解读工业热泵发展白皮书2023--中国节能协会

为什么工业热泵被写进这份白皮书

白皮书由中国节能协会热泵专业委员会主编，上海交通大学制冷与低温工程研究所、上海诺通新能源科技有限公司等单位参编，另有德国国际合作机构（GIZ）、海尔、格力、霍尼韦尔等企业和清华大学、北京大学等机构支持。

材料从碳中和背景切入，指出工业部门是我国碳排放的关键领域。白皮书引用《网易研究局碳中和报告》数据：2020年中国共排放103.76亿吨二氧化碳，工业排放占比近50%，达到51.63亿吨。

白皮书把工业热泵定位为同时提升能效和消纳可再生能源的装置，认为随着可再生电力普及，它可以显著推动热量和电力的脱碳。

工业热泵到底是怎么分类和工作的

白皮书按供热温度把工业热泵分成四类：低温热泵（Tout<60°C）、中温热泵（60≤Tout<100°C）、高温热泵（100≤Tout<160°C）、超高温热泵（Tout≥160°C）。其中160°C被定义为高温与超高温的边界，因为超过这个温度可直接产生饱和温度160°C的高压水蒸汽，用于正常工业蒸汽工艺。

系统循环上，最常见的是单级蒸气压缩循环，还有带蒸气喷射或经济器的改进单级、多级压缩、复叠式以及混合热泵系统。白皮书提到，单级热泵连接、运行和维护简单，但压缩比低、温升受限；多级压缩可大大提高温升，适用于热源和热汇温差较大的场合。

技术成熟度方面，白皮书给出判断：供应温度低于100°C的工业热泵技术已十分成熟，100°C至200°C之间的技术当前处于开发和示范应用阶段，更高热汇温度的热泵技术需要进一步研究。

压缩机与工质：决定热泵能走多高的两个关键

白皮书用很大篇幅介绍了工业热泵用压缩机，包括往复、涡旋、滚动转子、罗茨、单螺杆、双螺杆和离心压缩机。其中往复压缩机在半程维护前可在高达200°C下工作40000小时；涡旋压缩机已有企业开发出达到120°C热汇温度的样机；离心蒸汽压缩机单级压缩最大温升可达20~25°C，双级可达40~45°C，且结构不受排气温度与排气压力限制，可用于250°C或更高温工况。

工质方面，目前R134a和R245fa应用成熟，但R134a的GWP达到1300，R245fa的GWP值为858，都面临被限制或淘汰的压力。未来方向是低GWP工质，包括HFOs（如R1336mzz(Z)、R1234ze(E)）、HCFOs（如R1233zd(E)、R1224yd(Z)）以及天然工质（水R718、二氧化碳R744、氨R717、碳氢化合物等）。

白皮书表2-1给出了参考替代路线：低温热泵可用R1234ze(E)或R290/R717/R744；高温热泵可用R1336mzz(Z)或R1233zd(E)/R1224yd(Z)；超高温热泵则指向R601、R718和乙醇。工质选择原则优先考虑GWP和ODP，首选ODP值为零和GWP小于150的工质。

投资回收期算给你看：哪类热源最划算

白皮书设定工业电价0.8元/度、工业燃气价格3.8元/m³、热泵年运行时间8000小时、贴现率5%进行经济性分析。结果显示，不同热源和工况下投资价值差异明显。

工业冷却水源热泵制备热水（热风）时，对标电锅炉所有投资回收期均小于1年；对标燃气锅炉，热汇温度不超过80°C时投资回收期不超过3年。废热水源热泵制备热水（热风）对标电锅炉同样全部小于1年，对标燃气锅炉所有回收期不超过3.5年。

表现最突出的是乏汽源热泵。白皮书结论是：乏汽温度大于80°C、热汇温度低于200°C时，对标电锅炉的投资回收期均可小于1年；对标燃气锅炉，温差小于60°C时回收期小于1年，温差大于60°C小于90°C时回收期小于3年。采用乏汽源热泵替代电锅炉的投资回收期均小于1年，具有极高的投资价值。

市场潜力：19个工业部门每年能省51亿GJ

白皮书基于中国统计年鉴数据，对19个典型用热工业部门进行用热需求测算。其中钢铁、化工、非金属矿物制品等行业用热需求以200°C以上为主，合计达到280.7亿GJ/年，这部分目前热泵技术无法覆盖。

考虑钢铁、有色金属等部门大量低温供热可由余热直接热交换满足，白皮书对热泵供热需求做了折减，得到中国19个典型用热工业部门的热泵供热潜力合计58.683亿GJ/年。其中纺织7.375亿GJ、金属制品5.506亿GJ、农副食品加工5.034亿GJ，位居前列。

在节能减碳方面，以燃煤锅炉效率85%、热泵平均COP为3.275测算，工业热泵每年可节能51.121亿GJ。减碳量按非化石能源发电量占比34%、50%、70%三种情景测算，分别减少3.261、4.018、4.965亿吨二氧化碳排放。2022年，我国非化石能源发电量占比已达到34%以上，随着可再生能源发展，热泵的减碳潜力还将进一步增大。

八大行业应用场景各有各的温度需求

白皮书逐一梳理了工业热泵在农副食品加工、食品制造、酒饮料和精制茶、纺织、木材加工、造纸、化工、汽车制造等行业的应用。各行业的适用温度区间不同：农副食品加工多为80~130°C，食品制造为80~160°C，酒饮料和精制茶为80~180°C，纺织为80~160°C，木材加工为100~180°C，造纸为100~180°C，化工为80~180°C，汽车制造为80~160°C。

材料给出了具体的工艺场景。比如：白酒生产中酿酒生产汽耗占其综合能耗的80%以上；印染企业印染废水温度可达130°C，热定型废气温度高达160~200°C；造纸工业一般采用140~180°C的饱和蒸汽；汽车涂装工艺是四大工艺中能耗最大的环节，可利用焊接和空压机余热作为涂装前处理热源。

这些案例说明，工业热泵并非万能，而是要在具体工艺温度和热源条件匹配的前提下才能发挥作用。

推广路上还有哪些障碍

白皮书总结的推广障碍包括技术、经济、监管、政策和公众接受五个方面。技术上，供热行业密集电气化会带来电网限制，高温可能增加高峰期电力需求，冬季供暖用电增加与冬季水电光电季节性削弱正好矛盾。

经济上，高投资和安装成本让投资方难以合理评估回收期。制造商对工业热泵应用过程了解不足，定制化设计导致高制造成本、高安装成本与低可靠性，进一步拉长回收期。

监管上缺乏标准和强制性政策，政策上国内经济形势及国际大环境存在不确定性，公众接受方面工业热泵普及程度不足。白皮书同时指出，随着市场增长和供热电气化稳步发展，热泵成本可能因制造规模经济和供应链改善而降低，制造商、供应商、工程师和用户在学习过程中也能提高现场性能、降低运营成本。

这张表反映了19个典型用热工业部门的能源消耗盘子。合计达到253932百万吨标准煤，折合785.768亿GJ。 黑色金属冶炼、化工、非金属矿物制品、石油与煤炭四个部门位居前四，合计占全部能耗的七成以上。这些部门的用热需求大量集中在200°C以上，目前热泵技术无法覆盖，属于白皮书识别出的“看得见但吃不到”的部分。 真正对热泵友好的，是纺织、农副食品加工、金属制品、通用设备制造等中低温用热占比较高的部门。白皮书的行业筛选逻辑，正是先看热量需求规模，再看温度水平是否落在热泵可及区间。

这组数据把三类热源在同口径下的表现放在一起对比。乏汽源热泵的COP最高，进汽80°C、供热100°C时达到13.17，这是因为乏汽本身就是接近目标温度的热源，热泵只需要提供很小的温升。 工业冷却水源热泵的COP在供热60°C时为5.28，废热水源在供热100°C时为3.78，都明显低于乏汽源，但仍然远高于电锅炉的1。 回收期方面，三类热源对标电锅炉都不超过0.44年，乏汽源更是低至0.32年。这组数据说明，热源温度越接近目标供热温度，热泵的能效优势越大，投资回收也越快。

这组数据把节能和减碳放在一起看。基于COP平均值3.275、燃煤锅炉效率85%的假设，19个典型用热工业部门合计年节能量为51.121亿GJ。纺织、金属制品、农副食品加工、化工和造纸是节能量最大的五个行业。 减碳量随非化石能源发电占比变化。34%占比时年减碳3.261亿吨CO2，50%时4.018亿吨，70%时4.965亿吨。电力越绿，热泵替代燃煤锅炉的减碳效果越明显。 这组数据的意义在于，它把工业热泵的价值从“省多少钱”扩展到了“减多少碳”。对于有碳减排考核压力的企业，这组数字可以作为评估工业热泵项目碳资产价值的参考依据。