熱泵已成為新建筑供暖系統的首選，在區域供暖中也很常見——然而，在商業和工業領域，情況卻有所不同。在這些領域中，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，在商業和工業領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生產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：工業焚燒廠、生產過程中產生的廢熱、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，在相應的溫度范圍內的幾乎所有的應用都是可能的。

 

　　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用：

　　● 在化學工業中的應用溫度為100~110℃

　　● 塑料生產（LDPE-HDPE以及PVC）的溫度為80~100℃

　　● 塑料加工（LDPE），溫度為120~140℃

　　● 陶瓷生產中的干燥，溫度為20~120℃

 

　　高溫熱泵（HTWP）通常可以適用于任何需要150℃以下的工藝熱量的場合。目前，高溫工業過程熱是通過燃燒化石燃料或通過電阻加熱使用電網電力在現場產生的。

　　用于能源回收的熱泵目前，高溫熱泵應用溫度范圍可以輕松達到160℃左右

 

　　據德國弗勞恩霍夫太陽能系統研究所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在食品、造紙和化學工業等。在這些領域中，低溫蒸汽被應用于許多工藝，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AIT（奧地利技術研究所）的一項研究，目前市場上的熱泵蒸汽發生器可提供高達0.5MPa（152℃）左右的飽和蒸汽。

 

　　在2021年11月舉行的德國能源署（Dena）化學行業數字實踐研討會上，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的工藝，這與高溫熱泵的原理類似。該工藝可用于在冷卻過程或放熱反應期間產生的低壓過剩蒸汽，以及在其他需要較高壓力水平的工藝蒸汽的場合。在全世界范圍內的化學工業中，有許多這樣的應用實例。這里所描述的蒸汽活塞壓縮機可實現高排放壓力和COP值，因此與傳統的蒸汽發生器相比，只需要大約1/10的能量。

 

　　據專家介紹，與傳統蒸汽發生器相比，蒸汽回收可以在實踐中節約高達50%甚至更多的成本。其中，一些條件能有助于使蒸汽循環發揮其最佳效果：

　　● 低壓蒸汽的殘余壓力應該有至少0.1MPa

　　● 出口與進口的壓力比最大應5倍

　　● 要求的出口壓力不應高于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代化改造。Simaka Energie und Umwelttechnik公司為Rechtenbacher公司開發了一套基于熱泵的廢氣凈化系統。現在，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，熱泵技術的應用特別有效，因為過程中同時需要加熱和冷卻。

 

　　當使用熱能時，COP（性能系數，可用熱能與所耗電能之比）為4在技術上被認為是可實現的。如果同時使用冷卻，熱轉化效率就會提高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，用于工藝空調和建筑物取暖。此外，通過在噴房和各種干燥機中安裝節能熱泵進行空氣循環或供氣操作，可以進一步節約能源。

 

　　專訪Karl Ochsner先生，歐洲熱泵協會榮譽主席，Ochsner熱泵公司前總經理，多本技術書籍的作者

　　“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用非常廣泛，但工業領域的應用卻相當罕見。是什么阻礙了熱泵在工業領域的發展？

 

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

 

　　PROCESS: 流程工業經常需要蒸汽。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用領域。假設廢熱源的溫度在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用途？

 

　　Ochsner ：在產生蒸汽時，我們已經實現了一些項目，例如造紙業，或皮革業的處理工藝。此外，在區域供熱方面也有應用。

 

　　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（奧地利技術研究所）開發了第一臺用于高溫范圍的工業壓縮熱泵。

 

　　自2019年以來，此工業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的隧道式干燥機中進行的，現在高溫熱泵已經被整合到其中。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。

 

　　在許多工業過程中，會出現廢熱流。由于溫度低，這些廢熱流不能再合理地用于生產過程或供暖，通常需要通過額外的冷卻措施才能釋放到環境中。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，并重新整合到生產過程中。迄今為止，熱泵在工業領域的應用潛力一直被嚴重低估。

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