【内容简介】
上海交通大学制冷与低温工程研究所王如竹教授领衔的能源-水-空气ITEWA创新团队（Innovative Team for Energy, Water & Air）在能源环境类顶级期刊Energy & Environmental Science上发表题为“Heat pumps as a sustainable bridge for global heating and cooling at multi-scale”的观点论文。该论文探讨了热泵技术在全球供热和制冷中的可持续应用，尤其强调热泵在热能综合利用中的核心作用。论文指出了热泵在不同规模和应用场景下的潜力，提出了从单个设备到热力网络的热泵多尺度利用策略，并通过一系列实例指出如何将热泵技术深度融入到未来能源系统中，从而进一步提高综合能效。此外，研究还提出了对热泵技术的跨学科研究方法，建议改善现有运营模式，以进一步推动热泵技术的广泛应用，促进热能利用重构。上海交通大学制冷与低温工程研究所博士研究生闫鸿志为论文第一作者为，王如竹教授为通讯作者。
【论文内容】
随着可再生能源的加速部署和终端用能的电气化，全球热泵市场正迅速扩大。国际能源署预测，到2030年，全球热泵安装量将超过6亿台，满足超过20%的全球供热需求。值得注意的是，热泵在供热的同时还产生制冷效果，家用热泵的性能系数（COP）通常在3到4之间，据此估算，到2030年，热泵带来的冷负荷将超过1600GW。因此，有效利用热泵的制冷负荷变得同样重要。
图1. 全球冷热负荷潜力与典型场景冷热负荷时间分布特征
目前，全球区域供暖需求是区域供冷需求的五倍多，预计随着空调技术的普及，到2050年，区域供冷需求将超过供暖需求。此外，工业生产过程中产生的大量热量，经常因为缺乏有效的回收和利用，例如直接通过冷却塔排放，造成热能浪费与水资源消耗。鉴于供热和制冷需求的巨大体量，热泵技术在这两方面都具有极大的应用潜力。然而，冷热负荷在时间和空间上分布不均匀，这就要求对热泵的应用进行精密规划和部署。为了最大化地发挥热泵在供热和制冷方面的双重功能，需要从单个设备到整个行业，乃至跨区域热网的层面上，全面优化热泵的应用策略。
图2. 热泵技术的多尺度利用策略
基于上述考量，研究提出采用多尺度热泵利用策略：在设备层面，热泵可根据季节变化集成不同的功能，例如在冬季满足供热外，可与冷柜、冰箱等冷需求集成。在夏季除空间冷却外，热泵可同时满足热水生产等高温需求。此外，热泵还可以结合储热技术进一步提升耦合系统的稳定性和能效。通过将热泵与特定材料结合，还可以实现如制冰、除湿、取水和CO2捕获等多功能应用；在多部门协同层面，热泵可通过重新分配热量与冷量，提高能源效率。例如，将超市冷却需求与附近住宅的供暖需求集成，或利用数据中心冷却产生的热量作为区域供暖的基础。在工业中，热泵可用于多温度加热和冷却处理的工艺情景；热泵还可以进一步整合到跨区域热能利用场景中，此时热泵可结合循环水网络进行冷热负荷的再分配与终端调节，即第五代区域供暖和制冷（5GDHC）模式。此外，热泵还可结合移动式储热技术拓展其应用区域。
图3. 热泵跨学科研究
为确保上述战略部署的实施，跨学科研究在热泵技术整合及宏观脱碳框架中尤其重要，特别是在多尺度应用和大规模部署方面。目前，这一领域面临着数据收集和模型验证的挑战，也存在对实际应用复杂性考虑不足的问题。文章强调，高分辨率的地理空间分析至关重要，需精确识别热能需求的时间、地点和规模。此外，后续研究应充分考虑社会、环境以及能源和碳交易价格等因素的未来变化，进一步将热泵潜力的最大化嵌入到脱碳路径框架中。
文章最后部分讨论了涉及热泵应用的各个利益相关方，以及运营模式的过渡和协调问题。它指出了仅依赖自下而上模式的局限性，提出需要政府部门的自上而下介入来实现热泵规模化应用。例如， 需要战略性地组织各用热部门，利用热泵协调工业与建筑间的冷热需求。在商业模式方面，大型公司的热力购买协议将有助于规模化利用。总结而言，尽管目前热泵的销量最近激增，考虑到未来碳中和愿景，多尺度的热泵利用策略、跨学科研究，以及运营模式的转变，对于可持续的供热和制冷至关重要。
