热泵在碳中和中的作用与意义

碳中和的实现需要各行各业的共同努力。从能源利用角度来看，热泵是一种使热量从低位热源流向高位热源的节能装置，其基本原理如图1-2所示，通过输入1个单位的高位能（如电能）驱动热泵循环，吸收空气、土壤或水中的热能后，能够制取超过1个单位的热能，因此具有节能高效的特点。在仅考虑建筑和工业的终端用热的热能占比前提下，我国近一半的终端用能都以热能的形式消耗了。面对如此大的热量需求，在有合适的低位热源条件下，使用热泵来提供热能将大大减少整个国家化石燃料的消耗，从而助力碳中和。

图1‑2 热泵技术原理图

从能源革命的角度来看，能源转换链条将发生革命性变化，由目前的“燃料产热、热发电”变革为“绿电生产、电制热”，如图1-3所示。2022年6月30日，住房和城乡建设部及国家发改委联合发布的《城乡建设领域碳达峰实施方案》中提到“推动新建公共建筑全面电气化，到2030年电气化比例达20%”，这在之前的政策中相当少见，凸显了国家推动能源链条转换的坚定信心。热泵作为一种可再生能源利用装置，在“热→电”到“电→热”的巨大转换中，将是电制热的最有效方式。随着终端电气化程度的不断加深，理论上热泵COP > 1.3（消耗1单位电能制取1.3单位热能）时便具有可用性，因此在未来热泵的应用领域将会进一步扩大，成为各行各业制热的优先选择。

如图1-1所示，在2℃情景下，到2050年，我国能源总需求将达到52亿吨标煤，其中非化石能源占比超过73%，非化石电力在总电量中比例90%；终端消费部门加强以电力替代化石能源直接燃烧利用，电力占终端能源消费的比重由当前25%提升到约55%。这意味着使用电力驱动生产中低温热能的热泵比例将大幅提高，并逐步代替传统化石能源生产低品位热量的用能方式。国家能源局关于印发《2021年能源工作指导意见》的通知指出，应大力推广高效节能技术，支持传统领域节能改造升级，推进节能标准制修订，因地制宜推进实施电能替代，大力推进以电代煤和以电代油，有序推进以电代气，提升终端用能电气化水平。江亿院士也多次指出，零碳能源的主要表现形式是直接输出电力，用电力替代化石能源以高效转换的方式生产热量是能源革命的需要。热泵作为能够实现高效电制热的能源装置，将对我国终端电气化产生巨大的推动作用。同时，热泵应用还能一定程度上实现柔性用电，有助于电力调峰。高效节能的热泵技术契合时代背景与政策导向，将被碳中和的时代需求推动而得到进一步发展。

图1‑3 能源链条转换图

从技术路线角度来看，热泵是用热领域，尤其是中低温用热实现零碳的最好技术路径。碳排放分为直接碳排放与间接碳排放，使用热泵代替化石燃料，直接碳排放量就变为零，仅需考虑间接碳排放。图1-4从碳减排与碳吸收两个角度出发，纳入供给侧、需求侧分析，对已有的低碳技术进行了归纳。供给侧减排方面的地热供热、需求侧减排方面的工业节能中的余热余压回收、建筑使用过程当中的暖通空调及热水系统节能，这些技术路线上热泵装置均能充分发挥自身特点，为路线的实现提供有效工具。如中深层地源热泵可利用地热能供热；高温热泵十分适用于工业余热的回收利用，回收的热量既可以用于工艺过程，也可以用于供热，推动工业体系的低碳化；而建筑暖通空调、卫生热水供应方面，各类热泵供暖装置和热泵热水器已有大量的应用，尤其是清洁取暖的政策发布以来，空气源热泵在北方集中供暖应用迅速推广开来。

图1‑4 低碳技术盘点

从能源革命角度来看，热泵契合能源转换链条的革命性变化，符合终端用能电气化发展的需求；从能量利用角度来看，热能是我国终端能耗的主要形式，而使用热泵提供中低温热能是最优方式；从技术路线角度，热泵能够为供给侧减排方面的地热发电/供热、需求侧减排中建筑、工业、农业、交通等领域的中低温热能生产提供工具。因此，为推进我国碳中和目标顺利达成，大力推广热泵技术是必由之路。

地源热泵

地源热泵技术，是一种利用浅层地热能源的低品位热源既可供热又可制冷的高效节能的空调技术，实现对建筑物供暖、制冷、热水三联供系统的能源供给，是目前浅层地热能最主要的开发利用方式。地源热泵主要分为地埋管热泵、地下水热泵和地表水源热泵 。