“雙碳”戰(zhàn)略下，能源領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生革命性變化，最顯著的是能源轉(zhuǎn)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(shì)明顯。熱泵因其電熱轉(zhuǎn)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(dá)峰、碳中和過(guò)程中發(fā)揮重要作用。為此，國(guó)家重大戰(zhàn)略、文件中均明確鼓勵(lì)因地制宜推進(jìn)熱泵等清潔低碳供熱技術(shù)。
熱泵的應(yīng)用情景
現(xiàn)階段，我國(guó)建筑業(yè)、工業(yè)和農(nóng)業(yè)消耗大量中低溫?zé)崮埽掖蟛糠钟苫剂现苽洌稍偕茉蠢帽壤汀?020年，我國(guó)建筑運(yùn)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(dá)42億GJ。建筑部門(mén)作為熱泵應(yīng)用市場(chǎng)主導(dǎo)行業(yè)的供暖/供熱水占比仍不超過(guò)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(qū)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(zhuǎn)移到高位熱源的節(jié)能裝置，從而為用戶(hù)提供中低溫?zé)崃浚绻┡⒐├浼盁崴?wù)等。
熱泵技術(shù)的優(yōu)勢(shì)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(duì)化石能源的需求。在建筑行業(yè)，熱泵技術(shù)可應(yīng)用于我國(guó)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(yīng)，這也是目前熱泵技術(shù)應(yīng)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。
熱泵的減碳效益
熱泵應(yīng)用的節(jié)能減排效果也逐漸顯現(xiàn)。截至2021年，我國(guó)空氣源熱泵（含供暖、熱水和干燥）內(nèi)銷(xiāo)約1500萬(wàn)臺(tái)，地源熱泵應(yīng)用面積約5.7億平方米。已安裝的熱泵系統(tǒng)累計(jì)供熱量達(dá)53億GJ，實(shí)現(xiàn)近2.73億噸的碳減排量，其中2021年度我國(guó)熱泵碳減排量達(dá)0.81億噸。在熱泵應(yīng)用規(guī)模顯著增長(zhǎng)情景下，由熱泵應(yīng)用、電力生產(chǎn)方式改革、需求側(cè)改造的共同作用下，2060年建筑供暖與熱水供應(yīng)、工業(yè)中低溫用熱、農(nóng)業(yè)環(huán)境調(diào)控領(lǐng)域?qū)⒛軐?shí)現(xiàn)65%的碳減排，其中熱泵減排量達(dá)14.5億噸，相當(dāng)于現(xiàn)階段我國(guó)碳排放總量的14%。若2060年電力實(shí)現(xiàn)零碳，熱泵在中低溫供熱領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)全覆蓋，則中低溫供熱領(lǐng)域有望實(shí)現(xiàn)零碳。此外，按目前的價(jià)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CO?，具有極佳的減碳經(jīng)濟(jì)效益。
當(dāng)然，熱泵大規(guī)模推廣也會(huì)增加電網(wǎng)負(fù)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(mén)電氣化水平的提升，據(jù)預(yù)測(cè)2060年全社會(huì)總電力需求將達(dá)18.7萬(wàn)億kWh，熱泵消耗的電力約占10.5%。雖然相對(duì)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(fù)荷，應(yīng)積極利用合適場(chǎng)景的熱泵應(yīng)用對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行日調(diào)峰，實(shí)行需求側(cè)響應(yīng)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(yīng)方式利用低谷電制熱等。一方面可減小對(duì)電力峰值負(fù)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(fù)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(yīng)用能有效降低用戶(hù)的碳排放，但熱泵設(shè)備生產(chǎn)、安裝、維護(hù)、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(yīng)注重?zé)岜眉夹g(shù)自身低碳化研發(fā)和應(yīng)用。加強(qiáng)熱泵技術(shù)的研發(fā)與革新，推廣應(yīng)用適宜的熱泵系統(tǒng)。健全適應(yīng)未來(lái)大規(guī)模發(fā)展的熱泵相關(guān)制造、應(yīng)用、運(yùn)行維護(hù)和測(cè)評(píng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系。研發(fā)新型壓縮技術(shù)，促進(jìn)壓縮機(jī)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(jī)，優(yōu)化壓縮機(jī)與熱泵整機(jī)匹配；熱泵多場(chǎng)景應(yīng)用設(shè)備研發(fā)，如高溫?zé)岜谩⒊铜h(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(zhǎng)壽命的熱泵系統(tǒng)；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(nèi)的環(huán)境友好型制冷劑；熱泵與蓄熱技術(shù)結(jié)合，開(kāi)發(fā)主、被動(dòng)式蓄熱技術(shù)及跨季節(jié)蓄熱技術(shù)；根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景自身屬性，匹配熱泵系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲(chǔ)各環(huán)節(jié)，應(yīng)用適宜的熱泵系統(tǒng)，實(shí)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(jié)合，實(shí)現(xiàn)熱泵供熱系統(tǒng)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(yīng)方案，是中低溫供熱領(lǐng)域替代化石能源、實(shí)現(xiàn)碳中和的必然路徑。中低溫供熱領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳中和的關(guān)鍵在于熱泵技術(shù)的普及應(yīng)用。
熱泵在建筑中的應(yīng)用 倪 龍/供圖
