王如竹董益秀（上海交通大学）
存在着大量的废弃热量和多余冷量，如果能将其回收利用将会有显著的节能效果.本文介绍了高温热泵供应蒸汽、大型离案例，均涉及工业余热或冷能的回收.文章从技术原理、经济环境效益等方面对每个案例进行了分析，并突出了热亲在其 心式热泵与大型吸收式热泵用于区域供暖、余热利用的换热网络优化、冷热联供、LNG冷能利用、区域能源集成利用7个中发挥的关键作用，为工业余热及冷能的回收利用提供了方案参考.
关键词：热泵技术；工业余热；LNG冷能；典型案例
在中国当前的能源消耗结构中，化石燃料占比仍达到80%以上"，能源使用结构的不合理会造成资源短缺和环境破坏.国家《“十四五”节能减排工作方案》中提到，要推动以工业余热等替代煤炭供 热、供蒸汽，说明工业余热蕴含能量丰富、可用潜力大，需要被重视.中国作为一个制造业大国，在各用能部门中，工业能耗占到了66.8%"，工业过程中15%-40%的能耗最终将排放到环境中成为废热， 水泥、钢铁、玻璃等行业都蕴含着大量的余热凹，工业余热来源广、总量多，如能将其回收再利用，将
会有显著的节能效果.工业冷能的利用主要是液化天然气（LNG）的冷量利用.2021年我国LNG进口量为7893万吨，每千克LNG气化所释放的能量约为830kjJ，因此LNG接收站、卫星站的可用冷量十分 可观.
1研究进展
对外作功实现动力输出以及余热的提质三种.直接 工业余热及冷能的利用分为直接热交换、影胀热交换的研究主要集中在换热器的强化换热设计以
2关键技术
3优秀案例
及换热网络的优化，该余热利用方式最为直接，但只能换取比热源温度低的热量.对外膨胀做功一般对热能品位要求较高，蒸汽轮机、有机朗肯循环都是比较成熟的技术.更低品位余热的再利用受到的余热回收型热泵通常可以实现30-150C范围内余 了其温度水平的限制，一般需要由热泵提质.当前热回收并提供50-160C的热量输出或10C以下的冷量输出.LNG冷能利用的方式主要有直接换热以及与其他热源联合发电两种
温度越低能量可用性越差，因此处理好低品位余热的回收对工业余热的利用至关重要.热泵是一种很有潜力的超低品位余热利用技术，其最关键的 作用在于调质，能够协调热源与热需求之间的不匹配性.电驱动的蒸气压缩式热泵和热驱动的吸收式热泵是常见的类型，二者都可以通过升温实现低品位热量的提质再利用.面向低温用热需求，工业余 热经热泵提质后可提供民用供暖热水.为实现余热“取之于工业再用之于工业”的构想，高温热泵发展迅猛，面向80C以上的工业用热需求，可供应蒸汽、高温热水.在供冷领域，吸收式热泵（制冷机）能提供比热源温度更低的冷量输出，具有压缩 式热泵不具备的优势.
从项目背景、技术原理、项目收益等方面展开描 我们整理了工业余热及冷能利用的典型案例，述，并突出了热泵在其中发挥的关键作用.
（1）空气源/水源高温热泵蒸汽/热水供应系统1
基于我国双碳目标，热泵替代小型燃料锅炉的趋势越来越明显.空气源/水源高温热泵蒸汽/热水供 应系统以空气、水为热源，吸收环境中的低品位热能来实现高温蒸汽的发生或高温热水的产生，仅存在电力的输入，2020年，上海诺通新能源科技有限公司研发的空气源高温热泵蒸汽供应系统在山东宏 济堂酒坊建立了样板工程，原理如图1(a)所示，通过复叠热泵技术实现前端温度的提升，利用负压闪蒸实现蒸汽的产生，再用水蒸气压缩机提升蒸汽的压力和温度：该系统能产出0.3th的120C蒸汽，在环炉节省46%的电能，减排319.04kg二氧化碳：每年能 境温度为20C时能效达1.85：每产生1t蒸汽比电锅
节省46.7万元运行费用.2021年，空气源复叠式热泵热水机组成功运用于河北邯郸某新材料公司的预制件产品烘干.该热泵热水机提供90C热水，产出75C热风进行产品烘干，在实际运行中吨蒸汽当量加2022年，研发团队对该系统进行了升级，两级复叠 热量的电费不到240元，相比电锅炉节省60%以上.热泵可以直接产生125C热水再闪蒸出蒸汽，无需水蒸气增温增压系统，COP可达到2以上，相比原系统再节电10%.目前，上海诺通科技围绕该领域共推 出了4类产品：空气源蒸汽热泵、水源蒸汽热泵、复叠式热泵热水机以及水蒸气增压机组，能够广泛应用于化工、医药等需要微压蒸汽的工业领域以及供暖、食品加工等需要100C以下热水的领域.
（a）原理图
图1高温热系蒸汽/热水供应系统
(2）压缩式热泵用于工业余热回收13
工厂中有大量的废热排放，余热回收已被公认为一种有效的清洁供热方案，该方案可以利用压缩式热泵实现，并且热泵容量要能够满足区域热量需求.近年来格力联合上海交通大学开发单台大容量的热回收型热泵，离心式压缩机是合适的选择.该 热泵机组采用如图2（a)所示的并联循环，两台压缩机布置在两个独立的回路中，水由两个蒸发器/冷凝器依次冷却/加热.该形式配置灵活，供热能力大，且能够实现较高的工作效率.2019年，双循环并联 的离心式热泵系统在鞍山某钢铁厂安装并测试，此台热泵回收炼钢过程排放的废水中的热量，用于建
筑供暖，单台供热规模达到了10MW，区域供暖的建筑面积约为180000m².该兆瓦机组的一次能源利用效率为2.53，该余热回收系统每年能提供5.6×10GJ的热量，节约4.2×10kg标准煤的使用，减少
（3）吸收式热泵用于工业余热回收
吸收式热泵不受制冷剂和压缩机等部件的限制，能够更灵活地回收和转换不同温度的废热，且无需消耗电能，在废热回收方面也得到了广泛的应用.2017年，上海交通大学与双良集团在兰州大唐 西固电厂建立了一套大型的电厂凝汽余热回收系统，产出集中供暖用的热水，系统原理图如图3所示.来自汽轮机的高温高压蒸汽，驱动第一类吸收式热泵，回收来自蒸汽冷凝器的余热（35℃），热 泵输出的热量将区域供热网络回水由45C加热到80C.随后回水被汽轮机的高湿高压蒸汽进一步加热达到105℃.供回水之间的大温升由两台串联的吸收式热泵实现，如图4所示.现场安装了6组申联溴化锂吸收式热泵，每台额定供热能力为48.46MW.根
图2双循环并联离心式热系
图4串联吸收式热系
1.15×10”kgCO的排放，计算的投资回收期为1.7年.大容量离心式热泵回收低品位工业废热用于区域供热在中国北方城市颜具吸引力.
据一个供暖季的测试结果显示，该系统每年可回收1.27P的废热，减少13万吨的碳排放，改进后的废热回收系统可节省约4369万元，且每年可获得约3495万元的利润，整个系统的投资回收期约为3.7年，同时实现了重大的经济和环境效益.
图3电厂凝汽余热四收系统原理图
（4）余热利用的换热网络优化
低品位工业余热的有效利用对提高能源利用效率、减少CO排放具有重要意义.但如果热回收系统的热量转化效率过低，则建造该系统的收益并不显著甚至得不偿失.根据当地余热的供给和需求情况 进行换热网络的优化，可以使得热量损失最小，热能得到充分利用.上海交通大学、南洋理工大学为新加坡裕廊岛工业园区内的某公用工程公司提供了当地得以实施.原余热回收系统大量的蒸汽凝水余 一套升级改造蒸汽凝水余热回收系统的方案，并在热仅用于预热部分冷物流，且换热平均温差较大，利用效率低.充分利用原有的换热网络设施，并结合实际需求，新系统增加了吸收式制冷机.在优化后的图5（a）换热网络中，温度较高的蒸汽凝水余 热先驱动吸收式制冷机产生冷冻水，用于工业园区及园区办公楼的制冷，随后温度较低的余热再与工艺水进行梯级换热，产出不同温度的热水送到不同需求的工厂，实现了能量梯级、充分利用.改造后 换热网络每个换热器的平均传热温差都显著减小，蒸汽凝水余热利用的热效率提高了55.8%，投资回收期小于2年.
(a)原理图
(b)在工业园区中的应用图5优化后的余热利用换热网络
（5）冷热联供
在畜禽屠宰、乳制品加工、啤酒酿造等食品加
工行业中由于冷加工、食品保鲜等原因通常有比较大的制冷需求，同时又有高温清洗、熟制加工等热需求.在这类应用场景中，制冷设备的冷凝热是优良的可利用余热源，采用热泵提升其热量品位，并再次投入生产生活中，就能实现高效节能的冷热联 供.冰轮集团开发了一系列的制冷空调冷凝热回收系统.在福建某大型屠宰企业热回收项目中，业主需要65C的热水用于屠宰线的烫毛和喷淋、95C热水用于烫锅补热和高温蒸煮.屠宰场的热回收方案 如图6（a）所示，先由全热回收热泵回收氨制冷机冷凝废热将地下水加热至65C并存入保温水箱，再由高温热泵将热量品位再次提升，制取95C的高温热水存入另一保温水箱，再结合谷电蓄热，该项目相比原来外购蒸汽方案每年能节约545.6万元的费用.
（a）原理图
图6热四收型热系制取高温热水
（6）LNG冷能利用7.
LNG为液化天然气，温度约为-162C，蕴含着大量的冷能.由于LNG温度较低，在进入城市燃气 管网前需要加热升温气化，冷量流失，极度浪费.LNG可以将气化冷量传递到需要制冷的行业或者空间、设备，如图7所示，LNG在气化过程中可以多级冻库、冷藏库梯级供冷，多余冷量还可用于制冰、 换热（-162℃/-85℃/-40℃/5℃），为超低温库、冷
空调供冷等.深圳金沙湾国际乐园的冷能来自广东大鹏LNG接收站，气化换热产生的冷量用于冰雪馆、海洋馆的制冰造雪以及中央空调供冷.通过该方式，园区每年能节约用电2000万度.因地制宜地利用冷能还体现在LNG动力船舶上，液化天然气是 船舶的动力燃料，同时，其汽化产生的冷能可以用来制冷.图8描述了LNG冷能利用的过程，LNG先与中间介质乙二醇换热，吸收冷能后的乙二醇再与冷冻水换热，冷冻水根据负荷需求进入冰蓄冷装置或 者直接进入风机盘管.此项应用减少了船舶空调系统设备的初投资费用，且无需额外消耗空调系统电量，每天可以节约近6000元的费用.
（7）余热利用的集成示范”
为了减少能量运输和传递过程中的损失，余热利用的理想场景是“就地取用、就地消耗”.某些农业产业能同时具备合适的余热（冷）源和匹配的热（冷）需求.冰山集团提出了“泛在热源耦合的深增能源综合解决方案”，旨在深度提取余热（冷）中
图7LNG冷能梯级利用
的能量，图9描述了农产品产业园中能源耦合和能量高效利用的方案.该产业园中被回收的冷能主要是LNG，热能是各种泛在热源.在水产捕捞和加工产业链中，在渔船上，LNG作为燃料提供动力的同时还能对捕捞品进行快速冷冻保鲜：在陆地上，LNG 气化产生的冷量输送到加工车间、冷库等处，用于水产品的保鲜和储存：冷水机组作为冷量供应的补充，其冷凝热可被热泵机组回收，用于水产加工区联合供应冷量，满足其预冷、速冻、冷藏等需求. 的供热.蔬果加工中，LNG膨胀冷能与冷水机组肉品加工区城热需求较多，天然气燃烧和热泵为养殖、屠宰、肉品加工、供暖提供热量：冷水机组供冷，且其冷凝热由热泵机组回收：此外养殖业还会产生沼气，可以作为燃料的补充来源.该集成产业 园区力求实现区域冷热平衡、区域能源自足、区域零碳排放，通过对余热及冷能的充分利用，提升整体能源利用效率，减少了化石燃料的使用.
本文介绍了七种类型的工业余热及冷能利用的
图8LNG船轴的冷能利用
图9农产品加工业中的余热冷能集成利用
