吸收式熱泵在冷熱電聯產中的應用分析

盧闊(342224198405061775，安徽合肥 230000)

吸收式熱泵在冷熱電聯產中的應用分析

盧闊(342224198405061775，安徽合肥 230000)

由于吸收式熱泵能夠使用廢熱實現制冷和制熱，其在節能領域有很大的用處。本文通過介紹某項目中使用的冷熱電聯產系統，闡述了吸收式熱泵在系統中的作用。并指出了在使用冷熱電聯產系統時的注意事項。

吸收式熱泵;冷熱電聯產系統;節能

1 熱泵的原理

熱泵是將中低溫能量轉為高溫能量的裝置，其特點是只需消耗少量的高品位能源，即可制取大量的中高溫熱能[1]。高品位能源指的是電能、機械能等在理論上可以完全轉化為功的能量稱，為高位能。而低品位能源指的是物質的內能、低溫的物質等不能全部轉換而只能部分轉換為功的能量[2]。

熱泵按驅動力來分，主要有兩種類型，即壓縮式熱泵和吸收式熱泵。其中吸收式熱泵熱泵分為第一類吸收式熱泵和第二類吸收式熱泵。第一類吸收式熱泵又稱“增熱型熱泵”，是通過利用少量高溫熱源的熱能，產生大量中溫有用的熱能;第二類吸收式熱泵又稱“升溫型熱泵”，是通過利用大量中溫熱源的熱能，產生少量高溫有用的熱能.從循環的熱力過程來看，第二類吸收式熱泵是在第一類吸收式熱泵的基礎上對熱源梯級利用的一種改進，但第一類熱泵的熱力過程更能具體反映吸收式熱泵與壓縮式熱泵的區別

2 兩種熱泵的比較

2.1 壓縮式熱泵原理

圖1 壓縮式熱泵原理

如圖1所示，以制熱工況為例，壓縮式熱泵基本循環過程為低溫低壓的制冷劑在蒸發器中將等壓吸收水源側熱量變為高溫低壓氣體，然后進入壓縮機，絕熱壓縮成高溫高壓氣體，再進入冷凝器向用戶側等壓放熱后變成低溫高壓的液體，最后經過節流閥絕熱節流后成為低溫低壓的制冷劑，制冷劑再流經蒸發器開始新的循環。

2.2 第一類吸收式熱泵原理

圖2 吸收式熱泵原理

如圖2所示，第一類吸收式熱泵分為以溴化鋰-水為介質和以氨-水為介質的吸收式熱泵。以溴化鋰-水為介質的第一類吸收式熱泵為例，該吸收式熱泵是以水為制冷劑，溴化鋰溶液為吸收劑。吸收式熱泵中蒸發器的原理為水在5 mmHg真空狀態下，溫度達到4℃時便蒸發。在吸收器中，溴化鋰濃溶液吸收來自蒸發器的水蒸氣，被稀釋成為稀溶液，放出熱量;然后壓縮機將稀溶液從吸收器中轉移到發生器，溶液的壓力從蒸發壓力相應地提高到冷凝壓力;在發生器中，稀溶液被加熱濃縮成為濃溶液，此時釋放出來的水蒸氣進入冷凝器，而濃溶液則流回吸收器;來自發生器的水蒸氣在冷凝器中放出凝結熱，冷凝成水;制冷劑水經過膨脹閥降壓后，進入蒸發器蒸發，產生水蒸氣;水蒸氣進入吸收器，再被濃溶液吸收。這樣就完成了第一類吸收式熱泵的供熱循環。

2.3 比較結論

針對這兩種熱泵，根據有關資料總結比較結果如下[3]：（見表所示）

根據熱力學第二定律，熱量是不會自發地從低溫介質向高溫介質傳遞的，必須向熱泵輸入一部分驅動能量才能實現熱量的傳遞。上述兩種熱泵則分別通過熱能和電能的輸入來驅動能量傳遞。

可以看到，壓縮式熱泵的能效比要高于吸收式熱泵，這是因為壓縮式熱泵使用的是高品位能源——電能，而吸收式熱泵直接使用了低品位熱能。但是吸收式熱泵使用的熱源可以是余熱、廢熱、排熱，因此從總體上說，其節能性能比壓縮式熱泵要好。

相關資料指出[4]，以一臺3500kw的制冷機組為例，壓縮式制冷機耗電量為900kw，而溴化鋰吸收式制冷機耗電量僅10多kw，在當下我國電力緊缺的情況下，使用吸收式制冷機很有意義。

3 吸收式熱泵的在冷熱電聯產項目中的應用

溴化鋰吸收式熱泵有兩個最顯著的優勢，即能夠利用廢熱和有制冷制熱兩種工況。在天熱氣較為便宜的地區，可以通過吸收式熱泵和燃氣發電機的配合，實現冷熱電三聯產。筆者下面介紹的項目位于北京，項目中就是用了冷熱電三聯產方式，取得顯著的節能效果。

3.1 系統概述

圖3 冷熱電聯產系統工作原理圖

如圖3所示，系統由兩個主要設備構成，即圖左側的溴化鋰吸收式熱泵和圖與它連接的發電機組。吸收式熱泵使用發電機的廢熱作為熱源，在冬季和夏季風別制熱和制冷。發電機通過燃燒天然氣發電，與市政電并網使用。當市政斷電時作為應急電源使用。發電機提供給吸收式熱泵的熱量，由以下兩部分組成

（1）300℃的高溫廢熱（圖中由發電機左側接出）

發電機發電時產生了300℃的高溫煙氣，這部分熱量可以直接提供給吸收式熱泵作為熱源，多余煙氣和熱泵的廢氣一起排出

（2）80C的低溫廢熱（圖中由發電機右側接出）

這部分廢熱是發電機內部產生的，通過一組與吸收式熱泵連接的90C/80℃的閉式熱水系統，這部分低溫廢熱也可以提供給吸收式熱泵作為熱源。但是需要注意的是，如果吸收式熱泵無法消耗這些熱量，則需要使用額外的冷凍水抵消掉這些熱量，以防止發電機過熱。因此原理圖中還在這組熱水管道上連接了一個緊急制冷的板換。

3.2 系統優點

(1)節能效果

根據從業主處得到的條件，項目所在地電價為0.9元/kwh（取峰值和谷值的平均值），天然氣為2.86元/m3。假設天然氣的熱值為8250kcal/m3=9.59kwh/m3，發電機效率為40%，則可以得出發電機的發電成本為2.86/(9.59*0.4)=0.74元/kwh。考慮到發電機的維護成本約為0.1元/kwh發電量，可以得出發電機發電的總成本為0.84元/kwh。

可以看到，僅從理論上的數值計算來說，發電機自行發電的成本和從市政電網購電的成本不相上下。如果吸收式熱泵產生的冷量和熱量，使用冷熱電聯產系統就比較劃算，因為在發電成本和電網購電相同的前提下，冷量和熱量相當于免費獲得。在我國有些地區，為了緩解市政電網的負荷，當地對于自行發電還會給予政策性的補貼，這使得冷熱電聯產系統的節能效果更加顯著。

當然，詳細的節能評估會更加復雜，還要考慮到冷熱電聯產系統的初投資、利用率，吸收式熱泵的能效比等其他因素。這需要根據具體項目進行具體的節能評估。針對這個項目，在綜合考慮各種因素后，通過節能評估得出冷熱電聯產系統的回收周期大約為5年，其節能效果是比較顯著的。

(2)廢熱在過渡季節同時制熱制冷

在過渡季節，由于制冷量需求不大，吸收式熱泵無法完全消耗掉發電機產生的廢熱。更糟糕的是，發電機內部產生的低溫廢熱還需要通過額外的冷凍水進行冷卻，以防止發電機過熱。這樣的冷熱抵消不但沒有起到節能的效果，反而加劇了冷凍水的能耗。

據筆者所知，有的項目因為這個原因，有些項目的冷熱電聯產機組在過渡季節干脆不使用。但是這樣做會帶來一個問題：投資回報周期變長。眾所周知，投資回報周期是節能評價的重要指標，在初投資不變的情況下，每年運行節省的維護費用由于利用時間縮水而降低了，這使得投資回報周期變長。

在該項目中，解決方法是在低溫廢熱管路中再連接一個板換（見系統圖最下方），改板換的二次側連接熱水系統。在過渡季節，吸收式熱泵僅使用高溫煙氣的廢熱進行制冷，而低溫廢熱通過板換提供給熱水系統。這樣不但可以在過渡季節利用廢熱同時制冷制熱，也可以避免本來冷卻低溫廢熱的這部分冷凍水消耗。

3.3 使用冷熱電聯產系統的注意事項

(1)了解項目信息

需要掌握了解的項目信息中，除了項目所在地的燃氣和電力價格，還應包括目生產的實際情況。

比如雖然根據項目所在地的燃氣和電力價格進行計算，發現使用冷熱電聯產系統由節能效果，而且初投資回收周期合理。但是項目的生產時間主要集中在夜間或過渡季節，造成實際生產時，冷熱電聯產系統利用時間縮水。

再比如有的項目雖然經過計算，發現初投資回報周期較長，認為不適合冷熱電聯產系統。但是進一步了解后發現，當地有相關政策補貼，可以降低初投資額度，縮短投資回報周期。

（2)仔細進行能耗計算

使用冷熱電聯產系統，事先一定要進行能耗計算，確保發電機的電量、廢熱都能夠在項目中使用掉。一般來說，與發電機應選得小些，確保其廢熱在過渡季節被吸收式熱泵消耗掉。在冬季或者夏季，通過其他冷凍機和鍋爐來滿足高峰時的負荷。

4 結語

隨著我國經濟的迅猛發展，節能減排稱為不得不重視的問題。吸收式熱泵能夠將工業廢熱、余熱、排熱利用起來，并實現制冷制熱兩種工況，真是達到了變廢為寶的效果。而我國很多地區電力價格比燃氣價格高很多，如果使用冷熱電聯產的方式，不但可以降低項目運行的能耗成本，也能減輕市政電網的壓力，可謂一舉多得。

[1]陳東.熱泵技術手冊[M].化學工業出版社,2012.

[2]姚揚.暖通空調熱泵技術[M].中國建筑工業出版社, 2008.

[3]孫天宇,王慶陽,張健,et al.壓縮式與吸收式熱泵系統的分析比較[J].上海電力學院學報,2014,02):115-8.

[4]戴永慶.溴化鋰吸收式制冷技術及應用[M].機械工業出版社,1999.

The Absorption Type Heat Pump in CCHP system

The absorption type heat pump do cooling and heating by using the waste heat,this is very useful in energy saving field.This article introduces one product using the CCHP system and the function of the absorption type heat pump in the CCHP system.The author also list the point should be paid attention in CCHP system.

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