工业高温热泵推广应用关键因素分析

　　摘要：在“双碳”背景下，工业高温热泵因其清洁低碳、节能高效的特点，成为推动工业领域节能降碳的重要手段。本文介绍了高温热泵推广应用场景，从企业余热资源、设备生产制造、燃气电力价格、生产工艺规程、节能补贴政策等方面分析了高温热泵推广应用的关键因素，进而为工程实践提供指导和借鉴。

　　一、引言

　　工业领域能源消费约占全社会能源消费的65%，是我国实现碳达峰、碳中和的重点对象。热泵作为一种将热量从低温环境中提取并提升为高品位热能的高效清洁能源设备，在工业领域节能降碳发挥着重要作用。据预测，在工业生产中非工艺过程中产生的碳排放约25亿吨CO2，其中热泵可替代10亿吨CO2。在2022年发布的《工业领域碳达峰实施方案》中指出，重点对工业生产过程1000°C以下中低温热源进行电气化改造，积极推动开展高温热泵等电能替代，为高温热泵的推广应用提供了良好的政策环境。热泵根据其冷凝温度不同，可以分为常温、中温、中高温以及高温热泵。通常情况下，供热温度达到80°C以上热泵可以被称为高温热泵。按照其循环结构，高温热泵可以分为压缩式高温热泵、吸收式高温热泵、压缩—吸收混合式高温热泵。其中，吸收式高温热泵通常需要50°C以上的余热，应用于电厂锅炉烟气余热回收等领域。压缩式高温热泵对余热资源温度要求较低，在工业领域具有广泛的应用前景。本文重点围绕压缩式高温热泵，介绍其推广应用场景，并对影响高温热泵推广应用的关键因素进行了分析，以期对工程实践提供指导和借鉴。

　　二、高温热泵推广应用场景

　　食品、烟草、化工、造纸等行业在生产过程中存在大量100~150°C的用热需求，高温热泵可以将工业余热和环境热能回收并用于热水、热风、蒸汽生产，实现在上述温度区间对电锅炉、燃气锅炉等传统热源设备的替代。目前，国内外设备厂商已经开展了大量高温热泵工程实践，为高温热泵在工业生产、农产品加工等领域进一步推广应用奠定了基础。

　　（ 一 ）工业生产推广应用场景

　　在食品、饮料、化工、造纸等工业生产领域，高温热泵主要回收冷却塔或者生产工艺中30°C左右的低温余热资源用于再生产，热泵形式通常以高温水源热泵为主。例如天津某果汁企业合作，采用高温热泵，回收企业空压机、制冷机等设备产生的低温余热，生产85°C以上的热水用于预煮和喷淋后杀菌环节，实现了对燃气锅炉的电能替代，高温热泵实际运行达到3.5左右，用能成本较燃气锅炉下降50%以上。

　　（ 二 ）农产品加工推广应用场景

　　在烟草烘干、粮食烘干等农产品加工领域，由于缺少余热资源，高温热泵主要通过吸收环境中的热量用于产生热风，通常以高温空气源热泵为主。福建省某食品节能与环保企业与节能公司合作，采用分体复叠式特高温空气源热泵，利用高效冷凝器替换原换热器产生90~100°C热风，热泵机组的高效蒸发器放置在烘房排风处，用于回收排风热量，烘干成本比常规燃气锅炉节省50%。

　　三、高温热泵推广关键因素分析

　　高温热泵推广应用的关键在于其相较于燃气锅炉等传统热源设备是否经济可行，从当前工程实践看，其主要受企业余热资源、设备生产制造、燃气电力价格、生产工艺规程、节能补贴政策等因素影响。

　　（ 一 ）企业余热资源

　　高温热泵的与余热资源温度、余热资源稳定性、用热需求的稳定性等因素有关。在企业稳定生产的情况下，高温热泵的主要受到余热资源温度影响，当余热资源温度较低时，意味着热泵需要提供更大的温升。当温升为25°C时，热泵的COP可以达到5.8，当温升为130°C时，热泵的COP降低至1.6，大多数高温热泵在温升60°C左右的情况下，平均COP在3.3左右。在余热温度40°C的情况下，制备100°C热水的COP为2.94，在余热温度50°C的情况下，制备100°C热水的COP为3.78，机组效率提升29%。对于余热资源温度较低的场景，可以考虑与空压机余热相结合的方式，提高蒸发侧热源温度，从而提高高温热泵效率。

　　（ 二 ）设备生产制造目前，随着压缩机和制冷剂技术的不断突破，高温热泵在生产制造方面已不存在技术难题。

　　目前，国内已有部分品牌高温热泵的应用案例，国产设备厂家也有公开发布的高温热泵项目应用案例。目前，高温热泵的单位热量生产制造成本在1000~1500元/kW，考虑项目安装系数，高温热泵系统建设成本在2000~3000元/kW，未来随着高温热泵市场的不断增长和关键核心部件的逐渐成熟，建设成本将持续下降。

　　（ 三 ）燃气电力价格在燃气锅炉效率85%、燃气热值35.6MJ/立方米的情况下，燃气的单位热量（kWh）成本燃气可以表示为：C燃气=P燃气×3.6/35.6/85%=0.12P燃 气式中，P燃气为燃气价格，单位为元/立方米。高温热泵的单位热量（kWh）成本C热泵可以表示为：C热泵=P电力/COP=P电力/COP式中，P电力为电力价格，单位为元/kWh。设高温热泵的单位功率（kW）建设成本为P热泵，年运行小时数为h，则投资回收期PBP可以表示为：PBP=热泵/（（0.12P燃气－P电力/）取高温热泵单位建设成本为2500元/kW，热泵COP为3.3，则高温热泵投资回收期可以表示为：=2500/(（0.12P燃气－0.3P电力）×h)定义热泵替代系数为:P替代系数=P燃气－2.5P电力在投资回收期要求小于3年的情况下，当设备年运行小时数为5000h时，需P替代系数>1.4；当设备年运行小时数为8000h，需P替代系数>0.87。统计了国内部分城市燃气价格和电力价格，大部分城市的热泵替代系数大于1.4，满足高温热泵替代的基本条件，其中，郑州、合肥、太原、杭州等城市热泵替代系数在3.0左右，是开展高温热泵替代的优先区域。北京、上海、南京、西宁等城市因燃气价格较低，热泵替代系数较低，在推广应用过程中，应密切关注企业生产运行情况，如企业全年运行小时数大大超过5000h，也可以在实践中大力推广高温热泵设备。

　　（ 四 ）生产工艺规程

　　高温热泵是对企业现有工艺规程中加热设备的替代，在改造过程中需与现有生产工艺规程和控制系统相结合。以中药企业为例，在中药浓缩过程中可以采用高温热泵与真空泵相结合的方式，降低蒸发温度，但是浓缩温度的改变意味着生产工艺流程的改变，需报药品管理部门审批。以乳制品企业为例，在牛奶生产过程中需要利用75~90°C的热水进行巴氏杀菌，该部分热水可以采用高温热泵作为替代热源。目前，主流乳制品企业的核心生产控制系统由外资企业负责设计及维护，新增高温热泵等设备的控制系统需与外资企业沟通，嵌入到原有生产控制系统中，在实际操作过程中存在较大难度。在区域供暖、热水制备、热泵烘干等领域，通常不需要与原有系统相结合，在推广应用时更加容易。

　　（五）节能补贴政策高温热泵节能减排作用效应明显

　　按照单位电力折标煤系统3.05tce/万kWh，碳排放因子6.04tCO2/万kWh；天然气折标煤系数13.3tce/万Nm³、碳排放因子21.61tCO2/万Nm³测算，在高温热泵COP达到3.3的情况下，单位热量节约标煤31%，减排二氧化碳15%。目前，各地节能补贴政策主要与节约标煤或者减排二氧化碳量挂钩，北京市部分地区按照200元/tCO2的标准给予节能补贴，天津市按照400元/tce的标准给予节能补贴。以单位千瓦设备全年运行5000h为例，全年产热量5000kWh，高温热泵全年耗电量1515千瓦时，折合标煤0.4620吨，排放二氧化碳0.9151吨。同等热量需消耗天然气505立方米，折合标煤0.6716吨，排放二氧化碳1.1129吨。全年节约标煤0.2096吨，减排二氧化碳0.1978吨。按照天津节能补贴标准，可获节能补贴83.84元，约占建设成本2500元的3.35%，补贴力度明显不足，不利于高温热泵推广。为加快高温热泵推广进度，还需针对高温热泵出台针对性的节能补贴政策。

　　四、结论与展望

　　本文分析了高温热泵推广应用的关键因素，为高温热泵的推广应用提供借鉴。目前，由于受高温热泵投资成本较高、示范项目宣传较少等因素影响，高温热泵的推广应用仍处于初始阶段。在“双碳”目标背景下，随着高温热泵技术不断突破，未来，通过高温热泵与常规空气源热泵、风电、光伏、储能等技术互补，基本可以满足工业企业1000°C以下的用热需求，全电驱动下的零碳工厂将成为现实。

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