热泵在工业应用中的节能性解析

2019-11-07王玉梅

中国资源综合利用 2019年10期

王玉梅

（北京节能环保中心，北京 101160）

热泵是一种高效的节能装置，可以利用逆循环方式将低位热源转化为高位热源，提升能源品位和利用效率[1-3]。这项技术已经趋于成熟，具有安全性和可靠性，实施过程非常简单，因此人们可以在工业中大量应用热泵。

1 工业热泵系统

工艺车间原来利用中央空调系统和蒸汽锅炉系统，采暖需要耗费大量能源，利用燃煤提供一次性能源，利用冷冻水向大气释放热量。工艺冷却水可以吸收热量，冷水机组制造冷冻水，再利用换热器提升温度，最终利用冷却塔向大气中释放热量。常温软化水需要进行蒸汽预热，经过除氧器除氧处理，才可以进入锅炉中。但是，这种能量利用结构不合理，一方面放热，一方面却需热，工艺冷却水在换热中会损失较多的冷量，大幅度降低了系统的能效比，导致大量能源浪费[4-6]。

本文利用工业热泵系统进行热量转移，回收生产期间会排放一定废热，需要预热处理软化水温度，再排入除氧器中。工业热泵系统的热源水是工艺冷却水，热泵机组可以提升锅炉给水品位，提高锅炉给水温度，完成工艺冷却后，再回收利用热量，从而降低煤炉燃煤需求量，实现节能目标。改造后，工业热泵系统利用机组回收排放的热量，可以降低蒸汽消耗，节省燃煤消耗，有效利用能量，同时工艺冷却水可以直接进入工业热泵机组蒸发器中，这样可以提高机组能效，节省热换器和中间循环水泵，降低工业热泵系统的耗电量，如图1所示。

图1 工业热泵系统

2 工业热泵系统改造后的节能减排效果

工业热泵系统实际运行期间，环境温度会影响工业冷却水负荷和锅炉用软水温度等。在节能分析过程中，人们需要综合考虑各方面因素，结合实际情况，分析工业热泵系统的节能减排效果[7-10]。

2.1 节约燃煤

热泵可以回收热量，如果不考虑热量损失，它可以利用全部热量提升锅炉进水温度，人们可以结合锅炉能量来计算系统的节能效果。

2.2 节约用水

结合冷区塔气化潜热蒸发的水量，人们可以计算系统的耗水量，如果不考虑能量损失，可以将气化潜热能量视为冷却负荷。全热回收装置和部分热回收装置可以去除冷却负荷，再利用冷却塔去除余下负荷，总负荷去除冷却塔负荷，最终确定节水量。

2.3 节约电能

不同地区的电价政策不同，确定系统运行方案后，人们需要考虑工艺冷却和峰平谷电价的影响，保证运行方案的节能性和合理性[11-13]。

2.4 环境效应分析

工业热泵系统可以减少燃煤用量，同时减低污染物的排排量，缓解污染物对环境造成的热污染。环境效应分析如表1所示。

表1 环境效应分析

3 中高温热泵的应用前景

3.1 回收利用工业余热

我国能源消耗较大，尤其是工业领域。工业产品的单位能耗较高，具有较大的节能潜力。当前，我国要大力提高工业余热利用率，回收工业余热。人们可以利用中高温热泵技术，以工业生产需求为基础，设计和布置工业热泵系统，以减少热污染。热泵回收工业余热，可以充分利用低温热源，提高系统运行效率[14-16]。

3.2 改造燃煤和燃油锅炉

我国很多工业生产会利用工业锅炉，而中高温热泵可以降低二氧化碳的排放量，削弱温室效应。此外，中高温热泵可以代替传统锅炉，直接连接散热器采暖系统，无需额外改造末端系统。其首次投资较高，但是运行费用较低，工程量小，可以达到节能环保的目的。

3.3 结合太阳能供热系统

当前，民用建筑热水、空调和采暖系统已经广泛利用太阳能，但是天气和地域等因素都会影响太阳能的利用效果。太阳能具有一定的不稳定性，目前只能辅助常规能源，还需要利用电或油进行加热。中高温热热泵技术可以代替传统供热锅炉，避免燃煤和燃油锅炉排放大量有害气体，同时可以充分利用工业余热，提高能源利用率，提升经济效益和社会效益，因此热泵在我国具有广阔的发展前景，值得大力推广。

4 高温热泵在工业中的应用

4.1 海水淡化

海水淡化主要利用海水冻结法、电渗析法以及蒸馏法等，这些方法会消耗大量的热能或电能。例如，蒸馏法的成本较高，设备系统比较复杂，需要消耗能源来加热海水。这些技术的能耗比较高，会加剧地球温室效应和环境污染。人们要研发和应用新型海水淡化技术，提高能源利用率，降低运行成本，避免产生污染。热泵海水淡化技术可以提高海水淡化系统的能源利用率，同时也降低系统运行成本。机械压缩式热泵海水淡化技术，可以直接将海水温度加热到至少80℃，与膜法海水淡化技术相比，可以节省大量能源和运行成本，同时不会引发环境污染。当前，高温热泵技术可以广泛地应用于海水淡化中，以提高能源利用率，缓解淡水资源短缺的局面。

4.2 电厂废热

通常，大型电厂的实际热效率只达到40%左右，会向环境中排放大量热量。在实际冷却过程中，电场循环冷却水也会向大气中释放一定热量，不仅会污染大气环境，还会严重浪费热源。电厂要充分利用这部分热量，将其应用于热水系统和供暖系统中，提高电场热能综合利用率，保障经济效益。热泵低位热源供热期间，电厂利用循环冷却水连接循环水和水泵，其进入换热器后，再经过水泵升压，进入冷却水池和凝汽器循环水的进水管中。

4.3 污水废热

当前，我国居民的生活水平不断提高，很多城市的生活污水量不断上升，使得污水处理厂数量增加。污水厂出水量大，水源多样，处理水质要求高，应有效利用污水源热泵空调。城市污水水源热泵系统结构简单，安装方便，具有较高的换热效率，但是热泵系统的机房和出水渠道要保持较近的距离，如果距离较远，需要埋设循环水管道，其间可能会损失额外的能量[17-18]。中小型污水处理厂和附近住宅供暖系统适合采用这种热泵。

污水余热回收热泵系统主要包括污水系统、热泵机组系统和自来水系统，利用污水泵向热泵系统蒸发器传送污水，将低温热源转化为高温热源，最后利用排水管排出污水。冷凝器可以利用回收的余热加热自来水，满足用户要求。另外，工业企业可以利用高温水源热泵技术回收散热，无需利用冷却系统，可以获取高温热水，供清洗生产线使用。结合实际运行效果，综合考虑低谷电价成本，企业可以综合运用高温水源热泵和蓄热水箱，以保障节能效果，节省运行费用。