Промышленные высокотемпературные тепловые насосы: от нишевой технологии к замене котлов на фоне «15-й пятилетки»

В «15-й пятилетке» масштабное обновление и модернизация промышленных котлов прямо названо ключевой рыночной возможностью для замены угля и газа. Именно в этом контексте высокотемпературные тепловые насосы, ещё недавно считавшиеся нишевым направлением, выходят на промышленный рынок. В интервью «Холодильному экспрессу» и «Холодильному бизнесу» старший директор по НИОКР группы Zhongguang Electric Юй Тайцзэн рассказал о рыночных перспективах, технических решениях и практическом опыте внедрения.

Рынок: от 0,113% проникновения к сотням миллиардов юаней

По данным «Белой книги развития промышленных тепловых насосов», опубликованной Китайской ассоциацией энергосбережения, промышленное теплоснабжение составляет 52% конечного энергопотребления, из которых 74% обеспечивается ископаемым топливом. Эксперты ассоциации рассчитали потенциальный спрос на тепло ниже 200 °C: при температуре подачи 100 °C объём составляет 649,9 млн ГДж, при 150 °C — 1,1095 млрд ГДж. Юй Тайцзэн отмечает, что при полном покрытии спроса ниже 200 °C только по оборудованию рынок высокотемпературных тепловых насосов может достичь масштаба сотен миллиардов юаней.

В 2024 году объём внутреннего рынка высокотемпературных тепловых насосов составил 1,23 млрд юаней, что на 18% больше, чем годом ранее. При этом доля применения не превышает 0,113%, а в общем рынке тепловых насосов сегмент занимает около 4%.

Технология: двух-четырёхступенчатое сжатие и специализированный компрессор

Для достижения температур конденсации 100–150 °C при перепаде более 50 K применяются схемы с 2–4 ступенями сжатия. Между ступенями организуется поддувка паром для увеличения теплопроизводительности и улучшения аэродинамики на высоких ступенях. При ещё больших перепадах используются каскадные или последовательные циклы с раздельными компрессорами высокого и низкого давления, каждый из которых работает в своём диапазоне сжатия и температуры нагнетания.

Ключевая задача при высоких степенях сжатия — надёжность компрессора. Юй Тайцзэн выделяет два направления: распределение общего перепада давления на 2–4 ступени для снижения нагрузки на каждую и контроль температуры нагнетания путём подбора соотношения ступеней и промежуточной температуры.

Zhongguang Electric выбрала специализированный винтовой компрессор для высокотемпературных режимов. Основные особенности: регулирование производительности частотным приводом вместо традиционного скользящего клапана (что исключает попадание хладагента в масляный цилиндр и повышает КПД на частичных нагрузках); индивидуальный внутренний объёмный коэффициент и оптимизация окон нагнетания для снижения потерь от недожатия; конструкция без масляного цилиндра, сокращающая расход масла на 90%; узкий H-образный профиль для уменьшения внутренних утечек; двойные подшипники против обратного вращения.

Продуктовая линейка Zhongguang Electric покрывает три температурных диапазона:

• горячая вода 50–60 °C — пищевая, безалкогольная, фармацевтическая промышленность;
• горячая вода 50–90 °C — нефтепереработка;
• низкочастотный пар 80–120 °C — угольная промышленность.

Все модели серии при условиях H5b имеют первый класс энергоэффективности, максимальный COP — 4,96, что на 38% выше порога первого класса.

Практика: проект Tushan Pharmaceutical

Юй Тайцзэн приводит пример модернизации цеха Tushan Pharmaceutical: линия перерабатывает более 2 тонн сырья в час при годовом фонде 8000 часов. До модернизации тепло обеспечивалось паром от котла; после — кастомной промышленной системой тепловых насосов Zhongguang Electric. По расчётам, система позволяет экономить не менее 70% затрат на энергоносители по сравнению с котельной и окупается за 2 года.

Комиссионирование системы заняло 3–10 дней на объекте: инженеры по системам, ПО и сервису совместно проверяли условия по источнику тепла, обвязку, каскадное использование температур и электроснабжение. Для нестандартных проектов Zhongguang Electric сформировала специализированную группу из специалистов НИОКР, технологии, качества и сервиса, что сокращает время отладки и обеспечивает поддержку на этапе эксплуатации.

Барьеры и путь к доверию

Юй Тайцзэн подчёркивает, что каждый промышленный объект имеет уникальные условия по источнику тепла и температурным требованиям; часть проектов сталкивается с нестабильностью или коррозионной активностью теплоносителя. Решение — индивидуальный проект с учётом конкретных условий, в том числе связка с воздушными тепловыми насосами, каскадное использование температур и применение коррозионностойких материалов.

Отдельной проблемой остаётся недоверие заказчиков: промышленное производство предъявляет жёсткие требования к стабильности, а опыт применения высокотемпературных тепловых насосов пока ограничен. По словам Юй Тайцзэна, ключ к преодолению этого барьера — референсные проекты с подтверждёнными данными, а не только теоретические расчёты.

Горизонт 3–5 лет

Юй Тайцзэн выделяет четыре технологических направления на ближайшие 3–5 лет: движение к более высоким температурам, большей теплопроизводительности, энергоэффективности и интеллектуализации; коммерциализация по температурным диапазонам — ускоренное внедрение в сегменте 120–160 °C и переход прототипов выше 160 °C в серийное производство; разработка хладагентов с низким GWP; новые конструкции компрессоров, включая магнитно-левитационные паровые компрессоры для сверхвысоких температур.

По его оценке, тепловые насосы способны повышать температуру средне- и низкотемпературного тепла до 150 °C со степенью утилизации 60%, что делает их конкурентоспособной альтернативой котлам в химической, пищевой и металлургической отраслях.