摘要：在推進(jìn)“雙碳 ”戰(zhàn)略背景下，終端用能電氣化是大勢(shì)所趨。高溫蒸汽在工業(yè)領(lǐng)域需求量大，如何利用電能以高效節(jié)能的方式獲取高溫工業(yè)蒸汽仍是難點(diǎn)熱點(diǎn)問(wèn)題。本文闡述了高溫工業(yè)蒸汽熱泵行業(yè)發(fā)展的重要意義及國(guó)內(nèi)有關(guān)進(jìn)展，指出高溫工業(yè)蒸汽熱泵將成為未來(lái)解決工業(yè)生產(chǎn)用熱需求的重要新型技術(shù)路線，而且能夠帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)變革，催生新質(zhì)生產(chǎn)力。建議強(qiáng)化高溫工業(yè)蒸汽熱泵產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略定位、加大科技投入、推動(dòng)典型示范、加強(qiáng)政策支持，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展。

關(guān)鍵詞：熱泵；高溫工業(yè)蒸汽；高效節(jié)能；新質(zhì)生產(chǎn)力

一、高溫工業(yè)蒸汽熱泵的產(chǎn)生背景

2020年9月22日，習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上鄭重承諾：我國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取 2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。在推進(jìn)“雙碳”戰(zhàn)略的背景下，我國(guó)能源生產(chǎn)和消費(fèi)領(lǐng)域正在發(fā)生革命性變化。能源生產(chǎn)轉(zhuǎn)向清潔低碳生產(chǎn)，由火力發(fā)電為主的電 源結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)為可再生能源發(fā)電為主。終端能源消費(fèi)向電氣化轉(zhuǎn)型，根據(jù)《中國(guó)電力行業(yè) 年度發(fā)展報(bào)告2023》預(yù)計(jì)，到2030年我國(guó)電氣化進(jìn)程將進(jìn)入中期轉(zhuǎn)型階段，帶動(dòng)電能占終端能源消費(fèi)比重達(dá)到35%左右，工業(yè)、建筑、交通等終端用能部門電能替代不斷加強(qiáng)。

熱能作為重要的終端能源，全社會(huì)需求量巨大，廣泛應(yīng)用于建筑供暖、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，一般以熱水、蒸汽為載體。當(dāng)前，中低溫用熱需求大都可通過(guò)不同類型熱泵解決，高溫工業(yè)蒸汽的低碳、高效、節(jié)能制取技術(shù)路徑已成為供熱領(lǐng)域各方廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。從發(fā)展歷程來(lái)看，我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域熱能供應(yīng)以燃煤鍋爐為主，污染物和二氧化碳排放較高，在環(huán)境治理要求下，燃煤鍋爐使用受到了很大限制，為此很多地方換成了天然氣鍋爐或熱電聯(lián)產(chǎn)來(lái)供應(yīng)工業(yè)蒸汽。從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，在實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)和 美麗中國(guó)建設(shè)目標(biāo)的要求下，燃煤熱電廠規(guī)模增長(zhǎng)有限，天然氣供熱受價(jià)格較高、氣源不夠穩(wěn)定等影響，亦較難成為高溫工業(yè)蒸汽的最終供應(yīng)方式。

 結(jié)合終端用能電氣化、電源結(jié)構(gòu)低碳化發(fā)展趨勢(shì)，利用電能生產(chǎn)高溫工業(yè)蒸汽，已成為業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可的關(guān)鍵、核心技術(shù)路徑。但是，如何以更加節(jié)能高效的方式把電能轉(zhuǎn) 為熱能，需要持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)突破。在上述背景下，利用熱泵原理高效生產(chǎn)高溫工業(yè)蒸汽，被認(rèn)為是一項(xiàng)可行的技術(shù)方向，具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>

      二、高溫工業(yè)蒸汽熱泵定義及發(fā)展近況

      (一)定義

熱泵是一種通過(guò)熱力學(xué)逆循環(huán)連續(xù)地將 熱量從低位熱源轉(zhuǎn)移到高溫物體或者介質(zhì)，并用于制取熱量的裝置，一般采用電力驅(qū)動(dòng)，其核心特點(diǎn)是節(jié)能低碳高效，消耗一度電可以帶來(lái)相當(dāng)于多度電的熱量，可應(yīng)用于建筑 供暖以及居民生活熱水、工業(yè)蒸汽、烘干、新能源汽車等領(lǐng)域。工業(yè)熱泵是指中、高功率范圍內(nèi)的熱泵，多用于工業(yè)過(guò)程中余熱回收升級(jí)利用，可提高工業(yè)過(guò)程中的廢熱溫度，以滿足同一過(guò)程或其他相鄰過(guò)程的熱需求。根據(jù)工業(yè)應(yīng)用的溫度要求，可將熱泵分為四種不同的類型：低溫?zé)岜?供熱溫度<60°C)、中溫?zé)岜?供熱溫度60~100°C)、高溫?zé)岜?span style="margin:0px;padding:0px;outline:0px;max-width:100%;box-sizing:border-box !important;overflow-wrap:break-word !important;font-family:mp-quote, -apple-system-font, BlinkMacSystemFont, "Helvetica Neue", "PingFang SC", "Hiragino Sans GB", "Microsoft YaHei UI", "Microsoft YaHei", Arial, sans-serif;font-size:var(--articleFontsize);letter-spacing:0.034em;">(供熱溫度100~160°C)和超高溫?zé)岜?供 熱溫度≥160°C)，本文所述高溫工業(yè)蒸汽 熱泵指應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，制取高溫和超高溫工業(yè)蒸汽時(shí)所采取的熱泵技術(shù)。

      (二)技術(shù)和市場(chǎng)發(fā)展近況

      從技術(shù)進(jìn)展上看，2020年以來(lái)，我國(guó)高溫工業(yè)蒸汽熱泵主要采用多級(jí)復(fù)疊壓縮循環(huán)技術(shù)，提取空氣中蘊(yùn)含的低溫?zé)崃俊a(chǎn)生高溫?zé)崴?，生成低壓水蒸氣并送入水蒸氣壓縮機(jī)組中增壓升溫，最終實(shí)現(xiàn)高溫水蒸氣輸出，能夠以高效節(jié)能的電能替代方式制取160°C以內(nèi)的工業(yè)蒸汽。從節(jié)能效果上看，生產(chǎn)120°C工業(yè)蒸汽時(shí)，系統(tǒng)制熱性能系數(shù)(COP)可實(shí)現(xiàn)大于2，是電熱鍋爐效率的2倍以上;生產(chǎn)160°C工業(yè)蒸汽時(shí)，COP大于1.5，是電熱鍋爐效率的1.5倍以上。從技術(shù)經(jīng)濟(jì)性上看，高溫工業(yè)蒸汽熱泵采用空氣源 制備 120°C蒸汽，以年運(yùn)行6000小時(shí)計(jì)，與電鍋爐相比，1~2年即可收回增加的投資成本;與燃?xì)忮仩t相比，3~4年可收回增加的投資成本;如果當(dāng)?shù)赜锌捎玫墓I(yè)余熱源(如工業(yè)冷卻水等)，則熱泵的效率更高、 經(jīng)濟(jì)性更好。

      當(dāng)前我國(guó)熱泵行業(yè)在理論研究、實(shí)驗(yàn)驗(yàn) 證、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、工程應(yīng)用等方面取得豐碩成 果，在民用與商用熱泵領(lǐng)域逐步形成了完整 的產(chǎn)業(yè)體系，但在工業(yè)領(lǐng)域的高溫?zé)岜眉夹g(shù) 研發(fā)和產(chǎn)品商業(yè)化上，尚存在一定差距。國(guó) 內(nèi)中科院工程熱物理所、上海交通大學(xué)等科 研機(jī)構(gòu)以及美的、格力、海爾、冰輪環(huán)境等 多家行業(yè)龍頭企業(yè)，紛紛將高溫工業(yè)蒸汽熱 泵技術(shù)作為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新機(jī)遇，加快技術(shù)層 面的研發(fā)攻關(guān)，推動(dòng)實(shí)踐應(yīng)用。近年來(lái)，我 國(guó)已有多項(xiàng)高溫工業(yè)熱泵成功應(yīng)用案例，部分應(yīng)用案例情況見(jiàn)表。

      習(xí)近平總書記在2023年12月召開(kāi)的中 央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議上強(qiáng)調(diào)，要以科技創(chuàng)新推動(dòng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，特別是以顛覆性技術(shù)和前沿技術(shù)催生新產(chǎn)業(yè)、新模式、新動(dòng)能，發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力。高溫工業(yè)熱泵作為供熱領(lǐng)域的重大關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，既是替代化石能源消費(fèi)、節(jié)能高效解決未來(lái)工業(yè)生產(chǎn)用熱需求的主要路徑，也是未來(lái)綠色低碳產(chǎn)業(yè)重要的爆發(fā)點(diǎn)、增長(zhǎng)點(diǎn)。

 第一，高溫工業(yè)熱泵可節(jié)能高效、經(jīng)濟(jì)零碳解決未來(lái)工業(yè)生產(chǎn)用熱需求，是高質(zhì)量實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要技術(shù)支撐。高溫工業(yè)蒸汽熱泵通過(guò)對(duì)工業(yè)領(lǐng)域燃煤、燃?xì)忮仩t的替代，實(shí)現(xiàn)工業(yè)供熱電氣化轉(zhuǎn)變，結(jié)合可再生能源的發(fā)展，可為傳統(tǒng)工業(yè)的零碳轉(zhuǎn)型提供路徑。根據(jù)清華大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的調(diào)研測(cè) 算，當(dāng)前我國(guó)非流程工業(yè)用熱需求約63億吉焦(折合2.3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤)，占工業(yè)用熱需求的22%。其中，50% 都集中在150°C以下，90%集中在200°C以下。到2050年，預(yù)計(jì)非 流程工業(yè)用熱需求增長(zhǎng)1倍左右，約為125億吉焦。其中，低于150°C的用熱需求約76億吉焦，200°C以下的用熱需求約116億吉焦，這些用熱需求都可以通過(guò)使用高溫工業(yè)蒸汽熱泵，以更加節(jié)能低碳、環(huán)保經(jīng)濟(jì)的方式解決。

      此外，在更多利用綠電的情況下，可通過(guò)“熱泵+綠電”實(shí)現(xiàn)工業(yè)用熱高效零碳供應(yīng)。預(yù)計(jì)到2060年，如果使用綠電的比重達(dá)到80%，與燃煤鍋爐相比，高溫工業(yè)熱泵能夠減少燃煤消費(fèi)4億噸、減少二氧化碳排放10億噸;與燃?xì)忮仩t相比，可減少天然氣消費(fèi)3000億立方米、減少二氧化碳排放 6.3億噸;與電鍋爐相比，能夠減少電力消費(fèi)約1.6萬(wàn)億千瓦時(shí)。隨著工業(yè)熱泵技術(shù)的持續(xù)革新，如果以后能夠解決200°C以上的蒸汽需求，COP不斷提高，其帶來(lái)的節(jié)能減碳潛力將更 大，為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)提供堅(jiān)實(shí)支撐。

      第二，高溫工業(yè)熱泵發(fā)展將引領(lǐng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)變革，催生新質(zhì)生產(chǎn)力和綠色新動(dòng)能。高溫工業(yè)蒸汽熱泵將催生新一輪技術(shù)革命、產(chǎn)業(yè)革命，推動(dòng)工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。一方面，將顛覆原來(lái)的蒸汽生產(chǎn)模式，不再依靠燃煤、 燃?xì)忮仩t等設(shè)備，徹底解決化石能源燃燒帶 來(lái)的污染物排放和環(huán)保問(wèn)題，助力用熱企業(yè)實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。另一方面，高溫工業(yè)蒸汽熱泵技術(shù)將帶動(dòng)工業(yè)蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)生重大工藝變革，催生新一輪產(chǎn)業(yè)革命。按滿足未來(lái)116億吉焦/年的熱能需求測(cè)算，熱泵裝機(jī)將 達(dá)到6億千瓦左右，預(yù)計(jì)每年產(chǎn)業(yè)自身設(shè)備產(chǎn)值將達(dá)萬(wàn)億級(jí)，衍生出巨大綠色低碳產(chǎn)業(yè) 的增長(zhǎng)空間。同時(shí)，還可催生零碳造紙、零碳紡織、零碳飲料、零碳醫(yī)藥等一大批下游產(chǎn)業(yè)鏈的綠色低碳新質(zhì)生產(chǎn)力。

      (一)頂層設(shè)計(jì)指導(dǎo)關(guān)注度不夠

      高溫工業(yè)蒸汽熱泵還屬于新生事物，產(chǎn)業(yè)正在萌芽，工業(yè)企業(yè)能效提升等有關(guān)政策措施對(duì)其關(guān)注度有限。此外，當(dāng)前輕工業(yè)、化工、紙漿和造紙等行業(yè)對(duì)余熱回收利用的激勵(lì)措施不夠完善，在一定程度上影響高溫工業(yè)蒸汽的推廣滲透。

      (二)專業(yè)化定制性強(qiáng)

      高溫工業(yè)蒸汽熱泵的應(yīng)用，需要根據(jù)具體的生產(chǎn)工藝過(guò)程進(jìn)行專業(yè)化個(gè)性化的定制，甚至可能需要原有生產(chǎn)工藝的配合改進(jìn)。一方面，將提升熱泵制造成本、安裝成本、運(yùn)行與維護(hù)成本，進(jìn)一步拉長(zhǎng)投資回收周期; 另一方面，導(dǎo)致高溫工業(yè)蒸汽熱泵標(biāo)準(zhǔn)化、 規(guī)范化難度增大，不利于大規(guī)模批量化生產(chǎn)和管理，針對(duì)高溫工業(yè)蒸汽熱泵效率和可行性的評(píng)價(jià)難。

      (三)技術(shù)研發(fā)和示范項(xiàng)目有限

      根據(jù)有關(guān)研究，當(dāng)前供應(yīng)130°C以下工業(yè)蒸汽的技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟，更高溫度的熱泵技術(shù)還不夠成熟穩(wěn)定。此外，與歐美日等國(guó)家相比，我國(guó)工業(yè)熱泵的主要指標(biāo)(如供熱能力、供熱溫度及裝機(jī)數(shù)量)等仍有一定差距。在項(xiàng)目應(yīng)用上，歐美日等國(guó)家工業(yè)熱泵的典型應(yīng)用基本涵蓋了主要的制造業(yè)，我國(guó)的工業(yè)熱泵主要集中在農(nóng)副食品加工、煙草制品、醫(yī)藥制造、新能源等特色工業(yè)上，示范項(xiàng)目數(shù)量和類型較為有限。

      下一步，亟需進(jìn)一步強(qiáng)化高溫工業(yè)熱泵 的戰(zhàn)略定位，加強(qiáng)政策扶持引導(dǎo)，以打造綠色低碳產(chǎn)業(yè)、帶動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、培育發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力為目標(biāo)，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。

      (一)做好政策支撐，加強(qiáng)扶持和引導(dǎo)

      當(dāng)前各界對(duì)高溫工業(yè)蒸汽熱泵還不夠了解，認(rèn)識(shí)還不到位，需要將高溫工業(yè)蒸汽熱泵作為一項(xiàng)顛覆性、前沿引領(lǐng)技術(shù)和未來(lái)綠色低碳產(chǎn)業(yè)的重要增長(zhǎng)點(diǎn)，加強(qiáng)扶持和引導(dǎo)。建議研究制定全國(guó)工業(yè)用熱節(jié)能降碳規(guī)劃，綜合考慮不同行業(yè)高溫蒸汽的需求特點(diǎn)，形成高溫工業(yè)蒸汽節(jié)能高效解決方案和工作指南，提出時(shí)間表、路線圖，明確高溫工業(yè)蒸 汽熱泵的戰(zhàn)略定位、分場(chǎng)景應(yīng)用領(lǐng)域，加快落地實(shí)施。

      (二)加強(qiáng)科技投入，支持技術(shù)和裝備研發(fā)

      建議進(jìn)一步加大研發(fā)力度，設(shè)立相關(guān)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、技術(shù)研發(fā)中心，圍繞進(jìn)一步提升產(chǎn)熱溫度、提高制熱效率，組織產(chǎn)學(xué)研機(jī)構(gòu)聯(lián)合開(kāi)展科技攻關(guān)，推動(dòng)關(guān)鍵材料、壓縮機(jī)、 集成制造等方面工作持續(xù)創(chuàng)新與突破。同時(shí)， 研究匹配不同行業(yè)、不同參數(shù)用熱需求的技術(shù)裝備，建立技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，帶動(dòng)我國(guó)企業(yè)占領(lǐng)熱泵領(lǐng)域裝備制造業(yè)高地。加大對(duì)熱泵工質(zhì)的研究力度，研究國(guó)內(nèi)適宜的發(fā)展路線。

      (三)推動(dòng)典型示范，帶動(dòng)技術(shù)推廣應(yīng)用

      建議推動(dòng)在重點(diǎn)行業(yè)和場(chǎng)景建立關(guān)鍵示范工程項(xiàng)目，消除工業(yè)企業(yè)的應(yīng)用顧慮。支持通過(guò)合同能源管理、蒸汽托管等方式推廣應(yīng)用，充分利用工業(yè)企業(yè)乏汽、冷卻水等余 熱熱源，形成典型案例。此外，推動(dòng)優(yōu)化高效低碳供熱設(shè)備示范項(xiàng)目配電增容、節(jié)能審查等機(jī)制，助力示范項(xiàng)目盡快落地。

      (四)加強(qiáng)政策支持，扶持熱泵產(chǎn)業(yè)發(fā)展

      將高溫工業(yè)蒸汽熱泵作為重點(diǎn)創(chuàng)新性技術(shù)、顛覆性技術(shù)，列入已有的綠色低碳技術(shù)推廣目錄、國(guó)家綠色低碳先進(jìn)技術(shù)成果目錄和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄等，給予政策扶持。同時(shí)加快研究配套政策制度，對(duì)我國(guó)境內(nèi)的高溫?zé)岜蒙a(chǎn)企業(yè)實(shí)施技術(shù)研發(fā)和推廣應(yīng)用補(bǔ)助、低息貸款、稅收減免等優(yōu)惠政策，引導(dǎo)社會(huì)資本積極進(jìn)入。對(duì)率先使用高溫蒸 汽熱泵的工業(yè)企業(yè)，落實(shí)首臺(tái)套裝備支持政 策，推動(dòng)給予熱泵用電優(yōu)惠電價(jià)，研究按照項(xiàng)目節(jié)能降碳量給予補(bǔ)助獎(jiǎng)勵(lì)，減輕企業(yè)初始設(shè)備投入負(fù)擔(dān)和運(yùn)行成本，支持大規(guī)模推 廣應(yīng)用。