1、工业高温热泵推广应用经济性浅析一、引言碳达峰碳中和理念逐渐深入人心，各行各业开启了绿色低碳生产生活的热潮，作为碳达峰碳中和主战场的工业领域，正积极通过多渠道多手段助力绿色低碳转型。热泵作为一种具有清洁高效特点的供热设备，在住宅供暖、生活热水等生活领域有着广泛而成熟的应用，如热泵空调、空气能热水器等。与此同时，热泵在工业领域的应用也逐渐深化，尤其是高温热泵（一般情况下，供热温度达到80以上热泵可以被称为高温热泵）在工业领域供热一直被寄予很高的期望，希望其以一种低费用、低碳排的方式替代工业锅炉供应蒸汽。然而，高温热泵在工业领域的推广却因多种因素而受限，本文将简要工业高温热泵的技术经济性。二、工业高
2、温热泵简介工业高温热泵有多中类型，根据其系统循环方式主要可以分为以机械能驱动的蒸汽压缩式高温热泵、以热能驱动的吸收式高温热泵（第二类吸收式热泵）和压缩一吸收混合式高温热泵三大类型。其中，蒸汽压缩式高温热泵具有结构相对简单、性能稳定等优势而得到广泛应用，因此本文主要以蒸汽压缩式高温热泵为例进行分析。蒸汽压缩式热泵又可按其结构分为单级压缩、多级压缩（图1）和复叠压缩（图2）三种类型。图1多级压缩高温热泵图2复巍压缩式高温热泵三、工业高温热泵市场前景及推广难点分析工业领域存在大量用热的场景，如食品工业中的蒸煮、消毒、烘干，印染行业的印染、洗涤、干燥，化工行业中的加热、蒸储等过程，均需要使用大量蒸汽，
3、其中又以V04MPa的蒸汽占比较高，而这个压力范围内的蒸汽恰好也是高温热泵可产出蒸汽的区间，理论上高温热泵生产蒸汽可以替代传统锅炉供热，而且应用需求巨大。但实际推广难度较大，分析其原因，主要原因可以分为以下几个方面一是大量工业蒸汽用户，在设计建造时并不了解类似高温热泵这类设备，进而在蒸汽供应时，按照惯性思维选择锅炉供应蒸汽。二是高温热泵的蒸汽供应压力还受限，目前少有工业高温热泵能大量供应O.4MPa以上的蒸汽，高于04MPa蒸汽就需要额外增加锅炉才能满足需要，建设两套设备对于企业管理来说，既增加投资又增加管理难度，进而用户会更倾向于能全面满足需求的锅炉系统，而非热泵+锅炉的组合。三是工业高温热
4、泵属于高投入的设备，每IkW供热能力的设备投资为10001500元/k肌考虑与生产系统的匹配和裕量等因素，实际的建设成本在2000元kW左右。产汽量lth（0.2MPa）的空气源工业高温热泵，其设备投资约可超过100万元，其投资成本远高于lth的燃气蒸汽锅炉（20万元）。对于建设投资本预算本就紧张的项目来说，选择投资成本高出数倍的高温热泵无疑是一个艰难的选择。四、经济性分析根据上文的分析，要推广工业高温热泵这类高投入的设备，就需要从其运行经济性角度进行综合分析。工业高温热泵的运行成本除了受制机组本体的能效水平外，还受制于吸热温度。吸热的温度越高,即热泵所需要提供的温升就越小，产生相同蒸汽参数蒸
5、汽的COP值也就越高，每生产一吨蒸汽所消耗的电能越少。本文对不同余热温度下天然气锅炉、电锅炉以及工业高温热泵（生产0.2MPa蒸汽，下同）产生蒸汽的成本等进行分析。表1不同温度条件下成本对比表吸热温度（余热温度或锅炉给水媪度）容里t汽数蒸参设备设备投资（万元）天然气单价（元4）电单价（元ZkWh）吨蒸汽费用（元）3010.2MPa天然气锅炉153.50.75295电锅炉10/0.75571工业高温热泵82/0.753185010.2MPa天然气锅炉153.50.75288电锅炉10/0.75546工也高温热泵70/0.752627010.2MPa天然气锅炉153.50.75282电锅炉10/0
6、75528工Ik曷温热泵52/0.751959010.2MPa天然气锅炉153.50.75275电锅炉10/0.75509工业高温热泵40/0.75140注：吸热谩度，指工业高温热泵的冷源切温度，指环境温麦或余热资源的温受；对应锅炉的给水遑度Sn冷凝水经净化后直接进入锅炉）.根据表1中的计算的吨蒸汽费用可以看出，电锅炉的吨蒸汽费用最高。天然气锅炉和工业高温热泵比较中，在锅炉给水温度较低时天然气锅炉具有成本优势，因其采用冷凝式省煤器回收烟气中的余热,锅炉可以达到较高效率水平。但随着吸热温度上升，高温热泵的温升降低，CoP快速提高，从而使得在吸热温度250C时，高温热泵具有明显的低费用优势，且随
7、着吸热温度的进一步升高，优势逐渐拉大,如图3所示。(收)安,“兽不同吸热温度下的运行成本3OC50C70C9(TC余热温度图3不同温度条件下的运行成本由于工业高温热泵初投资成本较高，只分析运行成本不足以对其进行综合评判，本文仍以天然气锅炉为对象，分析以工业高温热泵替代传统天然气锅炉并做经济性分析，如图4所示。图4不同温度条件下的投资回收期9876543210S矍回根据图4的结果显示，在相同的蒸汽需量下，吸热温度越高，工业高温热泵机组替代锅炉改造的投资回收期越短。当吸热温度90。C时，年蒸汽产量在2000吨以上时，投资回收期可控制在2年以内，具有较好的经济性；吸热温度在70时一，年蒸汽产量在30
8、00吨以上时，投资回收期也可控制在3年以内，仍具有一定的经济性。而当吸热温度降低到50时，即使年蒸汽生产量达到5000吨（较高的负荷）,投资回收期将烟厂到6.5年左右，此时投资经济性已较差。因此，根据以上分析可以简单判定，在吸热温度超过70。C且年蒸汽消耗在3000吨以上时，以工业高温热泵替代锅炉生产蒸汽，具有较好的经济性。五、结语总体来说，工业高温热泵在工业中应用具有广阔的应用前景，尤其是在余热温度大于70的且可以保证运行时间超过3000小时的场合，高温热泵相较于天然气锅炉具有较好的经济性。然而高温热泵机组属于初投资较高的设备，对于投资受限的用能单位，在有较高温度余热资源和蒸汽负荷较为饱满的情况下，可以考虑以合同能源管理等方式实施高温热泵供应蒸汽。
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