為什么說壓縮式熱泵和吸收式熱泵是兩條主流路線?
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余熱再利用是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要途徑之一,其中大量的低品位余熱要用熱泵回收。熱泵可以從低溫余熱中取熱,產(chǎn)生較高溫度輸出熱量,與水泵從低位抽水到高位類似,實(shí)現(xiàn)了熱量從低溫到高溫的傳遞。這個(gè)過程不能自發(fā)實(shí)現(xiàn),需要輸入高品位能源驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)能源可以分為電能和高溫?zé)崮埽鶕?jù)驅(qū)動(dòng)能力不同,熱泵又分為以壓縮式熱泵為代表的電動(dòng)熱泵、以吸收式熱泵為代表的熱能驅(qū)動(dòng)熱泵。在節(jié)能市場上,壓縮式熱泵和吸收式熱泵是兩條主流的技術(shù)路線,本文對(duì)這兩種熱泵進(jìn)行對(duì)比分析,提出各自的選用原則和適用領(lǐng)域。

需要提前說明一點(diǎn),所謂的“電能驅(qū)動(dòng)”壓縮式熱泵和“熱能驅(qū)動(dòng)”吸收式熱泵,并不是準(zhǔn)確的說法。實(shí)際上,壓縮式熱泵的驅(qū)動(dòng)能源為機(jī)械能,吸收式熱泵的驅(qū)動(dòng)能源為高溫?zé)崃亢椭袦剌敵鰺崃恐g的溫度差。下面詳細(xì)說明。
壓縮式熱泵
壓縮式熱泵產(chǎn)生提熱效果的基礎(chǔ)是壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),提供轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械能最常見的設(shè)備是電動(dòng)機(jī),因此電動(dòng)壓縮式熱泵成為這類設(shè)備的典型。同理,以高壓蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、帶動(dòng)壓縮機(jī),也能形成提熱效果;以高位水流帶動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)也可以驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī),帶來提熱效果。

因此,壓縮式熱泵的驅(qū)動(dòng)本質(zhì)是機(jī)械能,而一般冠以“電能驅(qū)動(dòng)”的原因有三:一是電能是最常見、最易獲取機(jī)械能的能源,具有代表性;二是其他可以驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的能源,如高壓蒸汽、高位水流等,都是應(yīng)用了可以轉(zhuǎn)化為電的能量,與電能在品位上類似;三是其他非電的壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)能源,都可以先轉(zhuǎn)化為電力,再用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),如高壓蒸汽可以先發(fā)電(熱電廠基本流程)、高位水流可以先發(fā)電(水電站基本流程)。這與熱能驅(qū)動(dòng)的吸收式熱泵是完全不同的。舉例來說,采用蒸汽驅(qū)動(dòng)的壓縮式熱泵,雖然驅(qū)動(dòng)能源看起來是熱能(蒸汽),但是只用了其中可以轉(zhuǎn)化為電力的膨脹功部分,蒸汽熱量中比例很大的冷凝熱沒有利用,因此也是屬于“電能驅(qū)動(dòng)”的范圍。
吸收式熱泵
吸收式熱泵以高溫?zé)崃框?qū)動(dòng)、回收低溫?zé)崃浚敵鲋袦責(zé)崃?,其?qū)動(dòng)的本質(zhì)是高溫?zé)崃颗c中溫輸出熱量之間的溫度差。

溫差足夠大,才能實(shí)現(xiàn)熱泵的提溫功能。因此,并不是說有高溫?zé)崃框?qū)動(dòng),就可以回收余熱;如果需要輸出的中溫?zé)崃康臏囟群芨?、與驅(qū)動(dòng)熱之間的溫差小,同樣不能回收低溫?zé)崃?。因此,只有?qū)動(dòng)溫度和輸出溫度之間的溫度差足夠大,才能產(chǎn)生熱泵提溫的效果;同理,即使驅(qū)動(dòng)溫度低,但是產(chǎn)生的中溫?zé)釡囟雀停瑴夭钭銐颍部梢援a(chǎn)生余熱回收的效果。比如節(jié)能領(lǐng)域常見的余熱制冷機(jī),采用70℃的工業(yè)余熱做驅(qū)動(dòng),產(chǎn)生30℃的冷卻水(放出的中溫?zé)幔?,可以制?℃的冷水(從7℃環(huán)境中吸收低溫?zé)幔?。因此,?qū)動(dòng)熱量和中溫?zé)崃康臏囟炔?,才是吸收式熱泵的核心?/div>
兩種熱泵的驅(qū)動(dòng)本質(zhì)明確后,我們就可以分析出壓縮式熱泵和吸收式熱泵的適用范圍,下面分幾種情況進(jìn)行分別說明。
場景一——原有傳熱過程存在很大傳熱溫差,余熱量相對(duì)較?。?/div>
過大的溫差在傳熱工藝中普遍存在。理想的傳熱過程是多級(jí)、小溫差(近零溫差)傳熱,這樣基本沒有能量品位損失,但現(xiàn)實(shí)中很難實(shí)現(xiàn)。很多傳熱過程都是簡單粗暴的,采用高溫?zé)崃恐苯訐Q熱,輸出合適溫度的熱量。
這種換熱工藝下,如果有余熱可以利用,優(yōu)先選擇吸收式熱泵,利用原工藝的高溫?zé)崃框?qū)動(dòng),回收低溫余熱,輸出合適溫度的熱量。與原工況相比,可以認(rèn)為余熱回收過程基本沒有增加能耗,利用原工藝?yán)速M(fèi)的熱量品位差,產(chǎn)生了回收余熱的效果,經(jīng)濟(jì)性最佳。
有人認(rèn)為,吸收式熱泵COP低,單效機(jī)只有1.7,雙效機(jī)也不過2.3;壓縮式熱泵COP可達(dá)5以上,采用更少的驅(qū)動(dòng)就可以回收更多的余熱,經(jīng)濟(jì)性肯定更好。這種算法并不適用在余熱量相對(duì)較小的場景中。余熱量小,兩種熱泵都可以回收全部余熱,此時(shí)壓縮式熱泵高COP的特點(diǎn)發(fā)揮不出來。原因在于,回收余熱量一樣,壓縮式熱泵COP高,輸出的熱量少、溫差小,出水溫度低,不滿足用熱需求,還需要用高溫?zé)崃垦a(bǔ)充到需求溫度;而吸收式熱泵COP低,輸出的熱量多、溫差大,出水溫度高,雖然也不能滿足用熱需求,但是加熱到相同的需求溫度,輸入的高溫?zé)崃可?。從整個(gè)系統(tǒng)輸出熱的能量構(gòu)成來看,吸收式熱泵系統(tǒng)總供熱量=余熱+驅(qū)動(dòng)熱量(高溫?zé)崃浚?補(bǔ)充的高溫?zé)崃?余熱+高溫?zé)崃?,壓縮式熱泵系統(tǒng)總供熱量=余熱+驅(qū)動(dòng)電能+高溫?zé)崃浚瑑烧卟煌巸H在于壓縮式熱泵用驅(qū)動(dòng)電能替代了一部分高溫?zé)崃?,從目前的能源價(jià)格來說,單位熱量的電價(jià)遠(yuǎn)高于熱價(jià)。

這種傳熱溫差大、余熱量相對(duì)小的場景以集中供熱為代表,采用采暖蒸汽、燃?xì)獾雀邷責(zé)嵩醇訜釤峋W(wǎng)水,溫差巨大;供熱量大,而電廠汽輪機(jī)、鍋爐煙氣等余熱熱量相對(duì)較少。這種情況下,采用吸收式熱泵就可以回收全部余熱。如果用壓縮式熱泵,只考慮驅(qū)動(dòng)電力轉(zhuǎn)化為熱的環(huán)節(jié),277kWh的電量才能輸出1GJ熱量,按電價(jià)0.5元/kWh計(jì)算,熱價(jià)為138.5元/GJ,遠(yuǎn)高于供熱熱價(jià)。因此,集中供熱領(lǐng)域的余熱回收適合采用吸收式熱泵,只有在熱量驅(qū)動(dòng)能力不足、還有大量余熱未利用的時(shí)候,才會(huì)采用壓縮式熱泵接力吸收式熱泵,進(jìn)行二級(jí)余熱回收。

場景二——原有傳熱過程溫差很?。?/div>
這種情況已經(jīng)是很完善的傳熱過程,能源品位浪費(fèi)很少,不適合采用熱泵的方式進(jìn)行余熱回收。比如大型火力發(fā)電廠(不對(duì)外供熱),采用多級(jí)抽汽、多級(jí)加熱的方式加熱30℃左右的蒸汽凝水,每級(jí)的傳熱溫差都很小。這種工況下,不論是吸收式熱泵還是壓縮式熱泵,都不適合。因?yàn)椴还苣姆N熱泵,都需要消耗較高品位的能源(電能和高溫?zé)崮埽?,余熱利用效果僅僅是節(jié)省了溫度較低的熱量,不管從能量品位還是經(jīng)濟(jì)性的角度,都是得不償失的。
場景三——余熱量很大,用熱量相對(duì)較少:
需要綜合經(jīng)濟(jì)性分析。因?yàn)樾枰敵龅臒崃肯鄬?duì)較少,壓縮式熱泵COP高的特點(diǎn)就可以充分發(fā)揮出來。采用壓縮式熱泵,驅(qū)動(dòng)的電能價(jià)格高,但COP高,可以回收大量余熱;采用吸收式熱泵,驅(qū)動(dòng)的熱能價(jià)格低,但COP低,供熱量中余熱比例少。因此,不能僅依靠熱泵COP或驅(qū)動(dòng)能源價(jià)格的高低判斷兩者的適用性,而是要根據(jù)輸出熱量的單位成本選擇合適的熱泵。
場景四——高溫?zé)崃科肺缓芨撸?/div>
吸收式熱泵并不是驅(qū)動(dòng)溫度越高越好。以溴化鋰吸收式熱泵為例,溴化鋰溶液溫度超過165℃后,腐蝕性急劇升高,因此在運(yùn)行時(shí),一般會(huì)把溶液溫度控制在165℃以下,如果熱源溫度超過165℃,只是減少了發(fā)生器的換熱面積,并不能帶來更大的好處;此外,有些余熱回收?qǐng)鼍暗墓r很好,較低品位的熱量即可驅(qū)動(dòng),品位過高還需要關(guān)閥節(jié)流,降低蒸汽壓力或熱源的平均溫度。因此,在燃?xì)?、高壓蒸汽等供熱場景,直接?yīng)用吸收式熱泵有些浪費(fèi)熱源品位,可以采用壓縮式熱泵和吸收式熱泵混合流程,熱源的高品位部分驅(qū)動(dòng)壓縮式熱泵,利用高COP的特點(diǎn)多回收余熱;品位降低后的熱量作為吸收式熱泵的驅(qū)動(dòng),進(jìn)一步回收余熱。這種混合式熱泵流程相對(duì)復(fù)雜,但實(shí)現(xiàn)了熱源的梯級(jí)利用,相同的熱量可以回收更多的余熱。
上述幾種條件只是眾多熱泵余熱回收?qǐng)鼍暗囊恍〔糠?,熱泵的選取需要具體問題具體分析??偟膩碚f,利用熱泵回收低品位余熱,是降碳、節(jié)能、增效的一個(gè)重要措施,應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。在目前的能源結(jié)構(gòu)下,吸收式熱泵是主流的,但在特定情況下,兩種熱泵接力使用會(huì)有更好的經(jīng)濟(jì)性。綜合而言,余熱利用條件千差萬別,需要根據(jù)現(xiàn)場參數(shù)和需求進(jìn)行個(gè)性化定制,才能用好兩種熱泵,實(shí)現(xiàn)更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
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