當(dāng)空氣源熱泵遇見鋰電池，打開工業(yè)應(yīng)用新空間

2022年的冷暖產(chǎn)業(yè)，如果要選一個(gè)最熱門的產(chǎn)品，非“空氣源熱泵”莫屬。在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，空氣源熱泵作為一種高效、清潔、低碳的供熱方式，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于熱水供應(yīng)、供暖制冷和工農(nóng)業(yè)烘干等領(lǐng)域。而在今年歐洲能源危機(jī)的刺激下，空氣源熱泵更是站上了時(shí)代的“風(fēng)口”。

產(chǎn)業(yè)在線統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在2021年，中國(guó)空氣源熱泵銷售額為203.3億元，同比增長(zhǎng)達(dá)到29%，成長(zhǎng)性居于冷暖產(chǎn)業(yè)各大產(chǎn)品首位，而在即將結(jié)束的2022年，空氣源熱泵的這一高成長(zhǎng)性排名還將延續(xù)。

無獨(dú)有偶，受益于全球新能源汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，在“碳中和”背景下能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，風(fēng)光電一體化發(fā)展趨勢(shì)下，動(dòng)力電池、儲(chǔ)能電池等需求爆發(fā)，以及4680等新電池技術(shù)的推動(dòng)，鋰電池同樣成為了時(shí)代的“寵兒”。

盡管上述兩個(gè)產(chǎn)品看似分屬不同的產(chǎn)業(yè)，實(shí)則背后有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。那么，當(dāng)空氣源熱泵“遇見”新能源的核心產(chǎn)品——鋰電池，又會(huì)給“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)與兩大熱門產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來哪些新的驚喜？

新能源的“減碳”困擾

近兩年來，新能源產(chǎn)業(yè)迎來前所未有的變革。這其中以新能源汽車的發(fā)展最為突出。作為交通領(lǐng)域的主要“減碳”方向，隨著行業(yè)從燃油車向純電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)型，使用階段的碳排放已經(jīng)大幅降低，但高能耗、高排放的汽車材料生產(chǎn)流程給整個(gè)行業(yè)的成功“脫碳”提出了新的挑戰(zhàn)。

在大眾觀念中，新能源汽車是環(huán)保、節(jié)能的代表，但許多人沒有意識(shí)到的是，新能源汽車的核心部件——鋰電池，其生產(chǎn)制造本身則是典型的耗能大戶，在制造、使用、回收等過程中還會(huì)產(chǎn)生較多的碳排放。經(jīng)測(cè)算，現(xiàn)階段1kWh三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池生產(chǎn)所需能耗分別為82.91kWh和85.78kWh，按碳排放量計(jì)算，可以分別達(dá)到5.06萬(wàn)噸/GWh和5.23萬(wàn)噸/GWh。

對(duì)此，中汽中心于2021年7月正式推出的《乘用車生命周期碳排放核算技術(shù)規(guī)范》，規(guī)定了動(dòng)力電池在內(nèi)的生命周期碳排放核算方法。此外，歐洲車企同樣也已經(jīng)針對(duì)電池全生命周期二氧化碳排放（LCA）當(dāng)量提出要求。

截至2022年9月底，中國(guó)新能源汽車保有量已邁過1100萬(wàn)輛大關(guān)，其中，純電動(dòng)汽車保有量超900萬(wàn)輛。隨著新能源汽車市場(chǎng)的爆發(fā)式增長(zhǎng)，中國(guó)鋰電池的市場(chǎng)容量也在大幅提高。2021年，中國(guó)鋰電池市場(chǎng)規(guī)模為334GWh，同比增長(zhǎng)110.9%。其中，動(dòng)力電池裝車量達(dá)到154.5GWh，主要?jiǎng)恿﹄姵仄髽I(yè)的新增產(chǎn)能超過了1000GWh。

在政策和市場(chǎng)的雙輪驅(qū)動(dòng)下，行業(yè)實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展，與此同時(shí)，鋰電池行業(yè)面臨的“減碳”困擾也顯而易見。因此，如何通過制造工藝改進(jìn)、數(shù)字化智能化等手段降低鋰電池生產(chǎn)能耗，實(shí)現(xiàn)原材料的低碳化和全生命周期的低碳發(fā)展，已經(jīng)迫在眉睫，這既是鋰電企業(yè)實(shí)現(xiàn)自身降本增效和綠色生產(chǎn)的核心痛點(diǎn)，也影響著新能源產(chǎn)業(yè)能否全面發(fā)揮節(jié)能環(huán)保價(jià)值。

超高溫?zé)岜玫摹坝梦渲亍?/strong>

研究表明，動(dòng)力電池包制造過程中，有多個(gè)環(huán)節(jié)是能耗重點(diǎn)，主要包括正負(fù)極材料生產(chǎn)、電極涂布后的烘干以及鋰電池生產(chǎn)中干燥間干燥機(jī)組運(yùn)行等。其中，約38%的能耗用于過程干燥，43%的能耗用于維持干燥間的溫濕度。

在鋰電池原材料保存和電池制備過程中，環(huán)境濕度都需要嚴(yán)格控制，才能生產(chǎn)高性能的鋰離子電池。鋰電制造工藝所需的干燥間的超低露點(diǎn)（-30℃以下）是利用吸附技術(shù)對(duì)空氣中的水分進(jìn)行吸附除濕實(shí)現(xiàn)的，而轉(zhuǎn)輪吸附除濕的方式已經(jīng)逐步成為主流。

在這一過程中，通過低露點(diǎn)轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)進(jìn)行除濕，使用高效除濕轉(zhuǎn)輪，對(duì)處理風(fēng)進(jìn)行吸濕的同時(shí)，又需要大量的高溫?zé)釋?duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行脫濕再生，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪的循環(huán)除濕。低露點(diǎn)除濕機(jī)需要雙轉(zhuǎn)輪配合除濕，為達(dá)到超低露點(diǎn)的要求，需要兩次高溫烘干轉(zhuǎn)輪。一級(jí)轉(zhuǎn)輪需要120℃高溫再生烘干，二級(jí)轉(zhuǎn)輪需要130℃高溫再生烘干，設(shè)備再生排風(fēng)溫度65℃左右，直接對(duì)外排空。

目前，常用再生加熱源采用電加熱或蒸汽加熱，常規(guī)的熱回收使用板式熱交換，回收效率低，而且回收的熱能只能用于再生風(fēng)預(yù)熱，不可以直接用在一級(jí)轉(zhuǎn)輪再生中，這也使得在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)會(huì)消耗大量的能源用于再生，成為企業(yè)生產(chǎn)制造成本的痛點(diǎn)。

而空氣源熱泵的出現(xiàn)完美彌補(bǔ)了這個(gè)缺陷，高溫?zé)岜脤⒌蜏氐脑偕棚L(fēng)熱量高效回收，通過系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為高溫?zé)崮埽?20℃+），可直接用于轉(zhuǎn)輪再生加熱系統(tǒng)，熱泵的使用大大提高熱能利用率，從而達(dá)到節(jié)能減排的效果。

值得一提的是，常規(guī)熱泵的冷凝溫度最高為70-80℃，但轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)中再生溫度為110-140℃，所以常規(guī)熱泵無法滿足再生要求。艾默生針對(duì)這一應(yīng)用難點(diǎn)，其解決方案與應(yīng)用團(tuán)隊(duì)和瀚潤(rùn)特環(huán)保設(shè)備公司團(tuán)隊(duì)通力合作，克服重重技術(shù)難點(diǎn)，創(chuàng)新地推出超高溫渦旋壓縮機(jī)和整體解決方案，使得熱泵技術(shù)在轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)中有了“用武之地”。

艾默生超高溫?zé)岜谜w解決方案

艾默生超高溫?zé)岜眉夹g(shù)和整體解決方案，能針對(duì)具體行業(yè)定制化設(shè)計(jì)，由專家團(tuán)隊(duì)提供支持，全面覆蓋80-130°C高溫應(yīng)用?？蓪?shí)現(xiàn)全自動(dòng)系統(tǒng)控制，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況，同時(shí)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及遠(yuǎn)程監(jiān)控。效率比傳統(tǒng)電加熱提升30%以上，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，降低系統(tǒng)配電規(guī)格，減少電網(wǎng)投入，并且能延長(zhǎng)使用壽命，提高生產(chǎn)效率，降低全生命周期成本。

在實(shí)際應(yīng)用中，通過將艾默生超高溫渦旋壓縮機(jī)和整體解決方案與轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)完美結(jié)合，成功應(yīng)用于鋰電正極材料生產(chǎn)基地。經(jīng)過長(zhǎng)期的項(xiàng)目運(yùn)行和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，采用艾默生超高溫渦旋壓縮機(jī)后，對(duì)比采用純電加熱方案，一級(jí)轉(zhuǎn)輪能耗降低38%，整套轉(zhuǎn)輪設(shè)備能耗節(jié)省22%，整體碳排放量減少38%左右，節(jié)能減排效果顯著。

超高溫?zé)岜迷谵D(zhuǎn)輪除濕機(jī)的應(yīng)用

據(jù)悉，該項(xiàng)目于2021年7月份安裝調(diào)試，投入使用一年來，始終運(yùn)行良好，得到了用戶的高度評(píng)價(jià)，并借此在2022“節(jié)能杯”第七屆熱泵系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)大賽上“嶄露頭角”，成功入圍熱泵工農(nóng)業(yè)最佳應(yīng)用獎(jiǎng)。

工農(nóng)業(yè)應(yīng)用或成熱泵“第三增長(zhǎng)曲線”

近幾年，隨著在生活熱水和建筑供暖領(lǐng)域的市場(chǎng)積累和產(chǎn)品技術(shù)革新，空氣源熱泵在工農(nóng)業(yè)（烘干）領(lǐng)域的應(yīng)用正在不斷擴(kuò)大。據(jù)產(chǎn)業(yè)在線統(tǒng)計(jì)，2021年中國(guó)空氣源熱泵烘干主機(jī)實(shí)現(xiàn)銷售16.1億元，同比增長(zhǎng)42.8%，2022年預(yù)計(jì)將繼續(xù)保持40%以上增速。

2017-2022年空氣源熱泵烘干主機(jī)銷售規(guī)模及增速（億元）

從政策層面來看，“十四五”時(shí)期，是我國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化、實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”目標(biāo)的關(guān)鍵期和窗口期，也是工業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵五年。在2021年11月發(fā)布的《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》中提到：提升工業(yè)終端用能電氣化水平，發(fā)展屋頂光伏、分散式風(fēng)電、多元儲(chǔ)能、高效熱泵等。

據(jù)了解，我國(guó)50%~70%的工業(yè)能耗都以熱能形式消耗，并且45%為中低溫?zé)崃浚蠖嘣?0℃~170℃之間。用熱泵提供這部分熱量將顯著減少化石能源消耗和碳排放。由于許多工業(yè)過程是在高溫下進(jìn)行，因此高溫?zé)岜檬墙鉀Q工業(yè)能源脫碳的有效方案之一。

海外方面，歐盟超過25%的溫室氣體排放來源于工業(yè)，實(shí)現(xiàn)歐洲氣候目標(biāo)的關(guān)鍵是要進(jìn)行脫碳。為了應(yīng)對(duì)工業(yè)供暖脫碳，歐盟資助的SPIRIT項(xiàng)目于2022年9月1日啟動(dòng)，旨在到2030年讓高溫?zé)岜贸蔀闅W洲工業(yè)供暖主要技術(shù)。

從產(chǎn)業(yè)發(fā)展周期的角度來看：“十二五”期間，空氣源熱泵通過熱水應(yīng)用的市場(chǎng)積累，實(shí)現(xiàn)了第一增長(zhǎng)曲線；“十三五”期間，在國(guó)內(nèi)“煤改清潔能源”政策刺激下，空氣源熱泵在民用和商用建筑采暖市場(chǎng)的需求得到充分釋放，實(shí)現(xiàn)了第二增長(zhǎng)曲線；“十四五期間”，在中國(guó)乃至海外熱水和采暖市場(chǎng)需求持續(xù)釋放的同時(shí)，工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用（熱泵烘干等）開始展現(xiàn)出強(qiáng)勁的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，或?qū)⒊蔀榭諝庠礋岜玫摹暗谌鲩L(zhǎng)曲線”。

總之，在鋰電池生產(chǎn)過程中使用熱泵技術(shù)無疑是一次大膽的嘗試，憑借產(chǎn)品端的技術(shù)創(chuàng)新，上下游的共同協(xié)作，最終取得了成功。這一舉措不僅為空氣源熱泵在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用打開了新的增長(zhǎng)空間，同樣也為企業(yè)在當(dāng)下新舊能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型中的良性發(fā)展提供了方向。