摘要
德国工业部门是德国终端能源需求和二氧化碳排放的大户。所以,为实现德国二氧化碳减排目标,就必须大幅降低工业部门的二氧化碳排放强度。因为对热能的需求占工业终端能源消费的四分之三用于生产热能,因此热泵技术对实现工业二氧化碳减排目标起着至关重要的作用。本文对热泵技术的最新发展做了介绍,而且对四种最常用热泵各自的优势也进行了描述,重点强调了研发高温制冷剂在应用热泵的工业生产过程中的重要性。
目前,工业热泵输出温度最高可以达到80°C,随着新型制冷剂的发展,不久的将来输出温度可以提升至160°C。此外,本文还概述了可以由热泵供热的工业生产过程,并根据德国不同工业部门的典型温度和能源需求,对其应用热泵的技术潜力进行了评估。评估结果表明,在温度为80°C的工业生产过程中,工业用热的14%可以由目前的热泵技术提供,而且随着高温热泵的发展,这一比例将上升到32%。虽然热泵技术已经比较成熟,但是在工业生产过程中的应用仍然很少。这是因为企业缺乏对热泵技术性能的了解,这也是热泵广泛用于工业的主要障碍。
引言
联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第四次评估报告指出,目前全球变暖主是是由于人类活动(导致的温室气体增加)所致(Alley et al. 2007),并明确将温室气体CO2作为(影响全球变暖的)主要因素。在此背景下,德国已承诺到2020年温室气体排放量在1990年基础上减少40%,到2050年减少80%(BMWi 2010)。2010年德国二氧化碳排放量为8.32亿吨,其中93%主要源自提供电能、热能或动能的化石燃料的燃烧。工业部门终端能源需求占2010年德国总终端能源需求(2517 TWh)的28%,其中对热能(BMWi 2020)的需求约占四分之三(即524TWh),而这部分热能主要通过燃烧燃料油和天然气获得,因而成为德国工业二氧化碳减排的主要潜力。本文介绍的热泵技术将帮助企业显著提高能源效率并实现二氧化碳减排(国际能源署热泵研究中心,2008 )。
热泵技术的发展
1852年英国物理学家William Thomson (Lord Kelvin)提出热泵原理,不久,奥地利的Peter Ritter von Rittinger pres发明了第一个全功能型热泵。 1859年法国人Ferdinand Car-ré发明了第一台氨吸收式制冷机(Laue 2002 )。由于近年来,热泵技术日趋成熟,因而被广泛应用于住宅领域。本文将介绍不同类型的热泵循环和制冷剂及其各自的优势。
图1:热泵类型(Ranade 1989,自主研究)
热泵循环
基于19世纪热泵的第一次研发,热泵技术设施有了进一步的发展。其主要区别在于压缩原理和所使用的动力。但是,各种不同类型的热泵技术的工作原理基本都相同,即都是从温度较低的自然源吸收低品位热能,然后通过消耗电能或热能,将热能转移到需要高品位热能的装置。热泵能源效率的性能一般用制热性能系数(COP)来评价。该系数定义为由低温物体传到高温物体的热量与所需的动力之比。根据热力学第二定律,性能系数随着热源和散热器之间温差的增加而减小。根据热泵应用(技术)的不同,不同热泵适用的领域也不相同。图1列出了最主要的工业热泵类型。
热泵可以由热能驱动,也可以由机械能驱动。驱动方式决定了二氧化碳排放量及热泵的生态效益。与直接燃烧化石燃料相比,为了体现热泵的生态效益,热泵的制热性能系数(COP)必须高于使用一次能源来驱动。即由化石燃料直接驱动的热泵,其性能系数(COP)必须大于1,而电能驱动热泵的性能系数(COP)必须高于2.6。燃煤发电在德国总电力生产中占较高比例,因此德国的一次能源使用系数相对较高。
过去几年,由于可再生能源在能源消费中的比例不断攀升,所以制热性能系数已经从3降至2.6 (BMWi 2010)。由于德国计划到2020年将可再生能源发电比例提升至35%,则德国电力结构中一次能源使用系数会进一步降低至1.78 (BWP 2012)。
闭式循环吸收式热泵(CCA)
闭式循环吸收式热泵使用的是二元混合物,其中一个组分是挥发性物质,另一组分是非挥发性物质。最常见的二元混合物组合是水/溴化锂和氨/水。在热泵循环中,挥发性组分吸收蒸发器中的低温热源,进入吸收器,热量被非挥发性组分吸收,然后释放中品位的可用热能,之后两种组分的混合物被泵送到发生器中。挥发性的组分受热蒸发,而所需热量可以通过燃烧化石燃料或利用废热获得。蒸发后的挥发性组分进入冷凝器,在中温下放热冷凝,冷凝后经过膨胀阀,被送回到蒸发器,而非挥发性组分则被直接送回吸收器,并关闭系统环路。由于吸收式热泵只有极少数运动部件,因此系统维护要求低。此外,它还可以通过余热驱动,这也是该技术也对于二氧化碳减排有积极影响。但是,与闭式循环压缩式热泵相比,吸收式热泵技术更复杂,且需要做更多的工作才能实现在工业过程中的应用,因此所需投资量更多。
热力蒸汽再压缩(TVR)
热力蒸汽再压缩热泵由高压蒸汽和喷射器驱动,因此,通常也简称为喷射式热(Berntsson 1997)。作为动力流体的高压蒸汽通过喷嘴并吸收来自蒸发器的蒸汽,混合蒸汽膨胀,使其速度转化为压力势能。之后,进入冷凝器,部分蒸汽冷凝将热量传给散热器流体。之后,蒸汽和冷凝水分离, 冷凝水排出系统,而蒸汽则进入蒸发器并从热源流体吸收热量。热力蒸汽再压缩式热泵没有运动部件,维护要求低 ,系统工作的必要条件是高压蒸汽和作为动力流体的高温气态热源。系统温升非常小,一般小于20 K。
机械式蒸汽再压缩(MVR)
与热力蒸汽再压缩热泵相同,机械式蒸汽再压缩热泵也直接利用水蒸汽等气体热源。直接将流体通过机械压缩机压缩至较高的温度 ,然后将热流体直接用于工业过程或与热交换器换热将热量传给散热器。使用机械式蒸汽再压缩热泵时,我们假设热源流体已经是气态流体,即这是一个高温热源。其典型工作条件是热源温度超过80℃,温升约为20K (Berntsson 1997)。机械式蒸汽再压缩热泵的压缩机可以由电动机或内燃机驱动。
闭式循环压缩式热泵(CCC)
闭式循环压缩式热泵的工作原理与机械式蒸汽再压缩热泵相似,不同之处是闭式循环压缩式热泵不直接利用热源流体。闭式循环压缩式热泵(CCC)由于运用中介制冷剂循环,所以在使用上比机械式蒸汽再压缩热泵更灵活。此外,CCC也不需要气态热源。制冷剂吸收低温热源的低品位热能,在蒸发器中蒸发,然后在压缩机中压缩到较高的温度和压力,随后,高温的制冷剂进入冷凝器冷凝并将热量释放给散热器,冷凝后的制冷剂通过膨胀阀,压力降低,并再次返回蒸发器,至此完成一个循环。当热源与散热器分离且需要将温度提升至较高水平时,闭式循环压缩式热泵(CCC)将体现它的优势。与机械式蒸汽再压缩热泵相同,闭式循环压缩式热泵的压缩机也可以由电动机或内燃机驱动。这是因为,使用电动机不会带来局部的废气排放,而如果由内燃机驱动,则闭式循环压缩式热泵又可以利用内燃机的余热 ,获得更高的温度。
制冷剂
制冷剂在闭式循环压缩式热泵的发展过程中起核心作用。工业生产过程通常需要100 ℃甚至更高温度,因此制冷剂必须有一个非常高的临界温度,而临界压力应尽可能低(Klein 2009),因为压力较高时,对部件和材料的要求也比较高。制冷剂标准沸点指的是大气压力下制冷剂沸腾的温度,应该比热源温度低5到10 K。
20世纪70年代末和80年代是首批热泵的第一个繁荣阶段,在这个时期工业热泵开始安装。这些热泵通常使用氯氟烃类(CFC)制冷剂R114 ,这种制冷剂具有良好的性能,如较高的临界温度和较低临界压力。但是却会对地球的臭氧层造成危害,其危害大小可以用消耗臭氧潜能值(ODP)予以量化。随着1987年《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》(已被大家承认)的颁布,德国自1996年起就禁止应用大部分氯氟烃类(CFC)和氢氯氟烃类(HCFC )制冷剂。到现在,已经这些制冷剂已基本销声匿迹 (UBA 2002)。然而,自从禁止使用氯氟烃类和氢氯氟烃类制冷剂之后,很长一段时间内,工业高温热泵都没有找到合适的制冷剂。
如今,制冷剂的全球变暖潜能值(GWP)越来越受到关注,全球变暖潜能值(GWP)是指某类温室气体相对于二氧化碳而言的对全球变暖的影响程度,二氧化碳的全球变暖潜能值为1。制冷剂必须安全,既无毒也不可燃,即位于安全组A1。除了禁止使用的R114,表1列出了现在闭式循环压缩式热泵最常用的制冷剂和未来可能使用的制冷剂。
常用的制冷剂
现在,大部分热泵使用合成制冷剂混合物R410a,大量用于新建和进行节能改造的居民楼 。使用R134a的热泵还可为其他建筑提供热水和供暖。但是这两种制冷剂的临界温度太低,都不能在大部分工业生产过程中使用。使用R410a的热泵可以提供温度高达60℃的热水,而使用R134s的热泵提供的热水温度则更高,为80℃。
R600(正丁烷)
正丁烷,与氨和二氧化碳一样,是自然制冷剂,临界温度为154°C,可以满足许多工业的应用要求。而且,其全球变暖潜能值也非常低。但是,正丁烷十分易燃,因此只能用于制冷剂需求量较少的小型工厂。
表1:工业热泵制冷剂的过去、现在和未来
R717 (氨)
氨气和正丁烷一样易燃,不过R717还有毒性,因此使用这种制冷剂时,必须采取适当的安全措施。但是制冷剂氨又与正丁烷不同,(达到相同效果)其使用量相对较少,这是因为氨单位有效容积制冷效果较好。氨的临界温度为133 °C ,工作压力较高,目前的氨闭式循环压缩式热泵的最高温度是90 °C。由于临界温度较高,使用的压缩机构造非常复杂,目前,压力为76 bars时,获得110°C以上的高温在技术上不具可行性(Emerson Climate Technologies 2011)。
R744 (二氧化碳)
CO2制冷剂大量用于制冷发展初期。从1915年的一本手册中发现,仅德国就列出了24家CO2压缩机制造商。然而随着1931年合成卤代烃制冷剂的引入,CO2制冷剂显著减少(Cavallini 2004)。但是最近几年,CO2制冷剂因其独特的性质,再加上先进的技术,再度受到人们的关注。它无毒、不可燃、无腐蚀性、消耗臭氧潜能值(ODP)为零且全球变暖潜能值仅为1等等。起初,CO2低的临界温度似乎与工业热泵的要求相矛盾。为了满足相关温度要求,必须将CO2压缩到超临界状态,然后在高温下通过气体热交换器而非冷凝器释放其热量。由于气体热交换器中超临界状态下的CO2存在很大的温度滑移,因此当用热泵加热冷水至一个较高温度时,可通过调节CO2的流速,使气体热交换器中CO2的平均温差减少。结果,热交换器中的火用损失减少,热泵的效率也随之提高(Rieberer et al. 2006)。CO2的临界温度为31 ° C,因此热源温度不宜高于30 ℃。 目前的CO2热泵可以提供温度高达130 °C的热水(Wilming 2010)。
R245fa
合成制冷剂R245fa不可燃,但有毒,因此,列为安全组B1 。R245fa具有高的临界温度和适中的临界压力。由于R245fa是一种纯物质,在冷凝器中不存在温度滑移,因此它在温升较小的情况下用于加热水或生产蒸汽。理论上使用R245fa的闭式循环压缩式热泵可提供的热水温度高达140°C。虽然R245fa制冷剂已经出现在市场上一段时间了 ,但在科学文献中还未发现R245fa制冷剂用于高温热泵方面的相关信息,目前,第一个R245fa的应用示范正在规划中。
新型制冷剂
目前正在开发的一些新型制冷剂,其全球变暖潜能值较低,且在工业热泵的应用上有一些独特的性质。Solvay公司开发的混合制冷剂SES36与DuPont公司开发的DR-2制冷剂就有类似的性质,这两种制冷剂的临界压力都非常
低,临界温度均高于170 ℃,且消耗臭氧潜能值均为零。但是SES36的全球变暖潜能值非常高,而DR -2的全球变暖潜能值却很低。而且,DR-2位于安全组A1 ,既不可燃又无毒 ,但是其标准沸点相对较高,因此只能用于热源温度高于40 °C的情况。总之,SES3和DR-2的这些特性使它们有望成为未来高温热泵的“候选者”。
工业热泵的应用
住宅领域的标准热泵无法达到80 °C以上的温度,这主要是因为受到所使用的制冷剂的限制。而对于许多工业过程而言,这个温度太低了。使用高温制冷剂可提供140°C的过程热。而使用新型制冷剂,高温热泵的温度甚至可以达到160 ℃。由于热泵的效率随着对温升要求的增加而降低,因此要获得较高的效率就需要相对较高的热源温度。当热源和散热器之间的温升为50 K或更小时,则制热性能系数(COP)大于3 ,从而保证了良好的生态效益和经济效益(Lambauer et al. 2008)。当过程温度高于夹点时,热泵的应用十分有利(国际能源署热泵中心IEA Heat Pump Center 1995)。因为热泵从冷却流体吸收热量,为过程提供所需热量,减少了加热和冷却设备的容量。图2概述了常见的过程及其典型的工作温度,并给出了不同制冷剂所能达到的最大温度。此外,该图还表明高温制冷剂可应用于更多工业工艺过程。接下来,将介绍可能应用热泵和已经应用热泵的工业过程。
蒸发
蒸发工艺主要用于食品工业,蒸发后,物质的含水量减少95%。通过提供热量,可使产品所含水分蒸发 ,蒸发出来的水蒸汽从蒸发器中排出,后经机械式蒸汽再压缩装置压缩。压缩后的蒸汽温度较高,进入热交换器换热以加热蒸发器。这种蒸发系统高效节能,只需提供机械蒸汽再压缩装置所需的动能即可。只需安装辅助加热器用来加热进入蒸发器前的物质。蒸发工艺的条件(气态热源和低的温升)非常适合应用机械式蒸汽再压缩热泵技术。蒸发器主要制造商已将机械式蒸汽再压缩热泵作为高效蒸发器的一个标准组成部分。
干燥
干燥工艺是世界上应用最广泛的工业过程之一,可用于许多工业部门,工作温度一般低于100° C。在空气再循环过程中热泵可以达到节能的最佳工作条件。这些干燥装置必须有良好的绝缘性能,而且要尽量减少外部环境的空气交换。加热了的空气会吸收来自被干燥物质的水分。热泵干燥是一个连续的过程,首先将潮湿的空气通入热泵,首先热泵将吸收空气中的热量,并将空气温度降至凝点温度以下。之后再次加热空气,但是在加热之前,要先将吸收的水分冷凝,最后再将除湿后的空气通入干燥室。与传统的干燥过程相比,热泵干燥会节约大量能源,因为空气在整个过程中都没有离开干燥室,特别是食品工业,产品的质量会因此提高(Colak 2009)。由于热泵干燥机有这些优势,因此已经用于工业生产中,主要集中在木材和食品加工等行业。
巴氏杀菌
在巴氏杀菌工艺中,将产品的温度加热到60℃至135 ℃,利用这个温度杀死病菌。巴氏杀菌主要用于延长奶制品的保质期。与干燥工艺相类似 ,巴氏杀菌工艺也需要同时进行加热和冷却。在一个标准的巴氏杀菌工艺中,牛奶进入巴氏杀菌器其温度约为5℃,然后加热,在很短的时间内加热到135℃( 1〜2秒),之后再冷却至5℃。在冷热牛奶之间已经开始使用再生式热交换器。而热泵可用来弥补这个过程的能量损失。首先它从杀过菌的牛奶中吸收热量,然后进一步加热来自热交换器的热牛奶。整个过程牛奶保持液态,因此CO2热泵用于该工艺尤为合适。德国的一个热泵制造商在宣传自己的产品时,就特别指出其热泵在牛奶巴氏杀菌工艺中的应用。
图2:常见工业工艺过程的典型温度及可用制冷剂(Lauterbach et al. 2011, 自主研究)
供暖
建筑物在冬季必须供暖,因为内部无法获得足够的热量来补偿建筑物向环境散失的热量。而且,由于过程制冷的废热温度不够高,仅为30至40 °C,所以,无法直接用于供暖,因此不得不被废弃掉。而用于住宅领域的普通热泵可以将废热温度进一步提。在德国这种技术被广泛应用。由于供暖需求具有季节性,所以首先应明确是否有工业生产过程在运行的初始阶段可以利用这些被提升的热能,而且这样做可以增加热泵的运行时间,从而缩短投资回收期。
洗涤
许多行业都需要清洗和烘干过程,而这两项工作所需的温度一般低于100° C。热泵技术目前已经应用于自动传送带清洗系统。与干燥技术中热泵的应用相类似,热泵被用来除去清洗装置出口空气的水分,利用吸收的热量来加热清洗装置水箱中的水。这种方法不仅高效节能,还能减少清洗装置排出的热量和水分,这意味着工厂对空气调节的需求量减少。目前已计划在分批洗涤过程中使用R245fa制冷剂的高温热泵。
工业生产过程中热泵的应用潜力
热泵在工业生产过程中应用的技术潜力可以通过各工业部门的能耗量和过程温度水平来估算。2010年德国工业中用于生产过程热、空间供暖和热水的能源消费量为524TWh。图3的潜力评估结果表明,其中75TWh的热量可以通过现在的标准热泵提供,为工业用热需求的14%。此外,通过引入可提供140 °C温度的高温热泵,还可以满足另外91 TWh的工业用热需求,两种热泵总共可以提供166TWh的热量,即德国工业用热需求的32 %。
热泵存在巨大的应用潜力,特别是在食品和化工行业。热泵在食品行业的巴氏杀菌、消毒、干燥和蒸发过程最具应用潜力,而在化工行业,其应用潜力体现在塑料的熔融和橡胶的生产过程中。
但热泵的巨大技术潜力到目前还未被开发。这是因为一方面,德国目前还没有可提供高于80 °C温度的热泵,而另一方面,热泵必须与成本相对较低的燃气或燃油锅炉竞争。但热泵的设计比较复杂,因此投资费用相对比较高。虽然在Lambauer(Lambauer et al. 2008)等人进行的8个案例研究中,热泵的运行成本降低了30%。但是仅有两个案例研究的投资回收期少于两年,一般都是1.5到6.7年。
图3:德国工业部门热泵技术潜力(Blesl et al. 2012)
图4:德国热泵技术的市场发展
图 4比较了住宅领域和工业部门热泵市场的发展情况。新型建筑物具有高的保温标准,因此只需要提供30-40 °C的温度就可满足供热要求。由于冷源与热源之间温度差的减少,促使热泵达到更高的效率水平从而其运行成本随之降低。尽管热泵在新建建筑中的应用明显增多,但在整个住宅领域却不容乐观,虽然热泵在市场上的比例不断攀升,但仍处于推广的初期阶段。
因为工业能源价格比住宅领域的能源价格低很多,所以相应地对改变加热系统的需求也比较少。前一章介绍了新建工厂的一些工艺过程,在这些工艺中热泵已经成为一项标准技术,但是提及改造现有工厂时,却发现几乎没有安装任何工业热泵。
综上所述,热泵的经济潜力仍然远低于其技术潜力。但是随着将热泵纳入标准工艺设计流程及能源价格的上涨,其经济潜力势必会上升。
工业热泵应用障碍
目前德国工业热泵的技术潜力只开发了一小部分。工业系统设计员开展了一项调查,其调查结果基本上支持了之前的研究成果(Lambauer et al. 2008)。以下是工业热泵应用的障碍:
·缺乏认知:对工业热泵应用的具体问题缺乏认知。因为安装热泵不仅需要了解热泵技术的最新动态,而且也需要清楚工业过程的特性,所以热泵的安装比较复杂。因此必须提供更好的信息,并对安装人员进行培训,让他们了解工业生产过程安装热泵的特殊要求。
·投资回收期长:与燃气或燃油锅炉相比,热泵投资成本相对较高。如果要成为经济型产品,运行成本必须降下来, 而投资回收期也随之缩短到不足两年。如果热泵集成系统优化 ,这点还是可以实现的。当然这也要求冷热源之间的温差要小、同时要更换加热(冷源端)和冷却(热源端)设备、延长热泵运行时间,所以热泵替代电热水器更能吸引消费者。此外工业热泵的连续生产可以帮助降低投资成本。
·客户认可:许多安装人员将客户认可度作为推广热泵技术的主要障碍。因为过程热的供应是生产过程的关键因素,因此客户通常会选择成熟的、已经被验证过的传统技术。而有关工业热泵应用的成功案例却仍然很少。为了克服这种信息和信任的缺乏,必须记录并公布不同工业过程热泵应用的最佳实践案例。
·企业缺乏对热量消耗的了解:大多数企业不清楚自身的能源需求,更不了解不同工艺过程对能源的需求。正是因为信息有限,所以很难找到一个热源能够在合适的温度水平为高温热泵提供足够热量。因此在考虑安装热泵之前,必须花时间和成本去测量公司的能源使用特点。为此,自2013年起,德国强制要求那些希望获得减税的高能耗企业推行能源管理体系,帮助他们提高对能源使用的认知水平。
结论
本文表明有很多热泵技术可用于回收工业生产过程的热量。随着新型制冷剂的发展,热泵可以来提供高达160 °C的温度。需要建立热泵示范工厂,对其能耗进行测量和记录,以突显热泵的技术优势。德国工业热泵应用潜力评估表显示,热泵可以提供的热量占工业用热总需求的32%。尽管已有可直接利用的热泵技术,但仍存在一些障碍。其中的一个主要障碍是热泵系统设计人员和客户对热泵了解不充分。为此,热泵行业协会必须对工业热泵的相关知识展开宣传,并对热泵在工业过程应用中的最佳实践案例予以公布。而针对客户不了解自身能源使用特点这个障碍,强制要求企业推行能源管理体系就可解决。总之,虽然热泵技术已经应用于工业生产,但是要普及仍需克服经济障碍和信息障碍。
术语表
CCA闭式循环吸收式热泵
CCC闭式循环压缩式热泵
COP制热性能系数
GWP全球变暖潜能值
MVR 机械式蒸汽再压缩热泵
NBP 标准沸点
ODP 消耗臭氧潜能值
TVR 热蒸汽再压缩式热泵
作者:
M. Sc. Stefan Wolf
Institute for Energy Economics and the Rational Use of Energy (IER)
University of Stuttgart
Dipl.-Ing. Jochen Lambauer
Dr.-Ing. Markus Blesl
Dr. rer.pol. Ulrich Fahl
Prof. Dr.-Ing. Alfred Voß
(文章提供:工业生产力研究所(IIP)) |