熱泵已成為新建筑供暖系統(tǒng)的首選，在區(qū)域供暖中也很常見——然而，在商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域，情況卻有所不同。在這些領(lǐng)域中，熱泵仍然很少被利用。熱泵是一種清潔高效的熱量輸送裝置，在商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域也存在一些令人印象深刻的最佳實踐案例。

 

　　使用熱泵的先決條件始終都是熱源。這通常很容易在工業(yè)生產(chǎn)中以廢熱的形式找到。瑞士孚瑞公司（Friotherm AG）特別指出廢熱可能來自以下來源：工業(yè)焚燒廠、生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢熱、原污水和處理后的廢水、海水、河水和湖水以及地下水。低于100℃的低溫余熱通常不再可用并被消散（歐適能能源公司Ochsner創(chuàng)造性地將這類余熱稱為“熱廢物”）。然而，對于熱泵來說，這是一個有價值的起點。在壓縮機的幫助下，廢熱的溫度水平被升高到可用于工藝的一個更高的水平。目前，現(xiàn)有的熱泵涵蓋了從50~160℃的所有溫度范圍，輸出功率從20kW到有時可能會超過20MW。這意味著，在相應(yīng)的溫度范圍內(nèi)的幾乎所有的應(yīng)用都是可能的。

 

　　德國弗勞恩霍夫制造工程與自動化研究所IPA的Ivan Bogdanov先生特別提到了以下可能的應(yīng)用：

　　● 在化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用溫度為100~110℃

　　● 塑料生產(chǎn)（LDPE-HDPE以及PVC）的溫度為80~100℃

　　● 塑料加工（LDPE），溫度為120~140℃

　　● 陶瓷生產(chǎn)中的干燥，溫度為20~120℃

 

　　高溫?zé)岜茫℉TWP）通常可以適用于任何需要150℃以下的工藝熱量的場合。目前，高溫工業(yè)過程熱是通過燃燒化石燃料或通過電阻加熱使用電網(wǎng)電力在現(xiàn)場產(chǎn)生的。

　　用于能源回收的熱泵目前，高溫?zé)岜脩?yīng)用溫度范圍可以輕松達到160℃左右

 

　　據(jù)德國弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所ISE估計，在德國150℃以下的工藝熱量的耗電量需求超過100TW·h。其中，高耗電量需求主要體現(xiàn)在食品、造紙和化學(xué)工業(yè)等。在這些領(lǐng)域中，低溫蒸汽被應(yīng)用于許多工藝，例如干燥紙制品、對食品進行滅菌和巴氏殺菌，或用于蒸餾過程。根據(jù)AIT（奧地利技術(shù)研究所）的一項研究，目前市場上的熱泵蒸汽發(fā)生器可提供高達0.5MPa（152℃）左右的飽和蒸汽。

 

　　在2021年11月舉行的德國能源署（Dena）化學(xué)行業(yè)數(shù)字實踐研討會上，來自 SpillingTechnologies公司的ChristofFleischmann先生介紹了使用活塞式壓縮機進行蒸汽循環(huán)的工藝，這與高溫?zé)岜玫脑眍愃啤Ｔ摴に嚳捎糜谠诶鋮s過程或放熱反應(yīng)期間產(chǎn)生的低壓過剩蒸汽，以及在其他需要較高壓力水平的工藝蒸汽的場合。在全世界范圍內(nèi)的化學(xué)工業(yè)中，有許多這樣的應(yīng)用實例。這里所描述的蒸汽活塞壓縮機可實現(xiàn)高排放壓力和COP值，因此與傳統(tǒng)的蒸汽發(fā)生器相比，只需要大約1/10的能量。

 

　　據(jù)專家介紹，與傳統(tǒng)蒸汽發(fā)生器相比，蒸汽回收可以在實踐中節(jié)約高達50%甚至更多的成本。其中，一些條件能有助于使蒸汽循環(huán)發(fā)揮其最佳效果：

　　● 低壓蒸汽的殘余壓力應(yīng)該有至少0.1MPa

　　● 出口與進口的壓力比最大應(yīng)5倍

　　● 要求的出口壓力不應(yīng)高于3.5MPa

 

　　Spilling公司表示，如果使用可再生電力來操作蒸汽壓縮機，則高壓蒸汽甚至可以作為完全不含二氧化碳的綠色工藝蒸汽被產(chǎn)生出來。

 

　　另一個實際案例：Rechtenbacher公司對其自動塑料涂裝線進行了現(xiàn)代化改造。Simaka Energie und Umwelttechnik公司為Rechtenbacher公司開發(fā)了一套基于熱泵的廢氣凈化系統(tǒng)。現(xiàn)在，Rechtenbacher公司可以通過冷凝而不是熱后燃燒，將溶劑從廢氣中分離出來，排出的廢氣則使用活性炭過濾器進行凈化。

 

　　通過這種方式，可以節(jié)省95%的氣體消耗，并大大減少二氧化碳的排放。活性炭在周末使用熱泵進行再生，溶劑也會在這個過程中被回收。在Rechtenbacher公司，熱泵技術(shù)的應(yīng)用特別有效，因為過程中同時需要加熱和冷卻。

 

　　當(dāng)使用熱能時，COP（性能系數(shù)，可用熱能與所耗電能之比）為4在技術(shù)上被認(rèn)為是可實現(xiàn)的。如果同時使用冷卻，熱轉(zhuǎn)化效率就會提高7~10倍。例如，來自熱泵的余熱可用于加熱清洗待涂裝部件的凈化水，用于工藝空調(diào)和建筑物取暖。此外，通過在噴房和各種干燥機中安裝節(jié)能熱泵進行空氣循環(huán)或供氣操作，可以進一步節(jié)約能源。

 

　　專訪Karl Ochsner先生，歐洲熱泵協(xié)會榮譽主席，Ochsner熱泵公司前總經(jīng)理，多本技術(shù)書籍的作者

　　“從長遠來看，熱泵勝過蒸汽鍋爐！”

 

　　PROCESS:Ochsner先生，雖然熱泵在今天的新建筑中應(yīng)用非常廣泛，但工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用卻相當(dāng)罕見。是什么阻礙了熱泵在工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展？

 

　　Ochsner: 大型熱泵已經(jīng)存在了相當(dāng)長的一段時間——在工業(yè)應(yīng)用、工藝熱和支持區(qū)域供熱方面，我看到了巨大的潛力，其潛力至少和建筑供暖領(lǐng)域一樣大。你問什么阻礙了熱泵在工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展？在許多情況下，這是由于人們對當(dāng)今熱泵所能達到的高溫以及生產(chǎn)蒸汽方面了解不足。此外，特別是流程工業(yè)，在某種程度上害怕使用新技術(shù)。同時，工業(yè)和能源規(guī)劃者往往缺乏關(guān)于如何實施這些概念的可靠專業(yè)知識。例如，當(dāng)在一個系統(tǒng)中同時需要工藝加熱和工藝?yán)鋮s時，使用熱泵就特別有效。如果可以省去制冷系統(tǒng)或冷卻塔，這對運營商來說是非常有意義的。

 

　　PROCESS: 流程工業(yè)經(jīng)常需要蒸汽。您能估計一個化石燃料蒸汽鍋爐和一個大型熱泵的生命周期成本嗎？

 

　　Ochsner: 這總是取決于溫度和應(yīng)用領(lǐng)域。假設(shè)廢熱源的溫度在50~80℃，我估計投資回報率不超過 5 年，但這只是純粹的攤銷。如果我們看一下生命周期的成本，熱泵通常都能給用戶帶來回報。從長遠來看，在低壓蒸汽方面，熱泵優(yōu)于蒸汽鍋爐！

 

　　PROCESS: 在您的公司主頁上，提到您們能提供最高溫度為130℃的工藝熱。Ochsner 的大型熱泵有哪些工業(yè)用途？

 

　　Ochsner ：在產(chǎn)生蒸汽時，我們已經(jīng)實現(xiàn)了一些項目，例如造紙業(yè)，或皮革業(yè)的處理工藝。此外，在區(qū)域供熱方面也有應(yīng)用。

 

　　熱泵支持干燥

　　第3個實際例子：作為歐盟資助的Dryficiency項目的一部分，AIT（奧地利技術(shù)研究所）開發(fā)了第一臺用于高溫范圍的工業(yè)壓縮熱泵。

 

　　自2019年以來，此工業(yè)壓縮熱泵一直在位于奧地利Uttendorf的 Wienerberger AG公司進行試運行。這款熱泵的特別之處在于它能提供高達160℃的加熱水（它可為磚塊烘干機提供相應(yīng)的熱空氣）。在制造過程中，磚塊首先被成型、干燥，然后燒制。這個過程是在一個連續(xù)的隧道式干燥機中進行的，現(xiàn)在高溫?zé)岜靡呀?jīng)被整合到其中。它使用來自干燥機廢氣熱回收的熱水作為熱源，為隧道式干燥機提供熱量。

 

　　在許多工業(yè)過程中，會出現(xiàn)廢熱流。由于溫度低，這些廢熱流不能再合理地用于生產(chǎn)過程或供暖，通常需要通過額外的冷卻措施才能釋放到環(huán)境中。而在熱泵的幫助下，這些廢熱流可以被提高到一個可用的溫度水平，并重新整合到生產(chǎn)過程中。迄今為止，熱泵在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力一直被嚴(yán)重低估。

　　本文作者Hans-Jürgen Bittermann，系德文版PROCESS自由撰稿人，責(zé)任編輯胡靜，責(zé)任校對何發(fā)。