袁 杰 溫素珍 金阿龍 周德強(qiáng) 金賢松

（浙江青風(fēng)環(huán)境股份有限公司，浙江 麗水 323000）

0 引言

從節(jié)能設(shè)備方面來(lái)看，具有較高節(jié)能效率的就是熱泵，為了實(shí)現(xiàn)熱源由低位向高位的轉(zhuǎn)變，需要采用反向循環(huán)的方式，使能源的質(zhì)量以及使用的效率在很大程度上得到提升。目前，該技術(shù)已逐漸成熟，使用過(guò)程安全可靠，可以廣泛的地用于工業(yè)生產(chǎn)中。

1 工業(yè)熱泵系統(tǒng)

最初在采暖的過(guò)程中，工藝車間是利用中央空調(diào)和蒸氣鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行的，能源的消耗量較大，通過(guò)燃煤提供一次性能源，同時(shí)采用冷凍水釋放大氣的熱量。冷卻水過(guò)程可以吸收熱量，冷卻劑產(chǎn)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(yīng)先用蒸汽預(yù)熱，然后經(jīng)除氧器脫氧后再進(jìn)入鍋爐。但是，這種能源使用結(jié)構(gòu)是不合理的。一方面釋放熱量，另一方面需要熱量。工藝?yán)鋮s水在熱交換中失去了更多的冷量，這大大降低了系統(tǒng)的能效比，并造成大量的能量損失。

該文建議使用工業(yè)熱泵系統(tǒng)進(jìn)行熱傳遞，在回收和生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)排放一定量的廢熱。必須預(yù)熱軟化水的溫度，然后將其排放到除氧器中。工業(yè)熱泵系統(tǒng)中的熱源水是工藝?yán)鋮s水。該熱泵機(jī)組可以提高鍋爐水位以及鍋爐水溫，并在冷卻過(guò)程完成后回收熱量，從而減少了燃煤爐的需求，達(dá)到了節(jié)能的目的。改造后的工業(yè)熱泵系統(tǒng)利用機(jī)組釋放的熱量進(jìn)行回收，可以減少蒸汽消耗，節(jié)省煤炭消耗并有效利用能源。同時(shí)，工藝?yán)鋮s水可以直接進(jìn)入熱泵工業(yè)裝置的蒸發(fā)器中，從而提高裝置的能效，并節(jié)省熱交換和中間循環(huán)水泵，以減少工業(yè)熱泵系統(tǒng)的能耗。

2 研究背景及意義

十九大報(bào)告指出：“壯大節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)、清潔生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)、清潔能源產(chǎn)業(yè)。推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系”[2]。由于目前我國(guó)的經(jīng)濟(jì)在持續(xù)發(fā)展，資源消耗量過(guò)大也是最為重要的1個(gè)因素，缺少合理的能源利用模式，從而增加了對(duì)環(huán)境的影響，能耗與排放量的增加，在很大程度上給環(huán)境帶來(lái)了巨大的影響，不利于環(huán)境的健康發(fā)展，同時(shí)，對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)水平也具有重要的影響。

“十三五”綱要中對(duì)碳排放有明確的規(guī)定。截至2030年，碳排放量要降低至65%以下。為此，為了確保環(huán)境可以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的綠色增長(zhǎng)，需要將能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境3個(gè)方面結(jié)合起來(lái)。

鑒于我國(guó)能源利用的事實(shí)和環(huán)境問(wèn)題與能源消費(fèi)過(guò)程的關(guān)系，除了開發(fā)利用新能源外，節(jié)能將是緩解或解決這2個(gè)大問(wèn)題的必然選擇。節(jié)能不僅要求對(duì)能源總量進(jìn)行有效利用，而且要降低用能過(guò)程中的不可逆性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有接近50%的工業(yè)能耗沒(méi)有被利用，而是以各種形式將余熱直接排放掉，我國(guó)余熱資源平均回收利用率落后于國(guó)際先進(jìn)水平近20%[3]。

特高溫?zé)岜脵C(jī)組技術(shù)是從質(zhì)的角度開發(fā)節(jié)能降耗技術(shù)，減少對(duì)煤炭等燃料能源的消耗，緩解能源短缺問(wèn)題。傳統(tǒng)的冷水與熱泵機(jī)組多用于中央空調(diào)市場(chǎng)、煤改電等，目前國(guó)內(nèi)外的研究工作主要在日常生活領(lǐng)域的小型或中型冷水與熱泵機(jī)組[4]。但是工業(yè)領(lǐng)域由于需要工藝要求較高，以銅鋁箔行業(yè)為例，其反應(yīng)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(wú)論使用哪種燃料（石油、燃?xì)?，煤等），能源利用效率都比較低，而且還存在大氣污染的問(wèn)題。而工業(yè)領(lǐng)域用高溫?zé)岜脵C(jī)組是1種節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品，節(jié)能潛力巨大。

特高溫?zé)岜脵C(jī)組在冷鏈物流市場(chǎng)設(shè)備、銅鋁箔、煉鋼和表面處理等行業(yè)應(yīng)用前景廣泛，目前工業(yè)行業(yè)內(nèi)對(duì)特高溫?zé)岜脵C(jī)組的能效要求越來(lái)越高，節(jié)能減排勢(shì)在必行，高效節(jié)能環(huán)保是各大冷水機(jī)組與熱泵機(jī)組廠家追求的目標(biāo)，高能耗的大型工業(yè)用冷水機(jī)組會(huì)逐漸被市場(chǎng)淘汰，同時(shí)突破特高溫下的熱泵機(jī)組節(jié)能設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)有助于提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，擴(kuò)大新市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。因此，大型工業(yè)用冷水（熱泵）深度節(jié)能改造研發(fā)及應(yīng)用具有重要戰(zhàn)略意義。

3 高溫?zé)岜藐P(guān)鍵技術(shù)及主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

3.1 研究開發(fā)內(nèi)容

用于鋁箔行業(yè)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(zhì)：廢熱水。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

關(guān)鍵技術(shù)包括以下4點(diǎn)：1）采用KF-05環(huán)保制冷劑，蒸發(fā)器廢熱源進(jìn)水70 ℃，出水65 ℃，冷凝器側(cè)90 ℃回水，95 ℃出水，最高出水溫度為110 ℃，機(jī)組制熱量約為800 kW，制熱COP5.0。2）機(jī)組采用混合降膜蒸發(fā)器，能很好地解決高溫?zé)岜脻M液式系統(tǒng)拋油后的回油難題，運(yùn)行更加安全可靠。3）機(jī)組采用帶獨(dú)立過(guò)冷的多流程防腐冷凝器，有利于高溫氣態(tài)冷媒全部液化，保證底部過(guò)冷。4）系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)器節(jié)流機(jī)構(gòu)采用自主研發(fā)的特高溫智能節(jié)流閥與液位傳感器結(jié)合精確控制制冷劑流量。機(jī)組采用三級(jí)分油機(jī)構(gòu)，油分、儲(chǔ)油、油冷進(jìn)行集成，兩級(jí)油位保護(hù)，使壓縮機(jī)運(yùn)行更加安全可靠：特高溫下的熱泵機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)與防腐設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)是技術(shù)關(guān)鍵與難點(diǎn)。通過(guò)關(guān)鍵傳熱元件的結(jié)構(gòu)和加工工藝強(qiáng)化設(shè)計(jì)，提高了換熱傳熱效率。機(jī)組采用三級(jí)分油機(jī)構(gòu)，對(duì)油分、儲(chǔ)油、油冷進(jìn)行集成，建立兩級(jí)油位保護(hù)，使特高溫下的壓縮機(jī)運(yùn)行更加安全可靠。采用混合降膜蒸發(fā)器解決了特高溫?zé)岜孟到y(tǒng)拋油后回油的難題，采用帶獨(dú)立過(guò)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(shí)有利于高溫氣態(tài)冷媒全部液化，保證底部過(guò)冷。采用無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，其出水溫度可以恒定在很小的波動(dòng)范圍。閉式加壓熱水循環(huán)系統(tǒng)保障熱水側(cè)流量溫度不汽化成蒸汽。

3.3 高溫?zé)岜弥饕獎(jiǎng)?chuàng)新要點(diǎn)

高溫?zé)岜弥饕膽?yīng)用原理是蒸發(fā)器中的制冷劑從低溫冷水側(cè)的熱源蒸發(fā)并吸收能量，并通過(guò)壓縮機(jī)將其轉(zhuǎn)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(dá)到給熱水加溫的目的，如圖1所示。

圖1 高溫?zé)岜弥饕膽?yīng)用原理

3.3.1 節(jié)能環(huán)保效益顯著

眾所周知，我國(guó)是能耗大國(guó)，在工業(yè)制造上所消耗的能源巨大，而高溫?zé)岜玫拿媸琅c應(yīng)用，不僅能減少能耗，而且可以使整個(gè)熱泵領(lǐng)域邁上新的臺(tái)階，特別是第三代降膜防腐熱泵鍋爐的發(fā)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(lǐng)域，不僅節(jié)約能源，而且節(jié)能環(huán)保效益顯著。

3.3.2 提高能量利用率

該公司（浙江青風(fēng)環(huán)境股份有限公司）研制的超高溫?zé)岜脵C(jī)，與普通的小型渦旋機(jī)相比，超高溫?zé)岜脵C(jī)直接采用意大利柯茂螺桿壓縮機(jī)，不僅具有單臺(tái)制冷大、運(yùn)行穩(wěn)定、故障率低等優(yōu)點(diǎn)，而且換熱器采用高效防腐殼管式，安裝簡(jiǎn)單、拆洗方便。槽液直接進(jìn)入機(jī)組，達(dá)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?zé)岜脵C(jī)與小型渦旋機(jī)對(duì)比優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 超高溫?zé)岜孟噍^小型渦旋機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

4 項(xiàng)目預(yù)期目標(biāo)

4.1 主要技術(shù)性能指標(biāo)

該項(xiàng)目完成后可將大型工業(yè)用熱泵機(jī)組制熱性能出水溫度為110 ℃，制熱COP≥ 5.0。熱泵機(jī)組與以前的燃?xì)忮仩t相比，可節(jié)能60%，CO2排放量削減了約70%，運(yùn)營(yíng)成本降低25%左右，產(chǎn)品升級(jí)周期縮短30%以上。

4.2 項(xiàng)目應(yīng)達(dá)到的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

項(xiàng)目實(shí)施后可實(shí)現(xiàn)年增產(chǎn)值1000萬(wàn)元，年增利潤(rùn)600萬(wàn)元，年增稅金100萬(wàn)元。大型工業(yè)用冷水機(jī)組與冷水機(jī)組在冷鏈物流市場(chǎng)設(shè)備、銅鋁箔、煉鋼以及表面處理等行業(yè)應(yīng)用前景廣泛，對(duì)機(jī)組的能效、工藝要求越來(lái)越高。

4.3 產(chǎn)業(yè)化前景

該項(xiàng)目產(chǎn)品技術(shù)成熟，設(shè)備配套齊全，原材料供應(yīng)有保證，質(zhì)量控制措施有效可行，產(chǎn)品市場(chǎng)巨大，人力資源充沛，已經(jīng)具備成熟的投產(chǎn)條件，可以進(jìn)行批量化生產(chǎn)。產(chǎn)品經(jīng)多家客戶試用，反應(yīng)良好。因此，在公司的發(fā)展中使用該產(chǎn)品可以有效提高公司的經(jīng)濟(jì)效益。

5 高溫?zé)岜玫慕?jīng)濟(jì)、社會(huì)效益分析

目前，我國(guó)能源消耗巨大，但是并沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用，從相關(guān)研究數(shù)據(jù)看出，在我國(guó)的工業(yè)中，有接近50%以上的能耗沒(méi)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?zé)岜眉夹g(shù)技術(shù)是從質(zhì)的角度開發(fā)節(jié)能降耗技術(shù)，在進(jìn)一步降低能源消耗的同時(shí)，還可以針對(duì)能源緊缺的問(wèn)題進(jìn)行解決。特高溫?zé)岜眉夹g(shù)機(jī)組又屬于高耗能產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)其深度節(jié)能改造對(duì)節(jié)能減排、增強(qiáng)企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力有重要的意義。將能量階梯技術(shù)應(yīng)用在特高溫的熱泵機(jī)組中，基于循環(huán)-工質(zhì)-系統(tǒng)三維度協(xié)同節(jié)能改造設(shè)計(jì)，適用于多功能變工況復(fù)雜環(huán)境，降低能耗的同時(shí)有助于保護(hù)環(huán)境。特高溫下的熱泵機(jī)組節(jié)能設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)是推動(dòng)產(chǎn)品在節(jié)能領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。

圖2 第三代降膜防腐熱泵鍋爐

大型工業(yè)用冷水機(jī)組與熱泵機(jī)組在冷鏈物流市場(chǎng)設(shè)備、銅鋁箔、煉鋼、表面處理等行業(yè)應(yīng)用前景廣泛，對(duì)機(jī)組的能效、工藝要求越來(lái)越高。結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)的大型工業(yè)用冷水機(jī)組與熱泵機(jī)組集成設(shè)計(jì)與制造，全工況能耗仿真及綜合性能測(cè)試平臺(tái)開發(fā)，以及基于大數(shù)據(jù)的在線測(cè)量運(yùn)維技術(shù)使傳統(tǒng)制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的透明化，實(shí)時(shí)顯示生產(chǎn)狀態(tài)的信息、實(shí)時(shí)在線放映生產(chǎn)狀態(tài)報(bào)告、統(tǒng)一分析管理工具、對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行有效地監(jiān)控。有效解決傳統(tǒng)制造企業(yè)分散、信息孤島等問(wèn)題，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)多IT系統(tǒng)的平臺(tái)集成，以及更有深度的節(jié)能改造。

6 高溫?zé)岜迷诠I(yè)中的應(yīng)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(duì)較高，設(shè)備系統(tǒng)更復(fù)雜，并且需要能量來(lái)加熱海水。這些技術(shù)的能耗較高，將加劇全球溫室效應(yīng)和環(huán)境污染。人們需要開發(fā)新的海水淡化技術(shù)，進(jìn)一步提高能源的利用效率，降低運(yùn)營(yíng)的成本，減少污染。為了降低海水淡化系統(tǒng)的能源利用率可以有效利用熱泵海水淡化技術(shù)，同時(shí)還可以降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本。熱泵機(jī)械熱泵脫鹽技術(shù)可以將海水溫度直接加熱到至少80 ℃。與海水脫鹽技術(shù)相比，它可以節(jié)省大量能源和運(yùn)營(yíng)成本，而不會(huì)造成污染環(huán)境。當(dāng)前，高溫?zé)岜眉夹g(shù)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(lái)說(shuō)，大型發(fā)電廠的熱效率只有40%，會(huì)導(dǎo)致環(huán)境中出現(xiàn)了大量的熱量。目前，在冷卻的過(guò)程中，結(jié)合冷卻水進(jìn)行循環(huán)，使電廠在大氣中釋放出一定的熱量，會(huì)在很大程度上造成大氣的污染，熱源的消耗也較為嚴(yán)重。發(fā)電廠必須充分利用這部分熱量，并將其應(yīng)用于熱水系統(tǒng)和供暖系統(tǒng)，同時(shí)使電廠的綜合熱能利用效率得到提升，產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。在熱泵低熱源的供暖期間，發(fā)電廠使用循環(huán)冷卻水將循環(huán)水和水泵連接起來(lái)。一旦插入熱交換器，它就會(huì)從水泵升起并進(jìn)入冷卻水池和冷凝器循環(huán)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(lái)越高，城市所產(chǎn)生的廢水量也逐步增加，與此同時(shí)，污水處理廠的數(shù)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(jīng)過(guò)處理后，對(duì)水質(zhì)也有較高的要求。應(yīng)合理利用廢水源熱泵空調(diào)，其具有多種特電，如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便和熱交換效率高等。由于目前機(jī)房和熱泵系統(tǒng)的出水口必須緊密相連，當(dāng)距離過(guò)長(zhǎng)時(shí)，需要在地下埋置循環(huán)水管道，這可能會(huì)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(tǒng)。

利用污水泵對(duì)污水進(jìn)行傳輸至熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器中，最后將低溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)換為高溫，污水通過(guò)排水管排出。在對(duì)自來(lái)水進(jìn)行加熱的過(guò)程中有效的利用冷凝器，以滿足用戶的需求。此外，工業(yè)企業(yè)可以使用高溫水源熱泵技術(shù)來(lái)回收熱量，而不需要使用冷卻系統(tǒng)，并且可以獲得用于處理生產(chǎn)線的高溫?zé)崴８鶕?jù)運(yùn)行中的實(shí)際效果對(duì)電費(fèi)進(jìn)行綜合考慮，企業(yè)可以綜合利用高溫水源熱泵和儲(chǔ)熱水箱，以確保節(jié)能效果，節(jié)省運(yùn)行成本。

7 結(jié)語(yǔ)

熱泵在工業(yè)上的應(yīng)用具有良好的節(jié)能效果，可以節(jié)省系統(tǒng)的燃煤消耗，電能消耗和水資源消耗，避免了環(huán)境破壞。特高溫?zé)岜迷诠I(yè)上的具體應(yīng)用，具有節(jié)約能源、環(huán)保等方面優(yōu)勢(shì)，使制造業(yè)的整體經(jīng)濟(jì)效益得以提高，實(shí)現(xiàn)其廣泛應(yīng)用。