摘要  　　

　　未來能源中綠電比例越來越高，末端用能向電氣化轉變，熱泵作為電制熱最有效的方式，將成為供熱領域實現碳中和的可靠路徑。本文通過碳排放因子法對熱泵技術在建筑、工業和農業等中低溫熱能生產中的減碳效益進行定量分析。結果表明，在熱泵高增速情景下，2060年建筑供暖和熱水供應、工業中低溫用熱和農業環境調控減碳總量為25.06億t，相對于當前減排65%。潛在減排量中熱泵減排量達14.53億t，相當于現階段我國碳排放總量的14.7%，電力端和需求側減排量分別為3.44億t和5.67億t，另外建筑供暖中低碳或零碳熱力規模擴大減排1.42億t。隨著技術進步，熱泵將成為中低溫供熱領域替代化石能源、實現碳中和的必然選擇。此外，雖相對電直熱供熱節電明顯，但熱泵高增速發展增加電網負荷，應積極利用合適場景的熱泵應用對電網進行日調峰，實行“需求側響應”的柔性用電。

　　

　　關鍵詞　

　　熱泵；中低溫熱能；碳減排；碳中和；建筑供暖；熱水供應；工業生產；農業環境調控

　　

　　作者  　　

　　倪龍1,2  董世豪1,2  鄭淵博1,2  趙恒誼3  宋忠奎3  高屹峰3　　

　　（1.哈爾濱工業大學；2.寒地城鄉人居環境科學與技術工業和信息化部重點實驗室；3.中國節能協會）

　　

　　0、引言  　

　　2019年我國二氧化碳排放量達99.18億t，占全世界二氧化碳排放量的29.5%。2020年煤炭占我國能源消費總量的57%，而在全球溫升限定在2 ℃的情景下，2050年煤炭的占比將降為9%，因此，要實現碳中和就必須大力改革能源結構。放眼國際，歐美等發達國家和地區從“碳達峰”到“碳中和”普遍有50~70年的過渡期，而我國僅有30年的時間，因而未來40年我國碳中和任務十分艱巨。

　　

　　2020年，中國消耗了全球熱量的1/4，其中建筑業、工業和農業消耗了大量中低溫熱能，且大部分由化石燃料制備。分行業來看，2019年中國建筑運行造成碳排放約22億t，其中與供暖和生活熱水相關的碳排放超過8億t；2018年工業能耗達14.23億t標準煤，其中50%~70%以熱能形式消耗，且大多數工業用熱溫度在60~150 ℃區間，而2020年中國工業用可再生能源熱量僅占0.83%；我國目前農業環境調控主要依靠散煤燃燒，但大量實例證明采用熱泵比燃煤可降低20%~60%的能耗。

　　

　　在“雙碳”戰略背景下，能源領域將發生革命性變化，尤其是能源轉換鏈條將由“燃料產熱、用熱發電”變為“綠電生產、由電制熱”，終端用能電氣化態勢顯著。熱泵作為一種可再生能源利用裝置，是電制熱的最有效方式，成為中低溫供熱領域實現碳中和的可靠路徑。同時，某些場景下的熱泵應用還能實現柔性用電，有助于電力調峰和風電、光電消納。

　　

　　隨著“雙碳”目標的提出，對各領域碳中和路徑和政策的研究成為熱點。如建筑實現零排放的路徑與關鍵技術，零能耗建筑的碳中和政策建議，針對建筑終端用電的“光儲直柔”新型建筑配電系統；構建了考慮光伏發電和電解制氫的典型城市工業園區的碳中和框架；根據能源消費、碳排放和農業經濟增長的關系，提出了農業碳中和路徑等。針對電力實現碳中和，朱法華等人指出，未來風電與光電將發揮重要作用，并預測2060年非化石能源發電量占比將達到85.3%；吳鄖等人分析了碳中和背景下電力部門的總體轉型思路。

　　

　　作為一種廣泛應用的節能減碳技術，熱泵技術將在中低溫用熱領域發揮重要作用，但是現有文獻針對熱泵減碳效益的定量分析較少。為分析熱泵技術在建筑、工業和農業等行業中的減碳潛力，推動熱泵發展，助力碳中和，本文采用碳排放因子法對3個行業采用電動熱泵進行碳排放預測與減排量分析。

　　

　　1、減碳潛力分析　　

　　1.1 熱泵發展趨勢預測　　

　　隨著碳中和相關政策推出，預計熱泵會迎來高速發展；隨著技術進步，熱泵應用范圍有所擴大，COP也將有所提升。本文采用Logistic曲線模型對未來熱泵占比與COP變化進行預測。Logistic曲線在有限空間內的數值增長會趨于一個穩定值，反映事物的發生、發展、成熟并趨于穩定的過程，廣泛應用于技術發展、植物生長、市場需求等多領域。Logistic曲線方程為

　　式中 y(t)為第t年的預測值；K為飽和水平，即2060年熱泵占比或COP能達到的最大值；A為模型系數；b為發展速度因子。

　　

　　根據目前應用現狀、未來政策推動熱泵占比擴大和部分行業應用領域拓寬（如工業），不同行業熱泵占比按照Logistic曲線發展，分為初始階段、高速發展階段和穩定階段；而熱泵COP受制于技術和經濟性，增長能力有限，處于緩慢增長，穩定階段較長。高增速條件下，不同行業熱泵應用占比和COP及采用Logistic曲線方程預測時參數取值如表1所示。2020年熱泵占比及COP根據現有行業調研、市場數據及技術現狀取值?？紤]到熱泵技術應用條件與范圍，熱泵技術推廣并不可能完全取代所有的中低溫用熱方式，為此對2060年熱泵占比進行合理預測。文獻給出了城鎮建筑集中供暖碳中和路徑，未來除熱電聯產外，還有核電余熱、工業余熱、熱泵供熱等方式，根據相關數據計算，2060年熱泵占比預計可達到20%~30%，本文取30%。表1中K、A、b的取值通過2020年、2060年熱泵占比和COP及Logistic曲線發展階段計算得到。

　　1.2 建筑行業　　

　　1.2.1 建筑面積與供暖面積預測　

　　每年大量建筑的竣工使得我國建筑面積存量不斷增長，根據近年我國城鎮和農村住宅面積變化趨勢進行預測，結果如圖3所示。我國城鎮住宅面積穩步增長，人口逐步趨穩，增長率逐漸放緩；同時，城鎮化不斷深入，農村人口不斷減少，農村住宅面積略有下降。目前，我國城鄉居住建筑面積約為528億㎡，供暖面積約為220億㎡。2040年后我國人口穩定在14億，城鄉居住建筑總規模將達到560億㎡，其中北方城鎮需要供暖的建筑面積為200億㎡，農村供暖建筑面積約為100億㎡。

　　

　　1.2.2 建筑供暖減碳分析　　

　　目前北方城鎮建筑每年需要50億GJ的熱量來滿足供暖需求，主要供暖方式為熱電聯產、燃煤區域鍋爐房等。2017—2018年北方城市平均單位面積年耗熱量約為0.355 GJ/㎡，隨著節能改造的進行，2020年建筑供暖年耗熱量取0.350 GJ/㎡。考慮未來熱泵供暖、各類工業余熱、核能供熱等零碳或低碳熱力占比擴大，燃煤燃氣供暖逐漸縮小的趨勢，設置1個當前情景和2個2060年情景，進行不同情景的碳排放量核算。對比供暖方式，城鎮折算為燃煤供暖的綜合能效取70%，農村取50%；對于熱電聯產方式集中供熱，根據GB/T 51161—2016《民用建筑能耗標準》，通過輸出的電力和熱量的分攤輸入的燃料來計算碳排放。由于農村取暖具有“部分時間、部分空間”的特點，因此農村供暖的同時使用率取50%，未來隨生活水平提高增至60%。各情景計算指標如表2所示，其中，其他零碳熱力主要包括工業余熱的直接利用、核能供熱等。其碳排放主要來源于長輸耗電，參考文獻中最小輸熱成本（僅考慮泵耗）及價格，按照80 km的經濟輸熱距離，折算長輸電耗為20 kW·h/GJ。各情景主要含義如下：

　　當前情景（情景1）：按照目前我國建筑規模、各類主要供熱方式占比及電力碳排放因子計算碳排放量。

　　

　　自然增長情景（情景2）：熱泵規模自然增長，2060年熱泵占比增長至城鎮20%、農村30%；熱電聯產效率提高，燃氣壁掛爐等被取代，各類零碳或低碳熱力占比增多；綠電生產增加，供暖面積增加，圍護結構改造，耗熱量指標下降，管網輸配效率更高，熱泵COP也提高。

　　

　　顯著增長情景（情景3）：在情景2的基礎上，大力推動熱泵技術及其他零碳熱力的應用，熱泵占比顯著增長至城鎮30%（含電動熱泵回收工業余熱）、農村70%。

　　

　　圖4給出了不同情景下的碳排放量，當前建筑供暖碳排放量達到了8.83億t/a，由于城鎮集中供熱和熱電聯產方式占比較大，因此間接碳排放量較多，而農村散煤燃燒較多，直接碳排放量更大。對于自然增長情景，采取電力改革、圍護結構改造、低碳熱力普及等措施，但熱泵占比自然增長，未大規模推廣，2060年的碳排放量仍有4.64億t/a，僅能實現47%的減排。對顯著增長情景，2060年熱泵技術及零碳熱力得到大力推廣，碳排放量降為2.29 億t/a，可實現74%的減排。顯著增長情景下，剩余少量碳排放是由于熱電聯產造成的間接碳排放，以及熱泵未全面普及、熱泵消耗電力及其他零碳熱力輸配耗電造成的碳排放。未來，隨著零碳熱力普及和農村采用生物質燃料，碳排放量可望進一步降低，乃至實現零碳供暖。

　　圖5給出了不同熱泵增速下2020—2060年的碳排放量與潛在減排量，計算指標見表3。在熱泵零增速下，建筑供暖的碳排放量緩慢降低，碳減排僅源于需求變化、低碳熱力規模擴大及電力碳排放降低；在低、中、高增速下，碳排放量逐年降低，且熱泵占比增速越大，減排效果越明顯。在高增速（顯著增長情景）下，2060年減排量達到6.54億t/a，其中熱泵減排量為3.04億t/a（占比46%），需求側減排量為1.67億t/a，電力端減排量為0.41億t/a，另外熱電聯產和低碳熱力規模擴大也貢獻了1.42億t/a的減排量。

　　圖6顯示了不同熱源供暖的碳排放強度變化。燃煤、燃油和燃氣供暖方式的碳排放強度不變；直接電熱供暖方式的碳排放雖逐年下降，但其碳排放強度顯著高于熱泵；熱泵的碳排放隨電力碳排放因子的下降而不斷下降，且熱泵COP越高，碳排放強度越低。在2030—2060年間，熱泵都是碳排放最低的供暖方式，且持續下降，相對于其他供暖方式具有顯著的減排優勢，說明熱泵技術是建筑供暖領域實現碳中和的最優路徑。

　　除分析的電動熱泵之外，吸收式熱泵在城鎮集中供暖中也正在擴大應用，在電廠、工業余熱回收，煙氣熱回收、吸收式換熱等大溫差供熱系統中變得越來越重要，是供暖熱源、輸配系統減排的重要技術措施。此外，電動熱泵也是近年興起的南方供暖的主要熱源。

　　

　　1.2.3 建筑熱水供應減碳分析　　

　　目前，我國居民主要通過燃氣熱水器、電熱水器、太陽能熱水器等方式制備生活熱水，未來，隨著生活水平的提高，熱水供應普及率和熱水使用量將增加，使得熱水供應熱負荷和生活熱水耗能增加。熱水供應同樣設置了1個當前情景和2個2060年情景，各情景計算指標如表4所示，其中，現階段我國住房空置率約為城鎮20%、農村40%，而未來城鎮合理空置率應該控制在10%以內。燃氣熱水器的效率取90%。各情景設計如下：

　　當前情景（情景1）：按照目前我國建筑規模、空置率、熱水供應普及率和熱泵占比計算碳排放量。

　　

　　自然增長情景（情景2）：建筑規模、熱水供應普及率、熱負荷指標均隨需求增加，電力生產方式得到改造，空置率下降；熱泵占比自然增長至城鎮20%、農村15%，仍然存在燃氣熱水器和電熱水器，其他為太陽能熱水器。

　　

　　顯著增長情景（情景3）：在情景2的基礎上，熱泵占比顯著增長至城鎮70%、農村60%，燃氣熱水器基本被取代，城鎮仍有30%的電熱水器，光伏技術的發展使得太陽能熱水器在農村的占比顯著降低。

　　

　　圖7給出了不同情景下我國建筑熱水供應的碳排放量。當前熱水供應造成了2.57億t/a的碳排放，其中直接碳排放0.58億t/a，間接碳排放1.99 億t/a；農村由于生活熱水普及率低、采用太陽能熱水器較多，因此農村碳排放低于城鎮。自然增長情景碳排放量小幅降至1.81億t/a；對于顯著增長情景，熱泵得到大力推廣，碳排放量降至1.06億t/a，相對于當前減排59%。

　　圖8給出了建筑熱水供應在不同熱泵增速下2020—2060年的碳排放量與減排量。隨著碳中和的推進，燃氣熱水器和電熱水器逐步被取代，光伏技術的發展使得太陽能熱水器占比也逐漸降低，占比均按照Logistic曲線規律變化，計算指標如表5所示。

　　由圖8可知，若熱泵零增速，碳排放量先略有增加后降低，升高是由于需求增加導致燃氣、電能消耗增加，使得碳排放增加，降低是由于電力碳排放因子降低所貢獻。高增速下，2060年碳排放量降至1.06億t/a，潛在減排量達1.52億t/a，其中熱泵減排量為1.05億t/a（占比70%），需求側由于需求增加減排量為-2.39億t/a，電力端減排量為2.86億t/a。

　　

　　1.3 工業生產　　

　　1.3.1 工業用熱規模預測　

　　在碳達峰、碳中和的大背景下，工業熱泵是未來熱泵技術研究的重要方向之一。工業熱泵根據冷凝溫度分為常溫熱泵（冷凝溫度低于60 ℃）、中溫熱泵（冷凝溫度60~90 ℃）和高溫熱泵（冷凝溫度高于90 ℃）。目前常溫、中溫工業熱泵市場上已有大量的商業化產品，高溫熱泵我國現已有實驗性解決方案，如熱泵蒸汽發生系統，現在多個企業正在研發中試原型機，通過電動熱泵從空氣取熱制備0.4 MPa飽和蒸汽（150 ℃），COP可達1.4，考慮到未來消耗的主要是零碳電力，意義重大。德國目前已可生產工業級150 ℃高溫熱泵，預計2030年，熱泵能夠產生溫度高達180 ℃的熱能，并在2050年前達到300 ℃。

　　

　　由于供給側結構性改革及高質量發展的不斷深入，工業能耗不會持續上升，文獻預測中國工業能源消費總量將于2030年達到峰值29億t左右，文獻預測2049年中國工業能源需求將會下降至21.4億t。國家統計局給出了最近20年工業能源消費總量，根據結構性改革和高質量發展趨勢，并考慮工業能源發展趨勢，進行我國工業能源消費規模預測，結果如圖9所示。為便于分析，假定潛在可改造的中低溫用熱變化趨勢與工業能源消費總量一致，考慮到并不是所有工業用熱都適合應用熱泵技術，取工業能源消費總量的30%為潛在可改造為熱泵技術的中低溫用熱量。

　　1.3.2 工業熱泵減碳分析　

　　綜合考慮因發電系統升級引起的電力碳排放因子降低和我國工業用熱規模的變化，針對潛在可改造的用熱量進行2020—2060年碳排放量和減排量核算，各情景計算指標和結果見表6。當前工業潛在可改造為熱泵的中低溫用熱量造成的碳排放量達到25.28億t/a，若熱泵能夠實現顯著增長，2060年碳排放量將會降低至9.45億t/a，比自然增長情景低6.09億t/a。

　　圖10給出了不同熱泵增速下的碳排放量與減排量，其中高、中、低增速下2060年熱泵占比分別為60%、40%和20%。熱泵增速越大，碳排放降低越快、越顯著。低增速時，2060年碳排放量仍然有15.54億t/a，將會成為碳中和的巨大負擔；而在高增速時，2060年熱泵占比達到60%，此時碳排放量僅有9.45億t/a，相對于現階段的減排量達15.82億t/a，其中熱泵減排量為8.99億t/a（占比57%），電力端減排量為0.13億t/a，需求側減排量為6.70億t/a。

　　1.4 農業環境調控　

　　農業生產中的禽畜養殖、溫室大棚、農作物干燥等都需要用熱，而現階段大多數溫室大棚、畜禽豬舍仍然采用燃煤、燃氣等傳統方式供暖。

　　

　　1.4.1 溫室大棚減碳分析　　

　　近年來，溫室大棚規模增長迅速，根據國家統計局給出的近10年溫室大棚面積進行規模預測，結果如圖11所示?？紤]到人們對飲食品種、質量要求逐漸提高，未來溫室大棚面積持續增長，但未來人口規模逐漸穩定，增長率放緩。嚴寒地區和寒冷地區占我國國土面積70%，但考慮南北方經濟發展的不平衡，設約有30%溫室大棚需要供暖。

　　不同情景的計算指標和結果如表7所示。當前溫室大棚供暖造成了1.25億t/a的碳排放；在自然增長情景下，熱泵供暖規模緩慢增長并不能抑制需求增長帶來的碳排放量增加，2060年達到1.41 億t/a；而顯著增長情景下，2060年碳排放量僅有0.38億t/a。

　　圖12給出了農業大棚不同增速下的碳排放量和減排量，其中高、中、低增速下2060年熱泵占比分別為90%、60%和20%。在熱泵占比零增速和低增速的情況下，碳排放量將持續增加；在中、高增速下，碳排放量先增后減，且增速越大峰值越提前，2060年的碳排放量越低。高增速下，最終碳排放量降至0.38億t/a，相對當前的減排量為0.87億t/a，實現69%的減排，其中熱泵減排量為1.25億t/a，由于需求明顯增加導致碳排放量升高，需求側減排量為-0.42 億t/a，電力端減排量為0.04億t/a。

　　1.4 熱泵應用對于碳中和的貢獻　　

　　熱泵顯著增長條件下，我國僅建筑供暖、生活熱水供應、工業生產中低溫用熱、農業溫室大棚及畜禽養殖的潛在減排量就達到25.06億t/a，相當于現階段我國碳排放總量（99.18億t/a）的25.3%，如圖15所示，其中建筑行業減排貢獻32.1%，工業中低溫用熱可貢獻63.1%。

　　圖16給出了顯著增長情景（情景3）下建筑行業、工業生產、農業環境調控的碳排放量與潛在減排量。在我國總體碳達峰之前，上述碳排放量有所下降，2030年碳排放量降至36.12億t/a，之后迅速下降，2060年降至13.23億t/a，下降65.4%。熱泵減排量、電力端減排量和需求側減排量均逐年增加，2020—2030年由于需求增加，使得需求側減排量為負值。2060年熱泵減排量達到了14.53億t/a，相當于現階段我國碳排放總量的14.7%，電力端減排量達3.44億t/a，需求側減排量達5.67億t/a，加上城鎮建筑集中供暖其他零碳熱力減排量1.42億t/a，減排總量為25.06億t/a。另外，熱泵技術還應用于干燥、交通運輸等場景，隨著熱泵進一步普及，減排量將會更大。

　　1.6 熱泵應用對電力的影響　

　　隨著我國碳中和的推進，零碳電力逐步增多，風電、光電、水電、核電將會成為電力供應的主力軍。未來用能結構會逐步減少對燃料的依賴，盡可能使用電力替代燃料制熱，最終實現電氣化，因此未來電力消耗量將會迅速增加，電網供電負荷增加。熱泵大規模推廣也會增加電網負荷，尤其是冬季供暖季節性用電需求的增加，與冬季水電、光電的季節性削弱正好矛盾。表9列出了熱泵顯著增長情景（情景3）下需要的峰值電負荷與耗電量估算值，以及相對于直接電熱的節省量。2019年我國電力消費總量達74 866億kW·h，隨著終端部門電氣化水平提升，2060年全社會總電力需求將達187 000億kW·h，由表9可見，熱泵在2060年將會消耗19 650億kW·h電力，約占電力需求的10.5%。

　　此外，應積極利用合適場景的熱泵應用對電網日調峰。如空氣源熱泵建筑供暖可利用建筑物本身熱慣性，作為虛擬電力調峰站，實行“需求側響應”的柔性用電模式；地源熱泵系統通過增加熱泵容量、采用間歇運行方式，具有很大的平移電負荷的潛力；熱泵蓄熱式熱水供應方式能利用低谷電制熱。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。

　　

　　2、熱泵發展關鍵技術 　　

　　熱泵技術不僅具有顯著的節能減排優勢，其應用場景也非常豐富，幾乎深入社會發展、人民生活的方方面面。熱泵技術經過長時間的發展，已經取得了突出的技術進步，但是仍有多技術亟待突破：　　

　　1） 壓縮機技術。① 新型壓縮技術開發及壓縮機性能提升，通過提高制造質量、優化設計參數，有望將其性能提升10%以上；② 促進壓縮機技術與其他學科前沿成果的融合，如永磁電動機、變頻技術的應用；③ 研發無油壓縮機，解決壓縮機油供應不及時導致壓縮機產能不足的現象；④ 壓縮機與熱泵整機匹配，實現整機能效提升；⑤ 壓縮機國產化，加大研發力度，擴大自主研發生產壓縮機范圍，鞏固熱泵制造技術安全。　　

　　2） 熱泵多場景應用設備研發。針對不同的應用場景開發更具有針對性的熱泵機組，拓展熱泵應用范圍。至少包括：① 高溫熱泵生產蒸汽和高溫熱水，滿足工業場景應用；② 超低環境溫度熱泵滿足嚴寒地區空氣源熱泵供熱場景應用；③ 作為電動汽車熱管理的重要技術，開發適用于汽車應用場景的交通熱泵成套技術將成為熱門研究方向?！?/div>