通过超低品位废热回收实现空调系统的脱碳——基于新型减温技术的自适应“ pinch point”方法的全面能源、熵、经济及环境影响评估

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Decarbonizing air-conditioning systems via ultra-low grade waste heat recovery ? A comprehensive energy, exergy, economic and environmental assessment with novel desuperheating based adaptive pinch point approach

本研究通过整合单级有机朗肯循环与蒸汽压缩循环，利用自适应 pinch点技术评估了70-80℃超低品位废热回收潜力，对比了多种工质组合，发现R1243zf-R245fa/R113（0.6/0.4）体系在热效率（6.22%）、经济收益（2850万美元/年）及碳减排（82万吨/年）方面表现最优，验证了该技术对降低能耗和减少碳排放的显著效果。

　　随着全球能源需求的持续增长和因全球变暖带来的政策变革，提高能源利用效率已成为当前研究的重要方向。空调系统作为城市能源消耗的主要领域之一，其能源利用效率的提升对于减少整体能源浪费和相关碳排放具有重要意义。目前，压缩蒸气循环（VCC）是各类空调应用中最普遍采用的技术，它在运行过程中会排放大量超低温级废热（通常为70–80 °C）。尽管这种废热的回收利用潜力巨大，但目前的研究主要集中在高于100 °C的热源，而对低于100 °C的超低温级废热的回收利用关注较少。这主要是因为超低温级废热的热经济价值较低，导致其在技术上和经济上的可行性未被充分挖掘。然而，研究表明，全球超过50%的能源生产以废热形式排放到环境中，这为通过优化回收和高效利用技术提高能源效率和减少碳排放提供了巨大的机会。

本研究旨在评估通过在压缩蒸气循环制冷系统中集成单级有机朗肯循环（ORC）子系统，回收超低温级废热（70–80 °C）的潜力。研究采用综合的能源、热力学、经济和环境（4E）性能指标，对多种工质组合进行评估，包括VCC系统中使用的R1234ze(Z)、R1243zf和R1234yf，以及ORC系统中使用的R600/R600a、R601/R601a、R365mfc/R152a和R245fa/R113等共沸混合物。通过这种系统集成方式，可以实现对超低温级废热的高效利用，同时提升整体系统的热力学效率和经济可行性。

本研究的创新点在于将共沸混合物应用于ORC循环中，并结合基于过热区域的超低温级废热回收方法。这种技术不仅能够利用VCC冷凝器中产生的较高品质废热，还能够通过优化热匹配提高系统的整体性能。为了评估这种集成系统的性能，研究采用了一种新颖的自适应夹点点技术。该技术能够动态地确定ORC蒸发器和冷凝器中的夹点位置，以适应共沸混合物温度滑移的变化。这种方法在评估过程中无需对模型进行手动调整，即可应对夹点位置的变化，从而实现对多种工质组合和混合比例的统一评估。

研究结果表明，R1243zf-R245fa/R113（0.6/0.4）组合在性能方面表现最佳。从热力学角度来看，该组合实现了最高的ORC热效率（6.22%）、系统性能系数（COP）的显著提升（4.41%）、ORC的热力学效率（51.97%）以及系统的热力学效率（16.48%）。从经济和环境角度来看，该组合也表现出最佳的净现值（2850万美元）、显著的排放减少（82×10^6 kg/yr）、碳信用收益（约100万美元/年）以及最短的折现回收期（3.38年）。这些结果表明，所提出的系统方案在有效利用超低温级废热方面具有显著潜力，不仅提升了热力学效率，还展示了经济可行性，并实现了显著的碳排放减少。

在城市环境中，建筑物的能源消耗占据了总电力消耗的约25%，这一需求随着气候变化和热舒适度的提高而持续增长。根据国际能源署（IEA）的全球能源回顾报告，2024年建筑物的电力消耗占全球电力需求增长的近60%。在炎热和潮湿的热带地区，空调系统对于维持室内热舒适度至关重要，通常占据了城市电力使用的主要部分，占总建筑能源消耗的30–50%。在空调和制冷系统中，冷凝器是主要的热排放部件，通常将热量排放到环境温度（≤80 °C），这为热回收提供了丰富的潜在资源。

有机朗肯循环（ORC）是目前广泛采用的低温热回收技术之一，其在各种配置和工质组合中被大量研究。ORC能够适应多种热源，包括废热，展现出在实际能源回收应用中的强大潜力。ORC使用低沸点有机工质及其混合物作为工作介质，使其在低温和超低温范围内的能源回收和发电应用中具备良好的适应性和经济可行性。此外，其热性能优异、结构紧凑、运营成本低、材料成本低、运行可靠性高以及在不同规模上的集成灵活性，使其成为当前最具可行性的技术选择。

近年来，许多研究探索了ORC在超低温级废热回收中的应用。例如，Yiji Lu等人研究了利用ORC从发动机排气中回收85 °C的废热，以驱动1 kW的滚动膨胀机进行发动机冷却，并与8种纯工质进行了性能对比。研究结果表明，在最佳条件下，使用R600a、R600和异戊烷工质可以实现整体效率达到9.3%，输出功率为0.82 kW。S. Araya等人则开发了一个实验室规模的系统，利用40–85 °C的超低温级废热，从高密度数据中心机架中回收能量用于发电。研究结果表明，这种集成系统具有减少总能源消耗4–8%的潜力。

此外，近年来的研究还探索了多种集成循环方案，以提高制冷和空调系统的可持续性，并增强整体能源利用效率。压缩蒸气循环（VCC）系统在所有规模的空调应用中占据主导地位，因此在文献中得到了广泛关注。对这些集成方案的概述见表1。现有研究主要集中在利用ORC与废热结合驱动VCC进行冷却，并在不同条件下评估系统的热力学性能。然而，一个关键的空白在于如何利用VCC制冷和空调系统中产生的超低温级废热（≤80 °C）以提高系统的整体能量和热力学效率。此外，另一个未被充分探索的方面是这种集成系统的技经和环境评估，以确定其经济可行性和潜在的环境效益，这对于商业化应用至关重要。

考虑到压缩蒸气循环系统在住宅、商业和工业领域的广泛应用，将废热回收机制集成到这些系统中，为提升整体能源性能提供了广阔的机会。有效利用这些废热流可以降低原始能源需求、减少能源浪费、降低运营成本，并实现温室气体排放的显著减少，从而带来经济和环境上的双重效益。本研究通过在压缩蒸气循环制冷系统中集成单级有机朗肯循环子系统，评估了超低温级废热（70–80 °C）的利用潜力，并综合考虑了能源、热力学、经济和环境性能指标。

研究方法部分详细描述了所提出的超低温级废热回收系统，包括其循环组件和热力学过程。随后，对VCC和ORC子系统中候选工质的选择进行了说明。最后，介绍了所提出的自适应夹点点技术，并提供了分步流程图。为了评估系统的性能，研究还开发了相应的数学模型，用于分析不同工质组合下的能源、热力学、经济和环境性能。

结果与讨论部分展示了该系统的综合分析，重点评估了不同工质组合对系统性能的影响。研究结果表明，R1243zf-R245fa/R113（0.6/0.4）组合在多个方面表现出最佳性能。该组合不仅在热力学效率上达到最高，还在经济和环境指标上表现出显著优势。通过自适应夹点点技术的应用，系统能够动态调整夹点位置，以适应共沸混合物温度滑移的变化，从而实现对多种工质组合和混合比例的统一评估。

研究还通过详细的敏感性分析，探讨了运行边界条件的变化对关键热力学、经济和环境参数的影响。这一分析为理解系统在不同条件下的性能表现提供了重要依据。同时，研究结果也验证了自适应夹点点技术在处理夹点位置变化方面的有效性，并识别出能够实现最大超低温级废热回收的最优工质组合。这些成果不仅展示了该系统在提升能源利用效率方面的潜力，还为实现碳排放减少和可持续发展目标（SDGs）提供了有力支持。

研究的结论表明，该系统在有效利用超低温级废热方面具有显著潜力，同时在提升热力学效率和经济可行性方面表现出色。通过将共沸混合物应用于ORC子系统，并结合基于过热区域的废热回收方法，系统能够实现更高的热效率和更优的经济回报。此外，该系统还能够有效减少温室气体排放，降低碳足迹，从而对全球变暖产生积极影响，支持可持续发展目标的实现。

研究团队在本研究中贡献了各自的专业知识和技能。Muhammad Asim在撰写、图表制作、验证、监督、软件开发、资源管理、项目管理、方法论、研究、资金获取、数据分析和概念设计方面做出了重要贡献。Muhammad Furqan Siddiqui在撰写、图表制作、验证、方法论、数据分析和概念设计方面提供了关键支持。Farooq Riaz Siddiqui则在撰写、图表制作和数据分析方面做出了贡献。Sheheryar Khan和Michael K.H. Leung在研究过程中提供了必要的支持和指导。

本研究没有涉及任何可能影响成果的商业利益或个人关系。研究得到了来自中国香港特别行政区研究资助局（RGC）的资助，项目编号为UGC/FDS24/E12/24。该资助支持了研究的开展，并确保了研究的顺利进行。通过本研究，可以为实现能源的可持续利用和减少碳排放提供新的思路和技术方案，为未来的能源系统优化和环境保护工作奠定基础。