“我國年工業(yè)用能約29.1億噸標準煤，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1.65億噸標煤，意義巨大。”上海交通大學制冷與低溫工程研究所所長王如竹說。
王如竹教授已經(jīng)和綠色能源“磕”了30余年，藏著20多項頂尖的綠色能源技術的中意綠色能源實驗室，是他多年技術攻堅的集成體現(xiàn)。在這里，基于數(shù)十載制冷、換熱技術的研發(fā)，王如竹帶領團隊開展了“低品位余能回收技術及熱泵裝備研發(fā)與示范”項目，破解節(jié)能減排“痛點”。
熱泵作為一種節(jié)能技術，可將低溫廢熱變成有用的高品位熱能，例如替代常規(guī)煤鍋爐進行供暖，可極大緩解北方集中供熱熱源緊張局面，同時實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的節(jié)能降耗，讓天更藍、地更綠。
超強熱泵背后的“引擎”
不同溫度的廢熱有不同的用武之地。如中高溫余熱通過熱機對外做功可發(fā)電，中低溫余熱通過回收可發(fā)電、制冷和供熱，低溫余熱可通過熱泵供應生活熱水等。通過消耗少量的化石能源或電力，可以把回收的余熱轉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。壓縮式熱泵、吸收式熱泵和化學熱泵是余熱品位提升的主要途徑。三種熱泵技術雖已有一定發(fā)展，但一直以來難以突破熱泵容量、能效比、溫升與可靠性兼得的瓶頸。項目不僅需要攻克技術難題，還要考慮經(jīng)濟效益。如果節(jié)能不節(jié)錢，這些技術與裝備也難以推廣應用。
對此，王如竹帶領的項目組攻堅克難，通過單個技術的研發(fā)和對流程、工藝等方面的創(chuàng)新優(yōu)化，研制出效率高、容量大、熱負荷適應性強的“超級”熱泵，突破了低品位余能規(guī)模化應用的技術壁壘，并促進了新興熱泵裝備產(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鍵。“一般設備采用蒸發(fā)器和冷凝器各一個的單一系統(tǒng)。”王如竹說。項目組將壓縮式熱泵蒸發(fā)和冷凝溫度各分為兩段，采用獨立逆流雙系統(tǒng)進行分段蒸發(fā)和分段冷凝，減少了蒸發(fā)和冷凝的換熱溫差，降低壓縮機壓比，從而提升能效。
“高性能吸收式熱泵示范機組容量特別大，只能實地組裝，任何返工或修改都要付出巨大代價。”項目組的潘權穩(wěn)博士說，由于機組體積大，還需根據(jù)運輸?shù)臉O限尺寸進行分割設計與制造，并對每個部件進行嚴格的測試和質量把關，保證實地組裝一次成功。本文由上海凱太轉載發(fā)布；上海凱太主要研發(fā)制造一體化預制泵站,一體化雨水提升泵站,一體化污水提升泵站,地埋式一體化預制泵站等;歡迎訪問上海凱太官網(wǎng)查詢具體產(chǎn)品信息。
相比而言，化學熱泵的技術成熟度遠低于壓縮式和吸收式熱泵。項目團隊研究的50千瓦級化學熱泵在國際上沒有先例可參考，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)化溢出效應顯著
研究的產(chǎn)業(yè)化應用為項目團隊研制的超級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組，制熱能效比較技術突破前提升了15%—20%，達6.67，熱輸出容量9兆瓦，可年節(jié)省3500余噸標煤。“目前世界最先進的機組能效比也僅約5.5—5.8，我們的機組已超世界最先進水平。”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。”
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目中，項目研發(fā)的高效吸收式熱泵供熱效率是蒸汽供熱的1.77倍，目前已穩(wěn)定運行了兩個供暖季。“第一個供暖季就回收了約4.34萬噸標煤的余熱，節(jié)省了52.9萬噸的水，減排13.5萬噸二氧化碳排放。”王如竹說，這相當于15900臺常規(guī)家用空調熱泵的制熱量。
廢熱利用，除了熱能轉化，儲熱技術也相當關鍵。對此，團隊研發(fā)了相變儲熱材料和系統(tǒng)，并直接“沿途下蛋”，在江蘇昂彼特堡能源集團實現(xiàn)了成果轉化。“該儲熱器完全可以滿足我國北方地區(qū)的冬季供暖需求。”王如竹說。儲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“高溫水蒸氣熱泵”方面，團隊研制出采用雙螺桿帶中間噴水冷卻的壓縮式熱泵技術，并在漢鐘精機股份有限公司成功轉化應用。
同時，與項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發(fā)出13項壓縮式制冷和熱泵相關的國際領先技術；雙良節(jié)能系統(tǒng)股份有限公司建成了亞太地區(qū)規(guī)模最大的溴化鋰中央空調制造基地；中國科學院工程熱物理研究所建成國內首臺50千瓦級化學熱泵樣機……
基于示范工程，工業(yè)余熱的網(wǎng)絡化利用、規(guī)模化應用還在探索中。項目團隊編著的《低品位余能網(wǎng)絡化利用導則》將成為工業(yè)余熱規(guī)模化利用的指導書。“未來要綜合考慮余熱熱源、余熱轉換技術，根據(jù)用戶的需求，按照能量目標和匹配準則實現(xiàn)優(yōu)化匹配，形成解決工業(yè)余能電、熱、冷、儲高效利用的整體網(wǎng)絡化解決方案，這對量大面廣的節(jié)能減排具有重要意義。”王如竹說，“希望我們的這本指導書能為工業(yè)節(jié)能減排的大規(guī)模應用提供經(jīng)驗。”
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