低品位热能利用与减缓气候变暖

墙新奇

新疆八一钢铁股份有限公司

0 引言

全球气候变化的主要特征为气候变暖，气候变暖主要是因为CO2等温室气体浓度增加所致[1]，而“人类使用化石燃料和土地利用变化是温室气体浓度增加的主要原因”[2]。提高能源利用效率，减少温室气体排放就成为实现减缓气候变化的重要选择。

低品位热能或低品位废热、低温热能总量巨大且可再生，人类利用的热能中有50%最终以低品位废热的形式直接排放[3]，气候变化的能量90%以低品位热能的形式被海洋储存使得海洋升温[4]。研制开发新技术以利用部分这些热能，可减缓气候变暖的进程。

海洋温差发电技术就是低品位热能的典型代表，它是利用海水浅层和深层的温差，以及温、冷两种热源，通过热交换使循环工质相变、温升，循环工质膨胀做功发电[5]。但海洋温差发电技术受限诸多，可利用温差较小，能源转换效率也很低，规模化应用的前景并不明朗。

低品位热能利用吸引了越来越多的关注，一些技术和方法日益成熟，新的材料也在不断出现，使其在节能减排、减缓气候变暖方面的作用和意义也在逐步增加。

1 冷源的制约

低品位热能利用技术的冷源与通常的蒸汽动力循环冷源是相同的，即依赖于自然界的空气或水，温度等同于周围环境，采用自然冷却或强制冷却的方法冷凝循环工质，从而使工作循环能够在低能耗的情况下建立。

低品位热能利用受冷源的制约，其可利用能的温度范围较窄，无论是低品位热能发电，热泵、制冷等技术均是如此，海洋温差发电技术的可利用能的温度范围一般在25℃左右。为了提高装置的能源转换能力，常常采用提高循环初参数的方法增大可利用能的温度范围，如太阳能增热、高品位蒸汽喷射等技术。

人为直接制造低于环境温度的冷源的方法普遍被认为是不可取的，因为其消耗的高等级能量往往大于对应的低品位热能利用的收益。间接利用地下、深海等降低冷源温度的做法在一些场合被采用，但能降低的温度有限。

2 低品位热能制冷

通常的低品位热能制冷技术，其制冷性能系数一般低于1．5，如吸附式制冷和吸收式制冷等，用这类制冷技术来制造冷源，经济性太差。

若是有办法使被利用的低品位热能的温度接近甚至低于环境温度，如海洋温差发电技术、可利用低品位热能的热声制冷技术等，这时，如只考虑高等级能耗的投入而不再考虑低品位热能本身的热利用效率会给冷源制造带来新的思路和解决办法。

环境温度到绝对零度之间的温度范围很大，若将该温度范围的热能也视为可以利用的低品位热能，将其利用和转换为更低温度的冷源，这样冷源制造也就有更多选择空间。

为达到该目的，有几个问题必须解决：一是选择合适的工作介质，二是建立新的制冷循环方式，三是降低高等级的能量消耗。

3 新的制冷循环工质选择[6]

新的制冷循环工质要满足以下几个方面的要求：

①在很低的温度下保持良好的流动性，即沸点低，且凝固点与沸点温度有较大温差；

②工质物性要求无毒、无腐蚀、不易燃易爆、化学性能稳定；

③对环境影响小，即ODP值和GWP值较低；

④工质的获取相对容易、价格不高。

综合上述几个方面可得出，空气或空气中的主要组成成分可以成为满足要求的自然工质，且空分装置多，分布广泛，液空、液氮、液氧等液体工质较易获得，温度也足够低，用它们做工质，到环境温度，约有200℃的温度范围可以利用。

4 新的制冷循环的建立

新的制冷循环的建立要满足以下几个条件：

①循环利用的热源的温度接近环境温度，是一直被认为是“不可利用的低品位热能”，是“废热”，从而不用考虑其热利用效率问题，或不作为重要的指标来评价循环的整体性能；

②循环能利用来自热源的低品位热能做功，从而在减少高等级能源消耗的同时又降低循环工质的温度；

③循环的动能来源于低能耗的动力设备或其它设备设施；

④循环能够持续稳定运行。

为了说明新的制冷循环，将通常空调用的压缩制冷方式用图1展现，用于对比说明图2所示的新的制冷循环。

图1中：1～2过程为循环工质蒸汽多变压缩过程，主要是为了增加循环工质的动能，压缩机能耗大于h2-h1,这也是压缩制冷主要的能耗损失过程；2～4过程为循环工质冷凝过程，由循环水或新风带走热量；4～5过程为节流过程，液体循环工质减压汽化；5～1过程为蒸发过程，冷量由循环风带走。

图1 通用压缩制冷T-S示意图

图2 新的制冷循环T-S示意图

图2中的制冷循环分为三个子循环，均使用空气或液空为循环工质。首先介绍气动压缩循环子系统：01～02过程为增压过程，是为了保持气体循环工质的动能；02～03过程为定压吸热增温过程，增加气体工质的过热度和热能；07～08过程为液体工质增压过程，为了保持工质的动能；08～05过程和03～05过程为气液混合过程，少量气体工质本身及其作为载体携带的大量热能使液体工质蒸发气化、体积增大；05～05’过程相当于工质做功过程，混合工质体积增大部分通过活塞做功转化，做功量为h05-h05’，从而保证混合工质的湿度，使混合工质的焓值稳定在h05以便后面气液分离后气液比的保持；05～06过程为气动压缩机气动腔切换过程，混合工质进入气液分离器分离；06～07过程为液体冷凝过程；06～01过程为湿蒸汽干燥过程。气动压缩机通过湿蒸汽进行自润滑，通过导轮定位和导向，减少摩擦阻力，气动压缩机结构示意图见图3。为降低01～02过程气体压缩能耗，一是采用低温压缩方式，气体工质的压缩系数较小，从而降低能耗；二是采用小压比方式，仅为保持工质的动能；三是减少被压缩气体的总量，满足前道过程，气液分离的需要即可。

图3 气动压缩机结构示意图

第二个子循环为冷量增益循环子系统：11～12过程为压缩气体膨胀做功过程，所做的功用于下一子循环；12～13过程为吸热过程，吸收外部低品位热能同时输出冷量；13～14过程为增压过程，上个子循环做的功h05-h05’用于气体压缩，压缩期间产生的部分热能被气动腔的湿蒸汽吸收用于做功，压缩过程接近等温压缩；14～11过程为定压增热过程，用于提高压缩气体的动能，同时输出第二等级的冷量。

第三个子循环为低压补冷循环子系统：21～22过程近似于等温压缩过程，气体压缩产生的热能被循环冷却水冷却带走，压缩机进出口温度基本一致。共两级压缩，第一级压缩动力源来自上个子循环的气体膨胀做功，第二级压缩的动力源来自本子循环的气体膨胀做功；22～23过程和25～21过程为对流换热过程，低压气体温度上升、增压气体温度下降；23～24过程为压缩气体膨胀做功过程，产生冷量；24～25过程为换热过冷过程，用于补充气动压缩循环子系统损失的冷量，以及液体增压所需的过冷量，从而保持整个制冷循环的持续稳定运行。

三个子循环系统相互影响、相互连接，共同组成一个完整的制冷循环。三个子循环系统根据其任务不同，所处的温度不同，充分利用环境温度到深冷温度之间较大的温度范围空间。此外，冷量输出温度区间的增大，也能弥补非潜热制冷而造成的制冷量较小问题的影响。

新的制冷循环的评价可用消耗的高等级能量，如电能等，以及获得的冷量的比值来进行，类似于普通空调的能效比，不考虑低品位热能本身的热利用效率问题。不同于普通的压缩制冷方式，其高等级能量主要消耗在气体压缩环节，新的制冷循环气体压缩主要消耗的是低品位热能，高等级能量主要用于系统循环的保持，故相应的能耗较低。

5 结语

新的制冷循环着眼于“不可用热能”的开发利用，通过“不可用热能”来制冷，获得更高的能效比。当利用品质很低的低品位热能的制冷系统的能效比足够大时，用其作为冷源，开发利用品质稍高的低品位热能就成为重要的选择了。

新的制冷循环并不能改变“能量使用后最终以低温热能的方式消散于环境”的本质，只不过消散时的温度更低而已，这对减缓气候变暖十分有益。

新的制冷循环目前还处于研究阶段，尚需实践的检验，希望新的思路和想法有益于行业的发展和进步。