熱泵的應用情景

 現階段，我國建筑業(yè)、工業(yè)和農業(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(guān)的碳排放約22億噸，其中與供暖和熱水相關(guān)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42億GJ。建筑部門(mén)作為熱泵應用市場(chǎng)主導行業(yè)的供暖/供熱水占比仍不超過(guò)10%，在工業(yè)、農業(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(dòng)，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能裝置，從而為用戶(hù)提供中低溫熱量，如供暖、供冷及熱水服務(wù)等。

熱泵技術(shù)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(shù)可應用于我國不同氣候區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(shù)應用最多的場(chǎng)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(shù)應用在建筑領(lǐng)域不論是技術(shù)還是經(jīng)濟上均具有顯著(zhù)的競爭力。對于工業(yè)生產(chǎn)，目前中低溫熱泵技術(shù)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(xué)原料和化學(xué)制品業(yè)，汽車(chē)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

熱泵應用的節能減排效果也逐漸顯現。截至2021年，我國空氣源熱泵（含供暖、熱水和干燥）內銷(xiāo)約1500萬(wàn)臺，地源熱泵應用面積約5.7億平方米。已安裝的熱泵系統累計供熱量達53億GJ，實(shí)現近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。在熱泵應用規模顯著(zhù)增長(cháng)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、農業(yè)環(huán)境調控領(lǐng)域將能實(shí)現65%的碳減排，其中熱泵減排量達14.5億噸，相當于現階段我國碳排放總量的14%。若2060年電力實(shí)現零碳，熱泵在中低溫供熱領(lǐng)域實(shí)現全覆蓋，則中低溫供熱領(lǐng)域有望實(shí)現零碳。此外，按目前的價(jià)格體系，北方農村地區煤改空氣源熱泵的減碳成本僅為145元/噸CO?，具有極佳的減碳經(jīng)濟效益。

當然，熱泵大規模推廣也會(huì )增加電網(wǎng)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。隨著(zhù)終端部門(mén)電氣化水平的提升，據預測2060年全社會(huì )總電力需求將達18.7萬(wàn)億kWh，熱泵消耗的電力約占10.5%。雖然相對電直熱供熱節電明顯，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(chǎng)景的熱泵應用對電網(wǎng)進(jìn)行日調峰，實(shí)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(fēng)電、光電發(fā)電能力與電力負荷需求間的不匹配問(wèn)題，一定程度緩解了棄風(fēng)、棄光問(wèn)題。

熱泵發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)

 熱泵技術(shù)的推廣應用能有效降低用戶(hù)的碳排放，但熱泵設備生產(chǎn)、安裝、維護、拆除等也會(huì )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(shù)自身低碳化研發(fā)和應用。加強熱泵技術(shù)的研發(fā)與革新，推廣應用適宜的熱泵系統。健全適應未來(lái)大規模發(fā)展的熱泵相關(guān)制造、應用、運行維護和測評相關(guān)標準體系。研發(fā)新型壓縮技術(shù)，促進(jìn)壓縮機技術(shù)與其他學(xué)科前沿成果的融合，開(kāi)發(fā)無(wú)油壓縮機，優(yōu)化壓縮機與熱泵整機匹配；熱泵多場(chǎng)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(cháng)壽命的熱泵系統；加快低GWP制冷劑及相關(guān)技術(shù)研發(fā)，積極推廣包括自然工質(zhì)在內的環(huán)境友好型制冷劑；熱泵與蓄熱技術(shù)結合，開(kāi)發(fā)主、被動(dòng)式蓄熱技術(shù)及跨季節蓄熱技術(shù)；根據應用場(chǎng)景自身屬性，匹配熱泵系統源網(wǎng)荷儲各環(huán)節，應用適宜的熱泵系統，實(shí)現系統整體能效提升；熱泵系統與大數據、人工智能、數字孿生等相結合，實(shí)現熱泵供熱系統的智能化。

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

本文原載于《中國建材報》8月8日3版