发展工业蒸汽热泵 打造新质生产力

摘要：在推进“双碳 ”战略背景下，终端用能电气化是大势所趋。高温蒸汽在工业领域需求量大，如何利用电能以高效节能的方式获取高温工业蒸汽仍是难点热点问题。本文阐述了高温工业蒸汽热泵行业发展的重要意义及国内有关进展，指出高温工业蒸汽热泵将成为未来解决工业生产用热需求的重要新型技术路线，而且能够带动相关产业技术变革，催生新质生产力。建议强化高温工业蒸汽热泵产业的战略定位、加大科技投入、推动典型示范、加强政策支持，推动产业加快发展。

关键词：热泵；高温工业蒸汽；高效节能；新质生产力

一、高温工业蒸汽热泵的产生背景

2020年9月22日，习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上郑重承诺：我国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和。在推进“双碳”战略的背景下，我国能源生产和消费领域正在发生革命性变化。能源生产转向清洁低碳生产，由火力发电为主的电 源结构将转为可再生能源发电为主。终端能源消费向电气化转型，根据《中国电力行业 年度发展报告2023》预计，到2030年我国电气化进程将进入中期转型阶段，带动电能占终端能源消费比重达到35%左右，工业、建筑、交通等终端用能部门电能替代不断加强。

热能作为重要的终端能源，全社会需求量巨大，广泛应用于建筑供暖、工业生产等领域，一般以热水、蒸汽为载体。当前，中低温用热需求大都可通过不同类型热泵解决，高温工业蒸汽的低碳、高效、节能制取技术路径已成为供热领域各方广泛关注的热点问题。从发展历程来看，我国工业领域热能供应以燃煤锅炉为主，污染物和二氧化碳排放较高，在环境治理要求下，燃煤锅炉使用受到了很大限制，为此很多地方换成了天然气锅炉或热电联产来供应工业蒸汽。从发展趋势来看，在实现碳中和目标和 美丽中国建设目标的要求下，燃煤热电厂规模增长有限，天然气供热受价格较高、气源不够稳定等影响，亦较难成为高温工业蒸汽的最终供应方式。

 结合终端用能电气化、电源结构低碳化发展趋势，利用电能生产高温工业蒸汽，已成为业内普遍认可的关键、核心技术路径。但是，如何以更加节能高效的方式把电能转 为热能，需要持续的技术创新和技术突破。在上述背景下，利用热泵原理高效生产高温工业蒸汽，被认为是一项可行的技术方向，具有极大的发展潜力。

      二、高温工业蒸汽热泵定义及发展近况

      (一)定义

热泵是一种通过热力学逆循环连续地将 热量从低位热源转移到高温物体或者介质，并用于制取热量的装置，一般采用电力驱动，其核心特点是节能低碳高效，消耗一度电可以带来相当于多度电的热量，可应用于建筑 供暖以及居民生活热水、工业蒸汽、烘干、新能源汽车等领域。工业热泵是指中、高功率范围内的热泵，多用于工业过程中余热回收升级利用，可提高工业过程中的废热温度，以满足同一过程或其他相邻过程的热需求。根据工业应用的温度要求，可将热泵分为四种不同的类型：低温热泵(供热温度<60°C)、中温热泵(供热温度60~100°C)、高温热泵(供热温度100~160°C)和超高温热泵(供 热温度≥160°C)，本文所述高温工业蒸汽 热泵指应用于工业领域，制取高温和超高温工业蒸汽时所采取的热泵技术。

      (二)技术和市场发展近况

      从技术进展上看，2020年以来，我国高温工业蒸汽热泵主要采用多级复叠压缩循环技术，提取空气中蕴含的低温热量、产生高温热水，生成低压水蒸气并送入水蒸气压缩机组中增压升温，最终实现高温水蒸气输出，能够以高效节能的电能替代方式制取160°C以内的工业蒸汽。从节能效果上看，生产120°C工业蒸汽时，系统制热性能系数(COP)可实现大于2，是电热锅炉效率的2倍以上;生产160°C工业蒸汽时，COP大于1.5，是电热锅炉效率的1.5倍以上。从技术经济性上看，高温工业蒸汽热泵采用空气源 制备 120°C蒸汽，以年运行6000小时计，与电锅炉相比，1~2年即可收回增加的投资成本;与燃气锅炉相比，3~4年可收回增加的投资成本;如果当地有可用的工业余热源(如工业冷却水等)，则热泵的效率更高、 经济性更好。

      当前我国热泵行业在理论研究、实验验 证、产品开发、工程应用等方面取得丰硕成 果，在民用与商用热泵领域逐步形成了完整 的产业体系，但在工业领域的高温热泵技术 研发和产品商业化上，尚存在一定差距。国 内中科院工程热物理所、上海交通大学等科 研机构以及美的、格力、海尔、冰轮环境等 多家行业龙头企业，纷纷将高温工业蒸汽热 泵技术作为产业发展的新机遇，加快技术层 面的研发攻关，推动实践应用。近年来，我 国已有多项高温工业热泵成功应用案例，部分应用案例情况见表。

      习近平总书记在2023年12月召开的中 央经济工作会议上强调，要以科技创新推动产业创新，特别是以颠覆性技术和前沿技术催生新产业、新模式、新动能，发展新质生产力。高温工业热泵作为供热领域的重大关键技术创新，既是替代化石能源消费、节能高效解决未来工业生产用热需求的主要路径，也是未来绿色低碳产业重要的爆发点、增长点。

 第一，高温工业热泵可节能高效、经济零碳解决未来工业生产用热需求，是高质量实现“双碳”目标的重要技术支撑。高温工业蒸汽热泵通过对工业领域燃煤、燃气锅炉的替代，实现工业供热电气化转变，结合可再生能源的发展，可为传统工业的零碳转型提供路径。根据清华大学等研究机构的调研测 算，当前我国非流程工业用热需求约63亿吉焦(折合2.3亿吨标准煤)，占工业用热需求的22%。其中，50% 都集中在150°C以下，90%集中在200°C以下。到2050年，预计非 流程工业用热需求增长1倍左右，约为125亿吉焦。其中，低于150°C的用热需求约76亿吉焦，200°C以下的用热需求约116亿吉焦，这些用热需求都可以通过使用高温工业蒸汽热泵，以更加节能低碳、环保经济的方式解决。

      此外，在更多利用绿电的情况下，可通过“热泵+绿电”实现工业用热高效零碳供应。预计到2060年，如果使用绿电的比重达到80%，与燃煤锅炉相比，高温工业热泵能够减少燃煤消费4亿吨、减少二氧化碳排放10亿吨;与燃气锅炉相比，可减少天然气消费3000亿立方米、减少二氧化碳排放 6.3亿吨;与电锅炉相比，能够减少电力消费约1.6万亿千瓦时。随着工业热泵技术的持续革新，如果以后能够解决200°C以上的蒸汽需求，COP不断提高，其带来的节能减碳潜力将更 大，为实现碳中和目标提供坚实支撑。

      第二，高温工业热泵发展将引领传统产业变革，催生新质生产力和绿色新动能。高温工业蒸汽热泵将催生新一轮技术革命、产业革命，推动工业高质量发展。一方面，将颠覆原来的蒸汽生产模式，不再依靠燃煤、 燃气锅炉等设备，彻底解决化石能源燃烧带 来的污染物排放和环保问题，助力用热企业实现清洁生产。另一方面，高温工业蒸汽热泵技术将带动工业蒸汽动力系统发生重大工艺变革，催生新一轮产业革命。按满足未来116亿吉焦/年的热能需求测算，热泵装机将 达到6亿千瓦左右，预计每年产业自身设备产值将达万亿级，衍生出巨大绿色低碳产业 的增长空间。同时，还可催生零碳造纸、零碳纺织、零碳饮料、零碳医药等一大批下游产业链的绿色低碳新质生产力。

      (一)顶层设计指导关注度不够

      高温工业蒸汽热泵还属于新生事物，产业正在萌芽，工业企业能效提升等有关政策措施对其关注度有限。此外，当前轻工业、化工、纸浆和造纸等行业对余热回收利用的激励措施不够完善，在一定程度上影响高温工业蒸汽的推广渗透。

      (二)专业化定制性强

      高温工业蒸汽热泵的应用，需要根据具体的生产工艺过程进行专业化个性化的定制，甚至可能需要原有生产工艺的配合改进。一方面，将提升热泵制造成本、安装成本、运行与维护成本，进一步拉长投资回收周期; 另一方面，导致高温工业蒸汽热泵标准化、 规范化难度增大，不利于大规模批量化生产和管理，针对高温工业蒸汽热泵效率和可行性的评价难。

      (三)技术研发和示范项目有限

      根据有关研究，当前供应130°C以下工业蒸汽的技术发展相对成熟，更高温度的热泵技术还不够成熟稳定。此外，与欧美日等国家相比，我国工业热泵的主要指标(如供热能力、供热温度及装机数量)等仍有一定差距。在项目应用上，欧美日等国家工业热泵的典型应用基本涵盖了主要的制造业，我国的工业热泵主要集中在农副食品加工、烟草制品、医药制造、新能源等特色工业上，示范项目数量和类型较为有限。

      下一步，亟需进一步强化高温工业热泵 的战略定位，加强政策扶持引导，以打造绿色低碳产业、带动传统产业转型升级、培育发展新质生产力为目标，推动产业持续健康发展。

      (一)做好政策支撑，加强扶持和引导

      当前各界对高温工业蒸汽热泵还不够了解，认识还不到位，需要将高温工业蒸汽热泵作为一项颠覆性、前沿引领技术和未来绿色低碳产业的重要增长点，加强扶持和引导。建议研究制定全国工业用热节能降碳规划，综合考虑不同行业高温蒸汽的需求特点，形成高温工业蒸汽节能高效解决方案和工作指南，提出时间表、路线图，明确高温工业蒸 汽热泵的战略定位、分场景应用领域，加快落地实施。

      (二)加强科技投入，支持技术和装备研发

      建议进一步加大研发力度，设立相关重点实验室、技术研发中心，围绕进一步提升产热温度、提高制热效率，组织产学研机构联合开展科技攻关，推动关键材料、压缩机、 集成制造等方面工作持续创新与突破。同时， 研究匹配不同行业、不同参数用热需求的技术装备，建立技术标准体系，带动我国企业占领热泵领域装备制造业高地。加大对热泵工质的研究力度，研究国内适宜的发展路线。

      (三)推动典型示范，带动技术推广应用

      建议推动在重点行业和场景建立关键示范工程项目，消除工业企业的应用顾虑。支持通过合同能源管理、蒸汽托管等方式推广应用，充分利用工业企业乏汽、冷却水等余 热热源，形成典型案例。此外，推动优化高效低碳供热设备示范项目配电增容、节能审查等机制，助力示范项目尽快落地。

      (四)加强政策支持，扶持热泵产业发展

      将高温工业蒸汽热泵作为重点创新性技术、颠覆性技术，列入已有的绿色低碳技术推广目录、国家绿色低碳先进技术成果目录和产业结构调整指导目录等，给予政策扶持。同时加快研究配套政策制度，对我国境内的高温热泵生产企业实施技术研发和推广应用补助、低息贷款、税收减免等优惠政策，引导社会资本积极进入。对率先使用高温蒸 汽热泵的工业企业，落实首台套装备支持政 策，推动给予热泵用电优惠电价，研究按照项目节能降碳量给予补助奖励，减轻企业初始设备投入负担和运行成本，支持大规模推 广应用。