废热回收

在赫尔辛基的一座公园下,在岩石底部的洞穴中,一排大型热泵从城市经过处理的废水和区域冷却网络回流的水中吸取热量,并将其输送到供暖家庭的区域供热系统。 The Katri Vala plant, run by the city’s energy company Helen, produced 570,000 MWh of heat in 2017 from five large heat pumps, and a sixth, added in 2021, was expected to raise that by up to 200,000 MWh a year; its capacity reached about 123 MW (Wikipedia, Energy in Finland, citing Helen, 2018). 热度已经在那里。 曾经流入波罗的海。

废热是最大的”能源来源”没有人计算。 一项2016年的研究估计 72%的世界一次能源在转换后损失,主要是作为热量,而这 63%的废热流低于100°C (福曼等人,2016年). 第二个数字是重要的。 冷却的热量几乎对发电毫无用处,但对于加热建筑物却非常有用。 本页解释了为什么,以及使用它需要做些什么。

什么是

废热回收意味着捕获工艺中无论如何都会释放出来的热量,并将其输送到需要热量的地方。 它有三种常见形式:

• 直接使用。 工厂、焚化炉或发电站的热水或气体通过热交换器进入区域供暖网络或其他过程。 这就是丹麦和瑞典大部分供热网络的起源。
• 热泵在冷源。 污水,数据中心,超市,地铁隧道和冷却水只有10至40°C。 大型热泵将热量提升到网络所需的60至90°C,而使用的电力远低于锅炉。
• 发电 窑炉、炉子和发动机的热排气通常高于200°C,可以驱动蒸汽涡轮机或有机兰肯循环(ORC ) , 这是一种使用比水沸点低的流体的小型涡轮机。

它是如何工作的

The value of heat is set by its temperature. One kWh of heat at 30 °C and one kWh at 600 °C are the same amount of energy but not the same resource. 卡诺效率,任何能将热量转化为功的发动机的最高值,是η = 1 − T_cold / T_hot,温度以开尔文为单位。 环境温度为25°C(298 K)时：

• 30°C(303 K)时的热量：1 − 298/303 = 1.6%
• 90°C(363 K)时的热量：1 − 298/363 = 18%
• 300°C(573 K)时的热量：1 − 298/573 = 48%

真实机器达到的上限不到一半。 有机兰肯循环,从中等热量回收电力的通常选择,通常转换大约5%到20%的热量,随着其温度上升(Quoilin等人，2013年). 低于80°C左右,发电很少值得机器。

热泵的工作原理是相反的。 热泵的天花板是 COP = T_hot / (T_hot − T_cold):升降机越小,每单位电力产生的热量就越多。 将30°C的数据中心热量提升到80°C时,卡诺效率约为6.4;真正大型的热泵则达到一半左右,约为3。 是的 100 kWh的30 °C废热加上约45 kWh的电力,就会产生约145 kWh的网络热量。 电力不会被浪费:它最终也会成为热量。

距离是另一个制约因素。 热量的移动成本很高。 管道、沟渠和泵送的每千瓦时成本远高于电缆，而且热水在途中会失去热量。 当热能用户靠近热源,或者当热网已经经过时,废热是有价值的。 现代”第四代”网络在较低的温度下运行(约50至70°C)以便能够使用更多的低等级热量(Lund等人，2014年).

时间是第三个。 数据中心全年都会产生热量;家庭在冬天需要大部分的热量。 网络通过储热、其他热源以及在夏季倾倒无法使用的热量来平衡这一点。

限制

• 温度。 大多数废热对于电力来说太冷了。 卡诺方程是不可讨价还价的。
• 距离。 一个远离任何热量用户的源头实际上是没有价值的,不管多大。
• 时间不匹配。 工业和数据中心的热量是稳定的;供暖需求是季节性的,在寒冷的早晨达到高峰。
• 可靠性和合同。 网络不能依赖于可能关闭的工厂或可能迁移的数据中心。 合同、备份能力和风险分担与工程一样重要。
• 效率第一 最好的废热是不产生的热量。 更好的流程和高效的服务器减少了可用于恢复的内容,这是一件好事。

实际项目，计量

项目	何时、何地	热源和规模	报告内容
Katri Vala 供暖和制冷厂	芬兰赫尔辛基,2006年起,此后扩大	经处理的废水和区域冷却回水,岩洞中的大型热泵	570,000 MWh of heat in 2017 from five heat pumps; a sixth from 2021 adds up to 200,000 MWh a year; about 123 MW in total (Helen, 2018; Wikipedia)
与 Fjernvarme Fyn 合作的 Meta Odense 数据中心	丹麦欧登塞,2020年起	服务器热量通过热泵输送到城市网络	Goal: 100,000 MWh of heat a year, enough for 6,900 homes (Meta, 2020)
斯德哥尔摩数据中心	瑞典斯德哥尔摩,2017年起	斯德哥尔摩 Exergi 从数据中心为城市网络购买热能	一个”数据中心行业不浪费热量”的计划(斯德哥尔摩数据园)
北欧数据中心	芬兰、瑞典、丹麦、挪威	模拟电位	如果网络和价格允许,数据中心供热可以在北欧城市的区域供暖中占据显著份额 ( Wahlroos et al . , 2018)

两个政策信号表明了这一趋势的方向。 Germany now requires new data centres that start operating from July 2026 to reuse at least 10% of their energy, rising to 15% from July 2027 and 20% from July 2028, unless a heat-network agreement is in place (Energieeffizienzgesetz, section 11). 数据中心的发展也在迅速增长:国际能源机构估计,2024年它们使用了约415兆瓦时的电力,占世界电力的约1.5 % , 到2030年将达到945兆瓦时(IEA, Energy and AI, 2025 ) 。 几乎所有的电力最终都会以低温热量形式产生。

在丹麦、芬兰和瑞典,区域供热占据了热能市场的很大份额,这就是为什么它们在废热利用方面处于领先地位(Werner, 2017 ) 。 在其他地方,缺失的部分通常是网络,而不是热量。

什么是它的成本

Waste-heat recovery does not generate electricity, so the site-wide benchmark (rooftop solar at about $0.19 per kWh in our Fan Wall model, within Lazard’s June 2026 range of $0.09 to $0.20 for commercial rooftop solar) applies only to the small high-temperature cases that make electricity. 对于热量,竞争者是燃气锅炉。 使用相同的圆数字,我们 热存储设备 (批发天然气每兆瓦时35欧元,煤炭每吨70欧元,90%锅炉 ) , 天然气热成本约 每千瓦时5至6欧分.

通过大型热泵从低温源获得的热量,其成本是由COP分配的电力加上设备散发出来的热量。 大型热泵和连接的公布成本因地点而异,因此我们将以计算方式显示范围(20 年,7%实际折扣率,COP 3,不包括管道和连接 ) :

热泵每千瓦安装成本	电费每兆瓦时50欧元,每年3000小时	电费50欧元,6000小时	Electricity €100, 3,000 hours	电费100欧元,6000小时
€500	3.2c 非洲	2.4c 预算外	4.9c 预期成绩	4.1 c
€1,000	4.8c 预期成绩	3.2c 非洲	6.5 c	4.9c 预期成绩
€1,500	6.4 c	4.0c 预期成绩	8.1 c	5.7c 预算外

*每千瓦时热量的欧元分。 我们的计算:设备成本×0.0944÷小时+电价÷3 * 。

回收热量通常与天然气具有竞争力 当热泵每年运行多个小时,并且源是网络旁边。 其弱点是管道(新的几公里连接可能比热泵费用高)和源消失的风险。 直接使用热工业热,而不需要任何热泵,通常是网络可以购买的最便宜的热能。

从废热中发电则不同：ORC装置只能在热量高、稳定和自由的情况下竞争，即使如此，其输出也与进入的热量相比较小。

哪里可以赢,哪里不能

它可以赢得:

• 拥有供热网络的城市 毗邻数据中心、污水处理厂、地铁系统、超市和工厂。
• 工业园区,其中一个工厂的废热是另一个工厂的过程热。
• 新的数据中心 从一开始就设计为提供热水,特别是40至60°C的液体冷却。
• 高温工业 250°C以上的废气可驱动ORC或蒸汽涡轮机发电,或预热材料。
• 污水热,这是稳定的,靠近城市和在冬天可用。

它不能赢得:

• 远程源 附近没有热能用户:沙漠数据中心或孤立的工厂。
• 将低温热量转化为电能。 在30至60°C时,卡诺上限是几个百分点;没有任何小工具可以改变这一点。
• 没有热网的地方,直到有人建造一个。 网络,而不是热量,通常是真正的投资。
• 作为一个原因,以保持浪费的过程。 效率第一。

什么是证明,合理和推测

证明： 卡诺限制热能发电和热泵；在赫尔辛基、欧登塞和斯德哥尔摩从污水和数据中心大规模回收热量用于区域供暖；丹麦和瑞典的工业供热网络；从高温工业废气中回收电力的ORC装置。

可行: 欧洲大多数新建的大型数据中心都能提供可用热量,这得益于德国的规定;低温网络吸收了更多低级热量;液冷服务器提供50至60°C的水,几乎不需要或根本不需要热泵。

投机性： 80°C以下的热量产生经济上有意义的电力；在没有网络计划的城市进行热回收；普通废热表面上的热电板自我偿还。

开放式研究问题

• 制图。 废热在哪里、以什么温度和多少数量提供,与需要热量的地方相比? 开放的本地地图很少见。
• 合同和风险。 谁来支付连接费用，如果供应商关闭，谁来承担风险？
• 低温网络。 如何将现有的高温网络和建筑转换为运行更冷的系统。
• 热泵机组 从60至100°C的废热中为工业提供120至200°C的蒸汽。
• 季节性储存 将夏季的数据中心热量保留到冬天。
• 测量性能。 发布关于实际项目的供热、用电和成本的年度数据。

一个工作原型需要什么

热泵和热交换器已经成熟。 有用的创新是以低成本将能源与用户连接起来，在高温热泵和控制方面。 工作模型应向真实用户提供测量的热量。

阶段	工作	决定它能够	粗成本	时间
1. 热量审计	使用记录仪测量实际废物流的流量和温度数周;绘制1至2公里范围内的热用户图	是否有足够的热量,在有用的温度下,足够靠近用户?	$5k to $20k	1至3个月
2. 台式示范器	10至50千瓦的热交换器和热泵在真正的源头,与热量和电力计数器	实际流量下测量的COP、污染和可靠性	$30k to $150千	6至12个月
3. 试点连接	连接到一栋建筑物或一个小型网络,一年的数据,供热合同	每千瓦时热量的实际成本和合同模式	$0.3M to $2M型柴油机车	12至24个月

我们需要谁

• 区域供热工程师和网络运营商。
• 热泵专家,特别是对于大型和高温机器。
• 数据中心和工业能源经理 愿意分享温度和流量数据。
• 城市规划师和GIS分析师 绘制资源和用户。
• 律师和经济学家 设计公平分担风险的热合同。
• 工艺工程师 用于污水和烟气等污染流体上的热交换器的污垢、腐蚀和清洁。

还有更好的主意吗?

基金会的一些成员可能有联系人,可以听到一个强大的能源想法。 要想被投掷,一个想法需要一个 一个工作的,真实的模型,它能够产生电力对于热回收的想法,这意味着一个模型提供测量的热量或电力,其输出和自己的能源使用记录在仪器上,不要求。 我们也欢迎您的论文想法:如果物理和数字是坚实的,我们可以在这里发布它们。 但没有一个工作模式,筹集资金是非常困难的,这里没有什么是融资、回报或介绍的承诺。

通过贡献表格发送你的想法,并附上它解决的问题、物理检查、每千瓦时的大致成本以及可以证明它错误的最便宜的测试。 如果你有一个工作模型,请包括它的测量输出以及你如何测量它。 能源来源页面比较了这个和其他的想法雷达上的替代方案。

来源

1. 福曼,C.,穆里塔拉,I.K.,帕尔德曼,R.和迈耶,B. (2016). 估算全球废热潜能值。 可再生能源与可持续能源评论 57, 1568-1579.
2. 陳明（2018年）。 新的热泵将在赫尔辛基再次建成; 维基百科, 芬兰能源.
3. 目标(2020年)。 欧登塞数据中心:热回收.
4. 斯德哥尔摩数据中心 程序网站。
5. 选罗斯，M.，帕尔辛宁，M.，里内，S.，西里，S.和马纳，J. (2018). 废热利用的未来展望:北欧数据中心案例。 可再生能源与可持续能源评论82, 1749-1764.
6. 科伊兰，S.，范登布鲁克，M.，德克莱，S.，德瓦勒夫，P.和莱莫特，V. (2013). 有机兰肯循环系统的技术经济调查。 可再生能源与可持续能源评论 22, 168-186.
7. 隆德,H.,韦纳尔,S.,威尔特希尔,R.等人。 (2014). 4th Generation District Heating (4GDH). Energy 68, 1-11.
8. 维尔纳，S. (2017). 区域供暖和制冷国际审查。 能源137，617-631.
9. 德国(2023年)。 Energieeffizienzgesetz (EnEfG ) , 第11节:数据中心。
10. 国际能源机构(2025年)。 能源和人工智能.
11. Lazard (June 2026). 能源成本的平衡,版本19.
12. Local Solar System 基金会。 风扇墙开放模式:每千瓦时$ 0.19的屋顶太阳能基准。