摘要：工业热泵- 功率超过 200 千瓦热 （kWth）——在能源转型中发挥着关键作用。热泵使用电力而不是煤炭或天然气作为燃料来源。因此，它们有可能完全由可再生能源提供动力。热泵在技术上也非常有效。它们在低温和中温下的效率是传统锅炉的 3 到 5 倍，从而减少了能源

工业热泵可以帮助工业部门和区域供热脱碳。为了开发新的解决方案并提高采用率，热泵 OEM 和最终用户可以在关键领域展开对话。

工业热泵 - 功率超过 200 千瓦热 （kWth）——在能源转型中发挥着关键作用。热泵使用电力而不是煤炭或天然气作为燃料来源。因此，它们有可能完全由可再生能源提供动力。热泵在技术上也非常有效。它们在低温和中温下的效率是传统锅炉的 3 到 5 倍，从而减少了能源使用、成本和排放。1虽然这不是一项新技术，但工业热泵的技术优势开始得到更广泛的认可。最近的趋势，例如推动供热脱碳和电气化、经济因素以及政府通过监管和激励措施的支持，意味着工业热泵市场将飞速发展，预计到 2030 年每年增长 15% 以上。

尽早进入市场是在这场竞赛中取得成功的关键。然而，一些技术，如高温工业热泵，仍处于成熟阶段。随着工业部门和区域供热需求的增长，制造和安装这些热泵的 OEM 将需要开发新产品。

我们确定了在开发新的热泵产品时需要考虑的工业热泵的五个未被充分讨论的方面：不同最终用户的需求、热泵组件、制冷剂要求、加热和冷却的机会以及创建新解决方案的方法。通过了解和探索这些领域，热泵 OEM 及其客户将能够更好地开始对话和合作，以实现技术进步、扩大市场并帮助世界脱碳。

工业部门要实现脱碳目标，需要解决与供暖相关的燃料消耗和排放问题。工业部门占全球 CO 的三分之一2排放;在这些排放物中，大约三分之二用于供暖。2因此，工业供热占全球总 CO2 的 20% 以上排放。这是因为工业过程加热仍然主要基于化石燃料，超过 85% 的加热能源来自天然气、煤炭和燃油锅炉，而生物质的加热能源约为 10%。

尽管热泵具有经济优势和减少排放的能力，但今天的热泵仍然相当不足，仅提供全球工业热能的 5% 左右。然而，它们具有巨大的工业潜力。工业热泵利用来自海水、污水和余热等主要来源的电力和低温热量，有效地为建筑物和工业过程提供热能。他们可以提供 3 到 5 个每单位电力消耗的热能是传统加热器的数倍。工业热泵还可以在比住宅热泵更高的温度范围内提供热量——在某些情况下高达 200ºC——以及超过 10 兆瓦热 （MWth 的容量），大约相当于家庭部署的热泵规模的 1,000 倍，假设为 10 kWthaverage） 的 Average）。由于热泵效率高，因此比传统供暖更具成本效益，尤其是在天然气价格高昂或波动较大的环境中。

随着世界脱碳，工业热泵可以应用于一系列用例。食品和饮料、纸浆和造纸以及化工行业特别适合使用热泵，因为它们的能源需求很高。这些行业的能源相关排放量也相对较高（约占全球能源相关工业 CO2 的 15%根据麦肯锡分析的排放），热泵可以帮助减少排放。热泵也可以在区域供热中发挥重要作用。该行业约占总 CO2 的 1%排放，目前 90% 以上的燃料组合基于化石燃料。

区域供热在中国和俄罗斯以及多个欧洲国家（奥地利、丹麦、芬兰、法国、德国、意大利、挪威、波兰、瑞典和乌克兰）最为重要。低成本的传统供热导致化石燃料在欧盟区域供热中的份额高达 65%，在一些国家甚至更高，例如德国和波兰，这些国家用于区域供热的化石燃料份额超过 80%。这种以化石燃料为主的燃料混合物意味着热泵为区域供热提供了强大的减排潜力，并且最近宣布了许多在区域供热中使用工业热泵的脱碳项目。

由于其减排潜力和日益有利的经济性，预计工业热泵将在这十年内实现强劲的经济增长（图 1）。政府越来越多地颁布法规并支持工业和区域供热的供热脱碳。与此同时，公司正在承诺实现净零目标，并正在寻找实现能源使用脱碳的方法，特别是供热。

图表 1

我们努力为残障人士提供平等访问我们网站的机会。如果您想了解有关此内容的信息，我们将很乐意与您合作。请发送电子邮件至：McKinsey_Website_Accessibility@mckinsey.com

因此，到 2030 年，全球工业热泵预计将在低于 200°C 的温度下满足 10% 以上的工业和区域供暖需求。在当今最大的热泵需求中心欧盟 27 国和英国，预计到 2030 年，热泵将占区域供热总量的 15% 左右，占温度高达 200°C 的工业供热过程的 20% 左右（图 2）。这比 2023 年增加了 10 多个百分点。

这种增长将由大量投资推动。根据 2023 年全球能源展望的当前轨迹情景，到 2030 年，全球对工业热泵的投资预计将达到 120 亿美元。比 2023 年增长了四倍，每年增长超过 15%。在“已实现承诺”的情况下，这一数字可能高达 210 亿美元。德国、法国、北欧、波兰和英国预计将成为推动热泵在区域供热和工业中采用的先行者。

这些投资的轨迹是朝着更大的安装方向发展。如今，对工业热泵装置的大部分投资都用于中小型应用（高达 5 MWth） 和 80°C 至 100°C 的温度，因为低温应用更有可能提供积极的商业案例。然而，大型工业热泵（超过 5 MWth） 预计未来将变得越来越重要。预计区域供热也将继续是工业热泵的一个重要部分，到 2030 年将占市场的三分之一以上。

工业热泵即将起飞。在工业热泵目前不是一个重要市场但却是工艺脱碳的可行解决方案的领域，例如食品和饮料、纸浆和造纸以及区域供热，预计会得到更广泛的采用。正在进行大量投资，以减少工业组织和区域供热网络的碳足迹，因为它们正在脱碳并减少对化石燃料的依赖。随着工业热泵的部署越来越广泛，工业热泵生态系统中的热泵 OEM 和最终用户将需要对话和协作。

下面，我们提供了五个重要主题，这些主题目前尚未得到充分讨论，但随着工业热泵技术的成熟，这些主题将发挥重要作用：工业和区域供暖的不同要求、组件考虑因素、制冷剂类型、热泵的冷却机会以及创建解决方案的协作结构。

在工业和区域供热应用中，没有放之四海而皆准的解决方案。不同的应用在温度、容量、物理尺寸和与现有设备的集成方面具有不同的规格。大型热泵通常对功率输出、利用率以及热源和散热器的温度水平有严格的要求。为了满足给定系统的要求，可能需要定制或修改热泵。

工业。在工业中，给定应用的温度和容量要求决定了热泵是否合适（图 3）。当地的小型啤酒厂通常需要 50ºC 至 120ºC 的温度，产能小于 1 MWth，而化学过程可能需要超过 150°C 且远高于 5 MW 的蒸汽th容量，而现有的热泵解决方案可能难以满足这一要求。预计规格要求较低的应用将能够使用“标准”热泵，其中可能包括更经济和模块化的系统。具有更强烈热量要求的行业（例如，化学品）可能需要更多的研发才能使热泵适用。

区域供热。区域供热（包括加压水系统）通常需要 60ºC 至约 135ºC 的温度范围，使其成为工业热泵的良好候选者。同时，区域供热需要符合现有基础设施的要求。区域供热应用中的工业热泵需要考虑管网的大小和温度等因素。他们还需要平衡供热组合以控制能源波动，例如使用多种热源（例如，废热、垃圾焚烧和太阳能）。

在工业和区域供热应用中，最终用户主要关注优化可靠性和经济性。特别是对于工业最终用户，最重要的标准通常是最大限度地减少停机时间以保证连续的生产过程；第二个最重要的通常是优化热量成本。

对于工业和区域供热应用，定制大型热泵装置的设计和安装需要专业知识和专业技能。这可能是热泵 OEM 和最终用户采用的障碍，前者对用例的了解有限，后者对热泵技术了解有限。例如，区域供热供应商通常拥有热电联产厂方面的专业知识，因为区域供热网络历来都与燃煤和燃气发电厂相连。然而，区域供热供应商对包括热泵在内的替代能源选择可能了解有限。另一方面，制造超大型热泵的 OEM 通常是在其领域拥有专门知识的压缩机制造商，但他们可能对特定最终用户应用的热分配和工艺集成了解有限。通过构建协作生态系统，热泵 OEM、工业参与者和区域供热网络可以共享知识，并就部署大型热泵的最佳位置和方式达成更深入的理解。

热泵的性能主要取决于其压缩机、热交换器（冷凝器和蒸发器）和控制软件。其中，压缩机通常被认为是最关键的部件。压缩机通过确定制冷剂的流速和压缩过程的效率起着关键作用。换句话说，它们定义了制冷剂中可以容纳多少热能，从而定义泵能够在多大程度上改变温度。由于压缩机的复杂性，压缩机通常占给定热泵总硬件资本支出的 20% 到 35%，并拥有重要的知识产权。

尽管强调压缩机，但热泵的其他组件在决定效率方面起着至关重要的作用。热交换器作为一种成熟的技术，可以根据大型热泵应用的需求进行调整和定制。最近，板壳式换热器结合了无垫片板式换热器的效率和紧凑性，引起了人们的关注。

控制软件也是工业应用的关键组件，在设计新产品时不应忽视。与住宅或商用热泵不同，工业热泵对性能系数 （COP） 有严格的要求。这通常是 24/7 全天候跟踪的，工业热泵的 OEM 可能会因未满足 COP 要求而受到处罚。因此，系统控制解决方案和数字功能（包括远程监控以及预防性和预测性维护）至关重要。

总体而言，工业热泵建立在已经应用了几十年的解决方案之上，使其成为一项相当成熟的技术。这意味着在学习曲线上前进的成本下降预期会更少。然而，随着某些行业的应用和规模不断扩大，模块化和标准化有助于降低关键组件的硬件成本。智能控制和优化还有助于改善工业热泵的运行、性能和灵活性，从而最大限度地减少运营和维护要求，从而最大限度地减少运营费用。

为了找到适合特定应用的最佳制冷剂，热泵 OEM 和最终用户必须讨论给定项目的需求。选择正确的制冷剂时，所需的最终温度、法规和安全考虑因素等因素都会发挥作用。

制冷剂分为两组：氢氟烃 （HFC） 和氢氯氟烃 （HCFC），以及天然制冷剂。一些 OEM 只关注一组制冷剂，而另一些 OEM 则在其产品组合中同时关注两组制冷剂（有时出于历史原因）。虽然 HFC 和 HCFC 过去已被广泛使用，但由于（潜在的）环境法规，例如限制使用全球变暖潜能值 （GWP） 高的含氟制冷剂的含氟气体配额，尤其是在欧洲，出现了使用天然制冷剂的趋势。

然而，天然制冷剂也有其自身的考虑因素。丙烷、异丁烷和异戊烷可能高度易燃，这一特性需要特定的安全措施。从热力学上讲，它们具有与 HFC 和 HCFC 相似的特性，因此它们可能适用于许多应用，包括温度低于 150°C 的直接蒸汽生产。 氨广泛用于制冷应用，具有毒性，但它允许非常有效的热力学循环，臭氧消耗或全球变暖潜能值为零。CO2通常需要高压的跨临界循环，最适合需要大幅升温的应用。CO2由于无毒、不易燃且无氟，因此在制冷和加热应用中具有吸引力。对于高温应用（蒸汽压缩），水是一种有趣的制冷剂，但当源温度低于 100°C 时，蒸发必须在真空中运行。 今天，这些制冷剂和其他替代制冷剂正在被研究和补贴。

也许是因为它们的名字，热泵因其除了加热之外还提供冷却的能力而鲜为人知。事实上，单个设备可以同时提供这两种服务，并且组合应用程序会带来最佳业务案例。

最终用户可以评估拥有统一的加热和冷却系统是否有用。例如，在食品和饮料行业，啤酒厂在生产过程中需要加热和冷却，并且可以同时使用热泵。季节也为将冷却集成到热泵产品中提供了一个理由。办公楼可以使用相同的工业热泵在冬季供暖，在夏季制冷，从而减少给定建筑所需的资本支出，并最大限度地利用主散热器和热源。

将供暖和制冷应用相结合可以在不同的最终用户之间产生协同效应，例如将数据中心连接到区域供热网络。在这些系统中，热泵可以冷却数据中心并将废热升级回收到区域供热网络中。热泵的影响通过以对两个系统都有用的方式循环热能而加倍。

同样，将工业热泵与蓄热系统相结合有助于稳定电网，因为风能等可再生能源会增加电力供应的波动性。借助蓄热系统，热泵只需加热储能系统即可储存多余的能量。与将电能储存在电池中相比，蓄热系统（如水箱）也更便宜。通过将这些系统与热泵耦合，区域供热可以成为电网的备用能源。总体而言，供需脱钩也可以在电力需求高的时候降低电价。

在这个增长时期，工业热泵行业需要努力扩大其产品组合。总体而言，整个生态系统中的各方可以结合知识来为给定的应用程序开发最佳解决方案：

这三方之间的强大合作伙伴关系可能有助于加速热泵的采用。这包括探索适合特定客户群的偏好、知识和要求的新销售模式。客户可能更愿意购买现成的解决方案;与不同的利益相关者（包括 OEM、EPC 和公用事业提供商）协调和开发新产品;甚至注册租赁或租赁模式。这些销售模式还可以集成后续的维护和支持。

工业热泵为希望优化能源使用、降低成本和对化石燃料的依赖、遵守环境法规并提高整体运营效率的行业提供了一个引人注目的解决方案。为了抓住这一机会，公司现在应该与 OEM 和 EPC 密切合作，评估将热泵集成到现有系统或流程中的可行性。

作者感谢 Karolis Gesevicius、Marcin Hajlasz、Raquel Jimenez、Theresa Krause、Robert Riesebieter、Benjamin Sauer、Jacob Staun 和 Nicola Zanardi 对本文的贡献。

来源：陈讲运清洁能源