熱泵熱回收系統在某肉雞屠宰項目中的應用研究

邱 琦，華國亮

(冰山冷熱科技股份有限公司，遼寧 大連 116630)

1 前 言

隨著國內社會經濟的發展，在新型城鎮化和食品消費升級的雙向拉動下，預計2012～2025年冷鏈食品需求將從2.0億t增加到4.5億t[1]。在2015年國家層面提出實施城鄉冷鏈物流基礎設施補短板的要求后，我國加快了推進冷鏈基礎設施建設。中商產業研究院預測2022年我國冷庫總量將達8492萬t。冷庫作為城市的“冰箱”，急速增長的容量勢必會消耗大量的能源。如何使冷庫系統高效運行，將成為重點關注的發展方向。其中制冷系統運行時產生的大量熱量大多以廢熱的形式直接排放到環境中，即使回收也只能得到部分低品位的熱源。因此針對冷庫現狀以及現有技術，本文通過某肉雞屠宰項目對熱泵熱回收系統在冷庫中的應用進行了研究。

2 制冷原理[2]

冷庫制冷系統通常采用蒸氣壓縮式制冷原理，其制冷系統如圖1所示。它主要由壓縮機、冷凝器、節流閥和蒸發器組成。工作過程為：在壓力為p0、溫度為t0的條件下，制冷劑在蒸發器中沸騰吸熱，吸收被冷卻物體的熱量。壓縮機不斷地抽走蒸發器中產生的蒸氣并將它壓縮到冷凝壓力pk，然后送往冷凝器，在壓力pk下等壓冷卻并冷凝成液體，制冷劑冷卻和冷凝時放出的熱量傳給冷卻介質(一般是水或空氣)。

冷凝后的液體通過節流閥進入蒸發器。制冷劑通過節流閥，壓力從pk降到p0，離開節流閥的制冷劑為t0溫度的兩相混合物，混合物在蒸發器中蒸發，從被冷卻物中吸熱達到制冷的目的。而從冷凝器中輸出的熱量即是采用熱泵技術回收的冷凝廢熱。根據熱力學第二定律，壓縮機所消耗的功起補償作用，使制冷劑不斷從低溫物體中吸熱，并向高溫物體放熱，完成整個制冷循環。

圖1 蒸氣壓縮式制冷系統簡圖

3 項目案例

某肉雞屠宰加工項目按生產性質分屬于生產性冷庫[3]，其熱水系統主要用于家禽的屠宰浸燙以及設備清洗和員工生活熱水等，因此制冷系統是必不可缺的一個環節。

表1 熱水用量分布表

該項目制冷系統的制冷劑采用R717，具體配置為：-1℃JZ2LG20Z蒸發系統1臺；-43℃JZ2LG25Z(D)蒸發系統5臺；-43℃ JZ2LG20Z(D)蒸發系統1臺；熱水需求時間：5:30～21:30；熱水需求溫度：45～54℃。具體熱水用量分布見表1。通過分析可知用戶在12:30～13:30期間用水量最高，大約30 m3/h。

4 方案介紹

本熱回收方案回收氨制冷系統部分冷凝熱用于加熱生產及生活用水，圖2為熱泵熱回收方案系統示意圖。

圖2 熱泵熱回收方案系統示意圖

常規制冷系統的冷凝熱負荷一般通過不同結構形式的冷凝器將其排放至大氣環境中。在不同季節冷凝熱品質有所差異，本項目預計冬季冷凝熱在25℃，夏季大約在38℃，當采用冷水提取該部分熱量時，只能得到23～35℃的熱水，實際能夠回收的熱量很少且水溫偏低，需二次加熱才能滿足各用水點需求。

通過熱泵技術，將部分氨制冷系統的排氣壓力提升到一個更高值，冷凝溫度將大幅提高，冷水經過冷凝器加熱時可提供的水溫也隨之升高。熱泵機組配置的壓縮機通過消耗一定的電功率，得到的冷凝熱可成倍增加，但隨著冷凝溫度的提高，冷凝熱與消耗的電功率比值將逐步減小，綜合考慮制取熱水溫度控制在46～48℃，該溫度的熱水既能滿足大多數用水點的需求，又具有較好的經濟效益。對于需要更高水溫且同時也需要維持穩定水溫的浸燙用熱水，采用原有鍋爐加熱的方法解決。另外考慮熱泵機組運行的穩定性，冬季和夏季均控制吸氣飽和溫度為25℃，以保證壓縮機的運行工況壓比不至于太小，這樣系統運行的穩定性也更容易得到保證。

5 系統原理

來自原制冷系統的壓縮機排氣經調壓后進入高溫中冷，變為低溫低壓過熱蒸氣，然后與高溫中冷內的制冷劑換熱后，被壓縮機抽走壓縮成高溫高壓氣體。經油分離器分離出的潤滑油依次經油冷卻器冷卻、精油過濾器過濾后進入壓縮機循環使用；分離出的高溫高壓氣體則通過熱回收模塊加熱生活熱水，模塊中制冷劑經過冷卻(顯熱)、冷凝(潛熱)過程變為高溫高壓液體。高溫高壓液體分為兩路：一路經節流閥進入高溫中冷與原制冷系統的壓縮機排氣進行換熱后，再一起被壓縮機抽走壓縮，重復循環。另一路則經節流回到原制冷系統的貯氨器，以補充原制冷系統進入高溫中冷的制冷劑，重復循環。冷卻水部分則是通過三級熱回收加熱達到要求的出水溫度(46～48℃)供用戶使用。系統流程見圖3。另外采用變頻電機控制壓縮機能級，采用變頻水泵控制熱水流量，使之與熱能的利用實現供需平衡。熱水流量、蓄水罐水位以及與壓縮機能級之間采用模糊控制。

圖3 系統流程圖

6 設備選型

通過以上分析結合項目用水情況確定各參數如下：

1. 熱回收目標：出水溫度46～48℃；連續提供熱水能力：～30 m3/h；進水溫度按冬季15℃考慮，最大熱負荷1 120 kW。

2. 熱泵工況：+25℃/+50℃(吸氣過熱度5℃，過冷度1℃)；采用全熱回收(潛熱+顯熱)；主機選用冰山RBVLGA163D中溫熱泵機組，額定制熱量1 165 kW。

3. 熱源：油冷提供的熱負荷，壓縮機排氣過熱氣體提供的熱負荷，氨冷凝提供的熱負荷。

采用三級熱回收可在保證出水溫度的條件下，選取最小的壓縮機及最低的冷凝溫度，以得到最好的經濟效益。主要設備配置如下：

1. 中溫熱泵機組1臺(雙機頭一用一備，變頻電機)；

2. 熱回收模塊1套；

3. 綜合控制柜1套；

4. 其他：循環水泵2臺；熱水罐1臺；循環水箱1個。

7 經濟性分析

該屠宰項目所需熱水原由天然氣鍋爐提供?，F對熱泵熱回收方案與原有熱水系統就運行費用進行比較。能耗情況和運行費用計算結果見表2?；緶y算條件如下。

7.1 主要電耗

主要電耗：P=P1+P2+P3。式中，P為熱泵熱回收系統最大總能耗，170 kW；P1為熱泵主電機最大輸入功率，158.5 kW；P2為冷水泵功率，4 kW；P3為熱水泵功率，7.5 kW。

7.2 運行方式

1. 生產方式：按每日兩班16 h計算；

2.熱水用量：按平均22 m3/h用水量計算;

3. 測算天數和進水條件：年工作日按300 d計算，春季溫度18℃，天數70 d；夏季溫度25℃，天數90 d；秋季溫度20℃，天數70 d；冬季溫度15℃，天數70 d。

7.3 回報周期

設備投資可控制在150萬元以內，投資回報周期約15個月。

表2 熱泵系統與天然氣鍋爐費用比較

8 結 語

1. 采用熱泵技術回收原制冷系統的部分冷凝熱，雖然初投資增加，但大幅節省了熱水鍋爐昂貴的燃料費用，年運行費用可節省121.35萬元，投資回報周期約15個月；另外使用熱泵技術也提高了回收冷凝熱的品質，綜合考慮熱水溫度應控制在46～48℃，既滿足大多數用水點的需求，又具有較好的經濟效益。

2. 冷凝熱回收系統改造后，制冷系統冷凝側向環境排放的廢熱將大幅度降低，減少了對周圍環境的熱污染。

3. 冷凝熱回收系統減少了原制冷系統冷凝器的負荷，改善了工作條件，相對放大了制冷系統冷凝器的排熱能力，提高了制冷系統的COP值。

綜上所述，在生產性冷庫中，如屠宰行業既需要制冷又需要熱水，若按常規方式采用熱水鍋爐不僅耗費大量的一次能源，排放大量的有害氣體污染環境，而且受能源價格波動的影響造成極高的運行費用，與之相比采用熱泵熱回收方案可以少用或者不用鍋爐制備生產生活熱水，從而產生很高的經濟效益和環保效益。