视点丨热泵助力能源低碳转型的机遇与路径
2023年的中央经济工作会议提出要加快建设新型能源体系，旨在推动能源绿色低碳转型、实现碳达峰碳中和，并保障国家能源安全。
根据相关预测，2060年新型能源体系中电能利用将占能源消耗的70%以上，其余的非电能源又以热能利用为主，热泵作为一种高效、节能的能源转换设备，既可当作电力利用设备为构建新型电力系统助力，又可当作热能高效利用的直接装备助力热能利用的升级，推动电力系统和热力系统中可再次生产的能源利用比例的提升，促进分布式能源系统的普及，提高能源供应的安全保障度。
根据热泵产业协会的统计，截至2023年，全球热泵销售500万台，中国占了55%；2023年中国热泵销售额331亿元，同比增长了11.4%，其中空气源热泵销售额310.2亿元，同比增长了11.9%，但这仅仅是起步。热泵作为一种高效、节能的能源转换设备，是助力中国实现脱碳目标的重要手段，正受到慢慢的变多的关注，实现碳中和目标为热泵技术的应用提供了广阔的空间，预计未来中国热泵市场将达万亿级别。
按照热泵输入的低位热能不同，可将热泵划分为空气源热泵、再生水（污水）热泵、地源热泵及废热（余热）回收热泵等，这些热泵技术在分布式能源领域和供热领域有明确的发展机遇和清晰的发展路径，热泵的发展将成为中国能源转型和碳中和目标实现的强大助力。
我国电力系统低碳转型面临时间紧迫、可再次生产的能源消纳占比低、用电增长压力巨大以及“双碳”背景下新型能源安全观的建立等问题。相较欧盟与美国从碳达峰到碳中和的时间，我国30年的转型时间较为紧迫。欧盟碳关税逼近，出口企业压力传导提速。根据2024年4月底的数据，我国总电力装机30亿kW，光伏风电装机11亿kW(光伏60%、风电40%)，占37%风光装机的出力占比仅10%，相比同期德国的50%以上，差距巨大。
究其原因，是现有电力系统应对间歇性、不稳定、不可控电源的能力有限，所以矛盾频出，弃风弃光、上网问题凸显。解决这样一些问题的重要手段，就是发展具有较高自平衡能力和调峰能力的分布式能源系统。
分布式能源在电力系统转型中具有提高能源效率、促进可再次生产的能源利用、增强电网灵活性和韧性、支持需求侧管理、推动电力市场改革、促进地方经济发展和就业、降低能源成本、支持技术创新和产业高质量发展、实现能源安全和多元化供应以及适应政策和规划需求等作用。
分布式能源与新型电力系统高度契合，在新型电力系统和新型能源体系中将发挥重要基础作用。近期分布式能源有关政策主要聚焦于推动其开发利用，并优化能源结构，以实现节能减排和经济社会的可持续发展。这些政策和指导意见体现了我国对分布式能源发展的全面支持，旨在通过技术创新和政策引导，推动分布式能源的高水平质量的发展，进而助力实现国家的能源安全和“双碳”目标。
创造条件接纳分布式能源是新型电力系统的核心特征之一，当然分布式能源系统本身也需要提高自平衡能力和为电网调峰的能力，用户侧将深度参与电力系统的平衡，实现源网荷储互动将成为系统运行常态，可中断负荷和虚拟电厂也将普及应用，要求电力负荷特征由刚性、纯消费向柔性、产销一体化转变。热泵在分布式能源系统中将发挥以下作用。
1.能源互补与梯级利用：分布式能源系统通过多能互补的形式，如天然气、太阳能、风能等，使用户得到满足侧的多级用能需求。热泵作为一种高效的能量转换设备，可通过低品位的热能（如空气、水或土壤中的热量）来提供高品位的热能，与分布式能源系统中的能源互补使用，实现能源的梯级利用。
2.提高能源效率：热泵技术能够明显提高能源的利用效率。在分布式能源系统中，热泵可当作重要的组成部分，通过电力驱动，将低位热源的热能转移到高位热源，由此减少对传统能源的依赖，提高总系统的能源效率。
3.促进可再次生产的能源的利用：热泵技术能与分布式能源系统中的可再次生产的能源（如太阳能、风能）相结合，通过热泵将可再次生产的能源产生的热能进行相对有效利用，逐步推动可再次生产的能源在分布式能源系统中的应用。
4.支持能源微网模式：在第三代分布式能源，即能源微网模式中，热泵技术发挥着及其重要的作用。它可以在电力供应高峰时蓄热（冷），而在电力需求高峰时释放热量（冷量），实现供需平衡，提高系统的灵活性和可靠性。
5.实现零碳能源目标：热泵作为一种清洁能源技术，有助于减少化石燃料的消耗，降低碳排放，支持实现碳中和目标。在分布式能源系统中，热泵的使用有助于构建以可再次生产的能源为基础的零碳能源系统。
6.政策支持与市场发展：随着政策对分布式能源和清洁能源的全力支持，热泵技术必将得到加快速度进行发展。在市场化推动下，热泵在分布式能源项目中的应用愈来愈普遍，成为推动能源转型和实现可持续发展的重要技术之一。
日本、德国等为推动热泵技术在电力系统转型中持续发挥作用，颁布了具体的经济激励政策。随着我们国家分布式能源系统在电力系统转型中作用的增强，热泵技术的应用也必将随着分布式能源系统的发展而不断增加。
根据国际能源署（IEA）的分析，热泵在全球的销售势头强劲，中国是当前全球最大的建筑用热泵市场，占全球销售额的1/4以上。中国市场上在售热泵是区域供热管网以及建筑和工业供热脱碳的最高效选择之一。随技术进步和政策推动，预计热泵在供热行业的应用将持续扩大，为实现全球能源转型和碳中和目标做出重要贡献。
1.集中供热系统与吸收式热泵集成：吸收式热泵技术能集成到现有的集中供热系统中，在热源端，可优化余热利用，提高余热利用率，增加供热量；在用户端，可降低回水温度，提高供热管网输送效率；跨季节储热技术应用可以充分承接余热资源，使热泵结合储热系统提高供热可靠性。
2.集中供热热力站耦合空气源热泵、再生水（污水）热泵、地源热泵等：热电联产热源在传统能源体系中以热定电运行，是北方冬季集中供热的稳定热源，但随着燃煤发电厂慢慢的变多地参与电力系统为可再次生产的能源发电调峰，以电定热就成了运行常态，集中供热系统冬季热源缺乏日益严重。集中供热热力站耦合浅层、中深层、空气源、水源热泵以补足集中供热热源不足就显得很必要，而且在热力站或和用户端进行耦合更加节能，便于调节灵活，同时为集中供热系统增绿。
3.分布式热泵系统直接供热：分布式热泵系统能因地制宜地利用低温资源（空气、水、地热等），通过热泵技术用于替代各种化石能源（煤、气、油）锅炉房，通过在多个地点设置小型的供热装置或系统，利用空气能、地热能、水能等多种能源形式进行热能生产和供暖，避免了传统集中供暖模式中热能长距离输送造成的能量损失。分布式热泵系统以其高效、灵活和环保的特点，正成为供热行业的重要发展趋势。随技术的不断成熟和政策的持续支持，预计其在未来将有更广泛的应用，特别是在超低能耗建筑中会被普遍使用。
4.工业、农业用热领域的热泵应用：在工业、农业领域的热能需求中，中低温热能需求占相当大的比例，温度范围从50℃至160℃。工业热泵可提供必要的工艺热能，如化学工业中的加热、反应和干燥过程，工业产品的干燥过程，特别是食品、药品、木材、纸浆和造纸等行业。高温热泵可产生高达168°C的蒸汽，满足工业过程中对蒸汽的需求。热泵技术在这些领域的应用可以显著促进工业实现低碳供热。热泵在农业领域的应用包括种植大棚加热、畜牧养殖和水产养殖、农产品干燥、畜禽养殖供暖、农业大棚供暖等。
随着全球节能减排和环境保护意识的增强，热泵作为一种清洁、高效的供热方式，市场需求正迅速增加。随技术的不断成熟和政策的持续支持，预计热泵未来将有更广泛的应用。尽管热泵技术在助力能源低碳转型中扮演着重要角色，但热泵在热能利用系统中是否能像光伏之于电力系统、电动汽车之于交通系统一样发挥作用，还需要积极应对以下几个方面的挑战。
（1）技术经济性挑战。热泵的推广还要解决技术成熟度和经济性问题，确保其长期运营的可行性。尽管热泵的经营成本低，但热泵的初始投资通常较高，影响投资意愿。在应用推广过程中，要一直探索新型的能源经济模式，并最大限度地考虑节能价值、减碳价值。
（2）技术创新与系统优化。热泵技术的逐步发展需要在高效核心组件、热力系统循环优化等方面做持续创新，逐步的提升系统运行能效。
（3）政策支持与市场推动。政府的政策激励对于热泵的推广至关重要。例如，欧盟在“RepowerEU”计划中提出将热泵部署速度提高一倍，中国也应出台更具体的政策鼓励热泵技术的应用。
（4）专业人才缺乏。热泵行业的快速发展可能会引起专业方面技术人员的短缺，同时热泵技术的整合及其在能源转型中的广泛应用需要跨学科的协同，急需培养更多的跨学科专业人才。
（5）商业模式创新。热泵技术的推广需要创新商业模式，探索与热泵发展相适应的商业模式，以实现规模化利用。
（6）地域性策略。鉴于中国幅员辽阔和经济发展水平的差异，需要制定因地制宜的热泵推广策略。
（7）国际经验借鉴。中国可以借鉴国际上热泵应用的经验和做法，结合国内真实的情况，推动热泵技术的发展和应用。
（8）提升公众意识。提高公众对热泵技术节能、环保特性的认识，促进社会接受度和市场需求。
如今，全球对节能减排的需求增加，热泵市场正在迅速增加。中国是热泵的主要市场，且有巨大的市场潜力。随着我们国家“双碳”目标的深入推进，热泵技术在我国能源低碳转型中具有巨大潜力，但要充分的发挥其作用，还需要技术创新、政策支持、市场培育以及跨学科的协同努力。通过解决以上问题，热泵技术有望在我国未来的能源结构中占据更重要的地位，为“双碳”目标的实现做出重要贡献。
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