热泵热回收系统在某肉鸡屠宰项目中的应用研究

邱 琦，华国亮

(冰山冷热科技股份有限公司，辽宁 大连 116630)

1 前 言

随着国内社会经济的发展，在新型城镇化和食品消费升级的双向拉动下，预计2012～2025年冷链食品需求将从2.0亿t增加到4.5亿t[1]。在2015年国家层面提出实施城乡冷链物流基础设施补短板的要求后，我国加快了推进冷链基础设施建设。中商产业研究院预测2022年我国冷库总量将达8492万t。冷库作为城市的“冰箱”，急速增长的容量势必会消耗大量的能源。如何使冷库系统高效运行，将成为重点关注的发展方向。其中制冷系统运行时产生的大量热量大多以废热的形式直接排放到环境中，即使回收也只能得到部分低品位的热源。因此针对冷库现状以及现有技术，本文通过某肉鸡屠宰项目对热泵热回收系统在冷库中的应用进行了研究。

2 制冷原理[2]

冷库制冷系统通常采用蒸气压缩式制冷原理，其制冷系统如图1所示。它主要由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器组成。工作过程为：在压力为p0、温度为t0的条件下，制冷剂在蒸发器中沸腾吸热，吸收被冷却物体的热量。压缩机不断地抽走蒸发器中产生的蒸气并将它压缩到冷凝压力pk，然后送往冷凝器，在压力pk下等压冷却并冷凝成液体，制冷剂冷却和冷凝时放出的热量传给冷却介质(一般是水或空气)。

冷凝后的液体通过节流阀进入蒸发器。制冷剂通过节流阀，压力从pk降到p0，离开节流阀的制冷剂为t0温度的两相混合物，混合物在蒸发器中蒸发，从被冷却物中吸热达到制冷的目的。而从冷凝器中输出的热量即是采用热泵技术回收的冷凝废热。根据热力学第二定律，压缩机所消耗的功起补偿作用，使制冷剂不断从低温物体中吸热，并向高温物体放热，完成整个制冷循环。

图1 蒸气压缩式制冷系统简图

3 项目案例

某肉鸡屠宰加工项目按生产性质分属于生产性冷库[3]，其热水系统主要用于家禽的屠宰浸烫以及设备清洗和员工生活热水等，因此制冷系统是必不可缺的一个环节。

表1 热水用量分布表

该项目制冷系统的制冷剂采用R717，具体配置为：-1℃JZ2LG20Z蒸发系统1台；-43℃JZ2LG25Z(D)蒸发系统5台；-43℃ JZ2LG20Z(D)蒸发系统1台；热水需求时间：5:30～21:30；热水需求温度：45～54℃。具体热水用量分布见表1。通过分析可知用户在12:30～13:30期间用水量最高，大约30 m3/h。

4 方案介绍

本热回收方案回收氨制冷系统部分冷凝热用于加热生产及生活用水，图2为热泵热回收方案系统示意图。

图2 热泵热回收方案系统示意图

常规制冷系统的冷凝热负荷一般通过不同结构形式的冷凝器将其排放至大气环境中。在不同季节冷凝热品质有所差异，本项目预计冬季冷凝热在25℃，夏季大约在38℃，当采用冷水提取该部分热量时，只能得到23～35℃的热水，实际能够回收的热量很少且水温偏低，需二次加热才能满足各用水点需求。

通过热泵技术，将部分氨制冷系统的排气压力提升到一个更高值，冷凝温度将大幅提高，冷水经过冷凝器加热时可提供的水温也随之升高。热泵机组配置的压缩机通过消耗一定的电功率，得到的冷凝热可成倍增加，但随着冷凝温度的提高，冷凝热与消耗的电功率比值将逐步减小，综合考虑制取热水温度控制在46～48℃，该温度的热水既能满足大多数用水点的需求，又具有较好的经济效益。对于需要更高水温且同时也需要维持稳定水温的浸烫用热水，采用原有锅炉加热的方法解决。另外考虑热泵机组运行的稳定性，冬季和夏季均控制吸气饱和温度为25℃，以保证压缩机的运行工况压比不至于太小，这样系统运行的稳定性也更容易得到保证。

5 系统原理

来自原制冷系统的压缩机排气经调压后进入高温中冷，变为低温低压过热蒸气，然后与高温中冷内的制冷剂换热后，被压缩机抽走压缩成高温高压气体。经油分离器分离出的润滑油依次经油冷却器冷却、精油过滤器过滤后进入压缩机循环使用；分离出的高温高压气体则通过热回收模块加热生活热水，模块中制冷剂经过冷却(显热)、冷凝(潜热)过程变为高温高压液体。高温高压液体分为两路：一路经节流阀进入高温中冷与原制冷系统的压缩机排气进行换热后，再一起被压缩机抽走压缩，重复循环。另一路则经节流回到原制冷系统的贮氨器，以补充原制冷系统进入高温中冷的制冷剂，重复循环。冷却水部分则是通过三级热回收加热达到要求的出水温度(46～48℃)供用户使用。系统流程见图3。另外采用变频电机控制压缩机能级，采用变频水泵控制热水流量，使之与热能的利用实现供需平衡。热水流量、蓄水罐水位以及与压缩机能级之间采用模糊控制。

图3 系统流程图

6 设备选型

通过以上分析结合项目用水情况确定各参数如下：

1. 热回收目标：出水温度46～48℃；连续提供热水能力：～30 m3/h；进水温度按冬季15℃考虑，最大热负荷1 120 kW。

2. 热泵工况：+25℃/+50℃(吸气过热度5℃，过冷度1℃)；采用全热回收(潜热+显热)；主机选用冰山RBVLGA163D中温热泵机组，额定制热量1 165 kW。

3. 热源：油冷提供的热负荷，压缩机排气过热气体提供的热负荷，氨冷凝提供的热负荷。

采用三级热回收可在保证出水温度的条件下，选取最小的压缩机及最低的冷凝温度，以得到最好的经济效益。主要设备配置如下：

1. 中温热泵机组1台(双机头一用一备，变频电机)；

2. 热回收模块1套；

3. 综合控制柜1套；

4. 其他：循环水泵2台；热水罐1台；循环水箱1个。

7 经济性分析

该屠宰项目所需热水原由天然气锅炉提供。现对热泵热回收方案与原有热水系统就运行费用进行比较。能耗情况和运行费用计算结果见表2。基本测算条件如下。

7.1 主要电耗

主要电耗：P=P1+P2+P3。式中，P为热泵热回收系统最大总能耗，170 kW；P1为热泵主电机最大输入功率，158.5 kW；P2为冷水泵功率，4 kW；P3为热水泵功率，7.5 kW。

7.2 运行方式

1. 生产方式：按每日两班16 h计算；

2.热水用量：按平均22 m3/h用水量计算;

3. 测算天数和进水条件：年工作日按300 d计算，春季温度18℃，天数70 d；夏季温度25℃，天数90 d；秋季温度20℃，天数70 d；冬季温度15℃，天数70 d。

7.3 回报周期

设备投资可控制在150万元以内，投资回报周期约15个月。

表2 热泵系统与天然气锅炉费用比较

8 结 语

1. 采用热泵技术回收原制冷系统的部分冷凝热，虽然初投资增加，但大幅节省了热水锅炉昂贵的燃料费用，年运行费用可节省121.35万元，投资回报周期约15个月；另外使用热泵技术也提高了回收冷凝热的品质，综合考虑热水温度应控制在46～48℃，既满足大多数用水点的需求，又具有较好的经济效益。

2. 冷凝热回收系统改造后，制冷系统冷凝侧向环境排放的废热将大幅度降低，减少了对周围环境的热污染。

3. 冷凝热回收系统减少了原制冷系统冷凝器的负荷，改善了工作条件，相对放大了制冷系统冷凝器的排热能力，提高了制冷系统的COP值。

综上所述，在生产性冷库中，如屠宰行业既需要制冷又需要热水，若按常规方式采用热水锅炉不仅耗费大量的一次能源，排放大量的有害气体污染环境，而且受能源价格波动的影响造成极高的运行费用，与之相比采用热泵热回收方案可以少用或者不用锅炉制备生产生活热水，从而产生很高的经济效益和环保效益。