废热 – 等待利用的被忽视的资源

在能源创新的时代，城市基础设施和工业流程产生的大量热量继续被浪费，这几乎是自相矛盾的。超市、数据中心、大型办公楼、地铁站，甚至污水处理厂都会不断向大气中释放宝贵的热能。然而，尽管人们越来越关注可持续性，但这些未开发的热量在很大程度上没有被注意到，而是消散到空气中。

作者：Oddgeir Gudmundsson，诺德堡
Danfoss A/S 气候解决方案总监Jan Eric Thorsen，诺德堡
Danfoss A/S 气候解决方案总监

发表于 Hot Cool，第 6/2024 版 |国际标准刊号：ISSN 0904 9681 |

鉴于我们周围余热源的多样性和规模，一个简单的问题出现了：为什么我们不捕获和重新利用这种丰富的能源资源？潜力是巨大的，能源效率和可持续性优势同样引人注目。现在的挑战在于认识到废热是真正的资产，并将其转化为我们能源系统的基石。

为什么我们不收集大量可用的废热并将其用于有用的事情呢？

该问题的答案可能因被问到的人而异，但在许多情况下，答案将朝着以下方向发展：

1. 与使用普通的高质量能源载体（如天然气、煤炭、电力等）相比，它并不经济。

2. 余热回收不是我们的业务。

3. 一旦我们实现了流程的现代化，废热就会非常少，以至于不值得捕获它。

4. 没有选项可以将其交付给任何可以使用它的人。

5. 捕捉它太复杂了！

6. 不需要;脱碳电力指日可待......

当然，一些答案可能有一些优点，特别是如果它基于过去而对未来视而不见。
但让我们考虑一下它们！

1） 高质量的能源载体，如天然气、煤炭、电力等。

显然，这将代表一种封闭和无知的心态，因为那些现成的化石燃料不是一个长期可行的选择。甚至可以简单地说，如果包括他们对社会的真正成本，它们在很长很长一段时间内都不会是一个可行的选择。

一旦脱碳真正开始，很明显，利用余热源对于实现能源系统的生态和经济可持续转型至关重要。

2） 余热回收不是我们的业务。

正如声明所表明的那样，传统的方法是不理会废热，并将其视为不可避免的废物。从历史上看，由于化石燃料时代的一次燃料成本低廉，捕获和再利用余热没有金钱利益，因此没有开展这项业务的基础。

随着能源格局的变化和化石燃料的逐步淘汰，对余热利用的关注是显而易见的。尽管如此，主要挑战仍然存在：余热利用并不是制造公司的核心业务。为了促进余热利用，有必要创建新的和激励性的商业模式。

适当的商业模式一方面可以为余热所有者将余热回收整合到他们的生产过程中奠定基础，另一方面，为建立专门的余热回收公司奠定基础，这些公司可以弥合余热所有者和最终的热用户之间的差距，例如， 区域供热公用事业。

通常，业务设置涉及余热所有者（可被视为供热供应商或冷却客户）和对应方（可以是供热客户或冷却供应商）。在存在区域供热网络的地方，公用事业公司是显而易见的客户。

根据商业模式，区域供热公司可以以替代价格购买热量，这可能反映替代热源的最低成本，或者将冷却出售给余热所有者，这可能反映消散余热的替代成本。商业模式的选择将取决于各种因素，例如余热温度、可及性、可用性、投资实体等。

余热的一个共同点是余热的成本很低，因为它总是以成本最低的替代热能发电量来衡量，这些替代热能可以是现有的或计划的热源。

由于废热源和区域供热系统设置种类繁多，因此应在每种情况下调查商机，以确保所有合作伙伴的长期生存能力和最低风险。

今天，在区域供热系统中再利用废热的许多具体例子已经存在。从这些例子中吸取的教训为调整法规和报告义务提供了坚实的基础，以确保为利用这一重要的低碳资源提供简单而有利的条件。

3） 一旦我们实现了流程现代化，废热就会非常少，不值得捕获。

每个人都应该接受这一声明并跳上能源效率列车。然而，所有过程都不可避免地会产生废热——最后一步应始终是热回收以供二次使用！

第一步应始终是能源优化流程。第二种应该是在内部尽可能多地再利用废热。第三种是将剩余的余热出口/出售用于其他目的。毕竟，如果公司不确保他们有经济运作，其他人最终会超越他们，并可能使他们倒闭。

需要注意的是，余热回收不仅适用于大容量能源。超市的余热回收就是一个很好的例子，说明即使是小规模的余热回收在经济上也具有吸引力。

在许多丹麦超市都可以找到成功的小规模热回收的一个很好的例子。超市热回收案例清楚地表明，即使收集少量废热并供他人使用也是很有意义的。

4） 没有选项可以将其交付给任何可以使用它的人。

是的，这在很多情况下都是如此，而且很复杂，甚至取决于时间！
然而，我们认为这仍然是一个糟糕的借口，因为人们应该预料到，强制性供热规划和要求评估欧盟城市地区区域能源系统可行性等举措将成为未来全球的常态。

通过适当的供热规划，可以映射当前和未来的本地热源和供热需求，以创建一个长期的整体方法来满足当地的热需求。随着轮情规划得到更广泛的采用，新的机会将出现。

机会可以通过建立全市范围的区域能源系统或通过区域分区和当地微电网出现，其中智能城市规划者在具有低温热量需求的行业区域旁边指定具有低温余热的工业过程区域。

虽然余热在满足建筑空间供暖和热水需求方面具有很大的潜力，但其他用例可能是陆上养鱼、温室、水疗设施等。

5） 捕捉它太复杂了！

幸运的是，在大多数情况下，热回收很复杂的观念是错误的！
虽然改造新方法来收集现有建筑中的废热可能很困难，但在严格优化的工业生产车间、旧地铁站还是其他地方，可能没有必要。

在大多数工业流程中，现有的冷却系统可确保工业流程平稳运行，并确保生产出质量始终如一的产品。从本质上讲，这意味着废热已经被捕获;它只是没有用于任何事情。

在其他情况下，废热直接消散到空气中，尤其是在温度非常高的情况下。在金属冶炼操作中可以找到这样的例子。捕获此类废热稍微复杂一些，但即使在这些情况下，也有市售方法。

同样，在任何商业冷却系统中，无论是在大型建筑、超市还是数据中心，都无法避免拥有产生所需冷却的冷水机组系统。同样，这意味着需要冷却的商业运营产生的废热将在中心位置可用。
在其他情况下，例如地铁站，通风系统可以改装为简单的空气-水热交换器，以捕获废热。

最重要的是，从技术角度来看，余热回收通常并不复杂。复杂性通常在于组织方面，可以归结为缺乏对余热潜在价值的了解、复杂的当地法规、不利的税收法规或复杂的报告和文档要求。

F） 不需要;脱碳电力指日可待......

哪个角落，成本是多少？
事实是，虽然电气化和脱碳电力是未来解决方案的重要组成部分，但电气化如何发生确实很重要。它可以以最小的生态足迹实现可持续且具有成本效益，也可以以较大的生态足迹和高成本制造。

智能电气化是利用所有可用资源来最大限度地减少最终电力需求，从而最大限度地减少对发电和配电容量的投资。在这方面，余热源和其他可再生的低温源非常重要。另一个重要方面是确保电力需求和发电尽可能脱钩。

事实上，脱钩是实现基于波动可再生能源的可持续和具有成本效益的发电的首要措施。这就是区域供热和区域供冷发挥作用的地方，因为没有其他技术可以经济高效地实现供需分离。

这里的主要特点是具有成本效益的大规模蓄热，与电池存储等替代能源存储相比，其成本要低得多。

热回收应用

显然，仅仅捕获废热是不够的;它还需要在适当的温度水平下提供给废热用户。

根据捕获的余热的温度水平与余热用户的温度要求，可以使用不同的温度适应选项。这些可以是 1） 通过热交换器进行直接热交换，2） 热交换器和热增压器装置的组合，可以是热泵，或 3） 热泵。

以下部分将介绍考虑区域供热的一般热回收选项。

案例 1：通过热交换器直接进行热交换

如果余热温度足够高，可以直接满足区域供热系统的温度要求，则应采用简单的换热器解决方案：

图 1.使用换热器进行简单直接余热回收的示例。

案例 2：直接热交换和升温器的组合

如果余热温度超过区域供热系统的回热温度，则应通过热交换器预热回流，然后通过升温器进行增压。温度助推器可以是热泵或任何类型的热源，如燃料锅炉或直接电加热器。例如，增压应用的选择可能取决于工艺所需的回炉温度或可用的废热容量。

热泵增压器应用：

图 2.使用热交换器直接回收余热和使用热泵进一步升温相结合的示例。

锅炉增压器应用：

图 3.使用热交换器直接回收余热与使用燃料或电锅炉进一步升温相结合的示例。

例如，锅炉可以是废热源处所的现有锅炉，通常，提高回收余热温度的容量份额较小。

案例 3：热泵增压

即使余热温度低于区域供热系统的回热温度，也可以对区域供热系统产生巨大好处，因为余热源可以保证热泵的高效率。

此外，由于余热源往往在一年中具有稳定的温度水平，因此它将确保即使在冬季，热泵也将稳定且可预测的运行，这与依赖环境热源、空气或水源的热泵不同。

图 4.使用热泵进行低温余热回收的示例。

结论

余热是一种宝贵的资源，不应该浪费;它就在那里，可以被利用！

区域供热系统是城市地区利用可用余热源的关键解决方案，从而使我们的城市更具可持续性、宜居性和弹性。

此外，回收余热可以减少污染，将资金留在当地社区，并创造当地就业机会。

最后，它是实现未来可再生能源和行业耦合能源系统将是智能和具有成本效益的基础。

我们没有任何借口，因为所有必要的解决方案都已经在市场上可用！

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