覃京翎，柯杰坤，谢宗翱，卢 苇*
（1.柳州城市职业学院 机电与汽车工程学院，广西 柳州 545036；
2.广西大学 机械工程学院，广西 南宁 530004）
2020 年9 月22 日，我国在第七十五届联合国大会一般性辩论上提出了中国“双碳”目标的时间表，明确了我国能源系统低碳转型的关键时间节点。国家对碳排放的监管力度日趋严格，减排成为企业低碳转型的重要举措。为助力实现“双碳”目标，推动以化石能源为主的能源结构转型，发展合理可行的节能减排技术势在必行。目前各国的能源利用中，有43%～70%的能源主要以余热的形式散失。其中，空调的制冷机组在运行时向外界排放的冷凝热是制冷量的1.15～1.30倍。合理的冷凝热回收可以有效降低企业生产能耗，提高经济效益。
在工商业的用冷、用热加工环节中，制冷系统的冷凝热通过冷却塔直接排放到环境中，同时又需要燃烧煤、气等燃料来满足生产用热需求，既有热量排放，又需燃烧大量燃料，能源利用率低。冷凝热回收是在制冷的同时将制冷系统的冷凝热回收再利用的一种技术，是一种提高能源利用率的有效方式。从节能设备方面看，热泵具有节能效率较高、环保的优点，其技术已广泛应用于各种工业过程。在未来碳中和的道路上，化石燃料燃烧的供热方式将会逐渐淡化，取而代之的是太阳能供热以及各种热泵供热等供热系统。随着高温热泵技术的发展，回收冷凝热制取的热水温度可达80 ℃以上，极大地推动了工业领域冷凝热回收技术的发展。中高温热泵技术替代供热锅炉的使用，可减少排放有害气体和充分利用工业余热，解决了普通热泵出水温度低的问题，提高能源的利用率，具有良好的经济效益和社会效益。李慧君等采用热泵回收电厂循环水余热预热凝结水，提高了系统整体能效。舒建国等分析了基于冷凝热回收的氨高温热泵系统，有效优化加工过程的能量系统设计，提高系统的整体运行效率，实现节能减排。Yang 等利用溴化锂吸收式热泵回收循环冷却水余热，并通过模拟分析得出：蒸发压力和蒸发温度对热泵供热系数（heat pump coefficient of heating performance，COP）有较大影响，可适当提高蒸发压力，减小蒸发冷凝温差，以提高系统的热经济性。
集中空调系统在全负荷运行时，冷水泵、冷却水泵及冷却塔的耗电量约占集中空调总耗电量的12%～15%。根据美国空调制冷学会的统计，一般空调设备有90%的时间运行在70%负荷以下，所以集中空调系统在部分负荷运行时，冷水泵、冷却水泵及冷却塔耗电量所占比例将会变大。冷却塔所占能耗约为5%～6%，故常在节能优化方案中被忽略，但为了提高中央空调系统的整体能量利用效率，对于冷却塔的节能分析也同样重要。王日英等通过分析冷却塔开机台数和风机运行频率对冷水机组性能和整个集中空调系统能耗的影响，得出通过对冷却塔的优化控制可使集中空调节电率提高5%。文先太等通过建立冷却塔数学模型和进行系统仿真，提出了对冷却塔风量和水流量同时调节的方法，分析了冷却塔变流量系统的节能性。陈厚江等通过fluent 建立空冷塔模型进行数值模拟，发现环境温度对空冷塔与大气环境间的换热有着显著影响。故在高温湿热天气条件下，冷却塔出水温度达不到额定工况。当冷却水出水温度偏高时，会导致制冷剂蒸气冷凝效果降低，同时减少了制冷机额定的制冷量和增大了压缩机功耗。因此，冷却塔作为冷却水循环的关键设备和循环水耗能的重要部件，其节能优化不容忽视。
本文以某工厂净化车间中央空调余热回收利用为例，为满足该中央空调恒温恒湿的工艺需求，提出了一种高温热泵系统来回收余热，以制取65 ℃的热水作为除湿再热的热源，供组合式空调器使用，实现能量从低品位向高品位转换，体现了热泵系统独特的优越性及发展前景，为类似的余热回收节能改造提供借鉴。
某工厂净化车间因生产工艺需要，车间环境要求恒温恒湿，温度要保持在24 ℃±1 ℃，湿度保持在65%±5%。中央空调恒温恒湿工艺中，除湿再热的热负荷为2 000 kW，热源采用燃油锅炉提供的65 ℃热水。同时，冷水机组运行中的冷却水需通过冷却塔将大量的中央空调余热排放到大气中，该循环冷却机组的进、出水温度分别为37 ℃、32 ℃。
以车间工艺空调为研究对象，由于其大量的空调余热经冷却塔排放至大气，为避免造成能源浪费，计划应用高温热泵回收部分中央空调余热来制取65 ℃热水，替代燃油锅炉作为除湿再热的热源，供组合式空调器使用。主要设备包括热泵机组、冷水机组、循环水泵等，如图1所示。图中，冷水机组中的37 ℃冷却水经循环水泵送至蒸发器，与低压低温液态冷媒交换热量；
蒸发器内部的冷媒吸热汽化后进入压缩机，经压缩机加压后产生高压高温的蒸汽；
在冷凝器中释放热量，生产的热水供组合式空调使用。其中冷凝侧（放热）热交换器可考虑置于水箱中，使得冷凝温度相对稳定，受环境大气温度影响较小。当维持蒸发温度不变时，热泵系数会随着冷凝温度的升高而减小，降低了热效率，故该系统比空气源热泵系统更为稳定。冷凝器内部冷媒被冷却为液体，该液体经膨胀阀降温节流后转变为低压低温液体，再次流入蒸发器，如此反复循环工作。原工程中冷却水经冷却塔后所排放的热量，根据式（1）按照5 ℃温差计算得到可回收的热量为2 625 kW。
图1 高温热泵余热回收系统
式中：为水定压比热容，kJ（/kg·℃），取4.2 kJ/（kg·℃）；
为冷却塔中水的质量流量，kg/s，根据厂方提供数据取125 kg/s；
Δ为冷却水的回收传热温差，℃，取5 ℃。
在稳流工质无相变的情况下，一定压力下由热不平衡引起的热量㶲，即理论上该系统冷却水所提供的热量中可转化为有用功的最大值为：
式中：为冷却水换热前的温度，℃；
为冷却水换热后的温度，℃；
为水的平均定压比热，取4.18 kJ（/kg·℃）。
热泵可放出的热量㶲：
式中：为理论上的热泵产热量，kJ/kg；
为热泵供热系数（COP），取=4.5；
为热泵冷凝端平均冷凝温度，℃，取=70 ℃；
为热泵蒸发器端理论上可回收的热量，kJ/kg，即=(-)。
热泵供给电能㶲：
该过程中㶲效率（耗费㶲的利用份额）：
根据以上公式计算得出，该系统=169.38 kJ/kg，=2 975.71 kJ/kg，=5 971.43 kJ/kg，㶲效率为49%。
分析冷却水换热后的温度（）、热泵供热系数对热泵供给电能㶲（）的影响，得到热泵供给电能㶲随、的变化曲线，见图2、图3。
图2 （网络版彩图）T不同，ex,pay随T0的变化曲线（ε′为4.5）
图3 （网络版彩图）ε′不同，ex,pay随T0的变化曲线（T=37 ℃）
图2示出热泵供热系数为4.5，冷却水换热前温度为34 ℃、37 ℃、40 ℃时，热泵供给电能㶲随冷却水换热后温度的变化曲线。图3 示出=37 ℃，热泵供热系数为3.5、4.0、4.5时，热泵供给电能㶲随冷却水换热后温度的变化曲线。
由图2可知，当热泵供热系数和冷却水换热前的温度一定时，热泵供给电能㶲随冷却水换热后温度的增大而减小；
当热泵供热系数和一定时，随的增大而增大。由图3 可知，当冷却水换热前的温度和冷却水换热后的温度一定时，热泵供给电能㶲随热泵供热系数的增大而减小；
当和热泵供热系数一定时，随的增大而变小。
对比图2、图3不难发现，当为34 ℃、37 ℃、40 ℃时，随变化的下降速度相同；
而热泵供热系数为3.5、4.0、4.5时，随变化的下降速度随热泵供热系数的增大而减小。由式（4）可知，的下降速度与热泵供热系数和冷却水换热温差相关，与热泵供热系数成反比、与成正比、与成反比；
因此，热泵供热系数和冷却水换热前后温度是影响热泵供给电能㶲的主要因素。可通过增大热泵供热系数来提高节能水平，热泵供热系数提高的同时，降低了热泵供给电能㶲，但同时也会降低热泵可放出的热量㶲，从而影响㶲效率；
因此，热泵供热系数并非越高越好，而是存在某一个最适热泵供热系数。
3.1 冷却塔补水量分析
本文采取通过高温热泵直接回收利用冷却水余热的方式，提高了能量利用率，不仅减轻了冷却塔的冷负荷和用电能耗，还可减少原工程中的冷却塔补水量，在节能与节水的共同目标上起到良好的效果。
根据《民用建筑节水设计标准》（GB 50555—2010）第5.1.11 条，冷却塔补水的日均补水量和补水年用水量可按下式进行计算：
式中：为冷却塔日均补水量，m/d；
为补水定额，可按冷却循环水量的1%～2%计算，m/h，取=1.5%；
为冷却塔每天运行时间，h，取=16 h；
为冷却塔每年运行天数，d/a；
为冷却塔补水年用水量，m/a。
该项目冷却水循环水量为：125 kg/s，即450 m/h，补水量按冷却循环水量的1.5%计算，根据式（6）得到冷却塔日均补水量为64.8 m/d。
全年冷却塔使用天数为200 d，根据式（7）得到全年空调冷却水补水量为12 960 m/a。
按照现时工业用水价格（4 元/m），每年可节省补水费用约5.2 万元。虽补水费用相对整个空调系统能耗占比低，但不能仅以价格体现其价值，对于水资源匮乏的地区，空调系统的节能与节水都应重视。
3.2 热源方式费用分析
根据不同热源方式提供同等热量进行分析，计算比较热泵与燃油锅炉、燃气锅炉、电加热锅炉提供相同热量时的差异，体现热泵技术回收余热的优势。为方便比较，假设生产65 ℃的热水1 000 kg，计算将1 000 kg 温度为55 ℃的热水平均升高10 ℃，所需的热量（）为42 000 kJ。根据相关数据统计，天然气锅炉和电加热锅炉热效率一般取90%，而燃油锅炉热效率较低，取70%。由式（2）可知，每生产1 000 kg 温度为65 ℃的热水所耗能源量为：
式中：为某种热源的热值，单位：kJ/kg（柴油）或kJ/m（天燃气）；
为锅炉热效率。
由上述公式计算得出不同热源方式提供同等热量所需的能耗如表1所示，热泵供热系数为4.5。
表1 不同热源方式的费用比较
由表1 可见，利用不同热源方式将1 000 kg 的水从55 ℃加热到65 ℃时，经计算可得采用热泵加热方式所耗费用最低（1.81元），燃气锅炉所耗费用较低，燃油锅炉所耗费用最高（11.63 元）。同时，相比于燃气锅炉、电加热锅炉和燃油锅炉，热泵的热效率最高，原热源燃油锅炉的热效率最低，为70%。故较其他形式的加热方式，热泵供热系统更节省费用，更有利于节能。
通过计算分析可知，采用热泵技术更为经济。假设除湿再热的热负荷全部由热泵机组提供，有关计算公式如下：
式中：为全年理论耗热量，kW·h；
为单位小时耗热量，kW·h；
为运行天数，取=200 d。
式中：为全年理论耗电量，kW·h；
取4.5。
式中：为全年热泵机组运行费用，万元；
为电价，元（/kW·h），取0.7。
式中：为全年高温热泵系统运行费用，万元；
为全年辅助系统运行费用，万元。
采用高温热泵系统所需能耗及费用见表2。按全年200d计算，全年理论耗热量为9.60×10kW·h，全年理论耗电量为2.13×10kW·h，全年热泵机组运行费用为149.33 万元。考虑水泵等辅助系统耗电量为热泵机组的15%，则全年辅助系统运行费用为22.4 万元，合计全年高温热泵系统运行费用约为172万元。
表2 高温热泵系统全年经济分析
式中：为原系统使用燃油锅炉年运行费用，万元；
为某种热源的热值，kJ（/kW·h）；
为锅炉热效率；
为燃料单价，元/kg。
由式（13）得原系统使用燃油锅炉年运行费用约为950 万元，故高温热泵系统与燃油锅炉系统相比，理论上可节省运行费为778万元。该项目节能改造投资约为700万元，则投资回收期约为1 a。可见，冷却水的余热回收利用具有显著的经济效益，该项目具有非常好的投资收益比。
3.3 环境效益分析
环境污染与经济发展二者之间呈现倒U 型的曲线关系，一直是环境资源和经济学研究的热点。通过环境效益分析，采用高温热泵系统回收中央空调余热可明显减轻工业发展对环境造成的压力。该工厂净化车间冷却水可回收的余热约为9.45 MJ/h，根据标准煤燃烧值29 360 kJ/kg，相当于约321.8 kg标准煤的发热量，每年可节煤1 545 t。每燃烧1 t 煤将排放CO440 kg、SO20 kg、烟尘15 kg、灰渣260 kg，故每年可减少的废气废渣排放量见表3。
表3 每年可减少的废气废渣排放量
由此可见，回收冷却水的低品位热能在提高能源利用率的同时，减少了废气废渣的排放量，为环境带来效益，有助于实现“双碳”目标。
1）对该项目不同热源方式提供同等热量进行分析可知，热泵的加热方式最为经济。采用高温热泵回收冷却水余热，不仅降低了原燃油锅炉加热系统有害气体的排放，也充分利用了余热，进而提高了能源利用率。采用高温热泵系统回收利用中央空调余热可节省冷却塔补水量12 960 m/a，节省补水量费用5.2 万元和运行费用约778 万元，投资回收期约为1 a。该方案减少了能源的损耗，可回收热量2 625 kW，带来了可观的经济效益。
2）热泵供热系数和冷却水换热后温度是影响热泵供给电能㶲的主要因素，㶲效率为49%。在热泵供热系数提高的同时，也会降低热泵供给电能㶲；
因此，热泵供热系数并非越高越好，而是存在某个最适值。
3）采用热泵代替燃油锅炉可取得良好的节能、环境效益，每年可减少排放CO679.8 t、SO30.9 t、烟尘23.175 kg、灰渣401.7 kg，每年可节省冷却塔补水费用约5.2 万元，同时减轻了工业余热对环境的污染。
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