热泵在中国实现2060年碳中和目标中的作用被低估
近日，上海交大王如竹教授领衔的能源-空气-水ITEWA创新团队在工程综合领域期刊、中国工程院院刊主刊Engineering的Views & Comments专栏上，发表了题目为“The Underestimated Role of the Heat Pump in Achieving China’s Goalof Carbon Neutrality by 2060”的评述性论文。论文梳理了中低温供热当前和未来在民用部门和工业部门的潜在应用领域，从技术到系统应用层面，总结了热泵技术装备在民用、工业等部门的最新进展，提出热泵进一步的优化发展方向；并结合未来电力减排趋势，分析热泵的碳减排潜力。
中国2060碳中和热泵发展的技术路线图
我国能源结构是以煤炭等化石能源为主，实现2060年碳中和面临着许多严峻挑战。然而目前许多低碳路径研究更多关注在电网碳减排与零碳燃料等能源供应侧，而非建筑和工业中的用热和制冷等需求侧。考虑到终端冷热用能占全社会能源消费总量的50%，供热低碳化是碳中和目标实现的重要部分，应为之配备切实有效的清洁化供热替代方案与策略。
论文对热泵在中低温供热的潜在应用领域与技术进展、热泵技术进展进行总结展望，探究热泵的碳减排潜力与推广路径。文章分析中国的热能需求在终端能源消耗占比应超过41%，其中低于150℃的中低温热能需求占比应超过23%，预期我国未来建筑领域能源消耗将进一步增加，同时随着我国工业部门的产业升级和结构调整，中低温热能需求的比重将进一步提高。研究表明，应更加关注中低温需求，尤其是在被广泛认为难以碳减排的工业部门。
（a）2020年中国终端能源需求；（b）建筑和工业的用热温度范围；（c）与热相关的最终使用能源需求；（d）中国终端能源需求预测
(a)热泵的工作原理 (b)热泵的性能总结；(c) 热泵发展方向
在热泵技术进展方面，目前已有的工业热泵可以提供高达168°C，制热量可达到18 MW 。热泵可以满足几乎所有的建筑用热需求，以及 40%的工业过程用热需求。文章总结了现有案例，指出热泵在建筑、工业部门的应用优势。为了更好地推广热泵应用，热泵需要在低GWP工作介质，高效核心组件（如压缩机和换热器）、热力系统循环优化等方面进一步发展。总之，考虑到巨大的供热市场和多样化的供热需求，我国需要广泛借鉴国际经验，在不同的场景下使用合适的热泵系统，切实可行地促进低碳供热发展。
基于热泵碳排放强度预测等效CO2减排潜力
尽管热泵具备明显的碳减排优势和长期碳减排潜力，目前热泵的市场份额仍然很低，其原因既有技术经济层面，也有社会政策因素。关于技术经济问题，热泵的初始投资通常是其它供热设施的数倍，高昂的初始投资导致投资回报期长。在社会政策问题上，目前电力系统碳减排所受到的关注，远超过供热设施的电气化，而热泵的最新进展尚未完全纳入大部分关于碳减排途径的研究中。应当充分认识到，供热设施的运行寿命通常设计为15年甚至20年，因此需要把握好在2060 年碳中和节点前仅有的几次供热设备更换窗口期，进一步推进热泵的使用。
鉴于热泵有可能带来的巨大碳减排潜力，迫切需要一个明确的以热泵为导向的发展路线图。我国幅员辽阔，自然条件复杂，经济发展水平各异，需要因地而异地制定热泵推广策略。原则上余热可用的情况下尽量采用余热热泵。缺乏余热资源时可采用自然热源（水源、地源、空气源）热泵，例如空气源热泵蒸汽锅炉可以实现100度以上的热能品位提升，实现1.5-2.0的COP供热系数。就地域推广策略而言，中国南方和东南地区气候温和，天然气价格相对较高，同时占据超 70% 以上的工业产值，空气源热泵锅炉类热泵可以在这些地区率先推广。这种试点示范项目可以进一步启动热泵规模生产流程，从而降低热泵投资成本。
热泵巨大碳减排潜力的促成，需要技术水平的进一步提高，也需要持续合理的政策激励。考虑到客户对产品可靠性和经济优先的核心需求、企业对盈利的需求，以及政策制定者对碳中和目标和社会综合效益的追求，热泵的推广需要政府、制造商、研究者和用户等群体的协同努力。研究团队希望让热泵从被严重低估的角色得以受到关注，尤其是热泵可以解决大部分建筑供热需求以及超过40%的工业热能需求。在未来可再生电力高占比场景，热泵可以实现近20亿吨CO2排放量的减排，达到2019年中国碳排放总量的近20%。热泵可以为我国达成 2060 年碳中和目标发挥重要作用。
王如竹教授领衔的ITEWA团队，致力于解决能源、水、空气领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展，近年来在Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Material、Angewandte Chemie-International Edition、Nature Communication等期刊上发表系列跨学科交叉论文。
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