吸收式熱泵和壓縮式熱泵餘熱利用技術

來源：小了白了兔 釋出時間：2023-04-20 15:32

餘熱再利用是實現雙碳目標的重要途徑之一，其中大量的低品位餘熱要用熱泵回收。熱泵可以從低溫餘熱中取熱，產生較高溫度輸出熱量，與水泵從低位抽水到高位類似，實現了熱量從低溫到高溫的傳遞。這個過程不能自發實現，需要輸入高品位能源驅動。驅動能源可以分為電能和高溫熱能，根據驅動能力不同，熱泵又分為以壓縮式熱泵為代表的電動熱泵、以吸收式熱泵為代表的熱能驅動熱泵。在節能市場上，壓縮式熱泵和吸收式熱泵是兩條主流的技術路線，也是大家在應用中選擇難題的癥結所在，因此本文對這兩種熱泵進行對比分析，提出各自的選用原則和合用領域。

需要提前說明一點，所謂的“電能驅動”壓縮式熱泵和“熱能驅動”吸收式熱泵，並不是正確的說法。實際上，壓縮式熱泵的驅動能源為機械能，吸收式熱泵的驅動能源為高溫熱量和中溫輸出熱量之間的溫度差。下面具體說明。

壓縮式熱泵：壓縮式熱泵產生提熱效果的基礎是壓縮機動彈，提供動彈機械能最常見的裝置是電動機，因此電動壓縮式熱泵成為這類裝置的典型。同理，以高壓蒸汽驅動汽輪機動彈、帶動壓縮機，也能形成提熱效果；以高位水流帶動水輪機動彈也可以驅動壓縮機，帶來提熱效果。因此，壓縮式熱泵的驅動本質是機械能，而一般冠以“電能驅動”的原因有三：一是電能是最常見、最易獲取機械能的能源，具有代表性；二是其他可以驅動壓縮機動彈的能源，如高壓蒸汽、高位水流等，都是應用了可以轉化為電的能量，與電能在品位上類似；三是其他非電的壓縮機驅動能源，都可以先轉化為電力，再用電動機驅動，如高壓蒸汽可以先發電（熱電廠基本流程）、高位水流可以先發電（水電站基本流程）。這與熱能驅動的吸收式熱泵是完全不同的。舉例來說，採用蒸汽驅動的壓縮式熱泵，固然驅動能源看起來是熱能（蒸汽），但是隻用了其中可以轉化為電力的膨脹功部門，蒸汽熱量中比例很大的冷凝熱沒有利用，因此也是屬於“電能驅動”的範圍。

吸收式熱泵：吸收式熱泵以高溫熱量驅動、回收低溫熱量，輸出中溫熱量，其驅動的本質是高溫熱量與中溫輸出熱量之間的溫度差。溫差足夠大，才能實現熱泵的提溫功能。因此，並不是說有高溫熱量驅動，就可以回收餘熱；假如需要輸出的中溫熱量的溫度很高、與驅動熱之間的溫差小，同樣不能回收低溫熱量。因此，只有驅動溫度和輸出溫度之間的溫度差足夠大，才能產生熱泵提溫的效果；同理，即使驅動溫度低，但是產生的中溫熱溫度更低，溫差足夠，也可以產生餘熱回收的效果。好比節能領域常見的餘熱製冷機，採用70℃的產業餘熱做驅動，產生30℃的冷卻水（放出的中溫熱），可以製取7℃的冷水（從7℃環境中吸收低溫熱）。因此，驅動熱量和中溫熱量的溫度差，才是吸收式熱泵的核心。

兩種熱泵的驅動本質明確後，我們就可以分析出壓縮式熱泵和吸收式熱泵的適用範圍，下面分幾種情況進行分別說明。

場景一——原有傳熱過程存在很大傳熱溫差，餘熱量相對較小：

過大的溫差在傳熱工藝中普遍存在。理想的傳熱過程是多級、小溫差（近零溫差）傳熱，這樣基本沒有能量品位損失，但現實中很難實現。許多傳熱過程都是簡樸粗暴的，採用高溫熱量直接換熱，輸出合適溫度的熱量。

這種換熱工藝下，假如有餘熱可以利用，優先選擇吸收式熱泵，利用原工藝的高溫熱量驅動，回收低溫餘熱，輸出合適溫度的熱量。與原工況比擬，可以以為餘熱回收過程基本沒有增加能耗，利用原工藝鋪張的熱量品位差，產生了回收餘熱的效果，經濟性最佳。

有人以為，吸收式熱泵COP低，單效機只有1.7，雙效機也不外2.3；壓縮式熱泵COP可達5以上，採用更少的驅動就可以回收更多的餘熱，經濟性肯定更好。這種演算法並不合用在餘熱量相對較小的場景中。餘熱量小，兩種熱泵都可以回收全部餘熱，此時壓縮式熱泵高COP的特點施展不出來。原因在於，回收餘熱量一樣，壓縮式熱泵COP高，輸出的熱量少、溫差小，出水溫度低，不滿意用熱需求，還需要用高溫熱量增補到需求溫度；而吸收式熱泵COP低，輸出的熱量多、溫差大，出水溫度高，固然也不能滿意用熱需求，但是加熱到相同的需求溫度，輸入的高溫熱量少。從整個系統輸出熱的能量構成來看，吸收式熱泵系統總供熱量=餘熱+驅動熱量（高溫熱量）+增補的高溫熱量=餘熱+高溫熱量，壓縮式熱泵系統總供熱量=餘熱+驅動電能+高溫熱量，兩者不同之處僅在於壓縮式熱泵用驅動電能替換了一部分高溫熱量，從目前的能源價格來說，單位熱量的電價遠高於熱價。

這種傳熱溫差大、餘熱量相對小的場景以集中供熱為代表，採用採暖蒸汽、燃氣等高溫熱源加熱熱網水，溫差巨大；供熱量大，而電廠汽輪機、鍋爐煙氣等餘熱熱量相對較少。這種情況下，採用吸收式熱泵就可以回收全部餘熱。假如用壓縮式熱泵，只考慮驅動電力轉化為熱的環節，277kWh的電量才能輸出1GJ熱量，按電價0.5元/kWh計算，熱價為138.5元/GJ，遠高於供熱熱價。因此，集中供熱領域的餘熱回收適合採用吸收式熱泵，只有在熱量驅動能力不足、還有大量餘熱未利用的時候，才會採用壓縮式熱泵接力吸收式熱泵，進行二級餘熱回收。

場景二——原有傳熱過程溫差很小：

這種情況已經是很完善的傳熱過程，能源品位鋪張很少，不適合採用熱泵的方式進行餘熱回收。好比大型火力發電廠（不對外供熱），採用多級抽汽、多級加熱的方式加熱30℃左右的蒸汽凝水，每級的傳熱溫差都很小。這種工況下，不論是吸收式熱泵仍是壓縮式熱泵，都不適合。由於不管哪種熱泵，都需要消耗較高品位的能源（電能和高溫熱能），餘熱利用效果僅僅是節省了溫度較低的熱量，不管從能量品位仍是經濟性的角度，都是得不償失的。

場景三——餘熱量很大，用熱量相對較少：

需要綜合經濟性分析。由於需要輸出的熱量相對較少，壓縮式熱泵COP高的特點就可以充分發揮出來。採用壓縮式熱泵，驅動的電能價格高，但COP高，可以回收大量餘熱；採用吸收式熱泵，驅動的熱能價格低，但COP低，供熱量中餘熱比例少。因此，不能僅依賴熱泵COP或驅動能源價格的高低判定兩者的適用性，而是要根據輸出熱量的單位成本選擇合適的熱泵。

場景四——高溫熱量品位很高：

吸收式熱泵並不是驅動溫度越高越好。以溴化鋰吸收式熱泵為例，溴化鋰溶液溫度超過165℃後，腐蝕性急劇升高，因此在執行時，一般會把溶液溫度控制在165℃以下，假如熱源溫度超過165℃，只是減少了發生器的換熱面積，並不能帶來更大的好處；此外，有些餘熱回收場景的工況很好，較低品位的熱量即可驅動，品位過高還需要關閥節流，降低蒸汽壓力或熱源的平均溫度。因此，在燃氣、高壓蒸汽等供熱場景，直接應用吸收式熱泵有些鋪張熱源品位，可以採用壓縮式熱泵和吸收式熱泵混合流程，熱源的高品位部門驅動壓縮式熱泵，利用高COP的特點多回收餘熱；品位降低後的熱量作為吸收式熱泵的驅動，進一步回收餘熱。這種混合式熱泵流程相對複雜，但實現了熱源的梯級利用，相同的熱量可以回收更多的餘熱。

上述幾種前提只是眾多熱泵餘熱回收場景的一小部分，熱泵的選取需要詳細問題具體分析。總的來說，利用熱泵回收低品位餘熱，是降碳、節能、增效的一個重要措施，應用領域廣泛。在目前的能源結構下，吸收式熱泵是主流的，但在特定情況下，兩種熱泵接力使用會有更好的經濟性，壓縮式熱泵也有一定的適用範圍，特別是在未來零碳的電氣化社會，壓縮式熱泵將成為主流。綜合而言，餘熱利用前提千差萬別，需要根據現場引數和需求進行個性化定製，才能用好兩種熱泵，實現更好的經濟效益和社會效益。

END

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餘熱再利用是實現雙碳目標的重要途徑之一，其中大量的低品位餘熱要用熱泵回收。熱泵可以從低溫餘熱中取熱，產生較高溫度輸出熱量，與水泵從低位抽水到高位類似，實現了熱量從低溫到高溫的傳遞。這個過程不能自發實現，需要輸入高品位能源驅動。驅動能源可以分為電能和高溫熱能，根據驅動能力不同，熱泵又分為以壓縮式熱泵為代表的電動熱泵、以吸收式熱泵為代表的熱能驅動熱泵。在節能市場上，壓縮式熱泵和吸收式熱泵是兩條主流的技術路線，也是大家在應用中選擇難題的癥結所在，因此本文對這兩種熱泵進行對比分析，提出各自的選用原則和合用領域。

需要提前說明一點，所謂的“電能驅動”壓縮式熱泵和“熱能驅動”吸收式熱泵，並不是正確的說法。實際上，壓縮式熱泵的驅動能源為機械能，吸收式熱泵的驅動能源為高溫熱量和中溫輸出熱量之間的溫度差。下面具體說明。

壓縮式熱泵：壓縮式熱泵產生提熱效果的基礎是壓縮機動彈，提供動彈機械能最常見的裝置是電動機，因此電動壓縮式熱泵成為這類裝置的典型。同理，以高壓蒸汽驅動汽輪機動彈、帶動壓縮機，也能形成提熱效果；以高位水流帶動水輪機動彈也可以驅動壓縮機，帶來提熱效果。因此，壓縮式熱泵的驅動本質是機械能，而一般冠以“電能驅動”的原因有三：一是電能是最常見、最易獲取機械能的能源，具有代表性；二是其他可以驅動壓縮機動彈的能源，如高壓蒸汽、高位水流等，都是應用了可以轉化為電的能量，與電能在品位上類似；三是其他非電的壓縮機驅動能源，都可以先轉化為電力，再用電動機驅動，如高壓蒸汽可以先發電（熱電廠基本流程）、高位水流可以先發電（水電站基本流程）。這與熱能驅動的吸收式熱泵是完全不同的。舉例來說，採用蒸汽驅動的壓縮式熱泵，固然驅動能源看起來是熱能（蒸汽），但是隻用了其中可以轉化為電力的膨脹功部門，蒸汽熱量中比例很大的冷凝熱沒有利用，因此也是屬於“電能驅動”的範圍。