出溫度。復疊式熱泵系統將兩種或多種工質的循環耦合起來,以實現更大的溫升。混合熱泵系統將蒸汽壓縮熱泵與吸收、吸附、太陽能或化學熱泵等其他熱力系統集成在一起。

余熱回收熱泵系統的典型循環包括單級、多級、復疊熱泵和并聯熱泵。在這些基本配置的基礎上,有效的改進(增加過冷器、中間換熱器、補氣增焓、噴射器等)可以進一步提高系統效率或降低排氣溫度。單級熱泵是基本循環,具有連接、運行、維護簡單的優點,但由于壓縮比較低,溫升受到限制,且用于大容量機組時,組件需要定制。帶過冷器的單級熱泵可增加制熱量,改善系統性能。安裝在蒸發器后的中間換熱器通過吸收冷凝器后過冷液體的熱量,在蒸汽進入壓縮機之前對其進行預熱,提高壓縮機入口溫度可提高排氣溫度,進一步擴大應用范圍。熱泵中增加的噴射器可將低壓飽和蒸汽從高壓輸送至中壓,降低壓縮機功耗,節省投資。多級壓縮式熱泵可大幅提高溫升,適用于熱源和熱量需求相差較大的情況。中間冷卻、補氣增焓、噴液冷卻在降低壓縮機排氣溫度方面表現良好,確保了壓縮機的安全運行。通過組合使用不同制冷劑的兩個熱泵系統,復疊熱泵可利用不同工質在不同溫區的優勢,實現更高的溫度提升,系統性能受制冷劑匹配和中間換熱溫度的影響。并聯熱泵系統一般分為并聯壓縮和并聯循環兩種,可實現熱水的梯級加熱,降低傳熱溫差和換熱損失,與并聯壓縮相比,并聯循環在系統性能改善方面表現更好。

上述熱泵系統循環是目前較為成熟的循環形式,工業熱泵主要用于生產高溫熱水(熱空氣)和蒸汽,下文將重點分析適用于工業熱泵的系統循環形式。

1.1.1 熱水(熱空氣)制備循環

在供暖、干燥、洗滌和消毒等工藝過程中均需使用大量熱水,通常由工業鍋爐供應,鍋爐以煤炭、石油或天然氣為燃料,生產過程中產生的余熱由冷卻塔冷卻。

干燥過程廣泛應用于各種生產線,如工業原料、化肥、食品和醫療用品、日用品等。干燥的操作和溫度不僅取決于產品的物理性質和條件,還取決于過程的規模和頻率。例如,作為縮短干燥時間的一種方法,在揮發、干燥涂漆過程中,通常使用約120 ℃的熱空氣,該熱空氣一般通過鍋爐、燃燒器或電加熱器產生。

采用熱泵技術生產熱水(熱空氣),可根據溫升的大小,采用單級壓縮、雙級壓縮、復疊壓縮等循環方式,在熱源溫度較低時可采用跨臨界CO2循環[8-9]。循環流程如圖1～圖3所示。

圖1 單級壓縮循環

圖2 雙級壓縮循環

圖3 復疊循環

亞臨界熱泵循環的溫度上限由制冷劑臨界溫度決定,必須保持與所需冷凝溫度之間約10～15 K的溫差,以確保亞臨界熱泵運行。冷凝溫度越接近臨界點,冷凝焓和COP越小。CO2適用于跨臨界或超臨界熱泵循環[10],在氣體冷卻器中,CO2溫度滑移大,因此適合用作熱水器、加熱空氣,被推薦作為80～100 ℃熱水、熱空氣的熱泵機組。

1.1.2 蒸汽制備循環

蒸汽具有高潛熱和傳熱性能,是一種便捷的加熱流體。與其他加熱流體(如空氣)相比,蒸汽的流速和管道直徑更加合理。與液態水相比,蒸汽具有更高的比熱容,可在無需高壓的情況下過熱到高溫。此外,冷凝過程中可在恒定溫度下利用蒸汽的高潛熱,加熱效率遠高于單相液態水。為得到不同溫度的熱水,可采用蒸汽與熱水混合的方法。因此蒸汽是較為理想的用熱載體。

具有巴氏殺菌等應用的工業過程中干燥和蒸餾在100～125 ℃的溫度范圍內有熱需求,該溫度區間正好是微壓蒸汽熱泵機組(熱水溫度<120 ℃)的適用范圍。微壓蒸汽熱泵機組應用于低品位回收領域,可回收余熱水、乏汽、乏風等余熱,生產微壓蒸汽。微壓蒸汽的制備可視溫升的不同采用單級壓縮[11]、雙級壓縮、復疊壓縮等配合閃蒸罐[12]的循環方式,循環流程見圖4～圖6。

圖4 單級壓縮+閃蒸循環

圖5 雙級壓縮+閃蒸循環

圖6 復疊壓縮+閃蒸循環

當熱水溫度大于120 ℃,大部分低GWP制冷劑脫離亞臨界狀態,少數能使用的制冷劑(如R1336mzz(Z)、R1234zd(E))由于冷凝溫度接近臨界溫度,冷凝潛熱和COP較低。此時在微壓蒸汽熱泵機組基礎上,增加水蒸氣壓縮機直接對閃蒸罐出口的微壓蒸汽進行升溫升壓,蒸汽使用溫度最高可達175 ℃。本文將制備120～175 ℃飽和水蒸氣的熱泵機組稱為低壓蒸汽熱泵機組。

在120～175 ℃的溫度區間內,低壓蒸汽熱泵機組進一步提升了高溫熱泵的使用范圍,可滲透至過去未能觸及的領域(如醫藥與食品的消毒和滅菌、化學行業的分離、紙張行業的烘干)。低壓蒸汽的制備可視溫升的不同采用單級壓縮、雙級壓縮、復疊壓縮等配合閃蒸罐的循環方式,循環流程見圖7～圖9。

圖7 單級壓縮+閃蒸+蒸氣壓縮循環

圖8 雙級壓縮+閃蒸+蒸氣壓縮循環

圖9 復疊壓縮+閃蒸+蒸氣壓縮循環

1.2 制冷劑壓縮技術

熱泵機組是制冷劑、結構、部件的集成,對熱泵性能具有決定性影響,壓縮機是熱泵機組的核心部件,本節總結了目前適用于工業熱泵的主要壓縮機型式。

1.2.1 往復壓縮機

往復式壓縮機迄今仍是應用最廣泛的一種機型。Viking與AVL Schrick合作開發了HeatBooster高溫熱泵[13],制熱量為200 kW,最高輸出溫度為150 ℃,使用活塞式壓縮機,該壓縮機可在高達200 ℃的溫度下工作40 000 h,工質使用R1336mzz(Z),潤滑油使用聚烯烴油(POE)。

來自Mayekawa的Eco Sirocco高溫熱泵[14]采用CO2跨臨界循環,可提供100～120 ℃的熱空氣,當回收25 ℃廢熱水并提供120 ℃的熱空氣(進氣溫度為20 ℃)時,系統COP達到2.9,熱泵的制熱量約為90 kW。

Dürr thermea的thermeco2高溫熱泵[15]可工作的熱源溫度為8～40 ℃,供熱溫度高達110 ℃,制熱量為0.051～2.2 MW。根據要求的容量,最多可并聯6臺活塞式壓縮機。thermeco2 HHR1000熱泵在供熱溫度為80 ℃(入口溫度為20 ℃)和熱源溫度為20 ℃(溫升為60 ℃)時的COP為3.9。

Combitherm GmbH的HWW R245fa系列高溫熱泵產品[16]使用活塞式壓縮機,供熱溫度高達120 ℃,制熱量為62～252 kW。在與Dürr Ecoclean GmbH的一個合作項目中使用了該機組,回收工件清洗廠50 ℃的余熱,供熱溫度達到100 ℃,COP為3.4。

Johnson Controls生產的單級Sabroe HeatPAC HPX熱泵[17]中使用的活塞式壓縮機可承受高達6 000 kPa的壓力,在熱源溫度為39 ℃、供熱溫度為90 ℃下,以4.0的COP提供326～1 324 kW的熱量。

奧地利格拉茨理工大學[18]開發了一種R600熱泵樣機,制熱量為40 kW,使用改進的、變頻驅動的分離罩活塞壓縮機,首次實驗表明,在熱源溫度為60 ℃、供熱溫度為110 ℃條件下可穩定運行,COP為3.5。

1.2.2 渦旋壓縮機

為將蒸氣壓縮循環的能耗降至最低,一個關鍵方法是降低壓縮機的能耗,以達到所需的壓縮比。近年來,渦旋壓縮機的發明被認為是壓縮機技術的重大突破。渦旋壓縮機的效率比標準往復式壓縮機約高10%,這種改善主要有3方面原因:1)吸入和排出過程是分開的,與往復式壓縮機相比,渦旋壓縮機吸入氣體進入壓縮機時不會向其添加熱量;2)壓縮過程在540°旋轉范圍內緩慢進行,而往復式壓縮機的旋轉范圍為180°,因此,驅動扭矩的波動僅為往復式壓縮機的10%;3)渦旋壓縮機能夠消除吸入閥和排出閥,這是往復式壓縮機壓力損失的來源。此外,由于渦旋壓縮機運動部件較少,且在液擊條件下能更好地運行,因此具有更高的可靠性。

AlterECO項目[19]設計了一臺最高冷凝溫度為140 ℃、制熱量為200 kW的高溫熱泵,使用新型ECO3混合制冷劑(含有R245fa),兩臺功率均為75 kW的渦旋壓縮機并聯運行。

天津大學[20]研究了一種新的二元近共沸混合物BY-5,應用于帶有渦旋壓縮機、儲液罐和氣液分離器的單級高溫熱泵。制熱量為16～19 kW,供熱溫度高達130 ℃。在熱源溫度為80 ℃、供熱溫度為130 ℃時,COP約為2.2。

格力空調研究了使用恒速渦旋壓縮機和R245fa作為制冷劑的單級熱泵系統的性能。最高出水溫度為114 ℃、冷凝溫度為120 ℃、溫升為49 ℃、COP可達5.18。

1.2.3 雙螺桿壓縮機

雙螺桿壓縮機是一種工作容積作回轉運動的容積式氣體壓縮機械,它依靠原始容積的周期性變化來完成吸氣、壓縮和排氣的過程。按運行方式的不同,雙螺桿壓縮機分為無油雙螺桿壓縮機和噴油雙螺桿壓縮機。雙螺桿制冷壓縮機均采用噴油潤滑的方式運行。在噴油雙螺桿壓縮機中,大量的潤滑油被噴入所壓縮的氣體介質中,起到潤滑、密封、冷卻和降低噪聲的作用。壓縮機不設置同步齒輪,陽轉子直接帶動陰轉子旋轉。

Kobelco的HEM-90A高溫熱泵[21]采用半封閉變頻雙螺桿壓縮機,從環境空氣中輸送高達90 ℃的熱水,用于食品、飲料、汽車和化學工業。使用的制冷劑為R134a和R245fa的混合物。以10～40 ℃的空氣為熱源,制熱量約為70～230 kW,COP為1.7～3.0。

最新一代GEA Grasso[22]雙螺桿壓縮機的壓力高達6 300 kPa,因此可將溫度降至90 ℃。當熱源溫度為35 ℃,供熱溫度為80 ℃時,COP為5.0,制熱量為14 MW。

為解決高溫熱泵運行時熱源溫度波動大、壓縮機外壓比變化導致的內外壓比不相同問題,邢林芬等[23]提出采用經濟器補氣過程調節雙螺桿壓縮機運行過程中的壓縮最終壓力,消除欠壓縮過程,使壓縮過程接近多變過程,提高壓縮效率與熱泵能效。

1.2.4 單螺桿壓縮機

單螺桿壓縮機具有回轉壓縮機普遍具有的結構簡單、體積小和無氣閥組件等特點。同時還具有許多獨特的優點:結構合理,具有理想的力平衡性;單機容量大,無余隙容積;高速輕載,易于建立流體動力潤滑。上述優點主要是由于兩個星輪在螺桿兩側對稱配置產生的。單螺桿壓縮機的主要缺點是中、高頻率的噪聲較大,嚙合副與機殼的幾何形狀和相互位置精度要求高。不同于雙螺桿壓縮機,單螺桿壓縮機不存在同步齒輪結構,因此轉子與星輪需要良好的潤滑來減少直接接觸帶來的磨損,這表明單螺桿壓縮機主要用于噴油壓縮。

Ochsner[24]使用單螺桿壓縮機的高溫熱泵機組,供熱溫度為95～130 ℃。余熱溫度為35～55 ℃時采用單級壓縮結合經濟器的循環,余熱溫度為8～25 ℃時采用復疊循環,系統制熱量為170～750 kW,通過連接多臺機組(如1.5 MW的雙機組)可實現更高的容量。

Star Refrigeration的Neatpump熱泵[25]可產生高達90 ℃的熱水,制熱量為380～2 600 kW。采用特殊鑄鋼設計的Vilter單螺桿壓縮機技術(VSSH系列)可承受高達7 600 kPa的壓力。在熱源溫度為50 ℃,輸出溫度為90 ℃時,可實現COP約為4。

1.2.5 透平壓縮機

與容積式壓縮機相比,透平壓縮機技術被視為一個有吸引力的選擇。透平壓縮機的優勢如下:高效率的潛力、在高壓比下運行的可能性、緊湊的設計和無油運行。過去幾十年,該技術的進步,尤其高速發電機的引入,使透平式壓縮機甚至可應用于制冷和熱泵領域的小型機組。

丹佛斯的Turbocor TG310[26]是一款雙透平壓縮機,其磁性軸承可實現無油制冷劑回路,制冷劑為R1234ze(E),透平壓縮機的標稱容量為65～310 kW。

Friotherm AG的Unitop系列[27]采用兩級透平壓縮機,工作溫度為40～90 ℃。Unitop 50可實現高達20 MW的極高熱容量。該大型熱泵通常是定制的,斯德哥爾摩地區供暖網絡已建造一臺最大的熱泵,配備了6臺并聯的Unitop 50FY機組。為達到更高溫度,Friotherm將使用臨界溫度為165.5 ℃的低壓制冷劑R1233zd(E)。

格力電器的PSF透平式熱泵[28]采用補氣增焓的兩級壓縮、全工況壓縮機氣動、高速電機直接驅動兩級葉輪、高速永磁同步變頻電機和四象限可控整流器等關鍵技術,與傳統的單級變頻透平式熱泵相比,壓縮機效率和加熱系數提高較大。

無油直接驅動變速制冷透平壓縮機的最新發展和技術(主動磁軸承技術、高速永磁電機技術)也有諸多研究,進一步提升透平壓縮機的性能。

1.3 水蒸氣壓縮機技術

由于水蒸氣的特殊物理性質,機械壓縮機應滿足如下技術要求:1)由于水蒸氣的高比體積而產生的大體積流量;2)避免腐蝕和侵蝕的特殊材料;3)嚴格的軸封要求,以保證壓縮蒸汽純度;4)壓力比高,使壓縮蒸汽的飽和溫升足夠高,以取代鍋爐蒸汽;5)壓力較高時,排放蒸汽溫度低或壓縮蒸汽過熱度低;6)效率高,成本合理。

不同于開式循環中的機械式蒸氣壓縮技術(mechanical vapor recompression,MVC)用于高溫熱泵的水蒸氣壓縮機在系統中運行溫升高、壓比大,適用于溫升較低的羅茨水蒸氣壓縮機與單級透平水蒸氣壓縮機已不能勝任,而多級透平壓縮機與帶噴水功能的雙螺桿壓縮機開始進入人們的視野。

1.3.1 多級透平壓縮機

對各種高溫熱泵工作介質的對比表明,水是冷凝溫度高于100 ℃的最有效介質。對于高溫操作,水是一種優越的工作流體。水蒸氣的一個缺點:當蒸發溫度低于80 ℃時,蒸汽密度相對較低,要求熱泵壓縮機具有較高的容積容量。透平壓縮機具有非常高的體積流量容量,是水蒸氣熱泵的最好解決方案之一。

透平式水蒸氣壓縮機是一種速度型壓縮機。它首先通過葉輪的旋轉增加水蒸氣速度,然后將水蒸氣的動能轉化為膨脹室中的壓力能,從而增加水蒸氣壓力。隨著先進制造技術的發展,越來越多的透平式水蒸氣壓縮機被用于特定系統中。透平式水蒸氣壓縮機的效率不斷提高,壓比范圍也不斷擴大。雖然透平式水蒸氣壓縮機主要用于大流量壓縮設備,但熱泵系統中也使用了小流量透平式水蒸氣壓縮機,表明小流量透平式水蒸氣壓縮機也具有一定的應用市場。

以色列IDE Technologies公司在20世紀60年代至80年代一直是透平式水蒸氣壓縮機技術的先驅。水蒸氣透平壓縮機已應用于熱蒸發器/濃縮器和海水淡化廠。R718透平式冷水機由德國德累斯頓Für Luft研究所和K?ltetechnik[29]于20世紀90年代末開發和制造。

1.3.2 雙螺桿壓縮機

在無油雙螺桿壓縮機中,氣體在壓縮時不與潤滑油接觸。在壓縮機運行過程中,轉子并不直接接觸,相互間存在一定的間隙。陽轉子通過同步齒輪帶動陰轉子高速旋轉,同步齒輪在傳輸動力的同時,還確保了轉子間的間隙。所謂的“無油”,是指氣體在被壓縮過程中,完全不與潤滑油接觸,即壓縮機的壓縮腔或轉子之間無油潤滑。但壓縮機中的軸承、齒輪等零部件,仍采用普通潤滑方式進行潤滑。僅在這些潤滑部位和壓縮腔之間,采取了有效的隔離軸封。為降低干式螺桿壓縮機的排氣溫度,提高單級排氣壓力,發展了向壓縮腔噴水的無油螺桿壓縮機。

自2001年以來,神戶制鋼[30]一直以Kobelco品牌銷售蒸汽發生熱泵SGH120和SGH165。SGH165型號能夠在165 ℃的溫度下從35～70 ℃的工藝余熱中產生蒸汽,并將120 ℃的蒸汽重新壓縮至165 ℃(700 kPa)。該熱泵首選的應用領域是食品和飲料的滅菌,液體和果汁的濃縮、干燥過程以及酒精的蒸餾。半密封雙螺桿壓縮機是專門為高壓和高溫而開發的,余熱溫度為70 ℃時,輸出165 ℃蒸汽,流量為890 kg/h,COP為2.5。

里昂大學[31]利用改進密封和水蒸氣噴射的雙螺桿壓縮機建造了一座實驗裝置,以85～95 ℃的余熱為熱源,冷凝溫度為145 ℃時,可提供超過300 kW的熱量輸出。

2 低GWP制冷劑技術

制冷劑的選擇在蒸汽壓縮熱泵中起著關鍵作用,制冷劑的物性決定了蒸汽壓縮熱泵的性能。目前,制冷劑選擇原則優先考慮制冷劑的全球變暖潛值(Global Warming Potential,GWP)和臭氧損耗潛值(ozone depletion potential,ODP),為保護環境,首選ODP為0,GWP小于150的制冷劑[32]?；谏鲜鲆?低GWP(GWP<150)制冷劑,如天然制冷劑、碳氫化合物(HCs)、氫氟烯烴(HFOs)、氫氯氟烴(HCFOs)近期在蒸汽壓縮熱泵中得到廣泛使用和研究。

氫氟碳化合物R245fa是工業高溫熱泵中使用的主要制冷劑。但其GWP為858,很可能在未來幾年被淘汰(或削減)。天然制冷劑、HFOs、HCFOs被認為是有望取代HFCs的第四代低GWP制冷劑。在高溫熱泵和有機朗肯循環(organic rankine cycle,ORC)發電應用中,R245fa的主要替代品是R1366mzz(Z)、R1234ze(Z)、R1233zd(E)、R1224yd(Z)以及碳氫化合物R601(正戊烷)和R600(正丁烷)。

2.1 HFOs

適用于高溫熱泵的HFOs工質包括R1336mmz(Z)、R1336mmz(E)、R1234ze(Z)、R1234ze(E)。在HFOs制冷劑中,R1336mmz(Z)可以在相對較低的壓力(2 900 kPa)下提供較高的臨界溫度171.3 ℃。該制冷劑不易燃(安全級別為A1)、ODP為0、GWP為2、大氣壽命為22 d。R1336mmz(Z)在250 ℃以下穩定,因此適用于余熱回收、ORC和蒸汽產生等應用。其異構體R1336mzz(E)的GWP約為18、臨界溫度為137.7 ℃。關于R1234ze(Z)的信息相對較少,R1234ze(Z)被認為是輕度易燃,但很難點燃(安全級別為A2L、燃燒速度低于10 cm/s)。

在亞臨界溫度條件下,R1234ze(E)被認為是最合適的制冷劑,R1234ze(E)的COP在較寬的工作范圍內均保持相對較高,這表明其非常適合常規熱泵的工作條件,能夠很好地適應各種熱需求和熱源。相對于其他HFOs工質,R1234ze(E)的體積熱容量僅低于R1234yf,優于其他工質。隨著冷凝溫度的升高,R1234yf相比R1234ze(E)的COP衰減嚴重,R1234ze(E)的壓比逐漸大于R1234yf。至于過熱程度,R1234ze(E)介于2.6～4.9 ℃之間,在較寬的工作區域內始終低于5 ℃,且不存在濕壓縮問題。

2.2 HCFOs

適用于高溫熱泵的HCFOs工質包括R1233zd(E)與R1224yd(Z)。

在可用的HCFOs中,R1233zd(E)被認為是適用于高溫熱泵的制冷劑。其ODP為0.003 4、GWP為1、臨界溫度為166.5 ℃、臨界壓力為3 620 kPa、安全類別為A1。已被證實用于高溫熱泵時具有優異的性能[33]。

R1224yd(Z)是一種安全類別為A1的非易燃制冷劑,主要用于透平式制冷機和余熱回收熱泵。由于ODP(大氣壽命為21 d)幾乎為0,GWP低于1,R1244yd(Z)對環境的影響較小。其物理性質與R245fa和R1233zd(E)非常接近。此外,它還與最常用的金屬、塑料和彈性體具有良好的相容性,并且可與合成油(如POE)混溶。根據分析,與經典熱泵工質相比,R1233zd(E)可在COP和單位體積制熱量(VHC,volumetric heating capacity)之間做出很好的折中[34],其VHC較高(當VHC是唯一標準時,它是供熱出口溫度低于140 ℃的首選流體),同時COP也較高,因此可能是一種適合的流體,尤其適用于熱源入口溫度大于65 ℃的范圍。

2.3 天然工質

適合高溫熱泵的天然制冷劑有水(R718)、二氧化碳(R744)、氨(R717)、碳氫化合物(HCs)等。

2.3.1 水

水作為制冷劑具有自身的特點,優點如下:1)水的ODP為0,GWP小于1,表明水對臭氧層無損害,對全球變暖的影響較小,是一種環境友好的制冷劑,未來不會受到限制;2) 原料易得、成本低,自然界中有大量的水,與任何其他種類的制冷劑相比,水是最容易獲得和最經濟的制冷劑,自來水、經處理的廢水或經過粗過濾的河水均可直接用作補給水;3) 安全性好,水無毒、不易燃、不易爆,不具有其他危險性質,無論發生液體或氣體泄漏,水均不會造成安全問題,是最安全的制冷劑,這也保證了水在使用后無處理問題;4) 穩定性好,經久耐用,水的化學性質非常穩定,長期使用不會分解;5) 巨大的汽化潛熱,與丙烷、氨和二氧化碳相比,水的蒸發潛熱和單位質量制冷量較大;6) 系統運行安全,水壓差較小,減少了安全預防措施;7) 理論性能系數高,與CFCs相比,水具有較高的 COP;8) 以水為制冷劑的系統可使用直接熱交換器進行蒸發和冷凝。

水蒸氣作為制冷劑缺點如下:高壓比(由高比容所致),以及由此產生的壓縮機出口溫度較高。上述缺點均可通過專門開發的壓縮機來克服,尤其是帶有級間冷卻器的多級渦輪壓縮機。當前,COP高的制冷系統是主要目標,但其并非決定使用何種制冷劑的唯一因素。ODP和GWP等環境參數愈發嚴格,還需考慮制冷劑的經濟成本和安全性能。就上述方面和上述特定操作條件而言,水是最好的制冷劑。

2.3.2 二氧化碳

CO2熱泵機組通常尺寸較小,已實現較普及的商業化應用。依靠氣體冷卻器中的高跨臨界溫度滑移,CO2熱泵跨臨界循環系統中供熱溫度可達90～120 ℃。

天然制冷劑CO2屬于第一代制冷劑。相比NH3更安全,可用于冷卻和加熱場合。CO2具有高流體密度和工作壓力,可使用輕型熱泵系統。CO2體積制冷量是CFCs、HCFCs、HFCs和HCs制冷劑的3～10倍[35],在制冷循環中優勢巨大。雖然臨界溫度低至31 ℃,但臨界壓力高達7 360 kPa,幾乎是傳統制冷劑的5～10倍,因此在一定程度上限制了CO2的高溫應用。對于供暖,跨臨界循環是使用最廣泛的CO2熱泵配置。從CO2的T-s圖和T-h圖可知,在接近臨界溫度時,隨著溫度的降低,焓和熵急劇下降,提高了氣體冷卻器的加熱性能,具有高壓阻力的氣體冷卻器確保了通過更高的流速改善傳熱的可能性,緊湊型熱交換器更適合高壓,使CO2成為一種特別適用于家庭的冷水加熱和進回水溫差較大的其他工藝。此外,巨大的壓差導致膨脹過程中不可逆節流損失高,COP較低。

2.3.3 氨

NH3是一種良好的制冷劑,具有優異的熱力學性能和傳熱性能,已廣泛應用于加熱和冷卻系統。在美國,超過95%的工業制冷使用NH3,NH3在歐洲也占據較高的市場份額。雖然NH3在一定濃度下具有毒性,必須采取某些安全預防措施,但其存在明顯的刺鼻氣味,泄漏時易察覺。

由于NH3具有較高的體積制熱量,因此在大容量需求中具有競爭優勢,小體積壓縮機足以滿足相同的供熱能力。與其他制冷劑相比,NH3的成本更低。NH3高溫熱泵的輸出溫度也受高壓特性的限制,例如,97.5 ℃飽和溫度對應飽和壓力為6 000 kPa。大多數NH3高溫熱泵的供應溫度限制在90 ℃[36]。壓縮機材料的改進使NH3壓縮機在更高排氣溫度(約110 ℃)下的壓力增至7 600 kPa成為可能[37]。

2.3.4 碳氫化合物

HCs中正丁烷(R600)和戊烷(R601)是零ODP和極低GWP的制冷劑。價格低廉,在3 800 kPa和3 370 kPa時的臨界溫度分別為152 ℃和196.6 ℃。但HCs易燃性高(A3),必須采取特殊的安全措施,因此建議將HCs用于充注量小的小型系統。根據文獻[38],實驗室設備的HCs最大容量限制為150 g,用于具有防爆資質的商業機組充注量限制為2.5 kg。

3 工業熱泵技術發展展望

在當前的電力結構下,由于熱泵運行具有較高的COP,實施該技術將直接減少一次能源消耗以及 CO2排放。根據電力生產的平均CO2排放強度,熱泵的實施使排放量減少至化石燃料驅動過程的33%(減少67%)。若電力系統完全脫碳,熱泵驅動過程的排放量將降至0(100%減少)。隨著可再生能源在電力結構中所占份額的增加,熱泵的實施成為了一個強有力的行業選擇。

工業熱泵技術可成為供應溫度低于100 ℃的首選供熱技術。對于供應溫度在100～200 ℃的技術,重點應放在開發和示范上,而更高的溫度需要研究活動。示范項目應旨在打破應用障礙,解決大型熱泵系統升級和廣泛使用的問題。額外的研究活動應側重于性能改進,并制定向完全可再生的過程熱系統(包括熱泵)過渡的能源戰略。這些研發項目需要跨行業合作,涵蓋從研發到制造和應用的整個范圍。

3.1 大容量半封閉高溫制冷劑壓縮機

采用封閉式結構將電動機和壓縮機連成整體,裝在同一機體內共用一根主軸,因此可取消開啟式壓縮機中的軸封裝置,避免由此產生的泄漏。半封閉壓縮機用于制冷循環及常規熱泵循環已經成熟,但用于高溫熱泵仍然受到一些限制。

目前小型半封閉高溫壓縮機(如往復式壓縮機、渦旋式壓縮機)不存在潤滑油管理問題,當高溫壓縮機向大型化發展,螺桿式壓縮機必然面臨潤滑油管理問題,因為工質和油必須在高溫下兼容,且必須考慮回油的熱回收。由于高排氣溫度和油的熱穩定性,傳統結構受到限制。采用多級磁懸浮離心壓縮機是一種有效的解決方案,磁懸浮離心壓縮機純無油運行,不存在潤滑油管理問題,在壓縮機熱力學方面不存在溫度限制。但存在高溫工況下(如蒸發溫度>60 ℃、冷凝溫度>100 ℃)半封閉電機的散熱問題,這需要平衡兩個方面:電機冷卻造成的熱損失與電機過熱引起的可靠性下降。

3.2 高溫蒸氣壓縮機

在可供選擇的低GWP制冷劑中,R1336mzz(Z)由于臨界溫度達到164.1 ℃,不易燃且無毒,將高溫熱泵的供熱溫度推向155 ℃。當高溫熱泵供熱溫度的目標值為175 ℃或更高時,采用水作為制冷劑是目前的最佳選擇,因此要求開發高溫蒸氣壓縮機來適應該要求。綜合考慮壓縮機的運行原理、結構特點與操作特性,雙螺桿蒸氣壓縮機與離心蒸氣壓縮機成為高溫蒸氣壓縮機的兩個選擇。

雙螺桿蒸氣壓縮機可結合噴水降溫,當采用單級壓縮時溫升較大(>60 ℃),由于容積式壓縮采用剛性軸設計,適應變工況能力強,變轉速范圍寬。缺點是在高溫工況下水蒸氣經過轉子的間隙產生較大的泄漏損失,導致效率偏低。同時高壓水蒸氣要求復雜的軸封結構及系統來防止水蒸氣漏入軸承側污染潤滑油,由于其雙軸結構配備4套軸封,必然增大了雙螺桿蒸氣壓縮機的制造成本?？尚械慕鉀Q方案是提高雙螺桿壓縮機的運行轉速來減少壓縮機尺寸,提高壓縮機效率,可通過采用高速永磁電機直驅來實現。雙螺桿蒸氣壓縮機在高速、高溫下的可靠性問題是下一步需要研究的重要問題。

與雙螺桿蒸氣壓縮機相比,離心蒸氣壓縮機的特點是結構簡單、流量大、單軸設計時造價低。缺點是離心蒸氣壓縮機作為速度式壓縮機,適應變工況能力差,變轉速范圍狹窄。為了控制排氣溫度及確保一定的壓縮效率,單級壓縮溫升一般不超過18～22 ℃,導致大溫差工況下需采用兩級或多級壓縮。據調研,國內市場上已有用于MVC(mechanical vapor compression)裝置的兩級和三級離心蒸氣壓縮機,溫升分別為35、50 ℃,由此可預見,多級壓縮不應成為離心蒸氣壓縮機應用于高溫熱泵的技術障礙。但在MVC多級離心蒸氣壓縮機技術引入高溫熱泵的過程中,如何使制造成本在批量化生產過程中獲得大幅下降是關鍵。

3.3 跨臨界CO2高溫熱泵

20世紀90年代跨臨界CO2熱泵就在日本率先商業化,通過采用工作壓力超過10 MPa的高壓往復壓縮機,CO2熱泵成功用于民用熱水制備,并進一步拓展至工業領域的熱空氣制備,最高熱水及熱風溫度可達120 ℃。德國將工藝離心機技術引入跨臨界CO2壓縮,從而實現了大規模冷熱電三聯儲能方案。

由于工藝用往復壓縮機、離心壓縮機的運行壓力分別不低于30、20 MPa,因此壓縮機不會成為制約CO2熱泵的瓶頸。技術難題可能在于CO2熱泵用于工業領域的系統設計與匹配,達到運行性能與制造成本的最佳平衡。

3.4 帶儲能功能的高溫熱泵

隨著可再生電力的發展,電力波動將大幅增加。儲能系統可吸收或釋放電力,被認為是消除電力波動、提高間歇性電力并網能力的有效技術。熱泵與熱能存儲相結合,提供了全系統的靈活性服務(如負荷轉移、調峰和需求側管理)從而確保在非高峰時段提高多余可再生能源的利用率。熱泵提供了利用熱能存儲系統轉移電力負荷的潛力,并可用于需求側管理策略。還可提供需求響應,從而降低系統運行成本,實現調峰和節能。

熱泵與熱能存儲相結合,可在一定程度上實現大型熱泵機組的連續運行,避免了頻繁啟停機時熱泵壓縮機容易出現的可靠性問題。而儲能功能甚至可替代熱泵機組的調頻,實現熱泵壓縮機在工頻下運行,這對高可靠性的離心熱泵壓縮機在高溫熱泵領域拓展應用極為有利。

4 工業熱泵應用場景拓展分析

4.1 耦合空氣源與可再生能源的集中式供熱系統

工業領域用熱溫度較高(一般大于80 ℃),采用分布式空氣源熱泵給工業裝置供熱如圖10所示,目前還存在如下局限性:1) 空氣源熱泵的熱源側是環境空氣,供熱與熱源溫差較大,且溫差隨季節及晝夜波動較大,使空氣源熱泵的COP偏低,且環境溫度的波動必然導致運行工況波動進而降低熱泵機組的可靠性;2) 空氣源高溫熱泵采用工業電驅動,由于工業電價較高,導致高溫熱泵機組運行費用大幅高于天然氣鍋爐;3) 工業領域余熱資源較為豐富,在有余熱資源利用的前提下,利用環境空氣作為熱源不是一個經濟的選擇。

圖10 耦合空氣源與可再生能源的集中式供熱系統[12]

該情況下,在靠近可再生能源的附近建立空氣源集中式供熱系統,就近利用廉價的可再生電力來驅動工業熱泵制備熱水或蒸汽進行集中供熱,同時大型化的熱泵機組可降低投資回收期,有效避免分布式空氣源熱泵供熱系統存在的弊端。

4.2 基于工業循環水余熱回收的集中式供熱系統

在大型應用場景中(如企業或工業園區),大部分工業裝置的余熱被循環冷卻水帶走,冷卻水匯集后通過大型冷卻塔降溫再回到工業裝置循環使用。循環水水溫隨季節變化在25～45 ℃之間,且在一定時間跨度內波動較小,循環水經過大型冷卻塔釋放掉的熱量為10～100 MW,若對該循環水的熱量加以利用并制備80 ℃以上的高溫熱水,形成集中式供熱系統給企業或園區的裝置供熱如圖11所示,可大幅減少化石類燃料的消耗。

圖11 基于工業循環水余熱回收的集中式供熱系統[39]

4.3 耦合高溫熱泵與DAC的分布式碳捕集裝置

在鋼鐵、水泥、電解鋁、石化、化工等行業存在大量的余熱,由于余熱與用熱需求無法完全匹配,必然造成大量余熱未經利用向環境排放,造成能量損失。直接空氣捕獲(direct air capture, DAC)是一種高效的負排放技術,可捕獲分布式碳排放源。但DAC技術耗能大、成本高、無法商業化。DAC的平均能源需求約為80%的熱能和20%的電能,應用熱泵技術回收工業余熱來驅動DAC將是工業節能實現城市碳減排的一個重要技術途徑。采用高溫熱泵從工業余熱中生產100～120 ℃的蒸汽,用于DAC設備中吸附劑的再生和凈化,如圖12所示[39-41]。通過該能源系統集成設計,以及新型高溫工業熱泵和基于吸附的DAC系統耦合技術開發,降低DAC技術的總能耗,并將從空氣中直接捕獲CO2的運營成本大幅降低。

圖12 耦合高溫熱泵與DAC的分布式碳捕集裝置[40-41]

5 總結

面對2030碳達峰的階段性目標,工業用能的轉型迫在眉睫,工業熱泵技術是高能耗工業鍋爐的理想替代技術,本文對目前典型工業熱泵、高溫/蒸汽熱泵的系統循環形式、關鍵制冷劑壓縮技術、水蒸氣壓縮技術進行總結,得到如下結論:

1)《基加利修正案》生效后,第四代低GWP制冷劑得到重點發展,工業熱泵也需進一步發展以低GWP制冷劑為工質的系統。

2)基于目前工業熱泵的技術現狀,結合工業鍋爐替代應用場景,本文提出工業熱泵技術在大容量半封閉高溫制冷劑壓縮機、高溫蒸氣壓縮機、CO2高溫熱泵、帶儲能功能的高溫熱泵方面未來將會有進一步的發展。

3)結合未來工業熱泵技術進一步拓展的方向,分析拓展的應用場景,工業熱泵將會進一步拓展至結合可再生能源的民用集中供熱、余熱回收的工業集中供熱領域和碳捕集余熱回收流程中。

本文受上海市自然科學基金項目(21ZR1429800)資助。(The project was supported by the Natural Science Foundation of Shanghai (No. 21ZR1429800).)