熱泵技術是中低溫供熱領域實現(xiàn)碳中和的必然選擇

　　“雙碳”戰(zhàn)略下，能源領域將產(chǎn)生革命性變化，最顯著的是能源轉換鏈條由目前的“燃料產(chǎn)熱、熱發(fā)電”變革為“綠電生產(chǎn)、電制熱”，終端用能電氣化態(tài)勢明顯。熱泵因其電熱轉換的高效性，是電制熱的最有效方式，為替代化石能源燃燒供熱提供了一種可靠的備選方案，將在碳達峰、碳中和過程中發(fā)揮重要作用。為此，國家重大戰(zhàn)略、文件中均明確鼓勵因地制宜推進熱泵等清潔低碳供熱技術。

　　熱泵的應用情景

　　現(xiàn)階段，我國建筑業(yè)、工業(yè)和農(nóng)業(yè)消耗大量中低溫熱能，且大部分由化石燃料制備，可再生能源利用比例低。2020年，我國建筑運行中化石能源消耗相關的碳排放約22億噸，其中與供暖和熱水相關的碳排放接近一半；工業(yè)能耗約1400兆噸，其中50%～70%為化石燃料生產(chǎn)的熱能形式消耗，小于160℃的熱量消耗高達42GJ。建筑部門作為熱泵應用市場主導行業(yè)的供暖/供熱水占比仍不超過10%，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)中使用的情況更低。

　　熱泵是一種利用高位能（多為電能）驅動，將低位熱源（通常是空氣、水、土壤/巖土體及低溫廢熱等）的熱能轉移到高位熱源的節(jié)能裝置，從而為用戶提供中低溫熱量，如供暖、供冷及熱水服務等。

　　熱泵技術的優(yōu)勢在于整合可再生或廢棄的環(huán)境熱源，有效和可控地供熱，從而替代對化石能源的需求。在建筑行業(yè)，熱泵技術可應用于我國不同氣候區(qū)的新建建筑和既有建筑改造的供暖制冷和熱水供應，這也是目前熱泵技術應用最多的場景，尤其是2016年清潔取暖提出之后，發(fā)展很快。

　　目前，熱泵技術應用在建筑領域不論是技術還是經(jīng)濟上均具有顯著的競爭力。對于工業(yè)生產(chǎn)，目前中低溫熱泵技術已有商業(yè)化產(chǎn)品，溫度高達150℃的熱泵我國已有解決方案，不久將能產(chǎn)生高達180℃的熱量，制備高溫熱水、熱空氣、飽和蒸汽和低（微）壓蒸汽等，應用于食品制造業(yè)，紡織業(yè)，木材加工業(yè)，造紙和紙制品業(yè)，化學原料和化學制品業(yè)，汽車制造業(yè)等典型工業(yè)中。大容量的高溫工業(yè)熱泵將是解決工業(yè)能源脫碳的有效方案之一。

　　熱泵的減碳效益

　　熱泵應用的節(jié)能減排效果也逐漸顯現(xiàn)。截至2021年，我國空氣源熱泵（含供暖、熱水和干燥）內(nèi)銷約1500萬臺，地源熱泵應用面積約5.7億m2。已安裝的熱泵系統(tǒng)累計供熱量達53億GJ，實現(xiàn)近2.73億噸的碳減排量，其中2021年度我國熱泵碳減排量達0.81億噸。在熱泵應用規(guī)模顯著增長情景下，由熱泵應用、電力生產(chǎn)方式改革、需求側改造的共同作用下，2060年建筑供暖與熱水供應、工業(yè)中低溫用熱、農(nóng)業(yè)環(huán)境調(diào)控領域將能實現(xiàn)65%的碳減排，其中熱泵減排量達14.5億噸，相當于現(xiàn)階段我國碳排放總量的14%。若2060年電力實現(xiàn)零碳，熱泵在中低溫供熱領域實現(xiàn)全覆蓋，則中低溫供熱領域有望實現(xiàn)零碳。此外，按目前的價格體系，北方農(nóng)村地區(qū)煤改空氣源熱泵的減碳成本僅為145元/噸CO2，具有極佳的減碳經(jīng)濟效益。

　　當然，熱泵大規(guī)模推廣也會增加電網(wǎng)負荷，尤其是冬季供暖季節(jié)性用電需求的增加，與冬季水電、光電的季節(jié)性削弱正好矛盾。隨著終端部門電氣化水平的提升，據(jù)預測2060年全社會總電力需求將達18.7萬億kWh，熱泵消耗的電力約占10.5%。雖然相對電直熱供熱節(jié)電明顯，但熱泵高增速發(fā)展將增加電網(wǎng)負荷，應積極利用合適場景的熱泵應用對電網(wǎng)進行日調(diào)峰，實行需求側響應的柔性用電。如空氣源熱泵供暖可利用建筑物本身熱慣性，作為虛擬電力調(diào)峰站；熱泵蓄熱式熱水供應方式利用低谷電制熱等。一方面可減小對電力峰值負荷的影響，另一方面可平衡風電、光電發(fā)電能力與電力負荷需求間的不匹配問題，一定程度緩解了棄風、棄光問題。

　　熱泵發(fā)展的關鍵技術

　　熱泵技術的推廣應用能有效降低用戶的碳排放，但熱泵設備生產(chǎn)、安裝、維護、拆除等也會產(chǎn)生二氧化碳或非二氧化碳溫室氣體的排放，應注重熱泵技術自身低碳化研發(fā)和應用。加強熱泵技術的研發(fā)與革新，推廣應用適宜的熱泵系統(tǒng)。健全適應未來大規(guī)模發(fā)展的熱泵相關制造、應用、運行維護和測評相關標準體系。研發(fā)新型壓縮技術，促進壓縮機技術與其他學科前沿成果的融合，開發(fā)無油壓縮機，優(yōu)化壓縮機與熱泵整機匹配；熱泵多場景應用設備研發(fā)，如高溫熱泵、超低環(huán)境溫度熱泵、交通熱泵等，研發(fā)更高效、更可靠、大溫差及具有更長壽命的熱泵系統(tǒng)；加快低GWP制冷劑及相關技術研發(fā)，積極推廣包括自然工質(zhì)在內(nèi)的環(huán)境友好型制冷劑；熱泵與蓄熱技術結合，開發(fā)主、被動式蓄熱技術及跨季節(jié)蓄熱技術；根據(jù)應用場景自身屬性，匹配熱泵系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲各環(huán)節(jié)，應用適宜的熱泵系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)整體能效提升；熱泵系統(tǒng)與大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生等相結合，實現(xiàn)熱泵供熱系統(tǒng)的智能化。

　　發(fā)展實踐表明，熱泵技術作為綠色低碳的熱能供應方案，是中低溫供熱領域替代化石能源、實現(xiàn)碳中和的必然路徑。中低溫供熱領域實現(xiàn)碳中和的關鍵在于熱泵技術的普及應用。