传统热系统的工程设计集中于提供工业过程中所需的最高质量热量，导致设备设计过度，能耗超出实际需要。工业热泵（IHP）技术改变了这一方法，首先设计所需的最低质量热量，然后再提升以满足更高质量的需求。这种合理的设计方法不仅减少了电力需求和能耗，相比传统锅炉系统，还降低了排放和运营成本。由于IHP不是锅炉的直接替代品，必须采用新的热系统设计思维方式。本文介绍了IHP系统设计的替代工程方法，旨在为厂商、制造终端用户和能效计划经理提供新的思考路径。

近年来，工业终端用户对IHPs的兴趣激增。这一变化主要是由于对可持续性的承诺和对气候变化法规的关注增加。通过替代化石燃料，IHPs有潜力将工业能源使用减少约33%，从而减少温室气体和其他污染物的排放。

高效率加上废热回收使IHP系统成为许多工业子行业的理想解决方案。政策制定者和IHP供应商通过将IHP纳入新的政策和计划以及扩大设备的国内生产来做出回应。解决终端用户和设计工程师知识差距的努力仍处于早期阶段。为了克服IHPs的缓慢采用，分析和设计热系统时采用新的工程方法应是“共识的起点”。

在过去两个世纪中，许多工业热过程是由蒸汽驱动的。工程设计方法已经发展起来，充分利用蒸汽及其生产（如锅炉）和输送系统的独特性质。锅炉及其相关的热系统设计方法现在广泛应用于各种热过程，包括建筑物的供暖、工业厂房中的工艺设备以及其他领域。

当前的工程方法可以总结为：

1确定设施/工厂中的最高热质量（即温度和压力）负荷。

2汇总工厂内所有最大热负荷。

3选择锅炉和蒸汽分配系统，以最高质量满足工厂要求的总热输出（加上安全裕量）。

对于需要较低热质量的应用，使用减压阀（PRV）和恒温混合阀来匹配各个工艺需求的质量。这种设计方法在热系统设计中已被证明是可靠和有效的，确保有能力满足未来和潜在的高质量热需求。

然而，这种系统的灵活性和工艺要求的不确定性导致了潜在的巨大低效。通常情况下，大部分热负荷使用比实际需要更高质量的蒸汽，导致大量能源和水的浪费。近年来，随着热工艺要求减少对高温工艺热的需求，传统蒸汽系统的不匹配现象更加严重。在许多情况下，热系统已经转向加压热水，使传统蒸汽系统更加不匹配和过大。此外，锅炉通常是天然气燃烧的，导致有害排放和烟气中的额外能量损失。尽管高效的电锅炉越来越普遍，但传统设计方法导致系统过大，利用不善的锅炉不仅效率低下，而且由于操作不稳定，维护成本通常更高。

IHP热系统的新设计方法

IHP制造商和熟悉IHP系统设计的工程师现在提倡一种全新的热系统方法，旨在减少能源浪费和降低成本。这种方法与传统的蒸汽系统方法完全不同：

1确定设施/工厂中的最低热质量负荷。

2确定工厂内各个工艺的更高热负荷。

3选择热质量提升技术，包括更高温度的IHP或电锅炉，为每个更高质量的负荷提升热质量。

4设计一个基载IHP系统，以较低热质量（通常是加压水）的形式，满足工厂其余需求。

全球经验表明，替换蒸汽锅炉系统并优化IHP系统时，总体能源使用可以减少40-60%，同时减少资本成本和设施所需的电力服务。IHP本质上是将环境空气或废热的温度提升用于高温工艺。这种设计方法利用IHP的独特性质，不仅可以适当调整系统大小，还能在许多情况下从集中系统转向更模块化的系统。模块化设计允许通过先进策略更好地进行过程控制，使电网响应成为可能。使用模块，当它们不必要时可以关闭热系统的部分，在电网事件和停电期间卸载负荷，而不关闭整个工厂。

减少整体能源需求增强了设施的韧性，同时热泵在大多数应用中的高效率可以进一步减少电力服务需求和运营碳排放。适当调整系统还可以因为模块化设计而缩小设备和组件（如管道和阀门），缓解工厂内部的空间限制问题，并消除大型扩展蒸汽管道系统的损失。

这种工程方法类似于工业制冷工程师使用的方法。事实上，一些公司正在进入IHP设计市场，将其经验应用于高温应用。弥补设计IHPs知识差距需要全面评估热需求和负荷，从而了解特定工厂或工艺的实际温度水平、热水需求和能量平衡。

目前，对新工业设施的投资激增，这为工程师提供了将这种新方法应用于不断增长的客户需求的机会，同时也能多样化并提升设计技能。虽然重新设计现有锅炉系统对于现有工艺的脱碳非常重要，但这种新工程方法的初步应用应主要集中在新建工厂上。新建工厂不会面临传统基础设施的设计挑战，传统蒸汽系统的改造复杂，通常需要进行系统改造和电力基础设施升级。

特别是新建项目因为它们的成本通常比改造更低。这些项目还提供了采用更高效、下一代技术的机会；取代传统化石燃料技术；并通过这种自下而上的设计方法展示IHPs的优化性能和脱碳潜力。

例如，在挪威，TINE SA建造了一家集成了IHP系统的新建乳制品厂，并增加了屋顶太阳能以补充电力峰值需求。新IHP系统的性能系数为4.1，节能37%，相比化石燃料锅炉系统，减少了高达91%的温室气体排放。

结合新设计方法与捏合分析（pinch analysis）以最大化效率和节约成本

工程师们通过将捏合分析这一热系统优化技术应用于更大、更复杂的工厂，实现了更高的效率和成本节约。捏合分析于20世纪70年代开发，已广泛应用于复杂行业，如石油炼制和有机化学品。

对于IHP系统，捏合分析提供了不同热负荷的详细估计，以识别热可用性与热需求重叠的关键点。结合热泵的热提升能力，捏合分析可以回收废热并整合加热和冷却需求，提高效率和热过程能力，同时减少瓶颈过程。在设计适当大小的系统之前进行捏合分析可减少10-40%的能源和水消耗。

前期支付这种预工程分析的成本对实现工厂的最大效率至关重要，并最终降低总体成本。捏合分析的初始投资通过适当大小的设备减少了生命周期运营费用和资本费用。

随着全球经济脱碳，尤其是那些具有低到中等热过程的工业子行业，应利用IHP技术带来的好处。在历史性资金致力于脱碳的国内制造业的情况下，新建工厂可以引领IHP市场的转型。首先，终端用户、能源项目经理和工程师需要从工厂的最低热质量需求而不是最高热需求进行设计。颠覆传统的热设计过程对于IHP实施至关重要，因为这种新方法：

• 避免锁定过去效率较低的化石燃料技术
• 通过适当调整系统大小，减少能源、排放和成本，进而缓解缓慢采用的障碍
• 允许降低系统温度或热质量要求，扩大IHPs的应用范围，提高IHP的价值主张，特别是对于可以高度优化的新建工厂