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近期，在能源基金会的支持下，国际能源署（IEA）和清华大学团队联合发布了合作撰写的《中国热泵的未来》报告。报告提出，在建筑领域，热泵协同建筑能效提升、电力和热力系统脱碳，到2050年有望将中国建筑供热相关二氧化碳排放量减少75%（和2022年相比）；在轻工业领域，在电网脱碳和电气化的双重助力下，2050年热泵将贡献用热相关减排量的三分之一，成为轻工业领域脱碳的关键工具。
中国的用热需求占全球总量近三分之一，其中工业用热占全球的比重高达40%，而建筑用热占全球的比重约为20%。目前，中国的热力供应仍主要依赖化石燃料燃烧，由于供热而直接和间接产生的二氧化碳占全国排放量的40%。不过人均用热需求和单位建筑面积耗热量比全球其他主要供热市场平均低65%和50%，未来中国的供热选择对于全球供热零碳路径的实现具有重要的作用。
热泵能够从周围的热源中提取热量（如空气、地热、附近水源、工厂余热等），再将热量转移到需要的地方，其能效是燃料燃烧或电阻加热系统的三至四倍，是热力管网、建筑和工业供热脱碳的最高效解决方案之一。从全球看，2023年热泵销量在2020年基础上增长了近30%。当前，中国热泵装机占全球总装机的25%，已经成长为全球最大的建筑热泵市场，是驱动全球供热需求的主要国家之一。在“双碳”目标下，中国供热领域的能源革命、热泵的应用发展对全球供热脱碳进程有着举足轻重的影响。
本次发布的报告全面探讨了热泵在中国建筑、工业和集中热力管网的应用情况，分析了进一步加速热泵应用的潜力和影响，也提出了减少障碍、促进应用的措施建议*。
*国际能源署在本报告中基于其“既定政策情景”（STEPS）和“承诺目标情景”（APS）两种情景展开预测和分析。
▷ 国际能源署既定政策情景（STEPS）：该情景根据对各国各部门于2023年8月底之前已出台的能源相关政策以及正在制定的政策进行的评估，反映当前政策情况。该情景还考虑到目前已规划的清洁能源技术的制造产能。
▷ 国际能源署承诺目标情景（APS）：该情景假定世界各国政府和行业于2023年8月底之前作出的各项气候承诺（包括国家自主贡献（NDC）和长期净零目标），以及电力普及和清洁烹饪目标都将全面按时兑现。
热力是建筑和工业部门必需的能源服务。目前，中国的供热系统仍主要依赖化石能源，2022年70%的热力源自化石燃料，消耗了40%以上的全国煤炭总消费量。同时，中国的供热需求占全球的33%，其中工业部门用热占全球的40%，建筑部门用热占比约20%，且全球供热的直接二氧化碳排放量中40%来自中国。供热领域的能源转型，对于中国实现“双碳”目标，以及推动全球脱碳都具有重要意义。
热泵是一种电气化、高效、可耦合可再生能源和余热的零碳技术。在主要热力服务中，200°C以下的供热需求最适合热泵应用，建筑的热力需求基本在这一范围，工业供热需求的约20%在此范围。这意味着，若能将热泵运用在这些领域，将为中低温供热脱碳提供实证有效的解决方案。
图2 热泵类型和应用
在中国，热泵在建筑、工业领域已经有不同程度的落地应用。
与其他零碳技术相比，建筑用热泵具有较高的技术成熟度，在不同地区已有不同程度的应用。数据显示，热泵在中国建筑供暖市场的份额从2015年的4%增加到了2022年8%。其中，户用的空气-空气、空气-水和地源热泵都经过了广泛的测试，具有很高的可靠性和能效。商用和高密度住宅使用的大型热泵技术同样成熟，但由于系统设计更复杂，需要更大规模的安装，其普及程度不及小型热泵。
从气候区域上看：
秦岭-淮河一线以北的中国北方地区，属寒冷和严寒气候区。以燃煤燃气热电联产和锅炉为主要热源的集中供热管网是北方城镇主要的采暖方式，热泵等电力供暖设备只占2%。 秦岭-淮河一线以南，属于夏热冬冷气候区，取暖主要由各类分散式设备在部分时间、部分空间供暖，约25%的设备为热泵。 各个气候区的农村地区，以分散供热为主，在清洁取暖政策的引导下，热泵逐渐得到应用，约占供热设备的20%。 生活热水方面，约60%的热水设备是电热水器，热泵占比较小。 此外，在中国北方城镇，有一些空气源热泵安装在小型热力管网中，以较低的温度范围（<65°C）满足50万至300万平方米的供热需求。也有一些在集中热力管网中使用大型热泵回收余热的实例。
热泵在中国工业领域的应用才刚刚开始，在工业供热中的占比微乎其微。尽管如此，热泵在酿酒、谷物烘干等轻工业领域已有不错的尝试，特别是烘干用工业热泵近年来的年销量增长超过25%，市场前景广阔。
对于某些工业过程而言，可以商用的热泵技术已经存在，但部署水平较低。具体应用场景包括为蒸馏或煮沸过程生产热水，为加热或消毒过程生产蒸汽，或为干燥过程生产热空气等。工业热泵还可以与区域供热系统协同增效，在从供热管网获取热能以及向管网提供工业余热时提升温度。
就供热温度而言，输出温度不超过140°C的热泵，已经投入多种商用。相比之下，140°C以上的热泵应用还十分罕见，只有少数被部署在拥有高温余热且所需温升较低的小型系统中。目前，140°C以上热泵产品还远未进入商用市场。
重要的一点是，与建筑热泵不同，大多数工业热泵不能使用环境空气作为热源，而必须依靠温度足够高的余热。为达到与造纸和食品等工业过程相匹配的高输出温度，热源温度必须够高。在这种情况下，工业余废热往往是合适的热源。
热泵是供热系统脱碳极具前景的解决方案。在“双碳”目标下，热泵在建筑和轻工业部门的部署和应用具有最大潜力。
在中国农村地区，随着支持煤改电政策的出台，热泵的发展势头强劲并持续。在夏热冬冷地区，热泵已成为很多家庭的标配，不仅是冬季的主要供暖系统，也用于夏季制冷。在中国北方城市，直接在建筑中使用热泵还相对较少，因为大部分既有建筑已接入集中供暖系统。不过，对未接入集中供暖系统的新建建筑，或为居住或商业建筑提供生活热水而言，热泵可能是不错的选择。
如图3所示，既定政策情景下，受到当前政策（如中国北方的煤改电政策）的影响，建筑领域中热泵的保有量将翻两番，预计到2050年将超过11亿千瓦。在承诺目标情景（与碳中和目标相符的情景）下，额外的政策支持将促使热泵的销量到2050年增加到每年约1.2亿千瓦，2050年建筑部门的总装机容量将增加到目前的5.6倍，达到近14亿千瓦。热泵能够满足的建筑用热的需求，将从2022年的4%上升到2050年的25%。
图3 2022-2050年既定政策情景与承诺目标情景下，中国建筑热泵的存量（左）和销量（右）
按建筑应用场景划分，在两种情景下，热泵在城市和农村地区均发挥重要作用。到2050年，约35%的热泵装机容量将在农村地区（图4），其余机组则位于城市地区。在承诺目标情景下，到2050年，空气-空气热泵预计仍是热泵市场的主导产品，产品装机将超过7.5亿千瓦，空气-水系统热泵将超过5亿千瓦（其中热泵热水器将超过2.5亿千瓦，满足12%的热水需求），地源热泵将占剩余的10%的存量。
图4 2022-2050年既定政策情景和承诺目标情景下，中国不同气候区的建筑热泵存量
此外，在北方城镇的集中热力管网中，热泵也是对各种余热进行回收和再利用的关键。据报告分析，到2050年，安装在集中热力管网中回收利用余热资源的热泵可达6.5亿千瓦（图5）。
图5 2030和2050年，对中国发电厂和工业所产生的余热进行回收和再利用的热泵的部署潜力
在工业领域中，热泵在不同子行业的应用前景各有不同。据报告分析，中国的造纸行业目前约55%的供热需求从技术上可由工业热泵满足，按照2022年的能源需求计算，这相当于部署2000-3000万千瓦的热泵容量。化工行业目前约18%的供热需求可由热泵满足，这意味着热泵装机容量将需要达到5500-8500万千瓦（假设利用率为50-80%）（图6）。此外，与能源密集型产业相比，轻工业的平均工艺温度较低，集成热泵的潜力最大。平均而言，轻工业45%的供热需求适合热泵，在机械及食品等细分部门中的比例可高达50%左右。若使用热泵来满足这些供热需求，则需要现在部署0.85-1.35亿千瓦的热泵。
图6 中国部分工业部门不同温度水平和热泵部署潜力范围下，工业热泵可满足的供热需求比例
对于轻工业领域，满足供热需求所需的热泵装机容量取决于多种变量，如工作班次、利用率或不同工艺的优化。假设利用率为80%，那么在承诺目标情景下，到2050年，所需的热泵装机容量将为3000万千瓦（图7）。这些容量大多应用于食品行业，将占2050年热泵存量的约40%；其次是机械以及纺织和皮革行业，分别占存量的30%和15%。要逐步建立这一存量，2025至2050年间，每年需要安装约150万千瓦的热泵，以满足到2050年20%左右的供热需求。
图7 2030-2050年，既定政策情景和承诺目标情景下，中国轻工业不同温度水平的工业热泵装机容量
同时，还需要指出的是，电气化及电网脱碳将大大推动热泵的应用和普及。
虽然热泵在中国扩大应用具有巨大潜力，但也不能忽视一些制约因素。例如，它面临着太阳能热、地热和生物能等其他供热技术的竞争。若条件适合，这些技术在成本上极具竞争力。此外，还有空间限制、融资困难、缺乏专业知识，甚至特定工艺的不兼容性，也可能阻碍热泵的推广。尽管如此，热泵在2050年仍将是重要的低碳技术。
报告发现，在建筑和工业领域加速热泵的应用、加大热泵的部署，将对中国“双碳”目标、环境和公众健康、产业及就业产生重要的协同效应。
极大助力温室气体减排
建筑领域在承诺目标情景下，热泵的广泛应用可以将供热直接用煤在2040年几乎完全淘汰，天然气直接供热的比例也将减半。到2050年，热泵将贡献中国建筑供热领域直接减排量的约30%，协同建筑能效提升、电气化和电力系统脱碳，建筑供热的二氧化碳直接排放量有望于2050年降至7000万吨。
图8 2022-2050年既定政策情景和承诺目标情景下，中国空间供暖和热水的二氧化碳直接减排情况
承诺目标情景下，轻工业供热产生的二氧化碳直接排放量将从目前的1.1亿吨急剧减少至2050年的仅1000万吨，降幅达95%；到2050年，在电气化的助力下，热泵将贡献轻工业领域用热减排量的三分之一，成为该领域脱碳的关键工具。
图9 2022-2050年既定政策情景和承诺目标情景下，中国轻工业供热二氧化碳直接排放变化
促进空气质量改善及健康水平提升
在承诺目标情景下，通过热泵替代煤炭和传统生物质供热，到2030年居民供热产生的PM2.5排放将减少近80%。此外，大规模改用热泵还可以防范与化石燃料燃烧相关的其他风险，如一氧化碳中毒、爆炸或火灾等。
图10 2022-2030年承诺目标情景下，中国建筑空间供暖和热水直接燃料燃烧产生的主要空气污染物排放量
创造增长和就业机会
在建筑领域，若满足承诺目标情景下的热泵需求量，到2050年，热泵行业年度投资额预计在目前的基础上翻四倍，相当于2022年欧盟和美国风力发电投资额的总和。在轻工业部门，承诺目标情景下，到2050年大规模热泵装机将增长至3000万千瓦，投资需求约200亿美元（1400亿人民币），相当于2022年中国轻工业在天然气供热的支出额。
2022年，全球约有81万工人直接在热泵相关行业中工作，包括制造、规划和安装、销售和维护等环节，其中，中国工人达到30多万名。随着热泵在中国的更广泛应用，生产及相关行业的规模也会随之扩大，这也将创造出可观的劳动力需求。据报告，在承诺目标情景下，在中国热泵行业就业人数到2030年将翻一番，达到约64万人，这意味着更多的就业机会和岗位。
图11 2022-2030年既定政策情景和承诺目标情景下，中国热泵行业的就业情况
想要达到未来的潜力目标，热泵在建筑及轻工业领域的使用及其产业链发展还面临技术、政策、融资和行为方面的多重挑战。
在建筑领域，热泵的应用及扩大部署所面临的关键挑战涉及以下方面：
➟ 成本
消费者对居住建筑热泵的接纳与否，很大程度上取决于前期成本和运营成本与既有的供暖方式的比对。
热泵的前期设备投资普遍高于燃气壁挂炉、电直热等设备，而应用在热力管网中的大型热泵及地源热泵也需要前期大量的基础设施配套投资，不过这些成本通常不直接由终端消费者承担。
图12 中国不同气候区城市地区的住宅热泵和替代方案的供热供冷平准化成本
能源价格是影响运行成本和节约潜力的另一个主要因素。在北方城市，集中供暖通常是最经济实惠的方式；在西北省份，集中供暖成本和天然气成本相当；在东北和中部一些地方，天然气价格比电更为便宜，这些价格差距也导致热泵在这些区域的竞争力不足。
图13 2023年居民用电价格与天然气价格的比率
➟ 配电网升级需求
很多人也担心热泵应用会给冬季电力负荷高峰增长带来挑战，不过由于热泵的效率高，使用量每增加1%，供暖电力需求仅略微增加0.2-0.6%，比直热设备对电网的影响低一到四倍。配合需求侧管理和合理的电网规划可以降低配电网升级的需求。
➟ 安装和维护
安装和运营维护不善会导致能效低下、影响效果，引起人们对热泵应用产生误解，进而可能减缓转型进程。由于农村地区的技术人员比较有限，这一挑战在农村地区可能更为显著。
在轻工业领域，热泵的应用与普及所面临的主要问题也比较突出：
➟ 成本
目前，热泵只占工业热力供应的一小部分，成本高是最重要的推广障碍。据报告，当前工业热泵的成本约为燃气锅炉的六倍，但在其全生命周期内的成本竞争力已基本与燃煤锅炉相当。然而，与天然气和煤炭燃料相比，尽管热泵的效率更高，但其较高的电力成本一定程度上限制了用户改用热泵的积极性。此外，与建筑领域一样，热泵的成本竞争力也存在地区差异。例如，在重庆或甘肃等工业用气价格较低的地区，燃气锅炉的供热平准化成本低于大型热泵。
未来十年，热泵与替代技术之间的生命周期成本差距会进一步缩小。在承诺目标情景下，到2030年热泵的全生命周期成本将与燃煤锅炉相当，且只有燃气锅炉或电加热器的一半。尽管如此，如只考虑前期成本，即使到2030年，热泵仍然是最高的选项。不过，大规模的推广可能会使其成本进一步降低。对于工业部门而言，由于投资规划时间更长，在一定的投资回报期内，来自前期成本的障碍要小于建筑部门。但必须指出，财政激励措施仍是加快热泵在工业领域普及的关键。
图14 2022和2030年承诺目标情景下，中国轻工业不同技术的供热平准化成本
➟ 认识及普及率
尽管输出温度低于200°C的热泵已在全球多个工业领域应用中得到实施或测试，但在中国，对该技术的认识和使用仍然较少。在工业过程中改用热泵需要专门的规划、设计、制造和安装。工业用户对热泵的优势以及如何选择最有效的热泵方案缺乏意识和认知，可能会限制关键行业对热泵的普及。此外，由于需要针对个别工业过程进行特定设计，因此工业热泵市场的标准化和规模化更具挑战性。
针对热泵在中国广泛应用所面临的成本更高、基础设施不匹配、普及率低等挑战，报告给出了短期和长期的针对性行动建议。
