熱泵已成為新建筑供暖系統的首選，在區域供暖中也很常見(jiàn)——然而，在商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域，情況卻有所不同。在這些領(lǐng)域中，熱泵仍然很少被利用。熱泵是一種清潔高效的熱量輸送裝置，在商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域也存在一些令人印象深刻的最佳實(shí)踐案例。

 

　　使用熱泵的先決條件始終都是熱源。這通常很容易在工業(yè)生產(chǎn)中以廢熱的形式找到。瑞士孚瑞公司（Friotherm AG）特別指出廢熱可能來(lái)自以下來(lái)源：工業(yè)焚燒廠(chǎng)、生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢熱、原污水和處理后的廢水、海水、河水和湖水以及地下水。低于100℃的低溫余熱通常不再可用并被消散（歐適能能源公司Ochsner創(chuàng )造性地將這類(lèi)余熱稱(chēng)為“熱廢物”）。然而，對于熱泵來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)有價(jià)值的起點(diǎn)。在壓縮機的幫助下，廢熱的溫度水平被升高到可用于工藝的一個(gè)更高的水平。目前，現有的熱泵涵蓋了從50~160℃的所有溫度范圍，輸出功率從20kW到有時(shí)可能會(huì )超過(guò)20MW。這意味著(zhù)，在相應的溫度范圍內的幾乎所有的應用都是可能的。

 

　　德國弗勞恩霍夫制造工程與自動(dòng)化研究所IPA的Ivan Bogdanov先生特別提到了以下可能的應用：

　　● 在化學(xué)工業(yè)中的應用溫度為100~110℃

　　● 塑料生產(chǎn)（LDPE-HDPE以及PVC）的溫度為80~100℃

　　● 塑料加工（LDPE），溫度為120~140℃

　　● 陶瓷生產(chǎn)中的干燥，溫度為20~120℃

 

　　高溫熱泵（HTWP）通?？梢赃m用于任何需要150℃以下的工藝熱量的場(chǎng)合。目前，高溫工業(yè)過(guò)程熱是通過(guò)燃燒化石燃料或通過(guò)電阻加熱使用電網(wǎng)電力在現場(chǎng)產(chǎn)生的。

　　用于能源回收的熱泵目前，高溫熱泵應用溫度范圍可以輕松達到160℃左右

 

　　據德國弗勞恩霍夫太陽(yáng)能系統研究所ISE估計，在德國150℃以下的工藝熱量的耗電量需求超過(guò)100TW·h。其中，高耗電量需求主要體現在食品、造紙和化學(xué)工業(yè)等。在這些領(lǐng)域中，低溫蒸汽被應用于許多工藝，例如干燥紙制品、對食品進(jìn)行滅菌和巴氏殺菌，或用于蒸餾過(guò)程。根據AIT（奧地利技術(shù)研究所）的一項研究，目前市場(chǎng)上的熱泵蒸汽發(fā)生器可提供高達0.5MPa（152℃）左右的飽和蒸汽。

 

　　在2021年11月舉行的德國能源署（Dena）化學(xué)行業(yè)數字實(shí)踐研討會(huì )上，來(lái)自 SpillingTechnologies公司的ChristofFleischmann先生介紹了使用活塞式壓縮機進(jìn)行蒸汽循環(huán)的工藝，這與高溫熱泵的原理類(lèi)似。該工藝可用于在冷卻過(guò)程或放熱反應期間產(chǎn)生的低壓過(guò)剩蒸汽，以及在其他需要較高壓力水平的工藝蒸汽的場(chǎng)合。在全世界范圍內的化學(xué)工業(yè)中，有許多這樣的應用實(shí)例。這里所描述的蒸汽活塞壓縮機可實(shí)現高排放壓力和COP值，因此與傳統的蒸汽發(fā)生器相比，只需要大約1/10的能量。

 

　　據專(zhuān)家介紹，與傳統蒸汽發(fā)生器相比，蒸汽回收可以在實(shí)踐中節約高達50%甚至更多的成本。其中，一些條件能有助于使蒸汽循環(huán)發(fā)揮其最佳效果：

　　● 低壓蒸汽的殘余壓力應該有至少0.1MPa

　　● 出口與進(jìn)口的壓力比最大應5倍

　　● 要求的出口壓力不應高于3.5MPa

 

　　Spilling公司表示，如果使用可再生電力來(lái)操作蒸汽壓縮機，則高壓蒸汽甚至可以作為完全不含二氧化碳的綠色工藝蒸汽被產(chǎn)生出來(lái)。

 

　　另一個(gè)實(shí)際案例：Rechtenbacher公司對其自動(dòng)塑料涂裝線(xiàn)進(jìn)行了現代化改造。Simaka Energie und Umwelttechnik公司為Rechtenbacher公司開(kāi)發(fā)了一套基于熱泵的廢氣凈化系統?，F在，Rechtenbacher公司可以通過(guò)冷凝而不是熱后燃燒，將溶劑從廢氣中分離出來(lái)，排出的廢氣則使用活性炭過(guò)濾器進(jìn)行凈化。

 

　　通過(guò)這種方式，可以節省95%的氣體消耗，并大大減少二氧化碳的排放?；钚蕴吭谥苣┦褂脽岜眠M(jìn)行再生，溶劑也會(huì )在這個(gè)過(guò)程中被回收。在Rechtenbacher公司，熱泵技術(shù)的應用特別有效，因為過(guò)程中同時(shí)需要加熱和冷卻。

 

　　當使用熱能時(shí)，COP（性能系數，可用熱能與所耗電能之比）為4在技術(shù)上被認為是可實(shí)現的。如果同時(shí)使用冷卻，熱轉化效率就會(huì )提高7~10倍。例如，來(lái)自熱泵的余熱可用于加熱清洗待涂裝部件的凈化水，用于工藝空調和建筑物取暖。此外，通過(guò)在噴房和各種干燥機中安裝節能熱泵進(jìn)行空氣循環(huán)或供氣操作，可以進(jìn)一步節約能源。

 

　　專(zhuān)訪(fǎng)Karl Ochsner先生，歐洲熱泵協(xié)會(huì )榮譽(yù)主席，Ochsner熱泵公司前總經(jīng)理，多本技術(shù)書(shū)籍的作者

　　“從長(cháng)遠來(lái)看，熱泵勝過(guò)蒸汽鍋爐！”

 

　　PROCESS:Ochsner先生，雖然熱泵在今天的新建筑中應用非常廣泛，但工業(yè)領(lǐng)域的應用卻相當罕見(jiàn)。是什么阻礙了熱泵在工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展？

 

　　Ochsner: 大型熱泵已經(jīng)存在了相當長(cháng)的一段時(shí)間——在工業(yè)應用、工藝熱和支持區域供熱方面，我看到了巨大的潛力，其潛力至少和建筑供暖領(lǐng)域一樣大。你問(wèn)什么阻礙了熱泵在工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展？在許多情況下，這是由于人們對當今熱泵所能達到的高溫以及生產(chǎn)蒸汽方面了解不足。此外，特別是流程工業(yè)，在某種程度上害怕使用新技術(shù)。同時(shí)，工業(yè)和能源規劃者往往缺乏關(guān)于如何實(shí)施這些概念的可靠專(zhuān)業(yè)知識。例如，當在一個(gè)系統中同時(shí)需要工藝加熱和工藝冷卻時(shí)，使用熱泵就特別有效。如果可以省去制冷系統或冷卻塔，這對運營(yíng)商來(lái)說(shuō)是非常有意義的。

 

　　PROCESS: 流程工業(yè)經(jīng)常需要蒸汽。您能估計一個(gè)化石燃料蒸汽鍋爐和一個(gè)大型熱泵的生命周期成本嗎？

 

　　Ochsner: 這總是取決于溫度和應用領(lǐng)域。假設廢熱源的溫度在50~80℃，我估計投資回報率不超過(guò) 5 年，但這只是純粹的攤銷(xiāo)。如果我們看一下生命周期的成本，熱泵通常都能給用戶(hù)帶來(lái)回報。從長(cháng)遠來(lái)看，在低壓蒸汽方面，熱泵優(yōu)于蒸汽鍋爐！

 

　　PROCESS: 在您的公司主頁(yè)上，提到您們能提供最高溫度為130℃的工藝熱。Ochsner 的大型熱泵有哪些工業(yè)用途？

 

　　Ochsner ：在產(chǎn)生蒸汽時(shí)，我們已經(jīng)實(shí)現了一些項目，例如造紙業(yè)，或皮革業(yè)的處理工藝。此外，在區域供熱方面也有應用。

 

　　熱泵支持干燥

　　第3個(gè)實(shí)際例子：作為歐盟資助的Dryficiency項目的一部分，AIT（奧地利技術(shù)研究所）開(kāi)發(fā)了第一臺用于高溫范圍的工業(yè)壓縮熱泵。

 

　　自2019年以來(lái)，此工業(yè)壓縮熱泵一直在位于奧地利Uttendorf的 Wienerberger AG公司進(jìn)行試運行。這款熱泵的特別之處在于它能提供高達160℃的加熱水（它可為磚塊烘干機提供相應的熱空氣）。在制造過(guò)程中，磚塊首先被成型、干燥，然后燒制。這個(gè)過(guò)程是在一個(gè)連續的隧道式干燥機中進(jìn)行的，現在高溫熱泵已經(jīng)被整合到其中。它使用來(lái)自干燥機廢氣熱回收的熱水作為熱源，為隧道式干燥機提供熱量。

 

　　在許多工業(yè)過(guò)程中，會(huì )出現廢熱流。由于溫度低，這些廢熱流不能再合理地用于生產(chǎn)過(guò)程或供暖，通常需要通過(guò)額外的冷卻措施才能釋放到環(huán)境中。而在熱泵的幫助下，這些廢熱流可以被提高到一個(gè)可用的溫度水平，并重新整合到生產(chǎn)過(guò)程中。迄今為止，熱泵在工業(yè)領(lǐng)域的應用潛力一直被嚴重低估。

　　本文作者Hans-Jürgen Bittermann，系德文版PROCESS自由撰稿人，責任編輯胡靜，責任校對何發(fā)。