基于冷凝废热回收的氨高温热泵系统性能分析

舒建国，白单英

（冰轮环境技术股份有限公司，山东烟台 264002）

0 引言

当前，我国能源利用存在着利用效率低、经济效益差、生态环境压力大的主要问题。高耗能与高污染，成为影响国家发展和国民生活品质的关键因素。节能减排、降低能耗、提高能源综合利用率成为能源战略规划的重要内容。实现节能减排目标不仅要关注民用领域，更要关注工商业生产领域。我国工业领域能源消耗量约占全国能源消耗总量70%，主要工业产品单位能耗平均比国际先进水平高30%左右[1]。除生产工艺落后、产业结构不合理外，由于能源系统缺乏余热回收系统，导致能源综合利用率低，也是造成高能耗的重要原因。

在工商业加工领域存在大量的用冷用热工艺。为实现节能减排，一方面可优化制冷（热）设备自身性能及优化操作方法，例如合理开机、降低制冷压缩机的电耗[2-3]；定期清除冷凝器管壁上的水垢，防止不凝性气体进入系统[2,4]；制冷压缩机、冷风机运行采用能量调节[5-6]。另一方面，合理利用制冷系统冷凝废热，优化加工工艺过程的能源系统设计，是达到节能减排的重要方法。

通过高温热泵来回收工业余热，可得到80 ℃以上的热水，能满足更多工业的用热需求，极大地拓展了热泵的应用范围，而且高温热泵具有高温、高效、环保、节能等优点，可以应用于更多的工业流程中[7]。高温热泵凭借其在经济效益和社会效益方面的突出优势，必然有着重大的学术研究意义和工程意义[8]。

西安交通大学压缩机研究所对于高温热泵系统做了很多研究，开发了主要由双螺杆压缩机、冷凝器、蒸发器及油冷却器组成的余热回收用高温热泵测试台，使用测试台研究了高温工况下压缩机喷油的冷却技术及其应用，分析喷油温度与机组性能的关系[9]，并与本公司合作共同开发了回收油田余热的高温热泵机组，可实现700 kW的制热量，创新性地采用两级冷凝器，两者串联从而实现更高的供水温度[10]。

瑞士孚瑞公司开发的离心式高温热泵机组冷凝温度为80 ℃时，制热量范围可达2,000 kW～20,000 kW[11]。此外日本的东京电力公司和神户制钢集团也正在致力于大型高效高温热泵的研究[12]。

对于高温热泵工质，天津大学热能研究所的马利敏等[13]对HFC245fa的循环性能进行了研究。何永宁等[14]在文章中探讨了霍尼韦尔和杜邦公司共同推出的R1234ze作为高温热泵运行工质的可行性。

对高温热泵的控制是评价一个系统好坏的标准，一个好的控制策略可以使高温热泵有更高的效率。日本曾对小型变容量蒸汽压缩式热泵空调系统的控制技术进行了研究，并对空调系统的关键部件及其技术进行了理论分析[15]。张长兴等[16]以地源热泵系统为研究对象，将负荷侧回收温度作为热泵机组控制策略的控制目标，研究了热泵运行中控制策略对系统节能性的影响。实验机组实现了自动启停，可保证负荷侧稳定的供水温度。系统的群控制策略具有较强的适应性，为热泵系统运行控制策略的制定和机组群控的实现提供了重要参考。顾海勤等[17]提出了基于可编程控制器（PLC）监视与控制通用组态软件（MCGS）的热泵热水系统的控制方案，为热泵系统远程集中管理提供了理论指导。

本文以宽温区高效制冷供热耦合集成系统为基础[18]，重点介绍可实现冷凝热回收的氨高温热泵产品及其系统，同时分析其在工商业加工领域的应用价值。

1 氨高温热泵系统流程及特点分析

氨高温热泵是热泵的一种形式，与常规空气源、水源、地源热泵不同，氨高温热泵的热源为制冷系统冷凝热。制冷系统排气经过中间冷却器洗涤后，以饱和气的状态吸入热泵压缩机，吸气压力为制冷系统冷凝压力，吸气温度为此时冷凝压力下的饱和温度。吸入的饱和氨气经过热泵压缩机增压成为高温高压气体，此时氨具有更高品位的能量，增压后的氨气进入热泵冷凝器，完成冷凝放热过程，将热量释放给工艺用水，从而产生高温热水，完成冷凝热全回收。冷凝下来的氨液一部分节流进入中冷器，用来洗涤制冷系统排气；另一部分经过降压，送还给制冷系统。系统流程图见图1。

图1 系统流程图

氨高温热泵系统特点：由于废热源由制冷系统提供，因此，在氨高温热泵系统应用时必须考虑以下因素。

1）制冷系统的冷凝温度受季节变化影响较大。全年制冷系统冷凝温度波动在25 ℃～40 ℃。因此，由于季节的变化，考虑制热品位不变时，热泵制热效率会相应发生变化，冬季效率低，夏季效率高。

2）与常规热泵系统相同，热泵的运行需要有足够的废热源。因此应用时要保证制冷系统废热负荷与热泵侧用热负荷在“量、时间”两方面达到匹配。

3）此种热泵系统仅与原制冷系统冷凝侧并联，与制冷系统的形式、工艺温度、运行原理、使用场所等无关。此系统既可将制冷系统冷凝热全部回收，又可将制冷系统冷凝热部分回收，视实际用热需求而定。

4）这种热泵系统的应用方式一般为先由制冷系统提供冷凝废热，而后配套一定容量热泵。

2 能效分析

2.1 热泵能效

热泵的蒸发温度数值上等于制冷系统冷凝温度，热泵冷凝温度视制热品位而定。制热效率（COPh）为产热负荷与轴功率之比。由于此种热泵为全热回收，因此产热负荷为回收热负荷与轴功率之和。

由上文可知，制冷系统的冷凝温度受到环境变化影响较大，因此冷凝温度变化范围可取值为25 ℃～40 ℃，热泵冷凝器驱动温差取3 ℃。以LS20SHRB为例，出水温度在60 ℃和65 ℃时，热泵机组的运行效率分别如表1和表2所示，可看出，虽然此种热泵运行效率受到环境温度、季节变化影响较大，但全年运行都处于较高能效水平。

图2为氨高温热泵运行成本对比图，图中能源价格参考烟台地区2017年市价：电价0.84元、天然气价格3.31元/m3、标煤价格689元/t；燃料热值：天然气8,500 kcal/m3、标煤7,000 kcal/kg、电860 kcal/(kW·h)；氨热泵运行效率取实验值，天然气锅炉0.9、燃煤炉0.7、电锅炉1；热泵计算工况点：制冷系统冷凝温度为30 ℃，热泵冷凝温度比热水出水温度高3 ℃，补水温度15 ℃，压缩机绝热效率取值为实验值。根据图2计算结果，一定用热区间内，此种热泵系统运行成本明显低于其他产热方式，使得其在细分领域内，替代燃煤、燃气、电锅炉成为可能，并且具备经济优势。

表1 出水温度60 ℃（Tc=63）时热泵机组的运行能效

表2 出水温度65 ℃（Tc=68）时热泵机组的运行能效

2.2 热泵应用

对不同工商业加工领域，举例说明热泵应用方法：

在生猪屠宰领域，可对排酸、预冷、冷藏、速冻等用冷工艺排出的冷凝废热进行回收，产生60 ℃～80 ℃热水，可分别满足猪体浸烫、头蹄浸烫、洗框等用热需求。

在乳制品加工领域，通过回收制冰水、凝冻、注模、冷藏等用冷工艺排出的冷凝废热，产生65 ℃热水，可满足配料工艺、贮罐伴热等用热需求。

在啤酒酿造领域，通过对发酵、发芽、冷藏、冷却等用冷工艺排出的冷凝废热进行回收，可制取65 ℃热水，满足酒瓶清洗、CIP工艺等用热需求。

此外，65 ℃～75 ℃热水可作为锅炉补水热源，60 ℃～70 ℃热水可满足老旧宿舍、老旧供暖系统的节能改造需求等等。冷凝废热大量存在于工商业生产加工中，若能够充分利用，则经济效益和环境效益十分可观。

图2 氨高温热泵运行成本对比

2.3 系统能效

以2017年上海制冷展冰轮展示的AIST氨/CO2复叠机组与氨高温热泵LS12SHRB系统配搭形式为例，对冷热耦合系统能效计算方法进行说明，其计算方法具有一般适用性，通过计算得到的相关参数与常规冷热系统运行范围相符，对于系统运行调节方案不做说明。

热泵能效计算方法：热泵制热量与热泵轴功率的比值，对应工况：制冷系统冷凝温度与热泵冷凝温度。

综合能效计算方法：热泵制热量与制冷系统制冷量之和与系统轴功率的比值，对应工况：制冷系统蒸发温度和热泵系统冷凝温度。

系统能量计算参数如见表3。

热泵制热效率应为热泵热回收量除以热泵轴功率即：

若考虑用-40 ℃蒸发温度制冷，65 ℃冷凝温度制热，则综合效率为：

因此，通过此种能源系统的优化设计，能够显著提高一次能源利用率和系统的运行效率。

表3 系统能量计算表

3 冷热一体机

根据以上分析，由于冷凝温度随环境温度变化，制冷系统冷凝压力变化范围为1.0 MPa～1.5 MPa，若需要热水温度为40 ℃～55 ℃，则热泵排气压力为1.7 MPa～2.4 MPa。当采用喷油螺杆压缩机热泵系统时，机组运行会受到环境变化、工况波动影响；若采用独立热泵系统，此时压比、压差过小，无法稳定运行。因此，在低出水温度时可采用冷热一体机系统。

单级制冷机组，在蒸发温度不变的情况下，提高冷凝温度，从而产生一定温度的热水，即在单台机组制冷的同时，直接将冷凝废热品位提升，转换为具有可利用品位的热水加以利用，从而在低温用热段实现冷凝热回收。

3.1 制热效率计算方法

由于需要提高冷凝温度，因此相对于原制冷工况运行，机组功耗增加。制热效率为制热量与增加的功耗的比值。

3.2 系统形式及应用

通过计算可发现单级压缩机带经济器的方式即可满足要求，尤其适用于高蒸发温度的工艺场所。对于单级机组，制冷侧工艺温度范围可在-23 ℃～2 ℃，此时制冷工艺可覆盖冷藏、冰库、冰水等；制热侧工艺温度可为40 ℃～55℃，热水工艺可覆盖冲洗、洗浴、采暖、生活热水等多种用途。

3.3 运行能耗、成本分析

以单台冰轮LG16M压缩机为例，电机为50 HZ，使用水冷冷凝器，举例说明在乳制品行业中，使用氨工质的冷热一体机组的一些运行参数。

用冷工艺为巴氏杀菌后牛奶冷却，工艺冰水温度2 ℃，蒸发温度-1 ℃。用热工艺为采暖、生活热水，冲洗设备、冲洗地面等，此时冷凝温度为51 ℃，制备热水温度48 ℃。常规制冷系统选取冬季冷凝温度25 ℃，夏季冷凝温度35 ℃。机组额定冬季工况和额定夏季工况的运行效率计算结果分别如表4和表5所示。冬季同功能产品1 kW·h产热运行费用分析见表6。

由表4～表6可知，单台压缩机组夏季35 ℃冷凝工况下，制冷量为572 kW，仅大于冷热一体机产冷量19 kW，制冷量下降3.3%。工程设计时需将冷量减低考虑进去；冬季由于环境温度低，需冷负荷小，由于启动制热功能而减少的冷量对末端影响可忽略不计。

表4 机组额定冬季工况运行效率计算表

表5 机组额定夏季季工况运行效率计算表

表6 机组运行费用计算表

冬季冷凝器出水温度小于25 ℃，远低于一般生活用水、采暖用水、工艺用水等要求，而传统制冷系统习惯性将冷凝热直接排放到大气中，若此时将其能量提升并加以利用，将获得显著收益。

若仅作采暖使用，根据《CJJ 34-2010城镇供热管网设计规范》[23]估算采暖单位面积负荷为60 W/m2，用一台LG16M压缩机即可满足11,800 m2采暖面积。单位面积采暖价格为17.6元/(m2·年)。由表5可知，在冬季，对于可替代制热产品，冷热一体机标煤消耗量仅为0.03 kg/(kW·h)，制热运行成本仅为0.08 元/(kW·h)。对比空气源热泵采暖，年运行费用和能耗下降至30%左右。经济效益和环境效益显著。

以氨为制冷剂，在满足-23 ℃～2 ℃工艺用冷情况下，冷热一体机生产50 ℃热水的制热效率为6～27。

4 总结

本文主要分析了基于冷凝热回收的氨高温热泵系统，对其系统流程、原理、能效计算等方面做了详细介绍。通过对氨高温热泵产品的应用，可有效优化工商业加工过程的能量系统设计方案，提高整体系统的运行效率，实现节能减排，同时氨高温热泵由于其产热时具有的高运行效率，使得在运行成本、环境效益等方面明显优于其他可替代产品。因此，采用基于冷凝废热回收的氨高温热泵系统，将成为系统性解决节能减排问题的重要方法。

[1]连红奎, 李艳, 束光阳子, 等. 我国工业余热回收利用技术综述[J]. 节能技术, 2011, 29(2): 123-128.

[2]刘清江. 冷库运行管理中的节能[J]. 制冷与空调,2005(3): 79-81.

[3]薛福连. 冷库运行的节能[J]. 大中用电, 2004(11): 20-21.

[4]沈学明, 郑智丹. 冷库制冷装置操作管理中的节能技术[J]. 流体机械, 2003, 31(8): 60-22.

[5]林进展. 冷库制冷系统运行管理中的节能措施[J]. 冷藏技术, 2004(3): 32-33.

[6]张建一. 美国和加拿大冷库操作中的节能新技术要求[J]. 制冷, 2002, 21(1): 6-10.

[7]陈学敬. 工业余热热泵冬季供暖的实际应用分析[J]. 科技创新与应用, 2012(22): 88-88.

[8]尹峰. 高温热泵技术的产业化潜力研究[D]. 北京: 北京工业大学, 2007.

[9]王凯, 曹锋, 邢子文. 一种新型余热回收高温热泵机组的性能研究[J]. 西安交通大学学报, 2008, 42(10):1309-1312.

[10]WANG K, CAO F, WANG S, et al. Investigation of the performance of a high-temperature heat pump using parallel cycles with serial heating on the water side[J].International Journal of Refrigeration, 2010, 33(6):1142-1151.

[11]SHENG Y, ZHANG Y F, DENG N, et al. Experimental analysis on performance of high temperature heat pump and desiccant wheel system[J]. Energy and Buildings,2013, 66(5): 506-507.

[12]下田平修和, 孙自伟. 超高效高温热泵[J]. 家电科技,2010(8): 56.

[13]马利敏, 王怀信, 王继霄. HFC245fa用于高温热泵系统的循环性能评价[J]. 太阳能学报, 2010, 31(6): 93-97.

[14]何永宁, 夏源, 金磊, 等. 制冷剂R1234 ze在高温热泵中应用的对比研究[J]. 流体机械, 2014, 42(3): 62-66.

[15]山中晤郎. 居住环境技术的现状与展望[J]. 三菱电机技报, 2000, 70(8): 21-29.

[16]张长兴, 胡松涛, 宋伟, 等. 负荷侧回水温度控制在地源热泵供热中的应用研究[J]. 制冷学报, 2014, 35(5):19-24.

[17]顾海勤, 杨弈, 全毅. PLC与智能仪表在热泵远程监控系统中的应用[J]. 自动化仪表, 2013, 34(11): 39-42.

[18]牛俊皓, 吴华根, 于志强, 等. 新型宽温区高效制冷供热耦合集成系统的开发[J]. 制冷与空调, 2017, 17(3): 1-3.

[19]付红春, 杜垲. 污水源热泵系统的技术经济分析[J]. 制冷技术, 2007, 27(3): 11-14.

[20]顾小刚, 王玉军, 王天舒. 废水源热泵在印染企业的设计应用与性能分析[J]. 制冷技术, 2008, 28(3): 31-35.

[21]陈建东. 中央空调系统水泵变频节能技术的应用分析[J]. 制冷技术, 2006, 26(4): 12-14.

[22]国家发展和改革委员会能源研究所, 中国标准化研究院. 综合能耗计算通则: GB/T 2589-2008[S]. 2008.

[23]北京市煤气热力工程设计院有限公司. 城镇供热管网设计规范: CJJ 34-2010[S]. 北京: 中国建筑工业出版社,2010.