国家重点研发计划项目成果：低品位余热的网络化利用

中国是全球唯一拥有联合国产业分类目录中所有工业门类的工业大国，工业能源消费达到了31.1 亿t 标准煤。与此同时，工业生产也产生了大量的低品位余热，如果能将这部分余热回收利用，则可以大大提高能源利用效率，改善我国工业能源消费结构。

▲ 工业余热利用的热、电、冷、储、运的技术路线

在该背景下，“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”重点专项立项，上海交通大学作为牵头单位，珠海格力电器股份有限公司、双良节能系统股份有限公司、中国科学院工程热物理研究所、合肥通用机械研究院和西安交通大学作为合作单位，承担了国家重点研发计划项目“低品位余能回收技术及热泵装备研发与示范”，开发了高效、大容量的压缩式热泵、吸收式热泵和化学热泵，并成功进行了示范，考核指标均达到了国际领先水平。该项目也系统地研究了高效的热能品位提升的热泵技术、余热制冷、余热发电及能量储运技术，热泵的广谱化利用方案，以及能量系统高质化集成的余热网络化利用方法，以上这些研究成果和示范不仅实现了工业余热的有效利用，也推动了工业热泵和余热利用装备产业的发展。

▲ 基于吸收式热泵的电厂冷却塔余热回收供暖

大唐甘肃发电有限公司西固热电厂用于供暖的机组为两台330MW的机组，机组设计的采暖抽汽供热能力为960万平方米，2017年的供热面积需增加至1400万平米，需要增加供暖能力。原供暖系统是从汽轮机抽取0.25MPa的高温高压蒸汽，进入汽水换热机组与供热管网的热水换热，变成95℃的凝水之后再返回锅炉循环利用。管网的热水通过与蒸汽换热之后，从50℃加热至105℃以上，满足供热管网的输送温度要求。利用双段吸收式热泵对供暖系统进行改造，汽轮机抽取的蒸汽分两路：一路进入吸收式热泵，作为的驱动热源，之后变成95℃的凝水，再返回锅炉；一路进入换热机组，将吸收式热泵制取的80℃热水，提升至105℃，满足供热管网的输送温度要求。通过吸收式热泵的作用，系统将一部分低品位余热(30～35.5℃的冷凝余热)变为品位更高有用热量(80℃的供暖热量)，实现了供暖能力增加和能源效率提高的目的。在余热热水进出口分别为36.30℃和30.81℃以及供暖热水进出口温度分别为53.22℃和82.43℃的条件下，单台吸收式热泵的热输出功率为50.194MW，制热COP为1.77。项目于2017年11月开始正式运行供暖，在首个供暖季，项目共回收冷凝余热 127万GJ，减少冷却塔耗水 52.8万吨。折算成标煤，项目首个供暖季实现了标煤消耗量减少4.82万吨和二氧化碳减排12.2万吨。兰州当地的采暖价格为34.4元/GJ，项目首个供暖季实现了经济收入4370万元和净收益3500万元。

在该项目研究中，除了成功进行大型工业热泵的研制及工程示范，我们也希望能提供一个共性的技术文献，为工业余热利用领域的研究人员和从业人员提供有价值的参考，以期对提升我国工业余热利用水平和先进余热利用装备制造技术有所助益。

《低品位余热的网络化利用》（王如竹，何雅玲编著. 北京：科学出版社，2021.11）一书共包括8 章内容，以余热利用网络的节点技术、构建方法和调节方法为主线，介绍低品位工业余热的网络化利用方法。

• 第1 章介绍低品位工业余热的定义、来源、分类、特点、利用方式和利用现状等，提出通过工业余热网络化利用实现余热有效利用的基本思想；

• 第2~4 章详细介绍低品位余热利用的发电、热泵热能品位提升、余热制冷、余热储存和输运技术，通过匹配不同的余热条件和能量需求，实现能量的品位匹配转换；

• 第5 章介绍余热热泵技术的广谱化利用，能够通过温区匹配和经济性核算确定实际应用的热泵方案；

• 第6 章和第7 章介绍余热利用网络的构建方法和调节方法，并附加示例以便于研究人员学习和应用；

• 第8 章介绍低品位工业余热网络化利用的部分实际案例，以期读者对余热利用方案有具体的认识。

感谢陶文铨院士为本书作序，以及对本书编著的大力支持。

低品位余热的回收利用对提高能源利用水平有着重要意义，一般遵循的余热利用原则是温度对口、梯级利用、品位提升。目前在工业余热回收的实际应用中，多为“点对点”的利用方式，以吸收式制冷技术最为常见，未对余热进行统筹规划利用。近年来，余热利用的热泵、储热和发电技术也得到了越来越多的应用，工程中迫切需要根据余热供应条件和能量需求进行这些能量系统的集成，实现余热的深度利用。该书提出了低品位余热网络化利用的概念，主要针对能量网络系统性地介绍低品位工业余热的有效利用方法，为低品位工业余热利用领域的研究人员和工程人员提供了很好的参考。

该书介绍了低品位工业余热的特点，对余热利用的发电、制冷、热泵、储热和热输运技术进行了详细的分类介绍，提供了各种可行的余热利用网络的节点技术，指出了热泵技术是低品位余热品位提升利用的关键技术，并提出了工业热泵的广谱化利用；针对低品位工业余热的深度利用，提出了余热利用的能量网络概念，并提出了能量目标、经济目标等目标下余热利用网络的构建与调节方法。该书写作逻辑顺畅、技术总结全面、集成方法有效，能够在实际的低品位余热利用中给读者提供指导，实现余热的有效利用。

王如竹教授和何雅玲院士是低品位余热利用研究与应用的先行者。王如竹教授在余热制冷、热泵、储热、除湿等方面进行了出色的学术研究和工程应用，“十三五”期间主持的国家重点研发计划项目“低品位余能回收技术及热泵装备研发与示范”研发了高效、大温升、大容量的先进热泵系统，以及一系列的高效发电、热泵、制冷、储热技术，并提出了工业热泵的广谱化利用和低品位工业余热的网络化利用。何雅玲院士在传热强化新技术、余热利用新技术和能源高效利用方面成果斐然，“十二五”期间作为973 计划项目首席科学家，主持了“工业余热高效综合利用的重大共性基础问题研究”项目，解决了工业余热“温度对口、梯级利用”科学用能原则的定量化问题；揭示了余热回收过程中热质传输强化、流动减阻和除尘除垢协同控制机制，发展了适用于工业余热利用的换热设备设计及高效储存的新方法；提出了中低品位余热高效热功转换及能级提升的集成优化理论，构建了利用余热的高效发电和热泵循环的调控新方法。

王如竹教授和何雅玲院士结合双方研究形成了具有余热利用指导作用的该书，为余热利用领域做出了贡献。

该书面向的读者既包括本领域研究人员，也包括工程应用人员，希望读者能够从中受益，也希望读者能够结合研究和应用与作者互动，完善该书，为更多人提供有价值的应用指导。

中国科学院院士

2021 年8 月28 日于西安

本文摘编自（王如竹，何雅玲编著. 北京：科学出版社，2021.11）一书“前言”“序”，有删减修改，标题为编者所加。

（本文编辑：刘四旦）

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