“零碳”食品工厂能源闭式循环技术研究

朱理权 马莉锋 童立上

前言

食品工厂通常涉及各类冷、热使用场景，且用能温度在2℃-125℃等的大区间范围，从而使得提供的能源品位高低需求不等，用能点多且散。

上海交大王如竹教授领衔的能源-空气-水ITEWA创新团队分析指出中国的热能需求在终端能源消耗占比应超过41%，其中低于150℃的中低温热能需求占比应超过23%，用热温度范围如图1[1]。中低温、大区间温度范围的热能需求，对如何分级、高效、系统的规划、设计、管理提出了挑战。因此需要通过精细化的能源管理，把分散的且能源品位高低不一的余热回收使用，形成冷、热站等储能站，形成能源集控，有利于利用分散的低品能源，提高梯级用能。同时起到削峰填谷，稳定设备负荷。

图1 建筑和工业的用热温度范围Figure1 The sequence number of industrial processes

首先，建立全厂能源管理系统路线，其主要目标是建立闭环式能源循环系统、“零碳”智慧工厂。实现能源生产内部循环流转，产能用能管能全流程环节控制，有效地提高企业能源管理水平和能源利用效率，为单体设备、各生产装置和整个企业的多方位节能。然后，通过中央储能站式热能综合回收使用技术提升能源品位，达到用能要求。冷热站回收的能量，可以在满足工艺需求下直接进行冷热交换使用，也可进行提升使之满足负荷端需求。能源品位提升可通过热交换补冷热的方式或利用热泵对冷热进行能源品位提升。由于水源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为10 ～25℃，其制冷、制热系数可达3.5 ～4.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的50%～60%。因此利用空气、水源复用热泵来双向提供冷水和热水。因此利用空气、水源复用热泵来双向提供低温冷水和高温热水源。

1 能源闭式传递使用系统的提出

冷和热、温度高与低，是相对的概念，生产过程中，通常需要的是比自然界温度相对低的低温和相对高的高温。根据热力学第二定律，热量只能从高温体向低温体传递，而不能自发地从低温体向高温体传递。若要使热量从低温体传递到高温体，必须消耗一定的能量，这就是由压缩机来做功实现上述逆过程，消耗外界能量从而使热量从低温体向高温体传递的技术，称为人工制冷技术[2]。因此工厂的用冷过程需要向外交释放热量，释放的热量包括制冷传递的热量及机械做功产生的热量。食品加工过程中的通常需要通过加热杀菌等工艺进行产品生产，这就需要外界提供热源。因此可以通过将制冷向外界释放的热量回收正向传递给加热热源热量。为便于实现对不同温度需求的热源，将回收的热量进行集中综合管理使用，最大的发挥热量的潜能。通过中央储能站式热能综合回收使用技术提升能源品位，达到用能要求。冷热站回收的能量，可以通过外界热量加热或者机械做功方式进行温度提升从而达到工艺所需的使用条件，从而建立闭环式能源循环系统，其能源传递系统如图2。

图2 能源传递系统架构Figure2 Energy transfer system architecture

2 能源闭式系统的关键技术研究

2.1 分散能源的采集技术

一般食品工厂末端的热量都是分散的、品位低且不一致。如何将这些热量有效利用，关键在于回收的热量能否达到可供生产的热量总量和热能品位。这就需要一个能够进行集中回收并可以将热能品位提高的技术，因此本文提出采用中央冷热能储能站技术，通过载冷剂和载热剂将分散的末端能源回收集中。形成一个可供二次利用的能源供应站。

2.1.1 热负荷平衡计算

可利用的热能包括制冷压缩机热量q1；循环冷却水热量q2；杀菌末端冷却水热量q3;空压机压缩机热量q4；其他生产设备末端热量q5 等

总可利用热量q=q1+q2+q3+q4+q5

食品工厂供热通常包括食品工艺热负荷Q1；采暖空调热负荷Q2；生活用热负荷Q3；热损失负荷Q4；其他热负荷Q5

总热负荷Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5

因此设计热站最小储热量为q，工厂总热负荷为Q；

需外部补充热量ΔQ1；

热站热平衡图如图3：

图3 热站热平衡图Figure3 Heat balance of heat center diagram

2.1.2 冷负荷平衡计算

总回收冷源

工艺用冷残值冷量l1、环境用冷残值冷量l2、制冷残值冷量l3、其他用冷残值冷量L4；

总冷负荷

工艺用冷L1,环境用冷L2,储运用冷L3，其他冷负荷L4；

工艺用冷L1 按热平衡方法计算,环境用冷L2 可参照《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》[3]负荷计算方法，储运用冷L3 可参照《冷库设计规范》[4]总冷量负荷计算方法。

需外部补充制冷量ΔL1；

冷站热平衡图如图4：

图4 冷站热平衡图Figure4 Heat balance of Cool center diagram

从热力学第一定律量原理出发，能量既不能凭空产生，也不能凭空消灭，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转移和转化的过程中，能量的总量不变。如果单纯通过热传递来改变物体内能，要产生ΔL1 的冷量，就会有相同的热量转移或转化。那么我们是否可以通过一种热量高效转移系统，将制冷需转移的热量去有效开发成为可使用的热能，从而解决全部或部分热平衡所需的外部补充热量，达到“零碳”热量传递使用，其热平衡公式如下：

λ—热量做功或热传递的效率，与各传热单元传热系数、运行热损耗量、可利于热能比例等有关。

ΔQ1—热负荷

ΔQ—外部能量

从以上研究分析看出，关键点在于解决如何高效的热能传递或转移热能。在工厂用能温度范围广，用能点分布散，使用工况复杂的特点情况下，把分散的且能源品位高低不一的能量转移回收并且达到工厂生产所需的能量数量和质量要求。势必需要适应这一工况的一种能力的转移提升技术，热泵技术能够有效满足这一需求。

2.2 能量转移提升技术

热泵是一种将低位热源的热能转移到高位热源的装置，也是目前全世界备受关注的新能源技术。 热泵通常是先从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能，经过电力做功，再向人们提供可被利用的高品位热能。如图5 热泵循环示意图所示，它是在低温下提取热量，通过用电来做功，把温度较低的热量提高到温度较高的品位释放出去，只要找到合适的低品位热源，热泵就可以高效地实现由电变热，这是未来实现零碳能源非常重要的一条路径[5]。食品工厂生产过程中排放的余热，可以成为热泵最好的热源。

图5 热泵循环示意图Figure5 Schematic diagram of the heat pump cycle

因此，通过热泵将制冷散发的热量转化成高品位的热能，从而实现满足生产工艺所需冷热双向需求。实现热量在工厂运行系统介质内的闭式传递，达到零碳排放。为实现这一目的，需要大温差范围的热泵，达到冷端低温级换热，热端高温级换热。因此在工厂冷热双向需求的工况下，为满足冷热双工况下不同载冷剂和载热剂的热能传递，并且实现能力转移过程中将热能或冷负荷达到使用工况要求，为此，本文提出一种冷热双工况覆叠型热泵应用技术，双工况覆叠型热泵的中间换热器用于连接两个独立的循环，将热泵分成了高温级和低温级，低温级的冷凝热用于高温级的蒸发过程。 相比多级压缩，其最大的优点是两级可以分别用不同的工质，二者均在最佳的工作温区[6]。双工况覆叠型热泵系统的主要研究方向有实现超大温升、开发工质对、提升系统能效等。Schlemminger 等[7]搭建了一台能够同时在 0℃左右蒸发和 115℃左右冷凝的复叠热泵机组，刚好可以满足牛奶生产过程的冷热需求。

3 能源闭式传递使用系统模型建立

根据之前建立的工厂能源传递系统架构，建立如图6能量传递模型，冷端提供的冷负荷通过载冷剂集中到冷站，冷站的冷媒通过热泵蒸发器端的吸热，将热量输送到中间换热器，通过中间环热器将热量传递给另一侧的媒介，另一侧经压缩后冷凝释放热量，通过载热剂将热量传递到热站，热站将热量输送到末端用热端。这种冷热双工况性质，可以提高综合性能系数CCOP，CCOP=EER+COP， 根据地源热泵机组GB/T 19409 - 2013 表3[8]，冷热水型EER、COP 均可达到4 以上，综合性能系数可达4 - 8。

图6 双工况覆叠型热泵能量传递系统模型Figure6 Model of double-case stacked heat pump energy transfer system

热平衡计算： Q 放=Q 吸

实际应用中，应先定性分析找出系统吸收热量有哪些途径，然后定量分析找出系统放出热量有哪些途径。最后利用系统热平衡求解系统通过某一途径吸收或放出的热量。

可计算热量计算公式如下：

Q — 热泵有效转移能量 ΔQ1 — 总需求热量

ΔQ — 外部能源供热量

ΔL1 — 冷端制冷量

根据工厂实际使用总结分析，该系统理想工况能实现0℃-100℃的梯级温升，冷端提供20℃以下的冷水， 10℃的冷水为理想工况；热端提供60℃以上的热水， 80℃的热水为理想工况[9]。

4 实例测算及经济效益分析

4.1 计算分析

以华东地区某日产量1000 吨鲜奶工厂为例测算

1）冷端热量计算：

生产车间的水、汽估算有三种方法：按生产线的能耗来估算，按单位产品耗水、耗汽量定额来估算，单机设备的能耗估算[10]。本文按单位产品来估算。

?

制冷端总热负荷为13329KW/H。冰水制冷量：按照日产1000 吨产能，则需7350KW。车间暖通热负荷3129 KW，合计约10479 KW ，塔水循环水2850 KW.从理论上根据能量守恒，冷端吸收冷量q 的同时会释放等同热量Q，通过热站可实现回收部分热量，从而应用于热端通过覆叠热泵提供双向冷、热源，冷端产出5 度冰水，热端产出80 度热水，供冷热端用能。

2）热端热量计算：

?

配料杀菌用能温度需求较高，回收的低品味能源使用条件不满足，因此其余工艺所需热量为11750KW/H。

3）ΔQ = ΔQ1 - Q = 11750 - 0.72×10479 = 4205 KW/H

注：以上为工厂提供的资料估算所得

根据以上计算热量，该工厂可设计热站100 吨保温罐，冷站100 吨保温罐，采用双工况覆叠型热泵回收制冷压缩机能量、循环塔水能量，提供CIP 和清洗用水80 度热水。另使用130 度蒸汽约7.8t/h，便可满足日产量1000 吨鲜奶工厂全厂的清洗消毒热量。

4.2 经济测算对比

同样以鲜奶工厂为例。

1）使用蒸汽成本，每KW 热值使用成本计算：

蒸汽锅炉一吨的蒸汽的热量按标准说；1 吨蒸汽=0.7兆瓦（700KW)=250 万焦耳

按照100%的利用率，使用市政蒸汽单价320 元/吨，每KW 热值的使用成本为：（320 元/吨）÷ 700KW = 0.457 元/ KW。

2）使用空气源热泵成本，每KW 热值使用成本计算：

完全使用空气源，按照平均温度20℃，平均COP = 3。电价平均值为0.86 元/ kWh

每KW 热值的使用成本为：0.86 元/ kWh÷3 = 0.287 元/KW。

以上KW 热值的使用成本节省比例为：

（0.457 元/KW - 0.287 元/ KW）/0.457 元/ KW = 37%

3）使用空气源+循环水余热回收（降温），按照平均温度20℃，平均制热COP = 4.2，平均制冷EER = 2，电价平均值为

0.86 元/kWh

每KW 热值的使用成本为：0.86 元/ kWh ÷ 4.2 = 0.139 元/ KW。

以上KW 热值的使用成本节省比例为：

（0.457 元/KW - 0.139 元/ KW）/0.457 元/KW=70%

注：以上计算不包含额外节省了冷却塔等制冷的费用。

4）按1000 吨/日产量，热量传递效率系数λ 取0.72

则热泵系统相对使用蒸汽节约费用18832 元/日，吨产品节约成本18.83 元/吨。

注：该工厂所在地区能源成本（2022 年）：蒸汽280-330 元/吨、电8.6 元/度、水3.75 元/吨、天然气3.57 元/立方米（非官方数据，仅供计算对比）

5 总结

食品工厂能源使用呈现分散多点，大区间温度范围要求、用能不连续且不稳定的特性，对能源的回收使用提出了挑战。为适应这一需求，集中式的能源站可以有效解决这问题，将分散的低品味能源回收集中进行储能，并利用热泵实现高效的电变热，最终达到即时、稳定、按需的能源动力供应系统。这种集中式的能源循环系统，将能源充分回收，按照能源正向的传递路线，在工厂内部运行系统内流转能量，达到能源闭式循环使用的目的。在这系统中，首先要理清工厂工艺系统中的能源可传递线路系统，从而确定能源综合回收利用系统。然后寻找工厂存在的能源无功释放点，通常在能源传递末端，根据能源动态传递的需求量确立储能站的规模，并将储能站和能源传递线路系统结合，确立能源系统内各项参数指标。最终实现工厂 “零碳”、“闭式”的能源循环使用。