從專家決策到自動化：工業熱泵的設計與集成

Mostafa Babaei，瑞士日內瓦大學環境科學研究所

高溫熱泵正成為工業脫碳的基石，為用清潔高效的替代方案替代化石燃料供暖提供了途徑。然而，如何以及在哪里有效整合它們，仍然是工程師和規劃人員面臨的重大挑戰。傳統上，系統設計依賴專家判斷和手工迭代，這種方法過慢，無法跟上工業轉型和工藝條件的多樣性。本文探討了如何將基于物理的推理與數據驅動的算法結合，實現設計和集成自動化，從而實現工業供能的更快更高效的電氣化。

介紹

工業占全球最終能源使用量的三分之一以上，其中近三分之二的能源用于產生熱能。盡管效率持續提升，全球約80%的工業熱量仍由燃燒化石燃料產生。因此，用可再生或基于電力的替代熱能替代熱能，是減少工業排放最直接且有影響力的步驟之一。

高溫熱泵（HTHP）提供了實用的解決方案。它們可以回收冷卻流或廢氣中的低品位廢熱，并升級為所需溫度下提供工藝熱量。對于許多應用，尤其是低于約200°C的應用，HTHP已經能夠實現高效率和具有競爭力的運營成本。然而，它們的采用仍然有限，原因并非技術不成熟，而是因為每個工業場地都呈現出獨特的熱源、熱源和工藝限制。

設計高效的熱泵系統需要選擇合適的溫度提升點，識別積分點，并確定單元數量和尺寸。如今，這些決策仍高度依賴專家判斷和手工評估工藝熱剖面。雖然這種親力親為的方法可以為單個設施帶來穩健的解決方案，但在擴展到多個站點或探索多個設計場景時，會變得耗時且不一致。

為了實現大規模部署，熱泵集成必須從手工、體驗驅動的設計向系統化和自動化的工作流程演進。這種自動化可以利用熱力學推理識別技術上合理的作條件，而算法方法則處理復雜的配置和尺寸任務。通過將工程知識與計算智能結合，設計師可以在單一框架內快速評估多種選項。這種轉變并不取代人類的專業知識;它放大了它，使工程師能夠專注于戰略決策，而算法則承擔繁重的分析工作。編譯 陳講運

從專家設計到自動化集成

工業熱泵的集成是一項復雜的工程任務，需要在熱力學可行性、工藝兼容性和經濟性能之間取得平衡。傳統上，這一過程依賴于專家驅動的研究，工程師手動分析過程數據，以確定適合熱泵運行的熱源、熱匯和溫度水平。此類評估通常利用大復合曲線（GCC）來可視化過程的加熱和冷卻需求，并識別熱回收的機會。雖然這些方法提供了寶貴的見解，但高度依賴工程經驗，且在多個地點或場景中應用時可能耗時。

隨著工業脫碳的推進，對能夠系統評估大量集成機會的設計方法的需求日益增長。大規模應用傳統方法需要大量努力，且由于工業工藝的多樣性和邊界條件，可能仍可能忽視可行的方案。自動化框架可以通過將工藝數據、熱力學推理和算法工具結合，幫助識別可行且具成本效益的熱泵解決方案，從而應對這一挑戰。關鍵理念是從順序、由人主導的工作流程轉向能夠自動評估眾多潛在匹配的結構化系統。在此背景下，利用簡化熱力學模型測試廢熱源和過程熱需求的每種可能組合。這些模型估算所需的溫度提升和預期性能是否在實際作范圍內。技術上不現實或效率低下的配置可以在流程早期排除，只剩下需要詳細調查的配置。

這種熱力學篩選作為透明濾波器，縮小設計空間，確保后續優化聚焦于有意義的案例。圖1展示了造紙廠的大復合曲線示例，其中夾點上下的區域代表高溫熱泵潛在的熱源和熱匯區。此類剖面為自動篩查奠定基礎，清晰勾勒出可行的溫度區間，幫助識別最有前景的整合水平。

圖1。大復合曲線，顯示熱泵集成的潛在熱源和熱匯區域。

熱力學可行性與工藝匹配

自動化設計的核心要素是熱力學可行性的評估。簡化模型不對所有可能配置進行詳細測試，而是利用工藝流的溫度數據估算給定的源匯對是否兼容熱泵運行。以理想卡諾循環為參考，這些模型近似理論性能的最大值，并識別在給定效率閾值內保持現實的溫度提升范圍。

通過將這些信息映射到所有工藝流，該框架生成了可能連接的熱源和熱匯的系統圖景。需要過高溫度升舉或導致性能不佳的對應，可以自動過濾掉。結果是減少了技術上合理的選項，這些選項構成了進一步系統級評估的基礎。這種方法加快了評估速度并提高了一致性，使得使用統一的熱力學標準能夠公平比較多個場地或工藝場景。

上層結構與整合框架

一旦確定了可行的溫度水平和源匯組合，接下來的挑戰是確定如何配置一個或多個熱泵以滿足工藝需求。工業設施通常包含多個不同溫度和負載的供暖和制冷流，使得人工評估所有可能的配置變得困難。

基于超結構的框架通過在單一模型中表示所有潛在配置來應對這一挑戰。每種配置描述了連接蒸發器和冷凝器的特定方式，可能包括中間熱交換器或不同的工作流體。優化算法探索這些配置，以找到既能最小化總年度成本又滿足熱力學和運營約束的組合。

該概念如圖2所示，在不同熱泵配置下評估多個熱源和熱匯。隨后，算法選擇符合工藝要求的最具成本效益的配置。這種方法能夠一致評估技術績效和經濟表現，在同一分析框架內統一地評估可行性、效率和成本。通過將熱力學篩選和成本評估整合到一個結構中，上層建筑框架彌合了早期可行性與詳細設計之間的鴻溝。它使工程師能夠通過一個可復現的流程快速且透明地探索多種集成方案，該過程補充而非取代工程專業知識。

圖2。熱泵上層結構通過替代熱泵配置連接多個源頭/水槽。

結論

自動化工業熱泵的設計和集成可以顯著加快其部署速度，提高決策一致性。通過結合熱力學推理與算法探索，能夠高效識別多樣化工業流程中的可行溫度水平和最優系統配置。上層結構框架提供了一個統一的平臺，用于比較各種替代方案，在單一工具中平衡技術可行性和經濟性能。

除了單個項目外，這些方法還可以通過識別最具前景的電氣化工業供能機會，支持更廣泛的能源轉型策略。隨著計算方法的普及，自動化將越來越多地補充工程專業知識，實現工業用高溫熱泵系統設計的更快、更透明和數據驅動。

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