熱泵在工業(yè)應(yīng)用中的節(jié)能性解析

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(xiàng)技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，具有安全性和可靠性，實(shí)施過(guò)程非常簡(jiǎn)單，因此人們可以在工業(yè)中大量應(yīng)用熱泵。

1 工業(yè)熱泵系統(tǒng)

工藝車間原來(lái)利用中央空調(diào)系統(tǒng)和蒸汽鍋爐系統(tǒng)，采暖需要耗費(fèi)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?yán)鋮s水可以吸收熱量，冷水機(jī)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(jìn)行蒸汽預(yù)熱，經(jīng)過(guò)除氧器除氧處理，才可以進(jìn)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?yán)鋮s水在換熱中會(huì)損失較多的冷量，大幅度降低了系統(tǒng)的能效比，導(dǎo)致大量能源浪費(fèi)[4-6]。

本文利用工業(yè)熱泵系統(tǒng)進(jìn)行熱量轉(zhuǎn)移，回收生產(chǎn)期間會(huì)排放一定廢熱，需要預(yù)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?yán)鋮s水，熱泵機(jī)組可以提升鍋爐給水品位，提高鍋爐給水溫度，完成工藝?yán)鋮s后，再回收利用熱量，從而降低煤爐燃煤需求量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。改造后，工業(yè)熱泵系統(tǒng)利用機(jī)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(shí)工藝?yán)鋮s水可以直接進(jìn)入工業(yè)熱泵機(jī)組蒸發(fā)器中，這樣可以提高機(jī)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(shí)際運(yùn)行期間，環(huán)境溫度會(huì)影響工業(yè)冷卻水負(fù)荷和鍋爐用軟水溫度等。在節(jié)能分析過(guò)程中，人們需要綜合考慮各方面因素，結(jié)合實(shí)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(jìn)水溫度，人們可以結(jié)合鍋爐能量來(lái)計(jì)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(jì)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(fù)荷。全熱回收裝置和部分熱回收裝置可以去除冷卻負(fù)荷，再利用冷卻塔去除余下負(fù)荷，總負(fù)荷去除冷卻塔負(fù)荷，最終確定節(jié)水量。

2.3 節(jié)約電能

不同地區(qū)的電價(jià)政策不同，確定系統(tǒng)運(yùn)行方案后，人們需要考慮工藝?yán)鋮s和峰平谷電價(jià)的影響，保證運(yùn)行方案的節(jié)能性和合理性[11-13]。

2.4 環(huán)境效應(yīng)分析

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

表1 環(huán)境效應(yīng)分析

3 中高溫?zé)岜玫膽?yīng)用前景

3.1 回收利用工業(yè)余熱

我國(guó)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(dāng)前，我國(guó)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?zé)岜眉夹g(shù)，以工業(yè)生產(chǎn)需求為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)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?zé)嵩?，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率[14-16]。

3.2 改造燃煤和燃油鍋爐

我國(guó)很多工業(yè)生產(chǎn)會(huì)利用工業(yè)鍋爐，而中高溫?zé)岜每梢越档投趸嫉呐欧帕浚魅鯗厥倚?yīng)。此外，中高溫?zé)岜每梢源鎮(zhèn)鹘y(tǒng)鍋爐，直接連接散熱器采暖系統(tǒng)，無(wú)需額外改造末端系統(tǒng)。其首次投資較高，但是運(yùn)行費(fèi)用較低，工程量小，可以達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

3.3 結(jié)合太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)

當(dāng)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(yáng)能，但是天氣和地域等因素都會(huì)影響太陽(yáng)能的利用效果。太陽(yáng)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(jìn)行加熱。中高溫?zé)釤岜眉夹g(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(shí)可以充分利用工業(yè)余熱，提高能源利用率，提升經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，因此熱泵在我國(guó)具有廣闊的發(fā)展前景，值得大力推廣。

4 高溫?zé)岜迷诠I(yè)中的應(yīng)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(huì)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(fù)雜，需要消耗能源來(lái)加熱海水。這些技術(shù)的能耗比較高，會(huì)加劇地球溫室效應(yīng)和環(huán)境污染。人們要研發(fā)和應(yīng)用新型海水淡化技術(shù)，提高能源利用率，降低運(yùn)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(shí)也降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。機(jī)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(yùn)行成本，同時(shí)不會(huì)引發(fā)環(huán)境污染。當(dāng)前，高溫?zé)岜眉夹g(shù)可以廣泛地應(yīng)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(shí)際熱效率只達(dá)到40%左右，會(huì)向環(huán)境中排放大量熱量。在實(shí)際冷卻過(guò)程中，電場(chǎng)循環(huán)冷卻水也會(huì)向大氣中釋放一定熱量，不僅會(huì)污染大氣環(huán)境，還會(huì)嚴(yán)重浪費(fèi)熱源。電廠要充分利用這部分熱量，將其應(yīng)用于熱水系統(tǒng)和供暖系統(tǒng)中，提高電場(chǎng)熱能綜合利用率，保障經(jīng)濟(jì)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(jìn)入換熱器后，再經(jīng)過(guò)水泵升壓，進(jìn)入冷卻水池和凝汽器循環(huán)水的進(jìn)水管中。

4.3 污水廢熱

當(dāng)前，我國(guó)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(yīng)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(jiǎn)單，安裝方便，具有較高的換熱效率，但是熱泵系統(tǒng)的機(jī)房和出水渠道要保持較近的距離，如果距離較遠(yuǎn)，需要埋設(shè)循環(huán)水管道，其間可能會(huì)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(jī)組系統(tǒng)和自來(lái)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?zé)嵩崔D(zhuǎn)化為高溫?zé)嵩?，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?lái)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(wú)需利用冷卻系統(tǒng)，可以獲取高溫?zé)崴┣逑瓷a(chǎn)線使用。結(jié)合實(shí)際運(yùn)行效果，綜合考慮低谷電價(jià)成本，企業(yè)可以綜合運(yùn)用高溫水源熱泵和蓄熱水箱，以保障節(jié)能效果，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。

5 結(jié)語(yǔ)

熱泵在工業(yè)中應(yīng)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(yùn)行方案時(shí)，人們需要綜合考慮電價(jià)的影響，分析項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性，保障項(xiàng)目的總體經(jīng)濟(jì)效益，在短時(shí)間內(nèi)收回投資成本。