工业热泵发展白皮书（2023）

主编单位 中国节能协会热泵专业委员会 主要参编单位 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艾默生环境优化技术（苏州）有限公司重庆美的通用制冷设备有限公司珠海格力电器有限公司霍尼韦尔（中国）有限公司东方电气集团东方电机有限公司江森自控日立万宝压缩机（广州）有限公司 参编单位 德国国际合作机构（GIZ）青岛海尔空调电子有限公司福建雪人股份有限公司上海复洁环保科技股份有限公司苏州英华特涡旋技术股份有限公司安徽新沪屏蔽泵有限责任公司北京四季通能源科技有限公司河北博志热能设备有限公司苏州苏净安发空调有限公司广东碧涞节能设备有限公司深圳麦克维尔空调有限公司易快普（苏州）热能环保设备有限公司宁波奥克斯电气股份有限公司广东欧科空调制冷有限公司 技术支持单位 中电联电能替代产业发展促进分会中国节能协会节能服务产业委员会中国节能协会冶金工业节能专业委员会中国节能协会汽车工业节能专业委员会上海市能效中心清华大学能源与动力工程系清华大学山西清洁能源研究院北京大学能源研究院中国建筑科学研究院有限公司中国电力科学研究院有限公司 指导专家组 宋忠奎、王如竹、高屹峰、秦宏波、赵恒谊、杨汉、骆名文、赵欢欢、蔡超、刘华、郝志、尹玉霞、李凡 主要编写人员 胡斌、蔡宏、祝银海、张川、李效禹、成岭、韩艳春、王永、周宇、邹冠星、王钰钰、王应明、杨家祥、孙绪宏、柳玉林、林魁、周斌、方伟中、韩宗美、朱宁、叶小斌、熊丹、巫宗进、彭聪、曹俊杰、王成、李世刚、 吴迪、张希、原真、孟帆、孙小亮、郜学、胡仕平、王水、许海生 序 言 2020年9月22日第七十五届联合国大会一般性辩论中，中国国家主席习近平做出中国在2030年前碳达峰（二氧化碳排放达到峰值）、2060年碳中和（温室气体净零排放）的庄严承诺。实现碳中和、重构人与自然和谐关系的重任需要全世界各国精诚合作，在构建人类命运共同体的过程中，中国在全球气候治理中承担重大责任，展现非凡勇气，为世界共同迎战全球气候环境改变注入信心。 目前，工业用热消费占全国热力消费总量的比重超过60%，是我国热力消费的主要领域。我国工业消耗的能源有一半以上以废气和废水的形式转化为余热，其中只有30%被重新利用，这是能源利用效率低下的原因之一；而热泵可以通过对工艺过程中的废热进行回收再利用，从而大大节省能源消耗和相关的二氧化碳排放。随着非化石能源发电所占份额的不断增加，利用电力驱动的工业热泵是实现绿色低、可持续发展的必然选择。 工业热泵的价值在于其通过使用低碳电力减少供热碳排放的能力，和通过提供大规模灵活性支持电力脱碳工作的潜力，以及降低平衡电力系统和在用户端消耗热能的成本。因此，随着可再生电力的普及，工业热泵可以显著实现工业加热和用电终端的脱碳。 工业热泵在众多工业用热部门如农副食品加工、食品制造、酒、饮料和精制茶、纺织、木材加工、造纸、石油与煤炭、设备制造和汽车制造等，都具有广泛的应用前景。 中国节能协会热泵专业委员会、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，以及本白皮书的参编单位等，这些年为推动工业热泵的政策制定、示范应用、技术发展和产品进步等做了很多工作。在本白皮书中详细介绍了工业热泵的供热和减碳潜力，分析了其投资价值和面临的主要障碍。相信白皮书的发布，将为制定相关政策激励提供有价值的参考，为技术发展和产品进步提供方向，促进工业热泵行业的快速发展壮大。 摘 要 我国作为当今世界最大的制造业国家，工业能耗约占社会总能耗的2/3，实现碳中和目标的关键之一在于有效控制工业碳排放。热泵是将环境热能和工业余热回收并用于热能生产的装置，通过这种装置，可以大幅消减能源消耗和相关的碳排放。 白皮书从碳中和背景、工业热泵技术发展、工业热泵经济性分析、工业热泵市场潜力与节能减碳效益、工业热泵应用典型案例和企业发展现状等角度，全面探讨了工业热泵对于工业用热节能减碳的巨大价值。 白皮书探讨了工业热泵的关键技术发展：其中系统循环理论已较为成熟，热泵压缩机技术在大流量、大压比及高温升领域不断取得突破，基于自然工质的低GWP工质技术也取得长足进步；基于HFO与HCFO工质的低GWP工质技术开发与商业化还有待进一步加强。 工业热泵在众多用热工业部门如农副食品加工、食品制造、酒、饮料和精制茶、纺织、木材加工、造纸、石油与煤炭、设备制造和汽车制造等，都具有广泛的应用前景。白皮书在对工业冷却水、废热水及乏汽这三类典型的工业余热采用工业热泵进行回收，制备热水、热风或蒸汽，并对标电锅炉或燃气锅炉进行了经济性分析，结果表明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。 白皮书对工业热泵在我国19个典型用热工业部门的热泵供热潜力进行了预测，考虑200°C以下的热汇温度，基于COP平均值3.275，工业热泵每年可节能51.121亿GJ，在非化石能源发电量分别占比34%、50%、70%的情境下，分别减少3.261、4.018、4.965亿吨二氧化碳排放量。 白皮书还根据国内外工业热泵企业的调研，给出了国内外典型应用案例，内容涵盖了主要的工业领域，具有非常好的示范和引领作用。 最后，白皮书对工业热泵推广应用的主要障碍进行了总结，包括技术(供热行业的密集电气化带来的电网限制)、经济(高投资和安装成本)、监管(缺乏标准和强制性政策)，政策(国内经济形势及国际大环境的不确定性)，以及公众接受问题(工业热泵的普及程度不足)。为推进工业热泵的发展，助力实现碳中和，提供了切实可行的方向。 目 录 序言1 1.1碳中和背景1.2我国工业能耗现状1.3工业热泵定义1.4工业热泵对碳中和的意义1.5国内外现有政策和法规参考文献5556610 2工业热泵技术与发展11 2.1工业热泵系统类型2.2工业热泵用压缩机2.3工业热泵用工质2.4工业热泵用其他设备参考文献1115192426 3工业热泵经济性分析28 3.1工业冷却水源热泵3.2废热水源热泵3.3乏汽源热泵参考文献29303236 4工业热泵市场潜力与节能减碳效益37 4.1市场潜力4.2节能减碳潜力分析4.3市场障碍参考文献37414343 5工业热泵市场应用与典型案例45 5.1农副食品加工业5.2食品制造业5.3酒、饮料和精制茶制造业454546 46474748484849575.4纺织业5.5木材加工业5.6造纸和纸制品业5.7化学原料和化学制品制造业5.8汽车制造业5.9其它5.10典型案例参考文献 596工业热泵企业现状 59667072726.1中国企业6.2欧美企业6.3日本企业6.4结论参考文献 73747.1总结与结论7.2建议与展望 工业热泵发展白皮书 1背景 1.1碳中和背景 自工业革命以来，地球的自然平衡受到前所未有的冲击。碳循环体系首当其冲，碳源和碳汇平衡被打破，大气层中的碳不断累积，引发了世界对全球变暖、海平面上升等后果的思考。面对日益严峻的气候危机挑战，早在2014年11月12日，中美双方在共同发表《中美气候变化联合声明》中便提出了中国2030年左右二氧化碳排放达到峰值且争取尽早达峰的计划；2015年11月30日，中国政府向联合国提交《强化应对气候变化行动——中国国家自主贡献》报告，正式确定2030年左右二氧化碳排放达到峰值并争取尽早达峰的目标。2020年9月22日第七十五届联合国大会一般性辩论中，中国国家主席习近平做出中国在2030年前碳达峰（二氧化碳排放达到峰值）、2060年碳中和（温室气体净零排放）的庄严承诺，并在气候雄心峰会上进一步宣布，到2030年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右，森林蓄积量将比2005年增加60亿立方米，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。实现碳中和、重构人与自然和谐关系的重任需要全世界各国精诚合作，在构建人类命运共同体的过程中，中国在全球气候治理中承担重大责任，展现非凡勇气，为世界共同迎战全球气候环境改变注入信心。 1.2我国工业能耗现状 随着发展中国家劳动力廉价优势的显现，传统工业化国家大多已完成其工业生产向发展中国家的转移，工业能耗比重随之大幅降低，而新兴工业化国家的工业能耗占比则显著增加。中国作为当今世界最大的制造业国家，根据国家统计局数据，工业能耗约占社会总能耗的2/3。 目前，工业用热消费是我国热力消费的主要领域。与居民采暖市场明显的季节性不同，工业用热需求呈现为连续性特征，且对蒸汽参数要求较高，蒸汽需求量更大。近年来，随着我国工业的稳步发展，工业用热需求逐年上升。 在工业过程中，尽管不断引入节能措施，大量余热在生产过程中仍以气、液、固形式排放造成散失。在我国，大量的工业能耗以各种形式的余热被直接排放，而这种浪费的能量可以在同一工业场地内用作热源。热泵是将环境热能和工业余热回收并用于热能生产的装置，通过这种装置，可以大幅消减能源消耗和相关的二氧化碳排放。 1.3工业热泵定义 热泵（Heat Pump）是一种在电能或热能等驱动下，将低温热源的热能转移到高温热源的节能装置，从而为住宅、商业和工农业等提供供热服务。工业热泵是指中、高功率范围内的热泵，主 工业热泵发展白皮书 要可用于工业过程中的热回收和热升级，也可用于工业、商业和多户住宅建筑中的供暖、制冷和空调，以及区域供暖。工业热泵作为一种主动热回收装置，可将工业过程中的废热温度提高到更高的温度，以用于同一过程或其他相邻过程的热需求。因此，当传统的被动热回收不可行时，可以利用热泵促进节能。 1.4工业热泵对碳中和的意义 为了推动碳中和的实现，需要“五碳并举”。第一，资源增效减碳：达到同样的经济目标，并将能源需求降到最低。第二，能源结构降碳：大幅提升非化石能源比例。第三，地质空间存碳：通过碳捕集利用和封存来减排部分二氧化碳。第四，生态系统固碳：通过各种生态建设手段，巩固和增加二氧化碳的碳汇能力。第五，市场机制融碳：碳市场会通过市场机制来推动各类技术更合理有效地应用。其中，“能源结构降碳”是减碳幅度最大的一个方面，大力促进风光等可再生能源发展、改变产业用能结构等，将推动中国能源结构深度转型。 根据《网易研究局碳中和报告》，2020年全年中国共排放103.76亿吨二氧化碳，其中工业排放占比近50%，排放量达到了51.63亿吨，因此实现碳中和目标的关键在于有效控制工业碳排放。工业部门的脱碳手段包括：(1)提高工艺效率和利用新工艺来减少最终能源消耗；(2)余热回收；(3)使用可再生能源代替化石能源。 我国工业消耗的能源有一半以上以废气和废水的形式转化为余热，其中只有30%被重新利用，这是能源利用效率低下的原因之一；而热泵可以通过对工艺过程中的废热进行再利用，从而大大节省能源消耗和相关的二氧化碳排放。随着可再生能源发电所占份额的不断增加，利用电力驱动的工业热泵是实现更可持续产业的有力选择。更具体地说，热泵的实施既可以显著提高能源效率，也可以吸收可再生能源。 工业热泵的价值在于其通过使用低碳电力减少供暖碳排放的能力，和通过提供大规模灵活性支持电力脱碳工作的潜力，以及降低平衡电力系统和在用户端消耗热能的成本。因此，随着可再生电力的普及，工业热泵可以显著推动热量和电力的脱碳。 1.5国内外现有政策和法规 热泵技术凭借高效节能、环保安全等优势，受到多地政府的支持与推广，在供暖、生活、热水、烘干、工业等应用领域具有广阔的发展前景。 参考文献 [1]国家统计局. 2022年中国统计年鉴[M].北京：中国统计出版社, 2022.[2] International Energy Agency. Application of Industrial Heat Pumps, Part 1[R]. Sweden: IEA HeatPump Centre, 2014.[3] Hu B, Liu H, Jiang J, et al. Ten megawatt scale vapor comp