把“命門”掌握在自己手中
“我國年工業(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(shù)的中意綠色能源實驗室，是他多年技術(shù)攻堅的集成體現(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)團隊開展了“低品位余能回收技術(shù)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(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(yīng)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(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。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(shù)難題，還要考慮經(jīng)濟效益。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。
對此，王如竹帶領(lǐng)的項目組攻堅克難，通過單個技術(shù)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(yīng)性強的“超級”熱泵，突破了低品位余能規(guī)模化應(yīng)用的技術(shù)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(guān)鍵。“一般設(shè)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(quán)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(shè)計與制造，并對每個部件進行嚴格的測試和質(zhì)量把關(guān)，保證實地組裝一次成功。
相比而言，化學(xué)熱泵的技術(shù)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(xué)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(yīng)顯著
研究的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)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(shù)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(biāo)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(biāo)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(dāng)于15900臺常規(guī)家用空調(diào)熱泵的制熱量。
廢熱利用，除了熱能轉(zhuǎn)化，儲熱技術(shù)也相當(dāng)關(guān)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(zhuǎn)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(shù)，并在漢鐘精機股份有限公司成功轉(zhuǎn)化應(yīng)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(guān)的國際領(lǐng)先技術(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)模最大的溴化鋰中央空調(diào)制造基地；中國科學(xué)院工程熱物理研究所建成國內(nèi)首臺50千瓦級化學(xué)熱泵樣機……
基于示范工程，工業(yè)余熱的網(wǎng)絡(luò)化利用、規(guī)模化應(yīng)用還在探索中。項目團隊編著的《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)模化利用的指導(dǎo)書。“未來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(luò)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(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。”
“我國年工業(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(shù)的中意綠色能源實驗室，是他多年技術(shù)攻堅的集成體現(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)團隊開展了“低品位余能回收技術(shù)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(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(yīng)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(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。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(shù)難題，還要考慮經(jīng)濟效益。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。
對此，王如竹帶領(lǐng)的項目組攻堅克難，通過單個技術(shù)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(yīng)性強的“超級”熱泵，突破了低品位余能規(guī)模化應(yīng)用的技術(shù)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(guān)鍵。“一般設(shè)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(quán)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(shè)計與制造，并對每個部件進行嚴格的測試和質(zhì)量把關(guān)，保證實地組裝一次成功。
相比而言，化學(xué)熱泵的技術(shù)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(xué)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(yīng)顯著
研究的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)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(shù)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(biāo)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(biāo)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(dāng)于15900臺常規(guī)家用空調(diào)熱泵的制熱量。
廢熱利用，除了熱能轉(zhuǎn)化，儲熱技術(shù)也相當(dāng)關(guān)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(zhuǎn)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(shù)，并在漢鐘精機股份有限公司成功轉(zhuǎn)化應(yīng)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(guān)的國際領(lǐng)先技術(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)模最大的溴化鋰中央空調(diào)制造基地；中國科學(xué)院工程熱物理研究所建成國內(nèi)首臺50千瓦級化學(xué)熱泵樣機……
基于示范工程，工業(yè)余熱的網(wǎng)絡(luò)化利用、規(guī)模化應(yīng)用還在探索中。項目團隊編著的《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)模化利用的指導(dǎo)書。“未來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(luò)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(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。”
