超級(jí)熱泵，讓低品位余能實(shí)現(xiàn)回收利用

“我國(guó)年工業(yè)用能約29.1億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，但其中150攝氏度以下余熱（低品位熱能）往往是‘廢熱’，其總量相當(dāng)于工業(yè)用能的14.2%。如果40%的余熱能得到有效利用，一年就能節(jié)約1.65億噸標(biāo)煤，意義巨大。”上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所所長(zhǎng)王如竹說(shuō)。

　　王如竹教授已經(jīng)和綠色能源“磕”了30余年，藏著20多項(xiàng)的綠色能源技術(shù)的中意綠色能源實(shí)驗(yàn)室，是他多年技術(shù)攻堅(jiān)的集成體現(xiàn)。在這里，基于數(shù)十載制冷、換熱技術(shù)的研發(fā)，王如竹帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了“低品位余能回收技術(shù)及熱泵裝備研發(fā)與示范”項(xiàng)目，節(jié)能減排“痛點(diǎn)”。

　　熱泵作為一種節(jié)能技術(shù)，可將低溫廢熱變成有用的高品位熱能，例如替代常規(guī)煤鍋爐進(jìn)行供暖，可緩解北方集中供熱熱源緊張局面，同時(shí)實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的節(jié)能降耗，讓天更藍(lán)、地更綠。

　　超強(qiáng)熱泵背后的“引擎”

　　不同溫度的廢熱有不同的用武之地。如中高溫余熱通過(guò)熱機(jī)對(duì)外做功可發(fā)電，中低溫余熱通過(guò)回收可發(fā)電、制冷和供熱，低溫余熱可通過(guò)熱泵供應(yīng)生活熱水等。通過(guò)消耗少量的化石能源或電力，可以把回收的余熱轉(zhuǎn)化為有用的高品位熱能，再用于工業(yè)流程或供暖工程。

　　“溫度低、能量密度低且分散等原因是低溫余熱難以回收利用的大難題。”王如竹說(shuō)。壓縮式熱泵、吸收式熱泵和化學(xué)熱泵是余熱品位提升的主要途徑。三種熱泵技術(shù)雖已有發(fā)展，但一直以來(lái)難以突破熱泵容量、能效比、溫升與可靠性兼得的瓶頸。項(xiàng)目不僅需要攻克技術(shù)難題，還要考慮經(jīng)濟(jì)效益。如果節(jié)能不節(jié)錢，這些技術(shù)與裝備也難以推廣應(yīng)用。

　　對(duì)此，王如竹帶領(lǐng)的項(xiàng)目組攻堅(jiān)克難，通過(guò)單個(gè)技術(shù)的研發(fā)和對(duì)流程、工藝等方面的創(chuàng)新優(yōu)化，研制出效率高、容量大、熱負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)的“超級(jí)”熱泵，突破了低品位余能規(guī)?；瘧?yīng)用的技術(shù)壁壘，并促進(jìn)了新興熱泵裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

　　性能提升和系統(tǒng)優(yōu)化匹配是提高壓縮式熱泵能效的關(guān)鍵。“一般設(shè)備采用蒸發(fā)器和冷凝器各一個(gè)的單一系統(tǒng)。”王如竹說(shuō)。項(xiàng)目組將壓縮式熱泵蒸發(fā)和冷凝溫度各分為兩段，采用獨(dú)立逆流雙系統(tǒng)進(jìn)行分段蒸發(fā)和分段冷凝，減少了蒸發(fā)和冷凝的換熱溫差，降低壓縮機(jī)壓比，從而提升能效。

　　“高性能吸收式熱泵示范機(jī)組容量特別大，只能實(shí)地組裝，任何返工或修改都要付出巨大代價(jià)。”項(xiàng)目組的潘權(quán)穩(wěn)博士說(shuō)，由于機(jī)組體積大，還需根據(jù)運(yùn)輸?shù)臉O限尺寸進(jìn)行分割設(shè)計(jì)與制造，并對(duì)每個(gè)部件進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試和質(zhì)量把關(guān)，保證實(shí)地組裝一次成功。

　　相比而言，化學(xué)熱泵的技術(shù)成熟度遠(yuǎn)低于壓縮式和吸收式熱泵。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研究的50千瓦級(jí)化學(xué)熱泵在上沒(méi)有先例可參考，研究人員的不懈努力，保證了示范工程的一次成功。

　　“沿途下蛋”，產(chǎn)業(yè)化溢出效應(yīng)顯著

　　研究的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用為項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研制的超級(jí)熱泵提供了廣闊天地。

　　用于鞍鋼靈山供暖改造工程的壓縮式熱泵示范機(jī)組，制熱能效比較技術(shù)突破前提升了15%—20%，達(dá)6.67，熱輸出容量9兆瓦，可年節(jié)省3500余噸標(biāo)煤。“目前世界進(jìn)的機(jī)組能效比也僅約5.5—5.8，我們的機(jī)組已超世界進(jìn)水平。”王如竹很自豪，“該熱泵系統(tǒng)示范成功后，客戶馬上又加訂了5臺(tái)。”

　　在大唐甘肅發(fā)電有限公司西固熱電廠余熱回收供暖的示范項(xiàng)目中，項(xiàng)目研發(fā)的吸收式熱泵供熱效率是蒸汽供熱的1.77倍，目前已穩(wěn)定運(yùn)行了兩個(gè)供暖季。“個(gè)供暖季就回收了約4.34萬(wàn)噸標(biāo)煤的余熱，節(jié)省了52.9萬(wàn)噸的水，減排13.5萬(wàn)噸二氧化碳排放。”王如竹說(shuō)，這相當(dāng)于15900臺(tái)常規(guī)家用空調(diào)熱泵的制熱量。

　　廢熱利用，除了熱能轉(zhuǎn)化，儲(chǔ)熱技術(shù)也相當(dāng)關(guān)鍵。對(duì)此，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了相變儲(chǔ)熱材料和系統(tǒng)，并直接“沿途下蛋”，在江蘇昂彼特堡能源集團(tuán)實(shí)現(xiàn)了成果轉(zhuǎn)化。“該儲(chǔ)熱器完全可以滿足我國(guó)北方地區(qū)的冬季供暖需求。”王如竹說(shuō)。儲(chǔ)熱供暖示范工程也已落地北京延慶區(qū)政府大樓，3年不到就可回收投資。

　　此外，在行業(yè)難點(diǎn)“高溫水蒸氣熱泵”方面，團(tuán)隊(duì)研制出采用雙螺桿帶中間噴水冷卻的壓縮式熱泵技術(shù)，并在漢鐘精機(jī)股份有限公司成功轉(zhuǎn)化應(yīng)用。

　　同時(shí)，與項(xiàng)目牽頭單位上海交大合作的企業(yè)和單位也在不斷發(fā)展壯大：珠海格力電器股份有限公司已開(kāi)發(fā)出13項(xiàng)壓縮式制冷和熱泵相關(guān)的技術(shù)；雙良節(jié)能系統(tǒng)股份有限公司建成了亞太地區(qū)規(guī)模的溴化鋰中央空調(diào)制造基地；中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所建成國(guó)內(nèi)首臺(tái)50千瓦級(jí)化學(xué)熱泵樣機(jī)……

　　基于示范工程，工業(yè)余熱的網(wǎng)絡(luò)化利用、規(guī)?；瘧?yīng)用還在探索中。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)編著的《低品位余能網(wǎng)絡(luò)化利用導(dǎo)則》將成為工業(yè)余熱規(guī)?；玫闹笇?dǎo)書。“未來(lái)要綜合考慮余熱熱源、余熱轉(zhuǎn)換技術(shù)，根據(jù)用戶的需求，按照能量目標(biāo)和匹配準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)優(yōu)化匹配，形成解決工業(yè)余能電、熱、冷、儲(chǔ)利用的整體網(wǎng)絡(luò)化解決方案，這對(duì)量大面廣的節(jié)能減排具有重要意義。”王如竹說(shuō)，“希望我們的這本指導(dǎo)書能為工業(yè)節(jié)能減排的大規(guī)模應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)。”