基于現(xiàn)代熱泵技術(shù)，簡述了吸收式熱泵和壓縮式熱泵的工作原理及在工業(yè)余熱回收中的應(yīng)用，對常用的吸收式熱泵的應(yīng)用進(jìn)行了簡單的介紹。并分析了熱泵在工業(yè)中低溫和中高溫的余熱中的回收利用。 

熱泵技術(shù)是近年來在全世界倍受關(guān)注的新能源技術(shù)?！盁岜谩?，顧名思義，它是輸送“熱量”的泵，是一種能從自然界的空氣、水或土壤中獲取低品位熱能，經(jīng)過電力做功，提供可被人們所用的高品位熱能的裝置。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步, 現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展, 能源的需要量越來越大，有很多場合需要溫度不太高的低溫?zé)崮?通常是以高熱值的一次能源轉(zhuǎn)換獲得，與此同時(shí)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量余熱被丟棄。熱泵大致可分兩大類: 一是蒸汽壓縮式; 二是吸收式, 這是熱泵的主流。還有其他型式的熱泵, 但由于效率低或耗電量大或經(jīng)濟(jì)性差, 應(yīng)用受到限制。

一．熱泵類型分類

1.壓縮式熱泵

壓縮式熱泵可在制熱和制冷兩種工況下運(yùn)行，以制熱工況為例，壓縮式熱泵基本循環(huán)過程為低溫低壓的制冷劑在蒸發(fā)器中將等壓吸收水源側(cè)熱量變?yōu)楦邷氐蛪簹怏w，然后進(jìn)入壓縮機(jī)，絕熱壓縮成高溫高壓氣體，再進(jìn)入冷凝器向用戶側(cè)等壓放熱后變成低溫高壓的液體，最后經(jīng)過節(jié)流閥絕熱節(jié)流后成為低溫低壓的制冷劑，制冷劑再流經(jīng)蒸發(fā)器開始新的循環(huán)．1991年初在制訂寶鋼中長期能源規(guī)劃時(shí), 為了提高寶鋼能源利用率, 提出了利用低溫余熱資源的問題。同年4 季度成立了“ 低溫余熱資源回收技術(shù)— 蒸汽壓縮式水一水熱泵的研究和應(yīng)用” 課題組選定寶鋼能源部制氧車間清循環(huán)水的回水作為低溫余熱資源, 制氧綜合樓作為熱泵供出熱( 冷) 水的用戶。

2.吸收式熱泵

吸收式熱泵是一種利用低品位熱源，實(shí)現(xiàn)將熱量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩幢盟偷难h(huán)系統(tǒng)。是回收利用低溫位熱能的有效裝置，具有節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的雙重作用。 

2.1 吸收式熱泵可以分為兩類：

第一類吸收式熱泵,也稱增熱型熱泵,是利用少量的高溫?zé)嵩?，產(chǎn)生大量的中溫有用熱能。即利用高溫?zé)崮茯?qū)動,把低溫?zé)嵩吹臒崮芴岣叩街袦?，從而提高了熱能的利用效率。第一類吸收式熱泵的性能系?shù)大于1，一般為1.5～2.5。

第二類吸收式熱泵，也稱升溫型熱泵,是利用大量的中溫?zé)嵩串a(chǎn)生少量的高溫有用熱能。即利用中低溫?zé)崮茯?qū)動,用大量中溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩吹臒釀莶睿迫崃可儆诘珳囟雀哂谥袦責(zé)嵩吹臒崃?，將部分中低熱能轉(zhuǎn)移到更高溫位，從而提高了熱源的利用品位。第二類吸收式熱泵性能系數(shù)總是小于1，一般為0.4～0.5。兩類熱泵應(yīng)用目的不同,工作方式亦不同。但都是工作于三熱源之間，三個(gè)熱源溫度的變化對熱泵循環(huán)會產(chǎn)生直接影響，升溫能力增大，性能系數(shù)下降。

2.2 第一類溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組是一種以高溫?zé)嵩矗ㄕ羝?、高溫?zé)崴?、燃油、燃?xì)猓轵?qū)動熱源，溴化鋰溶液為吸收劑，水為制冷劑，回收利用低溫?zé)嵩矗ㄈ鐝U熱水）的熱能，制取所需要的工藝或采暖用高溫?zé)崦剑崴?，?shí)現(xiàn)從低溫向高溫輸送熱能的設(shè)備。熱泵由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器和熱交換器等主要部件及抽氣裝置，屏蔽泵（溶液泵和冷劑泵）等輔助部分組成。抽氣裝置抽除了熱泵內(nèi)的不凝性氣體，并保持熱泵內(nèi)一直處于高真空狀態(tài)。

第二類溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組也是回收利用低溫?zé)嵩矗ㄈ鐝U熱水）的熱能，制取所需要的工藝或采暖用高溫?zé)崦剑崴瑢?shí)現(xiàn)從低溫向高溫輸送熱能的設(shè)備。它以低溫?zé)嵩矗◤U熱水）為驅(qū)動熱源，在采用低溫冷卻水的條件下，制取比低溫?zé)嵩礈囟雀叩臒崦剑崴?。它與第一類溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組的區(qū)別在于，它不需要更高溫度的熱源來驅(qū)動，但需要較低溫度的冷卻水。

2.3 吸收式熱泵以溴化鋰溶液作為工質(zhì)，對環(huán)境沒有污染，不破壞大氣臭氧層，而且具有高效節(jié)能的特點(diǎn)。配備溴化鋰吸收式熱泵，回收電廠部分凝汽器排放大氣中的熱量，達(dá)到節(jié)能、減排、降耗的目的。同時(shí)作為集中供熱主熱源的熱電廠而言，存在兩個(gè)關(guān)鍵問題有待解決。一是汽輪機(jī)抽汽在加熱一次網(wǎng)回水的過程中存在很大的傳熱溫差，造成巨大的傳熱不可逆損失。二是目前大型抽凝式供熱機(jī)組存在大量的汽輪機(jī)凝汽器余熱通過冷卻塔排放掉，該部分熱量可占燃料燃燒總發(fā)熱量的20%。將這部分熱量用于供熱，相對于在不增加電廠容量，不增加當(dāng)?shù)嘏欧牛拿毫亢桶l(fā)電量都不變的情況下，擴(kuò)大了熱源的供熱能力，為集中供熱系統(tǒng)增加了熱量，提高了電廠的綜合能源利用效率，同時(shí)可以減少電廠循環(huán)冷卻水蒸發(fā)量，節(jié)約水資源，并減少向環(huán)境排放熱量，具有非常顯著的經(jīng)濟(jì)、社會與環(huán)境效益。

2.4主要優(yōu)點(diǎn)：

（1）吸收式熱泵系統(tǒng)的驅(qū)動力為高渴熱能，不但能源形式豐富而且取材范田廣泛。其能源利用形式主要有兩個(gè)重要特點(diǎn):

（2）能夠回收利用大最低溫?zé)崮苋绻に嚠a(chǎn)生的各種余熱、廢熱、排熱等，提高一次能源利用率、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

（3）以高溫?zé)崮茏鳛轵?qū)動力，雖然高溫?zé)崮艿钠肺遁^高、價(jià)值較大，但遠(yuǎn)沒有電力的價(jià)值和作用高，所以較之傳統(tǒng)壓縮式熱泵機(jī)組的節(jié)能效益會更加優(yōu)異。當(dāng)前在我國電力普遍緊缺的條件下，這類型熱泵的工程應(yīng)用價(jià)值更為突出。

（4）吸收式熱泵機(jī)組只有功率較小的溶液循環(huán)泵及真空屏蔽泵在運(yùn)轉(zhuǎn)，再無其他運(yùn)行部件，機(jī)組運(yùn)行安靜無噪音。

（5）吸收式熱泵系統(tǒng)循環(huán)溶液工質(zhì)多選用溴化鋰溶液，無毒、無異味，滿足環(huán)境要求。

（6）整個(gè)系統(tǒng)各裝置大多在負(fù)壓環(huán)境中運(yùn)行，不存在爆炸等安全隱患。

（7）機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)隨各裝置運(yùn)行壓力的變化實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)，應(yīng)用范圍廣，適應(yīng)能力強(qiáng)。

（8）日常管理、維護(hù)便捷?，F(xiàn)階段結(jié)構(gòu)裝置的制造水平集成度高，日?？煽啃愿?，便于自動化控制與模塊化拆裝維修。

（9）由于機(jī)組運(yùn)行非常安靜，安裝基礎(chǔ)要求較低，所以同樣適用于艦艇、醫(yī)院、賓館等高要求場所。

（10）單效吸收式熱泵機(jī)組可以一機(jī)多用.冬季供熱、夏季供冷，機(jī)組自身以及高溫驅(qū)動熱源系統(tǒng)全年運(yùn)行的工況差異較小，安全生產(chǎn)得以保障。

主要缺點(diǎn)：

（1）機(jī)組對真空度的要求苛刻。通過實(shí)踐表明，即便是漏入微量的空氣也會嚴(yán)重影晌機(jī)組的能效，因此吸收式熱泵裝置的制造工藝要求很高。

（2）熱泵機(jī)組循環(huán)運(yùn)行中的制冷劑為水.因此通常情況下機(jī)組只能制取5℃以上的冷媒水，多用于空氣調(diào)節(jié)以及一些生產(chǎn)工藝用冷凍水，限制其夏季的使用范圍。

（3）溴化鋰價(jià)格昂貴，且機(jī)組充灌量大，初投資相對較高。

2.5 吸收式熱泵與熱電聯(lián)產(chǎn)相結(jié)合的集中供熱技術(shù)，能源利用高，比常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)供熱方式大幅度減少運(yùn)行費(fèi)。

第一類熱泵，以凝汽式汽輪機(jī)發(fā)電廠回收余熱應(yīng)用為例。汽輪機(jī)的排汽傳統(tǒng)方法采用經(jīng)雙曲線冷卻塔冷卻后的循環(huán)水進(jìn)行冷卻，經(jīng)冷卻塔冷卻為3O℃左右的循環(huán)水經(jīng)凝汽器后溫度升為40℃左右?，F(xiàn)采用第一類吸收式熱泵，以4O℃的循環(huán)水作為低溫?zé)嵩矗?.5～0.8MPa,250℃的抽汽作為驅(qū)動熱源，制取85℃的采暖用熱水，冷卻水降至30℃后再去凝汽器循環(huán)利用。減少了電廠雙曲線冷卻塔的冷卻水損耗。系統(tǒng)改造后增加供熱能70.5MW，解決了電廠供熱能力不足問題，由于回收凝氣余熱用于供熱，整個(gè)采暖季節(jié)約標(biāo)煤約30000t 。減少SO2 排放289t/a 、減少NOX 排放251.6t/a 、減少CO2 排放89880t/a 、灰渣排放9880t/a。此外由于吸收式熱泵機(jī)組冷卻水冷卻汽機(jī)凝汽，采暖季可減少冷卻水塔損失210000t。

齊齊哈爾某熱電廠二臺125MW雙抽氣供熱機(jī)組作為供熱蒸汽源，目前總的供熱能力為1004GJ/h，電廠供暖抽汽壓力為0.34MPa和0.225MPa；一次網(wǎng)實(shí)際供水溫度為121℃，回水溫度為55℃。二次管網(wǎng)實(shí)際供水溫度為70℃；實(shí)際總抽汽量為290～455噸/小時(shí)。如在原有的一級換熱站附近設(shè)一個(gè)吸收式熱泵機(jī)房，將30℃的供熱回水先通過熱泵機(jī)組加熱至75℃左右再由抽汽加熱至120℃供出，可使得主機(jī)供熱蒸汽的耗量能夠減少84.8t，而利用這84.8t中的一部分蒸汽驅(qū)動吸收熱泵主機(jī)來吸收余熱循環(huán)水中的熱量，則實(shí)際可以提供的熱量為63.24MW。按平均每平米熱負(fù)荷60W計(jì), 則實(shí)際可以增加供暖面積為：105萬平方米。改造后每小時(shí)能減少蒸汽的用量為84.8t，采暖季減少標(biāo)煤的用量為27518.4t，采暖季CO2減少量為71547.9t，采暖季SO2 減少量為619.1t ， 采暖季NOX 減少量為257.2t，采暖季粉塵減少量為468.8t。

二．技術(shù)情況簡介

1.工業(yè)余熱回收中低溫余熱的熱泵技術(shù)：

將熱量從低溫部提取出來, 必須創(chuàng)造比該低溫部更低的溫度, 為此在定壓定溫下,要靠熱泵利用一種中間介質(zhì)( 即工質(zhì)) 的蒸發(fā)與冷凝來完成, 且其飽和溫度具有隨壓力升高的特性。通常采用壓縮機(jī)將蒸發(fā)的工質(zhì)蒸汽不斷吸進(jìn), 壓縮到以獲得供熱為目的的冷凝溫度所對應(yīng)的冷凝壓力, 這樣便可以由低溫部吸取熱量傳給冷卻水, 使該冷卻水變?yōu)槲覀冃枰臒崴? 而工質(zhì)將熱量釋放給冷卻水的同時(shí)自身液化, 然后減壓返回低溫部,再從低溫部吸取熱量變成蒸汽, 這種過程反復(fù)進(jìn)行, 使低溫部熱量不斷地傳向高溫部

圖  熱泵工質(zhì)的壓焓圖

從圖中可以看到熱泵循環(huán)與制冷循環(huán)完全一樣, 同屬于逆向卡諾循環(huán)。熱泵主要由蒸發(fā)器壓縮機(jī)冷凝器和膨脹閥組成。

熱泵設(shè)計(jì)和運(yùn)行水平主要取決于供熱系數(shù), 而供熱系數(shù)COP由Q1和AL決定：

COP=Q1/AL=Q1/(Q1-Q2)

式中: Q1— 熱泵機(jī)組從低溫?zé)嵩刺幬〉臒崃?k J / h ;

      Q2— 熱泵機(jī)組輸出的熱量,k J/ h ;

      AL — 熱泵機(jī)組耗功的熱當(dāng)量,k J/ h

從上式可知供熱系數(shù)大于1 , 也就是說熱泵與電熱器相比, 兩者雖然投入同樣的功量(AL), 但熱泵可獲得數(shù)倍于電熱器的熱量, 其值為供熱系數(shù)的值。所以使用熱泵總是能夠節(jié)約能源的

2.工業(yè)余熱回收高溫余熱的熱泵技術(shù)：

2.1 技術(shù)分析

在高溫?zé)岜醚芯恐校べ|(zhì)的選取是關(guān)鍵。對高溫?zé)岜霉べ|(zhì)的要求為[5]：①適中的冷凝壓力，若考慮采用現(xiàn)有的常規(guī)部件， 則冷凝壓力要低于2.4MPa；②蒸發(fā)壓力在0.1MPa 以上， 防止在系統(tǒng)中形成負(fù)壓；③盡可能高的單位容積制熱量和COP，防止系統(tǒng)規(guī)模過于龐大；④盡可能低的壓比、排溫；⑤不可燃、化學(xué)穩(wěn)定性好，與系統(tǒng)材料和潤滑油兼容；⑥具有零臭氧消耗潛能值(ODP)，較低的全球變暖潛能。

在早期的中高溫?zé)岜眉夹g(shù)研究中，R11、R113、R114 等曾在某些溫度范圍內(nèi)做為工質(zhì)使用。但由于它們屬于氯氟烴(CFCs)類工質(zhì)，根據(jù)蒙特利爾協(xié)議，已在2010 年被禁用。對于現(xiàn)在常用的熱泵工質(zhì)R22、R134a 等，由于受到自身熱力性質(zhì)以及現(xiàn)有壓縮機(jī)性能的限制，采用R22 的熱泵機(jī)組供熱溫度最高只能接近55℃，采用R134a 的熱泵機(jī)組供熱溫度最高可達(dá)到70℃[6]。目前， 對高溫?zé)岜玫难芯慷嗉性谶m宜工質(zhì)的選擇和制熱效率提高這兩個(gè)方面。

2.2 技術(shù)應(yīng)用

（1）坑口電廠冷卻水和礦井涌水的余熱回收

在煤礦開采過程中，往往有大量的礦井涌水從井底水倉不斷排到地面，水溫一般一年四季穩(wěn)定在18~20℃左右，其中蘊(yùn)含著大量的低溫?zé)崮?；此外，許多煤礦建設(shè)了各類坑口電廠(燃煤坑口電廠，煤矸石、煤泥等各類資源綜合利用電廠)，其凝汽器冷卻循環(huán)水水量巨大， 溫度一般在20~40℃， 這部分低溫?zé)嵋话阃ㄟ^冷卻塔散發(fā)到環(huán)境中，很少得到利用。而同時(shí)，煤礦地面建筑(辦公樓、生產(chǎn)系統(tǒng)、職工宿舍、食堂等)供暖、井筒冬季防凍以及職工洗浴熱水通過燃煤鍋爐提供，消耗了大量煤炭。

云駕嶺煤礦等[27～28]就以18~20℃礦井涌水和20~40℃的坑口電廠凝氣冷卻水為熱源，采用高溫?zé)岜煤偷蜏責(zé)岜媒Y(jié)合： 高溫?zé)岜卯a(chǎn)生的70~75℃的熱水作為礦區(qū)地面建筑冬季采暖，低溫?zé)岜脛t產(chǎn)生60℃左右的熱水用于井筒保溫和職工浴室噴淋。采用熱泵技術(shù)以來， 礦區(qū)每年節(jié)約煤炭消耗4000~5000t，減排CO2 12000~14000t，節(jié)能減排效果非常顯著。

（2）涂裝、電鍍車間余熱回收

金屬前處理是電鍍工藝過程中的重要工序，同時(shí)也是一項(xiàng)高能耗的工序。電鍍槽溶液加熱無論采用直接加熱或間接加熱， 都需要消耗大量的能量；與此同時(shí)，大量的熱量也散失到車間環(huán)境，影響了車間工作人員的舒適度。重慶某金屬前處理車間采用高溫?zé)岜眉夹g(shù)，以車間熱空氣為熱源，產(chǎn)生75℃左右的熱水，間接加熱電鍍槽溶液[29]。采用高溫?zé)岜眉夹g(shù)后， 一方面減少甚至取代以往的蒸汽消耗，經(jīng)濟(jì)效益顯著，另一方面還顯著改善車間工人的工作環(huán)境，一舉兩得。

總的來說，雖然中高溫?zé)岜眉夹g(shù)需要消耗一定的電能，但熱泵機(jī)組COP 一般都在3以上，相對電加熱、燃煤鍋爐供熱、燃?xì)忮仩t供熱等，其消耗很少的電能但是回收利用了大量的工業(yè)余熱廢熱，其經(jīng)濟(jì)性和取得的環(huán)保效益是不言而喻。

三．熱泵技術(shù)發(fā)展以及未來趨勢

熱泵技術(shù)作為一項(xiàng)可以把熱能由低溫位熱源(如空氣、水、土壤、太陽能以及工業(yè)廢水等)轉(zhuǎn)移到高溫位熱源的能量利用技術(shù)，存在著極大的節(jié)能減排潛力。目前，冷凝溫度低于50℃的常溫?zé)岜眉夹g(shù)已經(jīng)比較成熟，而對于冷凝溫度在80℃以上的中高溫?zé)岜眉夹g(shù)，我國起步還較晚。由于中高溫?zé)岜每商峁┑臏囟确秶兄鼜V闊的應(yīng)用領(lǐng)域，因此其成為國內(nèi)外熱泵研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

我國在高溫?zé)岜眉夹g(shù)研究和開發(fā)方面起步較晚，但隨著國家開始大力倡導(dǎo)節(jié)能減排，在專家學(xué)者的不懈努力下，我國在中高溫?zé)岜眉夹g(shù)方面也取得了不少研究成果，并進(jìn)行了諸多工程應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保顯著。未來，隨著該項(xiàng)技術(shù)的不斷成熟、不斷推廣，其應(yīng)用范圍還將不斷擴(kuò)展，在節(jié)能減排領(lǐng)域還將大有作為。

四．結(jié)語

熱泵技術(shù)在工業(yè)余熱回收中的應(yīng)用具有很高的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。針對當(dāng)前出現(xiàn)的世界能源危機(jī)，我國將節(jié)能減排工作提升到國家戰(zhàn)略高度，在能源消耗行業(yè)中，工業(yè)能耗占有相當(dāng)大的比重。很多工業(yè)部門存在一邊放熱，而另一邊卻需熱的不臺理能量利用形式，具有很大的節(jié)能潛力。綜上, 熱泵是人們開發(fā)利用熱能的有力工具, 借助熱泵技術(shù), 既能夠把廢棄的低溫工業(yè)余熱充分利用, 也可以有效利用中高溫余熱，提高了能源的利用率。擁有大量余熱資源的工業(yè)行業(yè), 應(yīng)用熱泵技術(shù)的潛力是很大的。

參考文獻(xiàn)

【1】楊慶娣,匡江紅;低溫余熱利用分析 [J];節(jié)能;2004年08期.

【2】趙力.高溫?zé)岜迷谖覈膽?yīng)用及研究進(jìn)展 [J].制冷學(xué)報(bào),2005,(02):8-13

【3】袁周華.印染工業(yè)水熱能回收系統(tǒng)[J]，印染，35（20）：28-30.

【4】胡斌,王文毅,王凱,曹鋒.高溫?zé)岜眉夹g(shù)在工業(yè)制冷領(lǐng)域的應(yīng)用[J].制冷學(xué)報(bào).2011(05)

【5】張圣君,王懷信,郭濤.兩級壓縮高溫?zé)岜孟到y(tǒng)工質(zhì)的理論研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào).2010(10)

【6】韓吉才.吸收式熱泵技術(shù)在熱電聯(lián)供中的應(yīng)用研究[D]. 中國石油大2009.

【7】邱中舉.溴化鋰吸收式熱泵系統(tǒng)的研究[D] 浙江大學(xué)熱能工程系，2011.