摘要：本文阐述了工厂用能电气化的重要意义，并对机械工厂电能替代场景进行了系统分析，论述了推广电能热泵供热可同时实现降碳和降本增效，是典型应用场景。本文从提高热泵能效、降低综合电价两方面论述了水源热泵供热设计要点，论述了热水储能综合性能，提出水源热泵+热水储能是机械工厂发展新能源储用的通用模式。 关键词：用能电气化；水源热泵冷热双供；提高能效；谷电降本；热水储能；新能源储用。
中图分类号：TQ423.2 文献标识码：A单齿辊破碎机
1.用能电气化的作用和意义
随着国家绿、双碳发展战略的深入实施，光伏、风电等可再生能源发电规模快速增长。根据国家《“十四五”可再生能源发展规划》等相关文件数据，2020年我国可再生能源发电装机达到 9.34 亿千瓦，占发电总装机的42.5%；可再生能源发电量2.2亿千瓦时，占总发电量约30%，风电、光伏发电量占总发电量约6%。规划到2025年，可再生能源总发电量达到3.3亿千瓦时；“十四五”期间，可再生能源发电量增量在全社会用电量增量中的占比超过50%，风
电和太阳能发电量实现翻倍；到2030年，风电、太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上，非化石能源消费占比达到25%左右。预计2050年，全球80%左右的电力消费来自可再生能源；到2060年，我国非化石能源消费比重达到80%以上。 图1 电力市网绿电比例增长预测示意图
图1中：根据相关规划文献，以2020年我国可再生能源发电量占总发电量30%为起点、以2060年预测值80%为终点，绘制1条直线示意未来电力市网绿电比例增长预测值。采用直线预测法重在突出直观性，忽略时间非线性、地区不均衡增长等因素影响。
随着可再生能源发电规模快速增长，工厂用电无论是市政电网供电、还是分布式光伏发电，电力绿电成分均将快速提高。2022年7月，工业和信息化部、国家发展改革委、生态环境部三部委联合发布《工业领域碳达峰实施方案》，方案明确推动工业用能电气化：综
合考虑电力供需形势，拓宽电能替代领域，扩大电气化终端用能设备使用比例。加强电力需求侧管理，开展工业领域电力需求侧管理示范企业和园区创建，示范推广应用相关技术产品，提升消纳绿电力比例，优化电力资源配置。
对于机械类装备制造工厂（简称：机械工厂，下同），外界市政供应的能源种类主要为电力、燃气、热力；其中燃气、热力通常由市政天然气、蒸汽或热水管网供应，市政蒸汽或热水管网的热源为热电厂、区域锅炉房、能源站，燃料通常为煤炭、天然气，均为化石能源。工厂用能拓宽电能替代领域，扩大电气化终端用能设备使用比例，提升消纳绿电力比例，减少燃气与热力等化石能源工业终端使用规模，助力能源供应与消费协调发展，对实现绿、双碳发展战略具有重要的作用和意义。笔者结合实际工作体会，针对机械工厂用能电气化典型场景设计要点进行系统分析，提出水源热泵+热水储能是机械工厂新能源储用的通用模式，为工厂用能电气化替代工程的设计与改造提供技术参考。
1.电能替代场景分析
机械工厂用能主要包括机械设备驱动、工艺加热、建筑采暖空调、生活热水、照明等。其中机械设备驱动、照明为不可替代电力用能，其它均为热工类用能，用能种类可在电力、
燃气、热力之间根据供能条件、价格、用能特点等具体条件选用。市政电力、燃气为常年供应，市政热力条件分为常年供应、冬季供应两种情况。机械工厂用能种类概况见下表：
表1 机械工厂用能种类概况表
名 称 | 高温工艺加热 200℃以上用热 金属熔炼、热处理等 常年用热，用量较大 | 中低温工艺加热 200℃以下用热 涂装加热烘干等 棉絮加工常年用热，用量较小 | 建筑采暖空调 80℃以下用热 冬季用热 用量较大 | 生活热水 60℃以下用热 常年用热 用量较小 |
市政电力 | 离子接地棒电加热工业炉窑 较多采用，多用谷电 | 电加热喷漆烘干 较多采用 | 空气源电热泵供热 较多采用，少用谷电 | 空气源电热泵供热 较多采用 |
市政燃气 | 燃气加热工业炉窑 较多采用，趋势渐少 | 燃气加热喷漆烘干 较多采用，趋势渐少 | 燃气锅炉供应热水 较多采用，趋势渐少 | 燃气锅炉供应热水 较多采用，趋势渐少 |
市政热力 | 无法采用 | 用量、时段因素 较少采用 | 换热站供应热水 时段一致，较多采用 | 用量、时段因素 较少采用 |
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从上表可以看出，机械工厂电力能源具有通用性，可替代燃气、市政热力主要应用场景；采用燃气或市政热力、而未采用电力能源的原因，除少数工艺条件限制无法采用外，主要是为了降低用能成本。不同能源价格与用能方式形成的典型用能成本详见表2：
表2 典型用能成本表
名 称 | 用能条件 | 油箱设计用能成本 |
市政电力 | 电价0.65元/度、电直接加热、用热效率100% | 180元/吉焦 |
市政电力 | 电价0.65元/度、电能热泵供热、COP为2 | 90元/吉焦 静音冷却塔 |
感应门制作市政燃气 | （热值36兆焦、气价4元）/立方、用热效率93% | 120元/吉焦 |
市政燃气 | （热值36兆焦、气价2.5元）/立方、用热效率93% | 75元/吉焦 |
市政热力 | 高热价条件（蒸汽价格300元/吨、或等价高温热水） | 120元/吉焦 |
市政热力 | 低热价条件（蒸汽价格180元/吨、或等价高温热水） | 72元/吉焦 |
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在各种典型用能成本中，电力直接加热可以高温加热、但成本最高，达到180元/吉焦；电能热泵供热成本90元/吉焦，低于高价燃气、市政热力供热成本30元/吉焦，说明日益提高的燃气、市政热力价格增加了电能热泵供热成本优势；但低价幅度仅为25%，成本优势并不明显；并且电能热泵供热设备投资要高于燃气锅炉、热交换机组。所以要采用电能热泵替代燃气、或市政热力，关键是要进一步降低电能热泵供热成本，降碳同时实现降本增效。电能热泵供热成本取决于供热能效、用电价格两个因素，需提高供热能效、或降低综合电价，实现大幅降低供热成本。
1.提高热泵能效
热泵是一种将低温热源热能转移到高温热源的装置，电能热泵一般由4部分组成：压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器。按照热源种类分为水源热泵、空气源热泵、地源热泵，按照压缩机型式分为活塞机热泵、螺杆机热泵、离心机热泵，按照冷凝温度分为常温热泵（冷凝温度低于60℃）、中温热泵（冷凝温度60~90℃）和高温热泵（冷凝温度高于90℃）。目前常温、中温热泵已大量商业化使用，高温热泵我国处于研制阶段，国外已有少量产品。
（1）蒸发、冷凝温度对能效的影响
电能热泵制冷剂通常为R134a，供热能效COP除设备自身性能影响外，主要取决于蒸发温度、冷凝温度，蒸发温度越高、冷凝温度越低，供热能效COP越高。考虑蒸发器、冷凝器传热温差，低温热源放热出口温度通常高于蒸发温度5℃，高温热媒吸热出口温度低于冷凝温度5℃；低温热源温度越高、高温热媒温度越低，供热能效COP越高。低温热源、高温热媒的温度与系统设计关系很大，设计院应重点关注。热泵典型温度-能效参数见下表：
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