摘要
未来能源中绿电比例越来越高，末端用能向电气化转变，热泵作为电制热最有效的方式，将成为供热领域实现碳中和的可靠路径。本文通过碳排放因子法对热泵技术在建筑、工业和农业等中低温热能生产中的减碳效益进行定量分析。结果表明，在热泵高增速情景下，2060年建筑供暖和热水供应、工业中低温用热和农业环境调控减碳总量为25.06亿t，相对于当前减排65%。潜在减排量中热泵减排量达14.53亿t，相当于现阶段我国碳排放总量的14.7%，电力端和需求侧减排量分别为3.44亿t和5.67亿t，另外建筑供暖中低碳或零碳热力规模扩大减排1.42亿t。随着技术进步，热泵将成为中低温供热领域替代化石能源、实现碳中和的必然选择。此外，虽相对电直热供热节电明显，但热泵高增速发展增加电网负荷，应积极利用合适场景的热泵应用对电网进行日调峰，实行“需求侧响应”的柔性用电。
关键词
热泵；中低温热能；碳减排；碳中和；建筑供暖；热水供应；工业生产；农业环境调控
作者
倪龙1,2 董世豪1,2 郑渊博1,2 赵恒谊3 宋忠奎3 高屹峰3
（1.哈尔滨工业大学；2.寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室；3.中国节能协会）
0、引言
2019年我国二氧化碳排放量达99.18亿t，占全世界二氧化碳排放量的29.5%。2020年煤炭占我国能源消费总量的57%，而在全球温升限定在2 ℃的情景下，2050年煤炭的占比将降为9%，因此，要实现碳中和就必须大力改革能源结构。放眼国际，欧美等发达国家和地区从“碳达峰”到“碳中和”普遍有50~70年的过渡期，而我国仅有30年的时间，因而未来40年我国碳中和任务十分艰巨。
2020年，中国消耗了全球热量的1/4，其中建筑业、工业和农业消耗了大量中低温热能，且大部分由化石燃料制备。分行业来看，2019年中国建筑运行造成碳排放约22亿t，其中与供暖和生活热水相关的碳排放超过8亿t；2018年工业能耗达14.23亿t标准煤，其中50%~70%以热能形式消耗，且大多数工业用热温度在60~150 ℃区间，而2020年中国工业用可再生能源热量仅占0.83%；我国目前农业环境调控主要依靠散煤燃烧，但大量实例证明采用热泵比燃煤可降低20%~60%的能耗。
在“双碳”战略背景下，能源领域将发生革命性变化，尤其是能源转换链条将由“燃料产热、用热发电”变为“绿电生产、由电制热”，终端用能电气化态势显著。热泵作为一种可再生能源利用装置，是电制热的最有效方式，成为中低温供热领域实现碳中和的可靠路径。同时，某些场景下的热泵应用还能实现柔性用电，有助于电力调峰和风电、光电消纳。
随着“双碳”目标的提出，对各领域碳中和路径和政策的研究成为热点。如建筑实现零排放的路径与关键技术，零能耗建筑的碳中和政策建议，针对建筑终端用电的“光储直柔”新型建筑配电系统；构建了考虑光伏发电和电解制氢的典型城市工业园区的碳中和框架；根据能源消费、碳排放和农业经济增长的关系，提出了农业碳中和路径等。针对电力实现碳中和，朱法华等人指出，未来风电与光电将发挥重要作用，并预测2060年非化石能源发电量占比将达到85.3%；吴郧等人分析了碳中和背景下电力部门的总体转型思路。
作为一种广泛应用的节能减碳技术，热泵技术将在中低温用热领域发挥重要作用，但是现有文献针对热泵减碳效益的定量分析较少。为分析热泵技术在建筑、工业和农业等行业中的减碳潜力，推动热泵发展，助力碳中和，本文采用碳排放因子法对3个行业采用电动热泵进行碳排放预测与减排量分析。
1、减碳潜力分析
1.1 热泵发展趋势预测
随着碳中和相关政策推出，预计热泵会迎来高速发展；随着技术进步，热泵应用范围有所扩大，COP也将有所提升。本文采用Logistic曲线模型对未来热泵占比与COP变化进行预测。Logistic曲线在有限空间内的数值增长会趋于一个稳定值，反映事物的发生、发展、成熟并趋于稳定的过程，广泛应用于技术发展、植物生长、市场需求等多领域。Logistic曲线方程为
式中 y(t)为第t年的预测值；K为饱和水平，即2060年热泵占比或COP能达到的最大值；A为模型系数；b为发展速度因子。
根据目前应用现状、未来政策推动热泵占比扩大和部分行业应用领域拓宽（如工业），不同行业热泵占比按照Logistic曲线发展，分为初始阶段、高速发展阶段和稳定阶段；而热泵COP受制于技术和经济性，增长能力有限，处于缓慢增长，稳定阶段较长。高增速条件下，不同行业热泵应用占比和COP及采用Logistic曲线方程预测时参数取值如表1所示。2020年热泵占比及COP根据现有行业调研、市场数据及技术现状取值。考虑到热泵技术应用条件与范围，热泵技术推广并不可能完全取代所有的中低温用热方式，为此对2060年热泵占比进行合理预测。文献给出了城镇建筑集中供暖碳中和路径，未来除热电联产外，还有核电余热、工业余热、热泵供热等方式，根据相关数据计算，2060年热泵占比预计可达到20%~30%，本文取30%。表1中K、A、b的取值通过2020年、2060年热泵占比和COP及Logistic曲线发展阶段计算得到。
1.2 建筑行业
1.2.1 建筑面积与供暖面积预测
每年大量建筑的竣工使得我国建筑面积存量不断增长，根据近年我国城镇和农村住宅面积变化趋势进行预测，结果如图3所示。我国城镇住宅面积稳步增长，人口逐步趋稳，增长率逐渐放缓；同时，城镇化不断深入，农村人口不断减少，农村住宅面积略有下降。目前，我国城乡居住建筑面积约为528亿㎡，供暖面积约为220亿㎡。2040年后我国人口稳定在14亿，城乡居住建筑总规模将达到560亿㎡，其中北方城镇需要供暖的建筑面积为200亿㎡，农村供暖建筑面积约为100亿㎡。
1.2.2 建筑供暖减碳分析
目前北方城镇建筑每年需要50亿GJ的热量来满足供暖需求，主要供暖方式为热电联产、燃煤区域锅炉房等。2017—2018年北方城市平均单位面积年耗热量约为0.355 GJ/㎡，随着节能改造的进行，2020年建筑供暖年耗热量取0.350 GJ/㎡。考虑未来热泵供暖、各类工业余热、核能供热等零碳或低碳热力占比扩大，燃煤燃气供暖逐渐缩小的趋势，设置1个当前情景和2个2060年情景，进行不同情景的碳排放量核算。对比供暖方式，城镇折算为燃煤供暖的综合能效取70%，农村取50%；对于热电联产方式集中供热，根据GB/T 51161—2016《民用建筑能耗标准》，通过输出的电力和热量的分摊输入的燃料来计算碳排放。由于农村取暖具有“部分时间、部分空间”的特点，因此农村供暖的同时使用率取50%，未来随生活水平提高增至60%。各情景计算指标如表2所示，其中，其他零碳热力主要包括工业余热的直接利用、核能供热等。其碳排放主要来源于长输耗电，参考文献中最小输热成本（仅考虑泵耗）及价格，按照80 km的经济输热距离，折算长输电耗为20 kW·h/GJ。各情景主要含义如下：
当前情景（情景1）：按照目前我国建筑规模、各类主要供热方式占比及电力碳排放因子计算碳排放量。
自然增长情景（情景2）：热泵规模自然增长，2060年热泵占比增长至城镇20%、农村30%；热电联产效率提高，燃气壁挂炉等被取代，各类零碳或低碳热力占比增多；绿电生产增加，供暖面积增加，围护结构改造，耗热量指标下降，管网输配效率更高，热泵COP也提高。
显著增长情景（情景3）：在情景2的基础上，大力推动热泵技术及其他零碳热力的应用，热泵占比显著增长至城镇30%（含电动热泵回收工业余热）、农村70%。
图4给出了不同情景下的碳排放量，当前建筑供暖碳排放量达到了8.83亿t/a，由于城镇集中供热和热电联产方式占比较大，因此间接碳排放量较多，而农村散煤燃烧较多，直接碳排放量更大。对于自然增长情景，采取电力改革、围护结构改造、低碳热力普及等措施，但热泵占比自然增长，未大规模推广，2060年的碳排放量仍有4.64亿t/a，仅能实现47%的减排。对显著增长情景，2060年热泵技术及零碳热力得到大力推广，碳排放量降为2.29 亿t/a，可实现74%的减排。显著增长情景下，剩余少量碳排放是由于热电联产造成的间接碳排放，以及热泵未全面普及、热泵消耗电力及其他零碳热力输配耗电造成的碳排放。未来，随着零碳热力普及和农村采用生物质燃料，碳排放量可望进一步降低，乃至实现零碳供暖。
图5给出了不同热泵增速下2020—2060年的碳排放量与潜在减排量，计算指标见表3。在热泵零增速下，建筑供暖的碳排放量缓慢降低，碳减排仅源于需求变化、低碳热力规模扩大及电力碳排放降低；在低、中、高增速下，碳排放量逐年降低，且热泵占比增速越大，减排效果越明显。在高增速（显著增长情景）下，2060年减排量达到6.54亿t/a，其中热泵减排量为3.04亿t/a（占比46%），需求侧减排量为1.67亿t/a，电力端减排量为0.41亿t/a，另外热电联产和低碳热力规模扩大也贡献了1.42亿t/a的减排量。
图6显示了不同热源供暖的碳排放强度变化。燃煤、燃油和燃气供暖方式的碳排放强度不变；直接电热供暖方式的碳排放虽逐年下降，但其碳排放强度显著高于热泵；热泵的碳排放随电力碳排放因子的下降而不断下降，且热泵COP越高，碳排放强度越低。在2030—2060年间，热泵都是碳排放最低的供暖方式，且持续下降，相对于其他供暖方式具有显著的减排优势，说明热泵技术是建筑供暖领域实现碳中和的最优路径。
除分析的电动热泵之外，吸收式热泵在城镇集中供暖中也正在扩大应用，在电厂、工业余热回收，烟气热回收、吸收式换热等大温差供热系统中变得越来越重要，是供暖热源、输配系统减排的重要技术措施。此外，电动热泵也是近年兴起的南方供暖的主要热源。
1.2.3 建筑热水供应减碳分析
目前，我国居民主要通过燃气热水器、电热水器、太阳能热水器等方式制备生活热水，未来，随着生活水平的提高，热水供应普及率和热水使用量将增加，使得热水供应热负荷和生活热水耗能增加。热水供应同样设置了1个当前情景和2个2060年情景，各情景计算指标如表4所示，其中，现阶段我国住房空置率约为城镇20%、农村40%，而未来城镇合理空置率应该控制在10%以内。燃气热水器的效率取90%。各情景设计如下：
当前情景（情景1）：按照目前我国建筑规模、空置率、热水供应普及率和热泵占比计算碳排放量。
自然增长情景（情景2）：建筑规模、热水供应普及率、热负荷指标均随需求增加，电力生产方式得到改造，空置率下降；热泵占比自然增长至城镇20%、农村15%，仍然存在燃气热水器和电热水器，其他为太阳能热水器。
显著增长情景（情景3）：在情景2的基础上，热泵占比显著增长至城镇70%、农村60%，燃气热水器基本被取代，城镇仍有30%的电热水器，光伏技术的发展使得太阳能热水器在农村的占比显著降低。
图7给出了不同情景下我国建筑热水供应的碳排放量。当前热水供应造成了2.57亿t/a的碳排放，其中直接碳排放0.58亿t/a，间接碳排放1.99 亿t/a；农村由于生活热水普及率低、采用太阳能热水器较多，因此农村碳排放低于城镇。自然增长情景碳排放量小幅降至1.81亿t/a；对于显著增长情景，热泵得到大力推广，碳排放量降至1.06亿t/a，相对于当前减排59%。
图8给出了建筑热水供应在不同热泵增速下2020—2060年的碳排放量与减排量。随着碳中和的推进，燃气热水器和电热水器逐步被取代，光伏技术的发展使得太阳能热水器占比也逐渐降低，占比均按照Logistic曲线规律变化，计算指标如表5所示。
由图8可知，若热泵零增速，碳排放量先略有增加后降低，升高是由于需求增加导致燃气、电能消耗增加，使得碳排放增加，降低是由于电力碳排放因子降低所贡献。高增速下，2060年碳排放量降至1.06亿t/a，潜在减排量达1.52亿t/a，其中热泵减排量为1.05亿t/a（占比70%），需求侧由于需求增加减排量为-2.39亿t/a，电力端减排量为2.86亿t/a。
1.3 工业生产
1.3.1 工业用热规模预测
在碳达峰、碳中和的大背景下，工业热泵是未来热泵技术研究的重要方向之一。工业热泵根据冷凝温度分为常温热泵（冷凝温度低于60 ℃）、中温热泵（冷凝温度60~90 ℃）和高温热泵（冷凝温度高于90 ℃）。目前常温、中温工业热泵市场上已有大量的商业化产品，高温热泵我国现已有实验性解决方案，如热泵蒸汽发生系统，现在多个企业正在研发中试原型机，通过电动热泵从空气取热制备0.4 MPa饱和蒸汽（150 ℃），COP可达1.4，考虑到未来消耗的主要是零碳电力，意义重大。德国目前已可生产工业级150 ℃高温热泵，预计2030年，热泵能够产生温度高达180 ℃的热能，并在2050年前达到300 ℃。
由于供给侧结构性改革及高质量发展的不断深入，工业能耗不会持续上升，文献预测中国工业能源消费总量将于2030年达到峰值29亿t左右，文献预测2049年中国工业能源需求将会下降至21.4亿t。国家统计局给出了最近20年工业能源消费总量，根据结构性改革和高质量发展趋势，并考虑工业能源发展趋势，进行我国工业能源消费规模预测，结果如图9所示。为便于分析，假定潜在可改造的中低温用热变化趋势与工业能源消费总量一致，考虑到并不是所有工业用热都适合应用热泵技术，取工业能源消费总量的30%为潜在可改造为热泵技术的中低温用热量。
1.3.2 工业热泵减碳分析
综合考虑因发电系统升级引起的电力碳排放因子降低和我国工业用热规模的变化，针对潜在可改造的用热量进行2020—2060年碳排放量和减排量核算，各情景计算指标和结果见表6。当前工业潜在可改造为热泵的中低温用热量造成的碳排放量达到25.28亿t/a，若热泵能够实现显著增长，2060年碳排放量将会降低至9.45亿t/a，比自然增长情景低6.09亿t/a。
图10给出了不同热泵增速下的碳排放量与减排量，其中高、中、低增速下2060年热泵占比分别为60%、40%和20%。热泵增速越大，碳排放降低越快、越显著。低增速时，2060年碳排放量仍然有15.54亿t/a，将会成为碳中和的巨大负担；而在高增速时，2060年热泵占比达到60%，此时碳排放量仅有9.45亿t/a，相对于现阶段的减排量达15.82亿t/a，其中热泵减排量为8.99亿t/a（占比57%），电力端减排量为0.13亿t/a，需求侧减排量为6.70亿t/a。
1.4 农业环境调控
农业生产中的禽畜养殖、温室大棚、农作物干燥等都需要用热，而现阶段大多数温室大棚、畜禽猪舍仍然采用燃煤、燃气等传统方式供暖。
1.4.1 温室大棚减碳分析
近年来，温室大棚规模增长迅速，根据国家统计局给出的近10年温室大棚面积进行规模预测，结果如图11所示。考虑到人们对饮食品种、质量要求逐渐提高，未来温室大棚面积持续增长，但未来人口规模逐渐稳定，增长率放缓。严寒地区和寒冷地区占我国国土面积70%，但考虑南北方经济发展的不平衡，设约有30%温室大棚需要供暖。
不同情景的计算指标和结果如表7所示。当前温室大棚供暖造成了1.25亿t/a的碳排放；在自然增长情景下，热泵供暖规模缓慢增长并不能抑制需求增长带来的碳排放量增加，2060年达到1.41 亿t/a；而显著增长情景下，2060年碳排放量仅有0.38亿t/a。
图12给出了农业大棚不同增速下的碳排放量和减排量，其中高、中、低增速下2060年热泵占比分别为90%、60%和20%。在热泵占比零增速和低增速的情况下，碳排放量将持续增加；在中、高增速下，碳排放量先增后减，且增速越大峰值越提前，2060年的碳排放量越低。高增速下，最终碳排放量降至0.38亿t/a，相对当前的减排量为0.87亿t/a，实现69%的减排，其中热泵减排量为1.25亿t/a，由于需求明显增加导致碳排放量升高，需求侧减排量为-0.42 亿t/a，电力端减排量为0.04亿t/a。
1.4 热泵应用对于碳中和的贡献
热泵显著增长条件下，我国仅建筑供暖、生活热水供应、工业生产中低温用热、农业温室大棚及畜禽养殖的潜在减排量就达到25.06亿t/a，相当于现阶段我国碳排放总量（99.18亿t/a）的25.3%，如图15所示，其中建筑行业减排贡献32.1%，工业中低温用热可贡献63.1%。
图16给出了显著增长情景（情景3）下建筑行业、工业生产、农业环境调控的碳排放量与潜在减排量。在我国总体碳达峰之前，上述碳排放量有所下降，2030年碳排放量降至36.12亿t/a，之后迅速下降，2060年降至13.23亿t/a，下降65.4%。热泵减排量、电力端减排量和需求侧减排量均逐年增加，2020—2030年由于需求增加，使得需求侧减排量为负值。2060年热泵减排量达到了14.53亿t/a，相当于现阶段我国碳排放总量的14.7%，电力端减排量达3.44亿t/a，需求侧减排量达5.67亿t/a，加上城镇建筑集中供暖其他零碳热力减排量1.42亿t/a，减排总量为25.06亿t/a。另外，热泵技术还应用于干燥、交通运输等场景，随着热泵进一步普及，减排量将会更大。
1.6 热泵应用对电力的影响
随着我国碳中和的推进，零碳电力逐步增多，风电、光电、水电、核电将会成为电力供应的主力军。未来用能结构会逐步减少对燃料的依赖，尽可能使用电力替代燃料制热，最终实现电气化，因此未来电力消耗量将会迅速增加，电网供电负荷增加。热泵大规模推广也会增加电网负荷，尤其是冬季供暖季节性用电需求的增加，与冬季水电、光电的季节性削弱正好矛盾。表9列出了热泵显著增长情景（情景3）下需要的峰值电负荷与耗电量估算值，以及相对于直接电热的节省量。2019年我国电力消费总量达74 866亿kW·h，随着终端部门电气化水平提升，2060年全社会总电力需求将达187 000亿kW·h，由表9可见，热泵在2060年将会消耗19 650亿kW·h电力，约占电力需求的10.5%。
此外，应积极利用合适场景的热泵应用对电网日调峰。如空气源热泵建筑供暖可利用建筑物本身热惯性，作为虚拟电力调峰站，实行“需求侧响应”的柔性用电模式；地源热泵系统通过增加热泵容量、采用间歇运行方式，具有很大的平移电负荷的潜力；热泵蓄热式热水供应方式能利用低谷电制热。一方面可减小对电力峰值负荷的影响；另一方面，可平衡风电、光电发电能力与电力负荷需求间的不匹配问题，一定程度缓解了弃风、弃光问题。
2、热泵发展关键技术
热泵技术不仅具有显著的节能减排优势，其应用场景也非常丰富，几乎深入社会发展、人民生活的方方面面。热泵技术经过长时间的发展，已经取得了突出的技术进步，但是仍有多技术亟待突破：
1） 压缩机技术。① 新型压缩技术开发及压缩机性能提升，通过提高制造质量、优化设计参数，有望将其性能提升10%以上；② 促进压缩机技术与其他学科前沿成果的融合，如永磁电动机、变频技术的应用；③ 研发无油压缩机，解决压缩机油供应不及时导致压缩机产能不足的现象；④ 压缩机与热泵整机匹配，实现整机能效提升；⑤ 压缩机国产化，加大研发力度，扩大自主研发生产压缩机范围，巩固热泵制造技术安全。
2） 热泵多场景应用设备研发。针对不同的应用场景开发更具有针对性的热泵机组，拓展热泵应用范围。至少包括：① 高温热泵生产蒸汽和高温热水，满足工业场景应用；② 超低环境温度热泵满足严寒地区空气源热泵供热场景应用；③ 作为电动汽车热管理的重要技术，开发适用于汽车应用场景的交通热泵成套技术将成为热门研究方向。
3） 低GWP(全球增温潜能值)工质及相关技术研发。HFC类制冷剂工质泄漏造成温室气体排放，随着热泵普及，如何减少工质对环境的影响也成为了重点研究方向。未来制冷工质主要有三大发展方向：工质替代、减少泄漏、特殊应用场景工质研发。① 工质替代，一方面是采用自然工质，如二氧化碳、水、碳氢类化合物等，另一方面是研发零ODP（消耗臭氧潜能值）、低GWP的合成化合物；② 减少泄漏，除技术层面改进，重要的是政策法规的完善和严格执行，通过严格管理机制减少制冷剂泄漏，推进制冷剂的使用、回收与再生规范化；③ 特殊应用场景工质研发，一方面满足工质环保性能，另一方面适应高温、低温、宽温区等特殊应用场景，并研发配套的载热、载冷和润滑油剂。
4） 热泵与蓄热技术结合。未来可再生电力规模增大，但是可再生电力波动性明显，电力供需源随荷变机动性差。热泵与蓄热技术结合可利用谷电产生热量并蓄存，帮助电力系统调峰，同时降低供热运行费用；另外，各类余热或自然热源均具有波动性或季节差异性，将热泵与蓄热技术结合，稳定性和经济性也将得到提升。蓄热技术的发展及与热泵结合的方式、运行调控、可靠性和经济性等均是发展关键。
5） 热泵供热系统能效提升。根据应用场景自身属性，应用适宜的热泵系统；匹配热泵系统“源网荷储”各环节，实现系统整体能效提升；热泵系统与大数据、人工智能、数字孪生等相结合，实现热泵供热系统的智能化。
6） 其他方向。热泵生产过程也会产生碳排放，因此未来需要进一步优化生产工艺，减少生产过程碳排放；另外，研发更长寿命的热泵系统，降低热泵生产、拆除碳排放。
3、结论
1） 在热泵应用规模显著增长情景下，2060年建筑供暖、热水供应、工业中低温用热、温室大棚和畜禽养殖减排量分别为6.54亿、1.51亿、15.82亿、0.87亿、0.31亿t/a，潜在减排量达25.06亿t/a，相对现阶段可实现65%的碳减排，占到我国现阶段碳排放总量的25.3%。
2） 潜在减排量由热泵应用、电力端和需求侧减排量组成。对于建筑行业，热泵减排量达4.09亿t/a，电力端减排量为3.27亿t/a，需求侧减排量为-0.72亿t/a；对于工业生产，热泵减排量为8.99 亿t/a，电力端减排量为0.13亿t/a，需求侧减排量达6.70亿t/a；对于农业环境调控，热泵减排量为1.45亿t/a，电力端减排量为0.04亿t/a，需求侧减排量为-0.31亿t/a。合计热泵减排量达14.53亿t/a，相当于现阶段我国碳排放总量的14.7%，电力端减排量为3.44亿t/a，需求侧减排量为5.67亿t/a。
3） 虽相对电直热供热节省大量的峰值电负荷和耗电量，但是热泵高增速发展会增加电网负荷，应积极利用合适场景的热泵应用对电网日调峰，实行“需求侧响应”的柔性用电。
4） 压缩机技术、热泵多场景应用设备研发、低GWP工质及相关技术研发、热泵与蓄热技术结合、热泵供热系统能效提升等方面仍有多项技术亟待突破，成为了未来的发展重点。
