為什么說(shuō)壓縮式熱泵和吸收式熱泵是兩條主流路線(xiàn)?
發(fā)表于: 來(lái)自:壓縮機技術(shù)
余熱再利用是實(shí)現雙碳目標的重要途徑之一,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(lèi)似,實(shí)現了熱量從低溫到高溫的傳遞。這個(gè)過(guò)程不能自發(fā)實(shí)現,需要輸入高品位能源驅動(dòng)。驅動(dòng)能源可以分為電能和高溫熱能,根據驅動(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動(dòng)熱泵。在節能市場(chǎng)上,壓縮式熱泵和吸收式熱泵是兩條主流的技術(shù)路線(xiàn),本文對這兩種熱泵進(jìn)行對比分析,提出各自的選用原則和適用領(lǐng)域。

需要提前說(shuō)明一點(diǎn),所謂的“電能驅動(dòng)”壓縮式熱泵和“熱能驅動(dòng)”吸收式熱泵,并不是準確的說(shuō)法。實(shí)際上,壓縮式熱泵的驅動(dòng)能源為機械能,吸收式熱泵的驅動(dòng)能源為高溫熱量和中溫輸出熱量之間的溫度差。下面詳細說(shuō)明。
壓縮式熱泵
壓縮式熱泵產(chǎn)生提熱效果的基礎是壓縮機轉動(dòng),提供轉動(dòng)機械能最常見(jiàn)的設備是電動(dòng)機,因此電動(dòng)壓縮式熱泵成為這類(lèi)設備的典型。同理,以高壓蒸汽驅動(dòng)汽輪機轉動(dòng)、帶動(dòng)壓縮機,也能形成提熱效果;以高位水流帶動(dòng)水輪機轉動(dòng)也可以驅動(dòng)壓縮機,帶來(lái)提熱效果。

因此,壓縮式熱泵的驅動(dòng)本質(zhì)是機械能,而一般冠以“電能驅動(dòng)”的原因有三:一是電能是最常見(jiàn)、最易獲取機械能的能源,具有代表性;二是其他可以驅動(dòng)壓縮機轉動(dòng)的能源,如高壓蒸汽、高位水流等,都是應用了可以轉化為電的能量,與電能在品位上類(lèi)似;三是其他非電的壓縮機驅動(dòng)能源,都可以先轉化為電力,再用電動(dòng)機驅動(dòng),如高壓蒸汽可以先發(fā)電(熱電廠(chǎng)基本流程)、高位水流可以先發(fā)電(水電站基本流程)。這與熱能驅動(dòng)的吸收式熱泵是完全不同的。舉例來(lái)說(shuō),采用蒸汽驅動(dòng)的壓縮式熱泵,雖然驅動(dòng)能源看起來(lái)是熱能(蒸汽),但是只用了其中可以轉化為電力的膨脹功部分,蒸汽熱量中比例很大的冷凝熱沒(méi)有利用,因此也是屬于“電能驅動(dòng)”的范圍。
吸收式熱泵
吸收式熱泵以高溫熱量驅動(dòng)、回收低溫熱量,輸出中溫熱量,其驅動(dòng)的本質(zhì)是高溫熱量與中溫輸出熱量之間的溫度差。

溫差足夠大,才能實(shí)現熱泵的提溫功能。因此,并不是說(shuō)有高溫熱量驅動(dòng),就可以回收余熱;如果需要輸出的中溫熱量的溫度很高、與驅動(dòng)熱之間的溫差小,同樣不能回收低溫熱量。因此,只有驅動(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,即使驅動(dòng)溫度低,但是產(chǎn)生的中溫熱溫度更低,溫差足夠,也可以產(chǎn)生余熱回收的效果。比如節能領(lǐng)域常見(jiàn)的余熱制冷機,采用70℃的工業(yè)余熱做驅動(dòng),產(chǎn)生30℃的冷卻水(放出的中溫熱),可以制取7℃的冷水(從7℃環(huán)境中吸收低溫熱)。因此,驅動(dòng)熱量和中溫熱量的溫度差,才是吸收式熱泵的核心。
兩種熱泵的驅動(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(shuō)明。
場(chǎng)景一——原有傳熱過(guò)程存在很大傳熱溫差,余熱量相對較?。?/div>
過(guò)大的溫差在傳熱工藝中普遍存在。理想的傳熱過(guò)程是多級、小溫差(近零溫差)傳熱,這樣基本沒(méi)有能量品位損失,但現實(shí)中很難實(shí)現。很多傳熱過(guò)程都是簡(jiǎn)單粗暴的,采用高溫熱量直接換熱,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,利用原工藝的高溫熱量驅動(dòng),回收低溫余熱,輸出合適溫度的熱量。與原工況相比,可以認為余熱回收過(guò)程基本沒(méi)有增加能耗,利用原工藝浪費的熱量品位差,產(chǎn)生了回收余熱的效果,經(jīng)濟性最佳。
有人認為,吸收式熱泵COP低,單效機只有1.7,雙效機也不過(guò)2.3;壓縮式熱泵COP可達5以上,采用更少的驅動(dòng)就可以回收更多的余熱,經(jīng)濟性肯定更好。這種算法并不適用在余熱量相對較小的場(chǎng)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(lái)。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(mǎn)足用熱需求,還需要用高溫熱量補充到需求溫度;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(mǎn)足用熱需求,但是加熱到相同的需求溫度,輸入的高溫熱量少。從整個(gè)系統輸出熱的能量構成來(lái)看,吸收式熱泵系統總供熱量=余熱+驅動(dòng)熱量(高溫熱量)+補充的高溫熱量=余熱+高溫熱量,壓縮式熱泵系統總供熱量=余熱+驅動(dòng)電能+高溫熱量,兩者不同之處僅在于壓縮式熱泵用驅動(dòng)電能替代了一部分高溫熱量,從目前的能源價(jià)格來(lái)說(shuō),單位熱量的電價(jià)遠高于熱價(jià)。

這種傳熱溫差大、余熱量相對小的場(chǎng)景以集中供熱為代表,采用采暖蒸汽、燃氣等高溫熱源加熱熱網(wǎng)水,溫差巨大;供熱量大,而電廠(chǎng)汽輪機、鍋爐煙氣等余熱熱量相對較少。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,只考慮驅動(dòng)電力轉化為熱的環(huán)節,277kWh的電量才能輸出1GJ熱量,按電價(jià)0.5元/kWh計算,熱價(jià)為138.5元/GJ,遠高于供熱熱價(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)行二級余熱回收。

場(chǎng)景二——原有傳熱過(guò)程溫差很?。?/div>
這種情況已經(jīng)是很完善的傳熱過(guò)程,能源品位浪費很少,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(chǎng)(不對外供熱),采用多級抽汽、多級加熱的方式加熱30℃左右的蒸汽凝水,每級的傳熱溫差都很小。這種工況下,不論是吸收式熱泵還是壓縮式熱泵,都不適合。因為不管哪種熱泵,都需要消耗較高品位的能源(電能和高溫熱能),余熱利用效果僅僅是節省了溫度較低的熱量,不管從能量品位還是經(jīng)濟性的角度,都是得不償失的。
場(chǎng)景三——余熱量很大,用熱量相對較少:
需要綜合經(jīng)濟性分析。因為需要輸出的熱量相對較少,壓縮式熱泵COP高的特點(diǎn)就可以充分發(fā)揮出來(lái)。采用壓縮式熱泵,驅動(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或驅動(dòng)能源價(jià)格的高低判斷兩者的適用性,而是要根據輸出熱量的單位成本選擇合適的熱泵。
場(chǎng)景四——高溫熱量品位很高:
吸收式熱泵并不是驅動(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(guò)165℃后,腐蝕性急劇升高,因此在運行時(shí),一般會(huì )把溶液溫度控制在165℃以下,如果熱源溫度超過(guò)165℃,只是減少了發(fā)生器的換熱面積,并不能帶來(lái)更大的好處;此外,有些余熱回收場(chǎng)景的工況很好,較低品位的熱量即可驅動(dòng),品位過(guò)高還需要關(guān)閥節流,降低蒸汽壓力或熱源的平均溫度。因此,在燃氣、高壓蒸汽等供熱場(chǎng)景,直接應用吸收式熱泵有些浪費熱源品位,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動(dòng),進(jìn)一步回收余熱。這種混合式熱泵流程相對復雜,但實(shí)現了熱源的梯級利用,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場(chǎng)景的一小部分,熱泵的選取需要具體問(wèn)題具體分析??偟膩?lái)說(shuō),利用熱泵回收低品位余熱,是降碳、節能、增效的一個(gè)重要措施,應用領(lǐng)域廣泛。在目前的能源結構下,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)濟性。綜合而言,余熱利用條件千差萬(wàn)別,需要根據現場(chǎng)參數和需求進(jìn)行個(gè)性化定制,才能用好兩種熱泵,實(shí)現更好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。
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