新型电驱动热泵技术及其应用冯自平中国科学院广州能源研究所储能与氢能技术研究室主任、二级研究员、博导重庆中科广能能源研究院，院长淄博能源研究院，副院长2020年12月9日交流提纲一．热泵在电能替代中的重要地位二．创新热泵1-高温热泵蒸汽机技术三．创新热泵2-冰源热泵供暖技术四．其他高效热泵技术一．热泵在电能替代中的重要地位电能替代是能源清洁利用的重要方向⚫2016年国家发改委联合印发《关于推进电能替代的指导意见》明确指出：电能具有清洁、安全、便捷等优势，实施电能替代对于推动能源消费革命、落实国家能源战略、促进能源清洁化发展意义重大，是提高电煤比重、控制煤炭消费总量、减少大气污染的重要举措。⚫2019年，国家电网提出，到2050年实现“两个50%”的重要判断，加大消费端的电能替代。[3]水电水利规划设计总院：《中国可再生能源发展报告2019》[R/OL].[2020-07-22].http://news.bjx.com.cn/html/20200724/1091729.shtml热泵是热能领域最重要的高效电能替代技术⚫同样消耗1度电，热泵产生的热量是电加热的3-10倍，因此，热泵20-150℃温度范围内电能替代的最佳技术。⚫其工作原理就是以逆卡诺循环方式，迫使热量从低温物体流向高温物体。可从空气、排风、低温废水、江河湖水等介质吸收热量。空气源热泵60℃以下水源热泵60℃以下地源热泵60℃以下常见热泵电热泵的技术分类及应用范围水源热泵地源热泵主要用于60℃以下热水或热风供应热源取水温度≥6℃，只利用显热、泵功大电驱动热泵空气源热泵主要用于60℃以下热水或热风供应热源取水温度≥6℃，易出现“冷堆积”主要用于60℃以下热水或热风供应低温时制热效率低，易结霜，单机容量小冰源热泵热源取水温度是0℃，把水变成冰，取热量是水源热泵的18倍！蒸汽热泵可制取120℃的饱和蒸汽。可大量回收各种低温余热蒸汽再压缩热泵用于各种蒸馏过程，代替现有蒸汽加热。最高可节能70%，能效高达10以上二热泵蒸汽机技术⚫目前，工业蒸汽普遍采用燃煤锅炉和燃气锅炉，少量使用电锅炉。燃煤和燃气锅炉的问题是各种大气污染物的排放，导致环境问题；电锅炉的问题是成本高、能效低。⚫工业中使用的蒸汽压力并不高，大多数在0.8MPa以内，温度大多数不超过在160℃，更多的是120℃左右就能满足加热要求。饱和蒸汽燃煤锅炉燃气锅炉电锅炉现有工业蒸汽的供应存在的问题1工业中有大量低温余热无法有效利用1⚫热电厂集中蒸汽供应时在用户端产生的乏蒸汽。⚫自有锅炉产生的乏蒸汽、疏水。⚫化工等蒸馏过程产生的乏蒸汽、疏水。⚫各种工业行业产生的低温热水（40-80℃）。⚫各种工业行业产生的低温热风(60℃以上)。⚫空压机等运转机械产生的运转热等。热泵蒸汽机组的技术原理以电力驱动的高温热泵蒸汽机组利用工厂余热资源（35℃〜85℃），采用高温冷媒为介质、使用高效双螺杆压缩机、通过热泵技术，直接制取低压饱和蒸汽或过热蒸汽，机组能率高，安装方便，运行费用低。2低压饱和蒸汽（100-120℃）热泵蒸汽机可获得的蒸汽品质1各种低温余热⚫利用热泵技术回收各种低温余热，可直接制取120℃左右的饱和蒸汽；⚫或者进一步利用水蒸汽压缩机，对热泵产生的低压蒸汽进行升温升压，获得160℃左右的高温蒸汽。热泵机组（电能）水蒸气压缩机（电能）高压饱和蒸汽（165℃）热泵蒸汽机组的核心技术1、热泵蒸汽机组及成套技术（能获得100-120℃的低压饱和蒸汽）2、双螺杆蒸汽压缩机技术（国内空白）如果想获得更品质蒸汽（最高165℃，0.8MPa）国内研究现状中科院广州能源研究所从2015年开始相关研究，通过对高温热泵循环工质、喷气增焓技术等的优化，采用自主设计的双侧相变的蒸汽发生器和高效螺杆蒸汽压缩机，先后推出了0.2T/h和0.5T/h的撬装一体式热泵蒸汽机组，实现了热泵蒸汽机组的国产化。0.2T/h热泵蒸汽机组0.5T/h热泵蒸汽机组主要组件板式双侧相变蒸汽发生器壳式双侧相变蒸汽发生器蒸汽再压缩装置工况模拟测试平台热泵蒸汽机组热泵蒸汽机组的突出优势1.能源转化效率高：热泵蒸汽机组相比燃煤燃气锅炉，节能率可达50%-60%，相比电锅炉，能效系数更是3-4倍；2.绿色环保：仅依靠电力驱动，制取过程中不产生CO2和NOX；3.安全性好：设备无燃烧过程，安全等级高；4.操作简单：触摸操作，无需特种作业人员，负荷自动调节，设备智能化运行；5.安装方便：电力驱动，不需要燃料和烟囱等；6.无管网损耗：可跟据负荷需求灵活配机组，分布式安装，实现末端点供汽的取代传统集中供气。热泵蒸汽机组的经济性分析热泵蒸汽技术利用工厂余热热水资源（35℃〜65℃），可以制取中低压饱和蒸汽。当出气压力为0.2MPa，温度为120℃，生产每吨蒸气消耗电力206kw；出气压力为0.7Mpa，温度为165℃，生产每吨蒸气消耗电力303kw。相比燃气锅炉制取蒸汽，SGHP两种机型运行成本节约51.8%和29.2%。电厂背压蒸汽生物质炉产蒸汽天然气炉产蒸汽MSRC技术SGHP技术蒸汽压力5公斤5公斤5公斤5公斤/1502公斤/1205公斤/150生产成本/吨250元260元300元91140212每年费用143万元188万元216万元66万元104万元153万元消耗燃料外购蒸汽生物质燃料天然气电能电能优点设备简单可再生能源清洁能源只消耗电能利用低温循环水缺点依赖周边工业环保问题价格贵需要乏汽耗电量大注：电价按广东省全天平均电价0.70元/kwh计算，全年运行费用按24h300d计算。应用案例-广州某食品企业油脂生产反应保温➢提供一次蒸汽➢回收冷却水热量➢取消散热风扇➢降低冷却水消耗冷却塔散热现场安装图经济性评价表序号项目单位/方式数量备注1原用蒸汽方式外购天然气2用汽成本元/吨3003蒸汽用量（每天）吨/每天604可电热泵蒸汽替代占比%505可利用余热温度℃856电蒸汽成本元/吨126按电价0.7元/度计算7热泵蒸汽机效率COP4.08成本节省元/每吨1749每年节省总额万元/每年156.6每年按300天计算10设备成本万元12511静态回收期年0.812贡献减排量CO2t/年1545.8以可再生能源发电计算三冰源热泵集中供暖技术分布式集中供热需求旺盛◆热泵技术可充分利用浅层地热/地表水等可再生自然资源，满足冬冷/冬寒地区的采暖需求，同时兼顾夏季的用冷需求，一举两得。◆热泵尤其适合我国北方和长江流域的清洁供暖。我国的气候特点我国地热能分布情况地源/水源热泵的技术瓶颈◆【水源热泵】：现有水源热泵冬季最低的可利用水温是6℃。低于这个温度时，热交换器会出现结冰问题、而且能效极低。因此北方大部分时间无法从江河湖水中取热。◆【地源和土壤源热泵】，地域冬夏季冷热不平衡导致“冷堆积”现象逐年加剧，取热温度逐年降低成为限制性因素。而且，随着地下水位下降等问题，取水量成为限制性因素。(左)常规热泵机组外观(右)满液式壳管式蒸发器结构管路长、管束多，温度均匀性差：干式蒸发，温度不均匀3℃-5℃满液/降膜蒸发，温度不均匀1℃-2℃【普通水/地源热泵】：◼取水温度6℃、出水温度3℃◼从1kg水中获得（6-3）=3Kcal/kg的显热量。【冰源热泵】：◼取水温度6℃、出水温度-2℃◼从1kg水中可获得8Kcal/kg显热量！冰源热泵的基本原理水冰获得80kcal/kg的潜热量冰源热泵使得冬季从江河湖水中取热成为可能！冰源热泵使得消耗少量自来水即可供热成为可能！冰源热泵的核心技术-流态化冰浆技术冰浆-可泵送的冰-可流动的冰⚫制取的冰要及时从换热器表面移走，否则无法持续制冰。⚫现有的制冰技术无法实现。关键技术点核心技术关键设备冰浆机组冰浆技术的基本原理0℃自来水-2℃过冷水充分利用水的过冷特性，将由水到冰的相变换热过程，在空间和时间上解耦，分解成两个独立过程，从而实现水的可控相变，达到连续提取相变潜热的目的。冰浆机组（产生过冷水）（提取热量）促晶器（让过冷水结冰）冰浆（冰水混合物）核心技术1-紧凑式过冷却板式换热器【核心问题】板式换热器内的可控相变过程，即什么样的板间距（波纹深度、流道）适合过冷水的稳定换热？【研究内容】研究板间距对传热系数和过冷度的影响规律，进行板片流道设计及优化。前期研究结果表明，小板间距有利稳定换热；优化后的板片总传热系数约4000W/(m2.K)。板间距与过冷度00.511.522.532.533.544.55板间距(mm)过冷度(℃)专用板换的板间距与过冷度关系常规热泵蒸发器PK核心技术2-集成式冰源热泵换热机组DT400可与制热量1400kW的热泵主机匹配【核心问题】集成应用技术，如何将板式换热器及相关配套部件进行标准化设计？并与现有高度成熟的热泵主机进行匹配？【研究内容】研发不同型号的标准化机组，与热泵主机、热源水的快速对接，便于安装调试和运维。核心技术3-智能化自动控制系统制冰运行开启制冰阀（IMV,BV2）开启冷却泵开启过冷水泵延时N秒延时N秒开启载冷剂泵(BP)载冷剂温度(TB2)延时N秒低于设定值（-3.3℃）停止压缩机过冷板换出口温度制冰手动启动制冰定时启动启动促晶器低于0.5℃高于1℃停止促晶器低于-0.5℃堵塞标志退出制冰冷却回水温度启动冷却塔启动压缩机高于设定值（0℃）停止冷却塔低于设定值20℃高于设定值23℃过冷板换水侧入口温度大于某值，进入预热控制延时N秒，比例积分阀给4V电压信号。延时N秒，开启预热泵每隔20秒，阀门开度减小1%过冷板换入口温度小于Tprt-0.1℃大于Tprt+0.1℃每隔20秒，阀门开度增大1%阀门开度保持不变5秒后过冷水流量<=0.8倍过冷水流量否是再下个5秒后过冷水流量<=0.8倍过冷水流量是判断堵塞，进入解冻程序每2次堵塞间隔时间小于1小时是停预热泵，关闭预热阀停过冷水泵开解冻阀DVF停压缩机延时N秒延时N秒关制冰阀(IMV)停乙二醇泵关制冰阀(BV2)延时N秒延时N秒启动解冻泵一（载冷剂侧）启动解冻泵二（冷却水侧）解冻运行中解冻板换载冷剂入口温度TDF>4℃解冻运行时间大于5分钟否是是关闭解冻阀(DVF)停止解冻泵二（冷却水侧）停止解冻泵一（载冷剂侧）解冻过程结束，返回制冰运行否PLC系统控制界面PLC控制逻辑【核心问题】热泵系统运行性能随热源温度、末端需求等变化而变化，而过冷水相变过程（蒸发端）又要求系统运行工况稳定，如何进行系统设计、并实现自动化运行？【研究内容】在前期研发的PLC控制系统基础上，进行冰源热泵控制逻辑专项开发，确保系统在稳定、高效的工况下持续运行。研发了国内第一套冰浆机组2019年入选“新中国成立70周年暖通空调与制冷行业70项创新成果”。建成了30多个大型冰浆示范工程深圳财富港大厦：宝安商业+综合办公楼6256RTh深圳国际能源大厦：深圳甲级写字楼6000RTh深圳艺茂商业中心：罗湖商业+综合办公楼6000RTh福州宝龙万象广场：福州综合体10000RTh深圳三诺大厦：深圳综合办公楼6000RTh康美制药：广东普宁厂房空调13680RTh富士康科技集：龙华办公楼厂房3600RTh宁德新能源科技：宁德厂房空调18500RTh南宁东站：南宁公共建筑9250RTh西安宜家家居：西安大型商场3300RTh深圳联合广场：深圳综合办公楼6000RTh湖南加加食品工业园：长沙厂房空调4300RTh江河湖海冰层下取水冰浆机组供冷用户过滤装置分离的高浓度冰浆直接排放乙二醇循环热泵机组冷却塔（夏季用）供热用户夏季3冬季冰源热泵改为冰源热泵的全年运行模式【冬季】通过从江河湖水中取水、生成冰浆并排放，获取热量供暖。【夏季】利用夜间低谷电力制取冰浆，实现蓄冷，调节电力负荷峰谷差。冰源热泵系统案例南京银杏山庄1~7楼规划建筑面积2.1万m2，实际使用面积约2.5万m2，采用地源热泵系统进行集中供冷供热，同时全年365天提供卫生热水。空调末端夏季采用风机盘管制冷(供回水温度7/12℃),冬季为低温水地板辐射采暖（供回水温度38/33℃)。经过多年运行土壤换热器出现冷堆积，无法满足三台热泵同时运行。采用冰源热泵供能系统进行改造，冬季与地源热泵系统联合供暖，效果良好！（由合作企业广州高菱设计并施工）冰源热泵主机模块化动态制冰机组（DISU）冰水分离装置水泵冰源热泵系统构成主要设备参数序号设备名称制冰量换热量最大输入功率1模块化动态制冰机组5T/H527kw3.0kw表1：地源热泵参数（设备号1）序号设备名称额定工况制冰工况备注1地源热泵机组PSRHH1201制热量：505kw制热输入功率：111kw负荷侧供回水：40/45℃地源侧供回水：10/5℃制热量：394kw制热输入功率：85kw负荷侧供回水：33/38℃乙二醇侧供回水：-3/-1℃表2：模块化动态制冰机组（设备号2）四其他高效热泵技术1、蒸汽再压缩热泵MVR技术⚫主要应用于各种蒸发浓缩领域的电能替代，包括化工、废水、果汁、牛奶、中药等等。与传统蒸发浓缩相比，不消耗新鲜蒸汽，不采用冷却塔，无冷却水消耗，运行过程中只消耗电能，运行费用节约30-70%。⚫中科院广州能源研究所对MVR技术进行了长期研发，获得了新型防垢除垢技术和热泵蒸汽加热技术，系统运行良好。MVR单级系统示范装置相变条件下抗垢、除垢测试装置电磁抗垢除垢技术2、CO2高温热泵热风机组h123(5,12)413614118(9)7PmPg10PeP压缩机膨胀阀2蒸发器23512131411110876膨胀阀14过冷器气体冷却器气液分离器回热器(b)P-h图(a)流程图9⚫可制取90-135℃的高温热水/热风⚫是电能替代的关键技术，可广泛应用于各种干燥和加热工艺。⚫核心技术：高温超临界喷气增焓技术3、乏蒸汽再压缩热泵-双螺杆水蒸汽压缩机更高效技术-双螺杆水蒸汽压缩机国内技术-单螺杆水蒸汽压缩机⚫将工业中的各种乏蒸汽进行压缩升温，获得最高0.8MPa/165℃的高温高压蒸汽。⚫可广泛应用于各种工厂的乏蒸汽回收利用。相关论文和专利⚫李帅旗、何世辉、宋文吉等，基于蒸汽压缩技术的热泵蒸汽系统热力性能分析[J]，化工进展2020,39(9):3583-3589；⚫张建军、李帅旗、陈永珍等，蒸汽再压缩技术研究现状与发展趋势[J]，新能源进展，2020,8(3):207-215；⚫李帅旗、王汉治、冯自平等，耦合过热蒸汽干燥的MVR蒸发结晶系统热力性能分析[J]，化工进展，2020,39(2):439-445；⚫吴孟霞、王汉治、李帅旗等，高温CO2热泵的超临界喷气增焓性能[J]，化工进展，2020,39(5):1667-1673；⚫HanzhiWangaShuaiqiLi,etc.Performanceanalysisofamechanicalvaporrecompressionzeroemissionsystemwithwaterinjectedcompressor[C],CUE2018,5-7June2018,Shanghai,China;⚫ShenniZhouJianjunZhangetc.ComparisonAnalysisofDifferentCompressedAirEnergyStorageSystems[C],CUE2018,5-7June2018,Shanghai,China;⚫李帅旗，王汉治，黄冲等.基于MVR技术的单级双效蒸发浓缩系统性能分析[J].新能源进展，2018,6(1):36-41;⚫张建军、周盛妮、李帅旗等，基于HuntorfCAES工厂系统热力学分析[J]，工程热物理学报，2019，40(1):118-124.Thankyouforyourattention冯自平电话：13570091132邮箱：fengzp@ms.giec.ac.cn