舒建國(guó)，白單英

（冰輪環(huán)境技術(shù)股份有限公司，山東煙臺(tái) 264002）

0 引言

當(dāng)前，我國(guó)能源利用存在著利用效率低、經(jīng)濟(jì)效益差、生態(tài)環(huán)境壓力大的主要問(wèn)題。高耗能與高污染，成為影響國(guó)家發(fā)展和國(guó)民生活品質(zhì)的關(guān)鍵因素。節(jié)能減排、降低能耗、提高能源綜合利用率成為能源戰(zhàn)略規(guī)劃的重要內(nèi)容。實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)不僅要關(guān)注民用領(lǐng)域，更要關(guān)注工商業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域能源消耗量約占全國(guó)能源消耗總量70%，主要工業(yè)產(chǎn)品單位能耗平均比國(guó)際先進(jìn)水平高30%左右[1]。除生產(chǎn)工藝落后、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理外，由于能源系統(tǒng)缺乏余熱回收系統(tǒng)，導(dǎo)致能源綜合利用率低，也是造成高能耗的重要原因。

在工商業(yè)加工領(lǐng)域存在大量的用冷用熱工藝。為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，一方面可優(yōu)化制冷（熱）設(shè)備自身性能及優(yōu)化操作方法，例如合理開機(jī)、降低制冷壓縮機(jī)的電耗[2-3]；定期清除冷凝器管壁上的水垢，防止不凝性氣體進(jìn)入系統(tǒng)[2,4]；制冷壓縮機(jī)、冷風(fēng)機(jī)運(yùn)行采用能量調(diào)節(jié)[5-6]。另一方面，合理利用制冷系統(tǒng)冷凝廢熱，優(yōu)化加工工藝過(guò)程的能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是達(dá)到節(jié)能減排的重要方法。

通過(guò)高溫?zé)岜脕?lái)回收工業(yè)余熱，可得到80 ℃以上的熱水，能滿足更多工業(yè)的用熱需求，極大地拓展了熱泵的應(yīng)用范圍，而且高溫?zé)岜镁哂懈邷?、高效、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于更多的工業(yè)流程中[7]。高溫?zé)岜脩{借其在經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益方面的突出優(yōu)勢(shì)，必然有著重大的學(xué)術(shù)研究意義和工程意義[8]。

西安交通大學(xué)壓縮機(jī)研究所對(duì)于高溫?zé)岜孟到y(tǒng)做了很多研究，開發(fā)了主要由雙螺桿壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器及油冷卻器組成的余熱回收用高溫?zé)岜脺y(cè)試臺(tái)，使用測(cè)試臺(tái)研究了高溫工況下壓縮機(jī)噴油的冷卻技術(shù)及其應(yīng)用，分析噴油溫度與機(jī)組性能的關(guān)系[9]，并與本公司合作共同開發(fā)了回收油田余熱的高溫?zé)岜脵C(jī)組，可實(shí)現(xiàn)700 kW的制熱量，創(chuàng)新性地采用兩級(jí)冷凝器，兩者串聯(lián)從而實(shí)現(xiàn)更高的供水溫度[10]。

瑞士孚瑞公司開發(fā)的離心式高溫?zé)岜脵C(jī)組冷凝溫度為80 ℃時(shí)，制熱量范圍可達(dá)2,000 kW～20,000 kW[11]。此外日本的東京電力公司和神戶制鋼集團(tuán)也正在致力于大型高效高溫?zé)岜玫难芯縖12]。

對(duì)于高溫?zé)岜霉べ|(zhì)，天津大學(xué)熱能研究所的馬利敏等[13]對(duì)HFC245fa的循環(huán)性能進(jìn)行了研究。何永寧等[14]在文章中探討了霍尼韋爾和杜邦公司共同推出的R1234ze作為高溫?zé)岜眠\(yùn)行工質(zhì)的可行性。

對(duì)高溫?zé)岜玫目刂剖窃u(píng)價(jià)一個(gè)系統(tǒng)好壞的標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)好的控制策略可以使高溫?zé)岜糜懈叩男?。日本曾?duì)小型變?nèi)萘空羝麎嚎s式熱泵空調(diào)系統(tǒng)的控制技術(shù)進(jìn)行了研究，并對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件及其技術(shù)進(jìn)行了理論分析[15]。張長(zhǎng)興等[16]以地源熱泵系統(tǒng)為研究對(duì)象，將負(fù)荷側(cè)回收溫度作為熱泵機(jī)組控制策略的控制目標(biāo)，研究了熱泵運(yùn)行中控制策略對(duì)系統(tǒng)節(jié)能性的影響。實(shí)驗(yàn)機(jī)組實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)啟停，可保證負(fù)荷側(cè)穩(wěn)定的供水溫度。系統(tǒng)的群控制策略具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，為熱泵系統(tǒng)運(yùn)行控制策略的制定和機(jī)組群控的實(shí)現(xiàn)提供了重要參考。顧海勤等[17]提出了基于可編程控制器（PLC）監(jiān)視與控制通用組態(tài)軟件（MCGS）的熱泵熱水系統(tǒng)的控制方案，為熱泵系統(tǒng)遠(yuǎn)程集中管理提供了理論指導(dǎo)。

本文以寬溫區(qū)高效制冷供熱耦合集成系統(tǒng)為基礎(chǔ)[18]，重點(diǎn)介紹可實(shí)現(xiàn)冷凝熱回收的氨高溫?zé)岜卯a(chǎn)品及其系統(tǒng)，同時(shí)分析其在工商業(yè)加工領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。

1 氨高溫?zé)岜孟到y(tǒng)流程及特點(diǎn)分析

氨高溫?zé)岜檬菬岜玫囊环N形式，與常規(guī)空氣源、水源、地源熱泵不同，氨高溫?zé)岜玫臒嵩礊橹评湎到y(tǒng)冷凝熱。制冷系統(tǒng)排氣經(jīng)過(guò)中間冷卻器洗滌后，以飽和氣的狀態(tài)吸入熱泵壓縮機(jī)，吸氣壓力為制冷系統(tǒng)冷凝壓力，吸氣溫度為此時(shí)冷凝壓力下的飽和溫度。吸入的飽和氨氣經(jīng)過(guò)熱泵壓縮機(jī)增壓成為高溫高壓氣體，此時(shí)氨具有更高品位的能量，增壓后的氨氣進(jìn)入熱泵冷凝器，完成冷凝放熱過(guò)程，將熱量釋放給工藝用水，從而產(chǎn)生高溫?zé)崴?，完成冷凝熱全回收。冷凝下?lái)的氨液一部分節(jié)流進(jìn)入中冷器，用來(lái)洗滌制冷系統(tǒng)排氣；另一部分經(jīng)過(guò)降壓，送還給制冷系統(tǒng)。系統(tǒng)流程圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)流程圖

氨高溫?zé)岜孟到y(tǒng)特點(diǎn)：由于廢熱源由制冷系統(tǒng)提供，因此，在氨高溫?zé)岜孟到y(tǒng)應(yīng)用時(shí)必須考慮以下因素。

1）制冷系統(tǒng)的冷凝溫度受季節(jié)變化影響較大。全年制冷系統(tǒng)冷凝溫度波動(dòng)在25 ℃～40 ℃。因此，由于季節(jié)的變化，考慮制熱品位不變時(shí)，熱泵制熱效率會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，冬季效率低，夏季效率高。

2）與常規(guī)熱泵系統(tǒng)相同，熱泵的運(yùn)行需要有足夠的廢熱源。因此應(yīng)用時(shí)要保證制冷系統(tǒng)廢熱負(fù)荷與熱泵側(cè)用熱負(fù)荷在“量、時(shí)間”兩方面達(dá)到匹配。

3）此種熱泵系統(tǒng)僅與原制冷系統(tǒng)冷凝側(cè)并聯(lián)，與制冷系統(tǒng)的形式、工藝溫度、運(yùn)行原理、使用場(chǎng)所等無(wú)關(guān)。此系統(tǒng)既可將制冷系統(tǒng)冷凝熱全部回收，又可將制冷系統(tǒng)冷凝熱部分回收，視實(shí)際用熱需求而定。

4）這種熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用方式一般為先由制冷系統(tǒng)提供冷凝廢熱，而后配套一定容量熱泵。

2 能效分析

2.1 熱泵能效

熱泵的蒸發(fā)溫度數(shù)值上等于制冷系統(tǒng)冷凝溫度，熱泵冷凝溫度視制熱品位而定。制熱效率（COPh）為產(chǎn)熱負(fù)荷與軸功率之比。由于此種熱泵為全熱回收，因此產(chǎn)熱負(fù)荷為回收熱負(fù)荷與軸功率之和。

由上文可知，制冷系統(tǒng)的冷凝溫度受到環(huán)境變化影響較大，因此冷凝溫度變化范圍可取值為25 ℃～40 ℃，熱泵冷凝器驅(qū)動(dòng)溫差取3 ℃。以LS20SHRB為例，出水溫度在60 ℃和65 ℃時(shí)，熱泵機(jī)組的運(yùn)行效率分別如表1和表2所示，可看出，雖然此種熱泵運(yùn)行效率受到環(huán)境溫度、季節(jié)變化影響較大，但全年運(yùn)行都處于較高能效水平。

圖2為氨高溫?zé)岜眠\(yùn)行成本對(duì)比圖，圖中能源價(jià)格參考煙臺(tái)地區(qū)2017年市價(jià)：電價(jià)0.84元、天然氣價(jià)格3.31元/m3、標(biāo)煤價(jià)格689元/t；燃料熱值：天然氣8,500 kcal/m3、標(biāo)煤7,000 kcal/kg、電860 kcal/(kW·h)；氨熱泵運(yùn)行效率取實(shí)驗(yàn)值，天然氣鍋爐0.9、燃煤爐0.7、電鍋爐1；熱泵計(jì)算工況點(diǎn)：制冷系統(tǒng)冷凝溫度為30 ℃，熱泵冷凝溫度比熱水出水溫度高3 ℃，補(bǔ)水溫度15 ℃，壓縮機(jī)絕熱效率取值為實(shí)驗(yàn)值。根據(jù)圖2計(jì)算結(jié)果，一定用熱區(qū)間內(nèi)，此種熱泵系統(tǒng)運(yùn)行成本明顯低于其他產(chǎn)熱方式，使得其在細(xì)分領(lǐng)域內(nèi)，替代燃煤、燃?xì)?、電鍋爐成為可能，并且具備經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

表1 出水溫度60 ℃（Tc=63）時(shí)熱泵機(jī)組的運(yùn)行能效

表2 出水溫度65 ℃（Tc=68）時(shí)熱泵機(jī)組的運(yùn)行能效

2.2 熱泵應(yīng)用

對(duì)不同工商業(yè)加工領(lǐng)域，舉例說(shuō)明熱泵應(yīng)用方法：

在生豬屠宰領(lǐng)域，可對(duì)排酸、預(yù)冷、冷藏、速凍等用冷工藝排出的冷凝廢熱進(jìn)行回收，產(chǎn)生60 ℃～80 ℃熱水，可分別滿足豬體浸燙、頭蹄浸燙、洗框等用熱需求。

在乳制品加工領(lǐng)域，通過(guò)回收制冰水、凝凍、注模、冷藏等用冷工藝排出的冷凝廢熱，產(chǎn)生65 ℃熱水，可滿足配料工藝、貯罐伴熱等用熱需求。

在啤酒釀造領(lǐng)域，通過(guò)對(duì)發(fā)酵、發(fā)芽、冷藏、冷卻等用冷工藝排出的冷凝廢熱進(jìn)行回收，可制取65 ℃熱水，滿足酒瓶清洗、CIP工藝等用熱需求。

此外，65 ℃～75 ℃熱水可作為鍋爐補(bǔ)水熱源，60 ℃～70 ℃熱水可滿足老舊宿舍、老舊供暖系統(tǒng)的節(jié)能改造需求等等。冷凝廢熱大量存在于工商業(yè)生產(chǎn)加工中，若能夠充分利用，則經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益十分可觀。

圖2 氨高溫?zé)岜眠\(yùn)行成本對(duì)比

2.3 系統(tǒng)能效

以2017年上海制冷展冰輪展示的AIST氨/CO2復(fù)疊機(jī)組與氨高溫?zé)岜肔S12SHRB系統(tǒng)配搭形式為例，對(duì)冷熱耦合系統(tǒng)能效計(jì)算方法進(jìn)行說(shuō)明，其計(jì)算方法具有一般適用性，通過(guò)計(jì)算得到的相關(guān)參數(shù)與常規(guī)冷熱系統(tǒng)運(yùn)行范圍相符，對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)方案不做說(shuō)明。

熱泵能效計(jì)算方法：熱泵制熱量與熱泵軸功率的比值，對(duì)應(yīng)工況：制冷系統(tǒng)冷凝溫度與熱泵冷凝溫度。

綜合能效計(jì)算方法：熱泵制熱量與制冷系統(tǒng)制冷量之和與系統(tǒng)軸功率的比值，對(duì)應(yīng)工況：制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度和熱泵系統(tǒng)冷凝溫度。

系統(tǒng)能量計(jì)算參數(shù)如見表3。

熱泵制熱效率應(yīng)為熱泵熱回收量除以熱泵軸功率即：

若考慮用-40 ℃蒸發(fā)溫度制冷，65 ℃冷凝溫度制熱，則綜合效率為：

因此，通過(guò)此種能源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠顯著提高一次能源利用率和系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

表3 系統(tǒng)能量計(jì)算表

3 冷熱一體機(jī)

根據(jù)以上分析，由于冷凝溫度隨環(huán)境溫度變化，制冷系統(tǒng)冷凝壓力變化范圍為1.0 MPa～1.5 MPa，若需要熱水溫度為40 ℃～55 ℃，則熱泵排氣壓力為1.7 MPa～2.4 MPa。當(dāng)采用噴油螺桿壓縮機(jī)熱泵系統(tǒng)時(shí)，機(jī)組運(yùn)行會(huì)受到環(huán)境變化、工況波動(dòng)影響；若采用獨(dú)立熱泵系統(tǒng)，此時(shí)壓比、壓差過(guò)小，無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行。因此，在低出水溫度時(shí)可采用冷熱一體機(jī)系統(tǒng)。

單級(jí)制冷機(jī)組，在蒸發(fā)溫度不變的情況下，提高冷凝溫度，從而產(chǎn)生一定溫度的熱水，即在單臺(tái)機(jī)組制冷的同時(shí)，直接將冷凝廢熱品位提升，轉(zhuǎn)換為具有可利用品位的熱水加以利用，從而在低溫用熱段實(shí)現(xiàn)冷凝熱回收。

3.1 制熱效率計(jì)算方法

由于需要提高冷凝溫度，因此相對(duì)于原制冷工況運(yùn)行，機(jī)組功耗增加。制熱效率為制熱量與增加的功耗的比值。

3.2 系統(tǒng)形式及應(yīng)用

通過(guò)計(jì)算可發(fā)現(xiàn)單級(jí)壓縮機(jī)帶經(jīng)濟(jì)器的方式即可滿足要求，尤其適用于高蒸發(fā)溫度的工藝場(chǎng)所。對(duì)于單級(jí)機(jī)組，制冷側(cè)工藝溫度范圍可在-23 ℃～2 ℃，此時(shí)制冷工藝可覆蓋冷藏、冰庫(kù)、冰水等；制熱側(cè)工藝溫度可為40 ℃～55℃，熱水工藝可覆蓋沖洗、洗浴、采暖、生活熱水等多種用途。

3.3 運(yùn)行能耗、成本分析

以單臺(tái)冰輪LG16M壓縮機(jī)為例，電機(jī)為50 HZ，使用水冷冷凝器，舉例說(shuō)明在乳制品行業(yè)中，使用氨工質(zhì)的冷熱一體機(jī)組的一些運(yùn)行參數(shù)。

用冷工藝為巴氏殺菌后牛奶冷卻，工藝冰水溫度2 ℃，蒸發(fā)溫度-1 ℃。用熱工藝為采暖、生活熱水，沖洗設(shè)備、沖洗地面等，此時(shí)冷凝溫度為51 ℃，制備熱水溫度48 ℃。常規(guī)制冷系統(tǒng)選取冬季冷凝溫度25 ℃，夏季冷凝溫度35 ℃。機(jī)組額定冬季工況和額定夏季工況的運(yùn)行效率計(jì)算結(jié)果分別如表4和表5所示。冬季同功能產(chǎn)品1 kW·h產(chǎn)熱運(yùn)行費(fèi)用分析見表6。

由表4～表6可知，單臺(tái)壓縮機(jī)組夏季35 ℃冷凝工況下，制冷量為572 kW，僅大于冷熱一體機(jī)產(chǎn)冷量19 kW，制冷量下降3.3%。工程設(shè)計(jì)時(shí)需將冷量減低考慮進(jìn)去；冬季由于環(huán)境溫度低，需冷負(fù)荷小，由于啟動(dòng)制熱功能而減少的冷量對(duì)末端影響可忽略不計(jì)。

表4 機(jī)組額定冬季工況運(yùn)行效率計(jì)算表

表5 機(jī)組額定夏季季工況運(yùn)行效率計(jì)算表

表6 機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算表

冬季冷凝器出水溫度小于25 ℃，遠(yuǎn)低于一般生活用水、采暖用水、工藝用水等要求，而傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)習(xí)慣性將冷凝熱直接排放到大氣中，若此時(shí)將其能量提升并加以利用，將獲得顯著收益。

若僅作采暖使用，根據(jù)《CJJ 34-2010城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[23]估算采暖單位面積負(fù)荷為60 W/m2，用一臺(tái)LG16M壓縮機(jī)即可滿足11,800 m2采暖面積。單位面積采暖價(jià)格為17.6元/(m2·年)。由表5可知，在冬季，對(duì)于可替代制熱產(chǎn)品，冷熱一體機(jī)標(biāo)煤消耗量?jī)H為0.03 kg/(kW·h)，制熱運(yùn)行成本僅為0.08 元/(kW·h)。對(duì)比空氣源熱泵采暖，年運(yùn)行費(fèi)用和能耗下降至30%左右。經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益顯著。

以氨為制冷劑，在滿足-23 ℃～2 ℃工藝用冷情況下，冷熱一體機(jī)生產(chǎn)50 ℃熱水的制熱效率為6～27。

4 總結(jié)

本文主要分析了基于冷凝熱回收的氨高溫?zé)岜孟到y(tǒng)，對(duì)其系統(tǒng)流程、原理、能效計(jì)算等方面做了詳細(xì)介紹。通過(guò)對(duì)氨高溫?zé)岜卯a(chǎn)品的應(yīng)用，可有效優(yōu)化工商業(yè)加工過(guò)程的能量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，提高整體系統(tǒng)的運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，同時(shí)氨高溫?zé)岜糜捎谄洚a(chǎn)熱時(shí)具有的高運(yùn)行效率，使得在運(yùn)行成本、環(huán)境效益等方面明顯優(yōu)于其他可替代產(chǎn)品。因此，采用基于冷凝廢熱回收的氨高溫?zé)岜孟到y(tǒng)，將成為系統(tǒng)性解決節(jié)能減排問(wèn)題的重要方法。

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