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工業(yè)熱泵的種類及趨勢介紹

2023-02-10 1116

在臭氧層保護(hù)及降低溫室效應(yīng)的響應(yīng)下，節(jié)約能源和使用清潔能源越來越成為人們追求的目標(biāo)。據(jù)國際能源署（IEA）數(shù)據(jù)顯示，2021年供熱占全球終端能耗的50%，占全球二氧化碳排放量的40%^[1]；熱力消費(fèi)中，工業(yè)部門占比約50%。如果能夠?qū)⒚磕戤a(chǎn)生并向環(huán)境中大量排出的工業(yè)廢熱利用起來，將實(shí)現(xiàn)以比化石燃料更低的成本提供熱量，降低能源成本。那么如何能將這些工業(yè)廢熱有效利用起來，成為了工業(yè)界的重要課題。

工業(yè)熱泵就是這樣一類設(shè)備，它能夠主動(dòng)回收熱，將傳統(tǒng)的、無法回收廢熱流的溫度增加到更高、更有用的溫度，促進(jìn)節(jié)能。然而，溫度的升高并不是沒有代價(jià)的，它需要外部機(jī)械能或熱能源。最常見的熱泵類型存在以下幾種^[2]：

1）閉式循環(huán)機(jī)械熱泵：利用機(jī)械壓縮工作流體來實(shí)現(xiàn)溫度提升，工作流體通常是一種常見的制冷劑。大多數(shù)常見的機(jī)械傳動(dòng)適用于熱泵的使用，例如電動(dòng)機(jī)、蒸汽輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和燃燒渦輪。

2）開式循環(huán)機(jī)械蒸汽壓縮（MVC）熱泵：使用機(jī)械壓縮機(jī)來增加廢棄蒸汽的壓力。通常用于蒸發(fā)器，工作流體是水蒸氣。MVC熱泵被認(rèn)為是開放式循環(huán)，因?yàn)楣ぷ髁黧w是一個(gè)過程流。大多數(shù)常見的機(jī)械傳動(dòng)適用于熱泵的使用，例如電動(dòng)機(jī)、蒸汽輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和燃燒渦輪。

3）開式循環(huán)熱壓縮熱泵：利用高壓動(dòng)力蒸汽中的能量，使用噴射裝置來增加廢蒸汽的壓力。通常用于蒸發(fā)器，工作流體是蒸汽。與MVC熱泵一樣，熱壓縮熱泵是開放式循環(huán)的。

4）閉式循環(huán)吸收式熱泵：采用雙組分工作流體和沸點(diǎn)升高和吸熱的原理來實(shí)現(xiàn)溫度升高和在更高溫度下輸送熱量。其工作原理與使用溴化鋰/水混合物作為工作流體的蒸汽加熱吸收式制冷機(jī)相同。

不同類型的熱泵有不同的應(yīng)用場景。最常見的工業(yè)應(yīng)用是木材的除濕干燥^[2]。在這種應(yīng)用中，木材干燥窯中溫暖潮濕的排氣空氣是封閉循環(huán)機(jī)械熱泵的熱源，將熱量輸送到進(jìn)入的空氣中。除了能源效益外，熱泵窖較低的操作溫度提高了產(chǎn)品質(zhì)量；從廢氣中去除 VOC 的熱泵也帶來了環(huán)境效益。

雖然木材干燥應(yīng)用眾多，但就所輸送的熱量而言，設(shè)備的尺寸通常很小。例如，150,000 Btu/h的熱輸出被認(rèn)為是一個(gè)大的應(yīng)用；目前，業(yè)界正在開發(fā)3~5 MMBtu/h的大型系統(tǒng)。而除了木材干燥之外的封閉循環(huán)應(yīng)用，其熱量輸出范圍為1~20 MMBtu/h，一般是熱流，如工藝液體或空氣。

最常見的大型熱負(fù)荷應(yīng)用是蒸汽壓縮蒸發(fā)。在這種應(yīng)用中，蒸發(fā)的蒸汽在一個(gè)小的壓力范圍內(nèi)被壓縮并冷凝，以提供能量來驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)過程。這樣的系統(tǒng)以較低的成本提供20 MMBtu/h到超過100 MMBtu/h的熱量。

蒸發(fā)器和閃蒸回收系統(tǒng)通常包含熱壓縮系統(tǒng)。例如，紙張烘干機(jī)通常使用熱壓機(jī)從烘干機(jī)冷凝水中回收閃蒸。

吸收式系統(tǒng)通常用于制冷應(yīng)用，被作為機(jī)械制冷機(jī)的替代品，而不是用于熱泵應(yīng)用。

工業(yè)熱泵具有上述節(jié)能、應(yīng)用功能廣泛等優(yōu)質(zhì)性能，在低碳經(jīng)濟(jì)時(shí)代下，其發(fā)展充滿了機(jī)遇，尤其以歐洲為突出。

歐洲28國占有25%的終端能源消耗和20%的GHG排放，其中66%的工業(yè)能源消耗用于加熱^[3]。歐洲目標(biāo)在2050年成為碳中和地區(qū)，這將需要在30年內(nèi)節(jié)能32%。工業(yè)熱泵在歐洲的研發(fā)議程中處于重要地位，被公認(rèn)為是歐盟200 ^oC以下工業(yè)供熱領(lǐng)域脫碳戰(zhàn)略的關(guān)鍵技術(shù)^[3]。

為此，參與歐洲熱泵白皮書的研究機(jī)構(gòu)制定了雄心勃勃的工業(yè)熱泵發(fā)展計(jì)劃，提出了2020-2025年的熱泵發(fā)展目標(biāo)，這將為工業(yè)熱泵市場奠定基礎(chǔ)，并將工業(yè)熱泵作為一項(xiàng)成熟技術(shù)用于更多應(yīng)用領(lǐng)域^[3]：

1）<100 ^oC：熱泵技術(shù)被確立為供熱<100^oC的參考（低碳）技術(shù)，至少具有500臺(tái)大型（1~10 MW）機(jī)組安裝在工業(yè)和其他相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域；

2）>100 ^oC：25個(gè)全量程（1~10 MW）工業(yè)熱泵，提供100^oC至150^oC范圍內(nèi)的熱量，安裝在各個(gè)部門和國家的最終用戶位置；

3）>150 ^oC：多達(dá)5個(gè)中試規(guī)模（加熱能力 ±100 MW）的示范項(xiàng)目，以驗(yàn)證工業(yè)熱泵提供超過150 ^oC熱量的技術(shù)可行性；

4）>200^oC：在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模（1~10 MW）開發(fā)3項(xiàng)技術(shù)，證明熱泵概念在200^oC以上提供熱量的技術(shù)可行性等。

此外，他們還出臺(tái)了相應(yīng)的扶持工業(yè)熱泵發(fā)展的資助項(xiàng)目：

1）國家資助項(xiàng)目：

SkaleUp (SINTEF)：用于組合工藝的熱泵解決方案：工藝?yán)鋮s（0~4 ^oC）結(jié)合工藝加熱（90~110 ^oC），以及 COP = 2.8，可將 CO₂ 排放量減少至接近零；
LowCapex and FUSE (TNO)：在工業(yè)規(guī)模（2 MW）上演示熱泵技術(shù)，從60~90 ^oC的廢熱中產(chǎn)生溫度在120~150^oC之間的工藝蒸汽；
Efficiency in Industrial Processes：創(chuàng)造節(jié)能技術(shù)和組件，這些技術(shù)和組件可應(yīng)用于許多不同的過程，如蒸汽和熱量產(chǎn)生。
SuPrHeat (DTI/DTU)：開發(fā)和演示三個(gè)基于天然制冷劑的中試規(guī)模（500 kW）高溫?zé)岜眉夹g(shù)，可提供高達(dá)200 ^oC的工藝熱。該項(xiàng)目還為現(xiàn)有工廠和奶牛場、屠宰場、啤酒廠和其他工業(yè)部門的新工藝設(shè)備開發(fā)熱泵集成方法。
SteamHP：基于蒸汽的熱泵系統(tǒng)（DTI），基于汽車渦輪增壓器的高效蒸發(fā)器的開發(fā)、演示和長期測試等。

2）歐洲資助項(xiàng)目：

BAMBOO (AIT)：開發(fā)和演示可用于低至150 ^oC的低壓蒸汽的熱泵蒸汽發(fā)生器。
DryFiciency (AIT)：在淀粉、磚瓦和廢物處理工藝的生產(chǎn)廠中進(jìn)行三種高溫?zé)岜眉夹g(shù)的示范和集成。熱泵技術(shù)可以在高達(dá)160 ^oC的溫度下產(chǎn)生熱量。
CHESTER (TECNALIA)：評估使用熱泵在高溫下將低價(jià)格的電力存儲(chǔ)為熱量的可能性，然后在最高價(jià)格時(shí)期將存儲(chǔ)的熱量通過ORC發(fā)電機(jī)發(fā)電等。

今天，一些先進(jìn)的低碳能源載體和技術(shù)的成本仍然很高，并且它們的實(shí)用性有限。雖然目前工業(yè)熱泵的研發(fā)已經(jīng)取得了令人印象深刻的個(gè)體成果，但它還沒有達(dá)到成熟的技術(shù)水平能夠使CO₂的減排有效地降低。工業(yè)熱泵是在一個(gè)一個(gè)資助項(xiàng)目上發(fā)展的，這使其受制于基礎(chǔ)開發(fā)活動(dòng)的協(xié)調(diào)、關(guān)鍵知識(shí)的共享和發(fā)展的連續(xù)性，而這需要國家和地區(qū)層面的不斷努力來解決這些問題，促進(jìn)工業(yè)熱泵的快速發(fā)展。

注：1 Btu/h = 0.00029307 kW。

[1] IEA.Heating[R]. https://www.iea.org/fuels-and-technologies/heating.

[2] Industrial Heat Pumps for Steam and Fuel Savings. U.S. Department of Energy.

[3] Strengthening Industrial Heat Pump Innovation & Decarbonizing Industrial Heat. Robert de Boer, TNO; Andrew Marina, TNO; Benjamin Zühlsdorf, DTI; Cordin Arpagaus, NTB; Michael Bantle, SINTEF; Veronika Wilk, AIT; Brian Elmegaard, DTU; José Corberán, UPValencia; Jessica Benson, RISE.

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