引言由于屠宰生产工艺的需要，在生产过程中既需要制冷系统供冷（食品的冷却、冻结、冷储、车间空调等），同时也需要系统供热制取工艺热水（宰杀、烫毛、器具消毒、巴氏杀菌等）。这些供冷和供热需求一般由制冷机房和锅炉房两套系统分别提供。大部分屠宰厂的制冷系统产生的冷凝热通过水或空气直接排向大气环境。一边是制冷系统的冷凝排放废热，另一边是锅炉耗能，从能源利用角度分析，制冷和供热之间的能量关系未被合理有效的运用，存在浪费。如何有机结合屠宰加工行业中制冷系统产生的冷凝废热和热泵系统的热源需求，达到冷热综合利用的最优目标，从而降低能耗，减少二氧化碳排放量，是屠宰加工行业降本增效的主要途径[1-4]。近些年来，以CO2作为制冷剂的制冷系统，作为一种绿色高效、节能环保的新型技术被广泛地开发和应用，尤其在大型工商业制冷系统和冷库中，CO2被认为是最具潜力代替氨（有毒）和高GWP氟利昂系统的天然绿色安全制冷剂[5-6]。在热泵领域，国内外的研究充分表明，与各种燃煤锅炉、电锅炉、燃气锅炉相比，利用热泵制取热水具有较大的优势[7-9]。文中结合CO2/R134A复叠制冷系统和高温热泵技术，以某大型屠宰厂的实际项目为例，介绍一种新型的采用冷热联供的低碳高效屠宰场节能方案。1项目设计1.1项目概况以山东某大型禽类屠宰厂为例，制冷系统采用氨制冷，包括速冻库(-25 ℃，1 393 kW)、储存冷库(-18 ℃，203 kW)和预冷水(0~2 ℃，666 kW)3种不同温区。其中，预冷水需求时间为5：00~11：00和12：00~17：00，其他制冷系统24 h运行。制冷机组包括氨单级和双级压缩机组、氟利昂冷水机组等。供热系统采用燃气锅炉生产热水以满足生产工艺的热水需求，屠宰场用热参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.11.010.T001表1屠宰场用热参数项目进水温度/℃出水温度/℃用水量/(t/d)理论需热量/kWh合计35021 583刀具消毒1585504 083烫毛156525014 583洗浴1565502 9171.2系统原理冷热联供系统包括制冷系统和热泵系统，其系统流程如图1所示。对各种工质的安全性、全球增温潜势(GWP)、经济性和适用工况进行对比分析，选用安全环保、低温效率较高的天然工质CO2作为低温级工质；选用低GWP、安全性好的R134A作为中温级和热泵的工质，代替传统的易燃有毒的氨制冷剂，提高系统安全性。制冷系统采用CO2/R134A复叠制冷机组。低温级选用CO2制冷剂，CO2的换热系数和换热效率较高，蒸发温度比氨系统提高约5 ℃，可以进一步提高制冷系统效率。低温级设计蒸发温度为-30 ℃，冷凝温度-2 ℃，可同时为速冻库和储存冷库提供冷源；中温级制冷系统和高温级热泵系统的制冷剂为R134A，中温级蒸发温度设计为-5 ℃，冷凝温度38 ℃。部分R134A在低温冷凝蒸发器中蒸发，为低温级CO2冷凝提供所需冷量；另一部分在中温蒸发器中蒸发，为生产预冷水提供冷量。产生的预冷水进入冷水箱中存储，随时供生产使用。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.11.010.F001图1冷热联供系统流程中温制冷系统会排放大量的冷凝热，为了回收利用冷凝废热，分别增加一级和二级两个热回收换热器，回收热量用以提高热泵供水侧的进水温度，从而提高系统整体效率。中温机组高温排气经过二级热回收器，可产生45 ℃的热水，热水进入中温储水箱中储存；经过降温的排气一部分进入中温冷凝蒸发器继续进行冷凝，一部分进入风冷冷凝器进行冷凝，冷凝温度设计为40 ℃，冷凝蒸发器前设置自动三通调节阀，自动调节进入冷凝蒸发器中的制冷剂比例；不需要热回收时，制冷剂全部通过风冷冷凝器进行散热；冷凝后的制冷剂液体进入一级热回收器，和进水（自来水约10~15 ℃）进行换热，一方面增大了中温制冷机组的制冷剂的过冷度，大大提高制冷效率，另一方面对进水进行预热，进一步回收冷凝废热。热泵系统利用R134A，采用特殊优化的高温热泵式螺杆压缩机，系统运行效率较高，可以运行在较高的蒸发温度和高冷凝温度工况下，最高可以制取90 ℃的热水。热泵系统的制冷剂在中温冷凝蒸发器中蒸发，蒸发温度控制为35 ℃，以提高系统效率；经过一级热回收器的约45 ℃的热水作为供水侧的进水，进入热泵机组的高温冷凝器，被加热到所需要的高温温度。根据热水需求分析，85 ℃和65 ℃的热水用量大约为1∶7，为了使系统尽量稳定运行并提高系统运行效率，降低投资和运行费用，结合峰谷平不同电价的时间段，设计了高温储水箱和中温储水箱，采用分时控制的方式优化系统控制，在不同时段通过调整系统参数分别制取85 ℃或65 ℃的热水。据计算，高温水箱体积50 m3，热泵机组在谷电时段按85 ℃出水工况运行4 h，即可制取和储存满足一天所需的高温热水。在其余谷电时段和平电时段热泵按65 ℃出水工况运行，在峰电时段一般不运行。这样不仅减少了运行电费，且简化了热泵机组的型号和复杂度，减少初投资。2经济性分析和节能效益本系统为工艺性生产设备，系统负荷相对比较稳定；系统中配置的储冷水箱和储热水箱具有平衡逐时负荷变化的作用，有利于保证系统平稳运行。复叠制冷系统中低温级CO2的蒸发温度和冷凝温度不随环境气候变化；中温级R134A采用水冷冷凝器和热回收装置收集，冷凝温度相对稳定。高温级的热泵回收利用制冷系统的冷凝废热，高温冷凝器进水为二级热回收产生的45 ℃热水。因此，蒸发温度和进水温度基本不受气候变化影响，整套制冷系统一年四季运行工况相对稳定，可采用平均工况简化计算。机组设计工况如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.11.010.T002表2机组设计工况项目速冻冷库预冷水需求温度/℃-25-180~2冷负荷/kW1 393203设备类型CO2低温机组R134A螺杆机SST/℃-32-5SDT/℃-238机组冷量/kW1 5962 598COP4.753.62电功率/kW336718冷凝热量/kW1 9323 315工作系数0.70.7耗电量/kWh5 64412 0552.1能源价格信息工业燃气价格为3.81元/m3。实行分时电价，峰时为8：30~11：00和16：00~23：00；谷时为23：00~7：00，其余时段为平时。峰、平、谷段时长分别为9.5 h、6.5 h、8.0 h，电价分别为1.17元/kWh、0.78元/kWh、0.39元/kWh，加权平均电价为0.8元/kWh。屠宰场每月休4 d，春节休7 d，年总工作天数为310 d。2.2热水能耗及费用企业目前采用燃气锅炉供热，统一制取85 ℃热水，燃气单位热值为35 998 kJ/m3。根据用热需求，锅炉供热燃气日用量及费用相关数据如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.11.010.T003表3锅炉供热燃气日用量及费用相关数据项目数值热水/(t/d)350进水温度/℃15出水温度/℃85需热量/(kWh/d)28 583燃气价格/(元/m3)3.81锅炉效率/%90耗气量/(m3/d)3 165燃气成本/(元/d)12 060因为热泵机组制取85 ℃热水时的制热效率相对65 ℃时较低，耗电功率相对较高，为了进一步降低成本，仅在电价较低的谷电时段制取85 ℃热水，储存在高温水箱中，水箱容积按52 m3设置，热泵制取85 ℃热水工况运行4 h即可满足全天使用需求。在其余谷电和平电时段，热泵按制取65 ℃热水工况运行，峰电时段一般不运行。65 ℃热水箱按可满足连续7 h的用水量设置，计算体积约120 m3可满足需求。热泵供热的日均费用相关数据如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.11.010.T004表4热泵供热的日均费用相关数据项目刷盘烫毛、洗浴合计用水量/(t/d)50300350进水温度/℃4545出水温度/℃8565需热量/(kWh/d)2 3337 0009 333热泵工况/℃35/9035/70COP3.35.64耗电量/(kWh/d)7071 2411 948运行时间谷电4 h谷电4 h+平6.5 h电价/(元/kWh)0.390.78制热率/kW583667电功率/kW177118热水流量/(t/h)1329电费/(元/d)2767841 0602.3制冷成本根据设计工况和冷负荷，对制冷设备进行选型，根据设备的性能参数，对系统运行能耗进行计算，得出制冷系统平均日运行费用，如表5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.11.010.T005表5制冷系统平均日运行费用设备类型平均电价/(元/kWh)总电费/(元/d)CO2低温机组0.814 159R134A螺杆机0.82.4安全维护成本企业现有制冷系统为氨制冷。氨属于B2L类有毒且可燃气体，一旦泄漏，可能造成重大安全事故，因此，企业安全生产责任重大[10]。根据相关安全生产规范要求，企业氨制冷机房属于重大危险源，需要安排专业持证人员24 h值班，且每班不少于2人，运行维护成本较高，达48万元/a。如果采用新方案，二氧化碳和R134A都属于A1级安全无毒环保制冷剂，而且系统采用自动化控制，无须多人24 h值班，人工维护费用大幅减少。此外，采用冷热综合利用整体方案，可取消燃气锅炉房，所有冷热设备都集中于同一机房，设备紧凑，占地面积小，便于维护。2.5总成本汇总新设计方案和现有系统的年费用对比如表6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.11.010.T006表6新设计方案和现有系统的年费用对比项目原方案新方案节省/%内容费用/(万元/a)内容费用/(万元/a)总计88949045制热燃气锅炉374高温热泵R134A3391制冷氨双级活塞、氨单级活塞机组467CO2/R134A复叠+热回收4396安全成本氨系统，有毒，24 h多人三班值班。48CO2安全工质，自动控制，无须24 h值班。18633结语文中结合CO2/R134A复叠系统和余热回收式高温热泵技术，设计了冷热综合利用的一体化高效节能系统。采用废热回收型高温热泵回收制冷系统中的冷凝废热，可以大幅提高热泵的效率和能源综合利用率，相比采用天然气锅炉供热的方案，可节省91%的供热费用。同时满足制取不同温度冷量的需求，制冷系统运行费用可节约6%。此外，CO2和R134A为环保安全工质，可大幅降低安全维护费用，节省比例约63%。综合供热、制冷和安全维护3方面的成本，企业年总成本费用可节约380万元，总体降低约45%。相比于传统的氨制冷系统和燃气锅炉供热系统，冷热综合利用的新方案节能效果显著，运行费用大幅降低，投资回报期短。