王玉梅

（北京節(jié)能環(huán)保中心，北京 101160）

熱泵是一種高效的節(jié)能裝置，可以利用逆循環(huán)方式將低位熱源轉(zhuǎn)化為高位熱源，提升能源品位和利用效率[1-3]。這項技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，具有安全性和可靠性，實施過程非常簡單，因此人們可以在工業(yè)中大量應用熱泵。

1 工業(yè)熱泵系統(tǒng)

工藝車間原來利用中央空調(diào)系統(tǒng)和蒸汽鍋爐系統(tǒng)，采暖需要耗費大量能源，利用燃煤提供一次性能源，利用冷凍水向大氣釋放熱量。工藝冷卻水可以吸收熱量，冷水機組制造冷凍水，再利用換熱器提升溫度，最終利用冷卻塔向大氣中釋放熱量。常溫軟化水需要進行蒸汽預熱，經(jīng)過除氧器除氧處理，才可以進入鍋爐中。但是，這種能量利用結(jié)構(gòu)不合理，一方面放熱，一方面卻需熱，工藝冷卻水在換熱中會損失較多的冷量，大幅度降低了系統(tǒng)的能效比，導致大量能源浪費[4-6]。

本文利用工業(yè)熱泵系統(tǒng)進行熱量轉(zhuǎn)移，回收生產(chǎn)期間會排放一定廢熱，需要預熱處理軟化水溫度，再排入除氧器中。工業(yè)熱泵系統(tǒng)的熱源水是工藝冷卻水，熱泵機組可以提升鍋爐給水品位，提高鍋爐給水溫度，完成工藝冷卻后，再回收利用熱量，從而降低煤爐燃煤需求量，實現(xiàn)節(jié)能目標。改造后，工業(yè)熱泵系統(tǒng)利用機組回收排放的熱量，可以降低蒸汽消耗，節(jié)省燃煤消耗，有效利用能量，同時工藝冷卻水可以直接進入工業(yè)熱泵機組蒸發(fā)器中，這樣可以提高機組能效，節(jié)省熱換器和中間循環(huán)水泵，降低工業(yè)熱泵系統(tǒng)的耗電量，如圖1所示。

圖1 工業(yè)熱泵系統(tǒng)

2 工業(yè)熱泵系統(tǒng)改造后的節(jié)能減排效果

工業(yè)熱泵系統(tǒng)實際運行期間，環(huán)境溫度會影響工業(yè)冷卻水負荷和鍋爐用軟水溫度等。在節(jié)能分析過程中，人們需要綜合考慮各方面因素，結(jié)合實際情況，分析工業(yè)熱泵系統(tǒng)的節(jié)能減排效果[7-10]。

2.1 節(jié)約燃煤

熱泵可以回收熱量，如果不考慮熱量損失，它可以利用全部熱量提升鍋爐進水溫度，人們可以結(jié)合鍋爐能量來計算系統(tǒng)的節(jié)能效果。

2.2 節(jié)約用水

結(jié)合冷區(qū)塔氣化潛熱蒸發(fā)的水量，人們可以計算系統(tǒng)的耗水量，如果不考慮能量損失，可以將氣化潛熱能量視為冷卻負荷。全熱回收裝置和部分熱回收裝置可以去除冷卻負荷，再利用冷卻塔去除余下負荷，總負荷去除冷卻塔負荷，最終確定節(jié)水量。

2.3 節(jié)約電能

不同地區(qū)的電價政策不同，確定系統(tǒng)運行方案后，人們需要考慮工藝冷卻和峰平谷電價的影響，保證運行方案的節(jié)能性和合理性[11-13]。

2.4 環(huán)境效應分析

工業(yè)熱泵系統(tǒng)可以減少燃煤用量，同時減低污染物的排排量，緩解污染物對環(huán)境造成的熱污染。環(huán)境效應分析如表1所示。

表1 環(huán)境效應分析

3 中高溫熱泵的應用前景

3.1 回收利用工業(yè)余熱

我國能源消耗較大，尤其是工業(yè)領(lǐng)域。工業(yè)產(chǎn)品的單位能耗較高，具有較大的節(jié)能潛力。當前，我國要大力提高工業(yè)余熱利用率，回收工業(yè)余熱。人們可以利用中高溫熱泵技術(shù)，以工業(yè)生產(chǎn)需求為基礎(chǔ)，設(shè)計和布置工業(yè)熱泵系統(tǒng)，以減少熱污染。熱泵回收工業(yè)余熱，可以充分利用低溫熱源，提高系統(tǒng)運行效率[14-16]。

3.2 改造燃煤和燃油鍋爐

我國很多工業(yè)生產(chǎn)會利用工業(yè)鍋爐，而中高溫熱泵可以降低二氧化碳的排放量，削弱溫室效應。此外，中高溫熱泵可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)鍋爐，直接連接散熱器采暖系統(tǒng)，無需額外改造末端系統(tǒng)。其首次投資較高，但是運行費用較低，工程量小，可以達到節(jié)能環(huán)保的目的。

3.3 結(jié)合太陽能供熱系統(tǒng)

當前，民用建筑熱水、空調(diào)和采暖系統(tǒng)已經(jīng)廣泛利用太陽能，但是天氣和地域等因素都會影響太陽能的利用效果。太陽能具有一定的不穩(wěn)定性，目前只能輔助常規(guī)能源，還需要利用電或油進行加熱。中高溫熱熱泵技術(shù)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)供熱鍋爐，避免燃煤和燃油鍋爐排放大量有害氣體，同時可以充分利用工業(yè)余熱，提高能源利用率，提升經(jīng)濟效益和社會效益，因此熱泵在我國具有廣闊的發(fā)展前景，值得大力推廣。

4 高溫熱泵在工業(yè)中的應用

4.1 海水淡化

海水淡化主要利用海水凍結(jié)法、電滲析法以及蒸餾法等，這些方法會消耗大量的熱能或電能。例如，蒸餾法的成本較高，設(shè)備系統(tǒng)比較復雜，需要消耗能源來加熱海水。這些技術(shù)的能耗比較高，會加劇地球溫室效應和環(huán)境污染。人們要研發(fā)和應用新型海水淡化技術(shù)，提高能源利用率，降低運行成本，避免產(chǎn)生污染。熱泵海水淡化技術(shù)可以提高海水淡化系統(tǒng)的能源利用率，同時也降低系統(tǒng)運行成本。機械壓縮式熱泵海水淡化技術(shù)，可以直接將海水溫度加熱到至少80℃，與膜法海水淡化技術(shù)相比，可以節(jié)省大量能源和運行成本，同時不會引發(fā)環(huán)境污染。當前，高溫熱泵技術(shù)可以廣泛地應用于海水淡化中，以提高能源利用率，緩解淡水資源短缺的局面。

4.2 電廠廢熱

通常，大型電廠的實際熱效率只達到40%左右，會向環(huán)境中排放大量熱量。在實際冷卻過程中，電場循環(huán)冷卻水也會向大氣中釋放一定熱量，不僅會污染大氣環(huán)境，還會嚴重浪費熱源。電廠要充分利用這部分熱量，將其應用于熱水系統(tǒng)和供暖系統(tǒng)中，提高電場熱能綜合利用率，保障經(jīng)濟效益。熱泵低位熱源供熱期間，電廠利用循環(huán)冷卻水連接循環(huán)水和水泵，其進入換熱器后，再經(jīng)過水泵升壓，進入冷卻水池和凝汽器循環(huán)水的進水管中。

4.3 污水廢熱

當前，我國居民的生活水平不斷提高，很多城市的生活污水量不斷上升，使得污水處理廠數(shù)量增加。污水廠出水量大，水源多樣，處理水質(zhì)要求高，應有效利用污水源熱泵空調(diào)。城市污水水源熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，具有較高的換熱效率，但是熱泵系統(tǒng)的機房和出水渠道要保持較近的距離，如果距離較遠，需要埋設(shè)循環(huán)水管道，其間可能會損失額外的能量[17-18]。中小型污水處理廠和附近住宅供暖系統(tǒng)適合采用這種熱泵。

污水余熱回收熱泵系統(tǒng)主要包括污水系統(tǒng)、熱泵機組系統(tǒng)和自來水系統(tǒng)，利用污水泵向熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器傳送污水，將低溫熱源轉(zhuǎn)化為高溫熱源，最后利用排水管排出污水。冷凝器可以利用回收的余熱加熱自來水，滿足用戶要求。另外，工業(yè)企業(yè)可以利用高溫水源熱泵技術(shù)回收散熱，無需利用冷卻系統(tǒng)，可以獲取高溫熱水，供清洗生產(chǎn)線使用。結(jié)合實際運行效果，綜合考慮低谷電價成本，企業(yè)可以綜合運用高溫水源熱泵和蓄熱水箱，以保障節(jié)能效果，節(jié)省運行費用。

5 結(jié)語

熱泵在工業(yè)中應用具有較好的節(jié)能效果，熱泵可以節(jié)省系統(tǒng)的燃煤消耗、電能消耗和水資源消耗等，避免破壞環(huán)境。在確定系統(tǒng)運行方案時，人們需要綜合考慮電價的影響，分析項目的經(jīng)濟性，保障項目的總體經(jīng)濟效益，在短時間內(nèi)收回投資成本。