吸收式熱泵在冷熱電聯(lián)產(chǎn)中的應(yīng)用分析

盧闊(342224198405061775，安徽合肥 230000)

吸收式熱泵在冷熱電聯(lián)產(chǎn)中的應(yīng)用分析

盧闊(342224198405061775，安徽合肥 230000)

由于吸收式熱泵能夠使用廢熱實(shí)現(xiàn)制冷和制熱，其在節(jié)能領(lǐng)域有很大的用處。本文通過介紹某項(xiàng)目中使用的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，闡述了吸收式熱泵在系統(tǒng)中的作用。并指出了在使用冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)時(shí)的注意事項(xiàng)。

吸收式熱泵;冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng);節(jié)能

1 熱泵的原理

熱泵是將中低溫能量轉(zhuǎn)為高溫能量的裝置，其特點(diǎn)是只需消耗少量的高品位能源，即可制取大量的中高溫?zé)崮躘1]。高品位能源指的是電能、機(jī)械能等在理論上可以完全轉(zhuǎn)化為功的能量稱，為高位能。而低品位能源指的是物質(zhì)的內(nèi)能、低溫的物質(zhì)等不能全部轉(zhuǎn)換而只能部分轉(zhuǎn)換為功的能量[2]。

熱泵按驅(qū)動(dòng)力來分，主要有兩種類型，即壓縮式熱泵和吸收式熱泵。其中吸收式熱泵熱泵分為第一類吸收式熱泵和第二類吸收式熱泵。第一類吸收式熱泵又稱“增熱型熱泵”，是通過利用少量高溫?zé)嵩吹臒崮?，產(chǎn)生大量中溫有用的熱能;第二類吸收式熱泵又稱“升溫型熱泵”，是通過利用大量中溫?zé)嵩吹臒崮?，產(chǎn)生少量高溫有用的熱能.從循環(huán)的熱力過程來看，第二類吸收式熱泵是在第一類吸收式熱泵的基礎(chǔ)上對(duì)熱源梯級(jí)利用的一種改進(jìn)，但第一類熱泵的熱力過程更能具體反映吸收式熱泵與壓縮式熱泵的區(qū)別

2 兩種熱泵的比較

2.1 壓縮式熱泵原理

圖1 壓縮式熱泵原理

如圖1所示，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)。

2.2 第一類吸收式熱泵原理

圖2 吸收式熱泵原理

如圖2所示，第一類吸收式熱泵分為以溴化鋰-水為介質(zhì)和以氨-水為介質(zhì)的吸收式熱泵。以溴化鋰-水為介質(zhì)的第一類吸收式熱泵為例，該吸收式熱泵是以水為制冷劑，溴化鋰溶液為吸收劑。吸收式熱泵中蒸發(fā)器的原理為水在5 mmHg真空狀態(tài)下，溫度達(dá)到4℃時(shí)便蒸發(fā)。在吸收器中，溴化鋰濃溶液吸收來自蒸發(fā)器的水蒸氣，被稀釋成為稀溶液，放出熱量;然后壓縮機(jī)將稀溶液從吸收器中轉(zhuǎn)移到發(fā)生器，溶液的壓力從蒸發(fā)壓力相應(yīng)地提高到冷凝壓力;在發(fā)生器中，稀溶液被加熱濃縮成為濃溶液，此時(shí)釋放出來的水蒸氣進(jìn)入冷凝器，而濃溶液則流回吸收器;來自發(fā)生器的水蒸氣在冷凝器中放出凝結(jié)熱，冷凝成水;制冷劑水經(jīng)過膨脹閥降壓后，進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)，產(chǎn)生水蒸氣;水蒸氣進(jìn)入吸收器，再被濃溶液吸收。這樣就完成了第一類吸收式熱泵的供熱循環(huán)。

2.3 比較結(jié)論

針對(duì)這兩種熱泵，根據(jù)有關(guān)資料總結(jié)比較結(jié)果如下[3]：（見表所示）

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱量是不會(huì)自發(fā)地從低溫介質(zhì)向高溫介質(zhì)傳遞的，必須向熱泵輸入一部分驅(qū)動(dòng)能量才能實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞。上述兩種熱泵則分別通過熱能和電能的輸入來驅(qū)動(dòng)能量傳遞。

可以看到，壓縮式熱泵的能效比要高于吸收式熱泵，這是因?yàn)閴嚎s式熱泵使用的是高品位能源——電能，而吸收式熱泵直接使用了低品位熱能。但是吸收式熱泵使用的熱源可以是余熱、廢熱、排熱，因此從總體上說，其節(jié)能性能比壓縮式熱泵要好。

相關(guān)資料指出[4]，以一臺(tái)3500kw的制冷機(jī)組為例，壓縮式制冷機(jī)耗電量為900kw，而溴化鋰吸收式制冷機(jī)耗電量?jī)H10多kw，在當(dāng)下我國(guó)電力緊缺的情況下，使用吸收式制冷機(jī)很有意義。

3 吸收式熱泵的在冷熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目中的應(yīng)用

溴化鋰吸收式熱泵有兩個(gè)最顯著的優(yōu)勢(shì)，即能夠利用廢熱和有制冷制熱兩種工況。在天熱氣較為便宜的地區(qū)，可以通過吸收式熱泵和燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的配合，實(shí)現(xiàn)冷熱電三聯(lián)產(chǎn)。筆者下面介紹的項(xiàng)目位于北京，項(xiàng)目中就是用了冷熱電三聯(lián)產(chǎn)方式，取得顯著的節(jié)能效果。

3.1 系統(tǒng)概述

圖3 冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)工作原理圖

如圖3所示，系統(tǒng)由兩個(gè)主要設(shè)備構(gòu)成，即圖左側(cè)的溴化鋰吸收式熱泵和圖與它連接的發(fā)電機(jī)組。吸收式熱泵使用發(fā)電機(jī)的廢熱作為熱源，在冬季和夏季風(fēng)別制熱和制冷。發(fā)電機(jī)通過燃燒天然氣發(fā)電，與市政電并網(wǎng)使用。當(dāng)市政斷電時(shí)作為應(yīng)急電源使用。發(fā)電機(jī)提供給吸收式熱泵的熱量，由以下兩部分組成

（1）300℃的高溫廢熱（圖中由發(fā)電機(jī)左側(cè)接出）

發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí)產(chǎn)生了300℃的高溫?zé)煔?，這部分熱量可以直接提供給吸收式熱泵作為熱源，多余煙氣和熱泵的廢氣一起排出

（2）80C的低溫廢熱（圖中由發(fā)電機(jī)右側(cè)接出）

這部分廢熱是發(fā)電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的，通過一組與吸收式熱泵連接的90C/80℃的閉式熱水系統(tǒng)，這部分低溫廢熱也可以提供給吸收式熱泵作為熱源。但是需要注意的是，如果吸收式熱泵無法消耗這些熱量，則需要使用額外的冷凍水抵消掉這些熱量，以防止發(fā)電機(jī)過熱。因此原理圖中還在這組熱水管道上連接了一個(gè)緊急制冷的板換。

3.2 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

(1)節(jié)能效果

根據(jù)從業(yè)主處得到的條件，項(xiàng)目所在地電價(jià)為0.9元/kwh（取峰值和谷值的平均值），天然氣為2.86元/m3。假設(shè)天然氣的熱值為8250kcal/m3=9.59kwh/m3，發(fā)電機(jī)效率為40%，則可以得出發(fā)電機(jī)的發(fā)電成本為2.86/(9.59*0.4)=0.74元/kwh?？紤]到發(fā)電機(jī)的維護(hù)成本約為0.1元/kwh發(fā)電量，可以得出發(fā)電機(jī)發(fā)電的總成本為0.84元/kwh。

可以看到，僅從理論上的數(shù)值計(jì)算來說，發(fā)電機(jī)自行發(fā)電的成本和從市政電網(wǎng)購電的成本不相上下。如果吸收式熱泵產(chǎn)生的冷量和熱量，使用冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)就比較劃算，因?yàn)樵诎l(fā)電成本和電網(wǎng)購電相同的前提下，冷量和熱量相當(dāng)于免費(fèi)獲得。在我國(guó)有些地區(qū)，為了緩解市政電網(wǎng)的負(fù)荷，當(dāng)?shù)貙?duì)于自行發(fā)電還會(huì)給予政策性的補(bǔ)貼，這使得冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)能效果更加顯著。

當(dāng)然，詳細(xì)的節(jié)能評(píng)估會(huì)更加復(fù)雜，還要考慮到冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的初投資、利用率，吸收式熱泵的能效比等其他因素。這需要根據(jù)具體項(xiàng)目進(jìn)行具體的節(jié)能評(píng)估。針對(duì)這個(gè)項(xiàng)目，在綜合考慮各種因素后，通過節(jié)能評(píng)估得出冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的回收周期大約為5年，其節(jié)能效果是比較顯著的。

(2)廢熱在過渡季節(jié)同時(shí)制熱制冷

在過渡季節(jié)，由于制冷量需求不大，吸收式熱泵無法完全消耗掉發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的廢熱。更糟糕的是，發(fā)電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的低溫廢熱還需要通過額外的冷凍水進(jìn)行冷卻，以防止發(fā)電機(jī)過熱。這樣的冷熱抵消不但沒有起到節(jié)能的效果，反而加劇了冷凍水的能耗。

據(jù)筆者所知，有的項(xiàng)目因?yàn)檫@個(gè)原因，有些項(xiàng)目的冷熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在過渡季節(jié)干脆不使用。但是這樣做會(huì)帶來一個(gè)問題：投資回報(bào)周期變長(zhǎng)。眾所周知，投資回報(bào)周期是節(jié)能評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，在初投資不變的情況下，每年運(yùn)行節(jié)省的維護(hù)費(fèi)用由于利用時(shí)間縮水而降低了，這使得投資回報(bào)周期變長(zhǎng)。

在該項(xiàng)目中，解決方法是在低溫廢熱管路中再連接一個(gè)板換（見系統(tǒng)圖最下方），改板換的二次側(cè)連接熱水系統(tǒng)。在過渡季節(jié)，吸收式熱泵僅使用高溫?zé)煔獾膹U熱進(jìn)行制冷，而低溫廢熱通過板換提供給熱水系統(tǒng)。這樣不但可以在過渡季節(jié)利用廢熱同時(shí)制冷制熱，也可以避免本來冷卻低溫廢熱的這部分冷凍水消耗。

3.3 使用冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的注意事項(xiàng)

(1)了解項(xiàng)目信息

需要掌握了解的項(xiàng)目信息中，除了項(xiàng)目所在地的燃?xì)夂碗娏r(jià)格，還應(yīng)包括目生產(chǎn)的實(shí)際情況。

比如雖然根據(jù)項(xiàng)目所在地的燃?xì)夂碗娏r(jià)格進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)使用冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)由節(jié)能效果，而且初投資回收周期合理。但是項(xiàng)目的生產(chǎn)時(shí)間主要集中在夜間或過渡季節(jié)，造成實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)利用時(shí)間縮水。

再比如有的項(xiàng)目雖然經(jīng)過計(jì)算，發(fā)現(xiàn)初投資回報(bào)周期較長(zhǎng)，認(rèn)為不適合冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。但是進(jìn)一步了解后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)赜邢嚓P(guān)政策補(bǔ)貼，可以降低初投資額度，縮短投資回報(bào)周期。

（2)仔細(xì)進(jìn)行能耗計(jì)算

使用冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，事先一定要進(jìn)行能耗計(jì)算，確保發(fā)電機(jī)的電量、廢熱都能夠在項(xiàng)目中使用掉。一般來說，與發(fā)電機(jī)應(yīng)選得小些，確保其廢熱在過渡季節(jié)被吸收式熱泵消耗掉。在冬季或者夏季，通過其他冷凍機(jī)和鍋爐來滿足高峰時(shí)的負(fù)荷。

4 結(jié)語

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，節(jié)能減排稱為不得不重視的問題。吸收式熱泵能夠?qū)⒐I(yè)廢熱、余熱、排熱利用起來，并實(shí)現(xiàn)制冷制熱兩種工況，真是達(dá)到了變廢為寶的效果。而我國(guó)很多地區(qū)電力價(jià)格比燃?xì)鈨r(jià)格高很多，如果使用冷熱電聯(lián)產(chǎn)的方式，不但可以降低項(xiàng)目運(yùn)行的能耗成本，也能減輕市政電網(wǎng)的壓力，可謂一舉多得。

[1]陳東.熱泵技術(shù)手冊(cè)[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2012.

[2]姚揚(yáng).暖通空調(diào)熱泵技術(shù)[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2008.

[3]孫天宇,王慶陽,張健,et al.壓縮式與吸收式熱泵系統(tǒng)的分析比較[J].上海電力學(xué)院學(xué)報(bào),2014,02):115-8.

[4]戴永慶.溴化鋰吸收式制冷技術(shù)及應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社,1999.

The Absorption Type Heat Pump in CCHP system

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