向熱能脫碳的熱泵技術發展之路

在當今全球能源轉型的宏大背景下，熱能作為終端能源消耗的重要組成部分，其脫碳路徑的探索與實踐顯得尤為重要。熱能占全球終端能耗的半壁江山，不僅關乎經濟發展的可持續性，更是實現碳中和目標的關鍵一環。熱泵技術，以其獨特的能量轉換機制和對可再生電力的高效利用，正逐步成為熱能脫碳領域的明星技術，引領著一場綠色革命。

導 讀

國際能源署（IEA）的權威數據顯示，熱能消耗在全球能源消費結構中占據了舉足輕重的地位，其脫碳進程對于全球實現碳中和目標具有不可估量的價值。熱泵，這一依靠可再生電力驅動、能夠有效利用低溫熱源實現高效供熱的裝置，正逐漸成為熱能脫碳的先鋒力量。從最初的建筑領域應用，到如今向高溫大容量供熱場景的拓展，熱泵技術的每一次突破都預示著熱能利用方式的深刻變革。同時，隨著儲熱和熱輸送等熱能調控技術的快速發展，熱泵在實現熱能靈活調配、優化能源結構方面的潛力愈發凸顯。因此，全面梳理熱泵實現熱能脫碳的機制，不僅有助于我們更好地理解其技術內涵，更為未來技術的發展與迭代提供了寶貴的參考依據。

圖1 圖文摘要的深度解析

熱泵技術之所以能夠成為熱能脫碳的關鍵技術，在于其能夠巧妙地利用可再生電力和廣泛存在的低溫熱源，實現熱能的高效轉換與供應。據國際能源署統計，全球熱泵總容量已突破1000吉瓦（GW），滿足了全球建筑供暖需求的十分之一。到2030年，這一數字預計將躍升至2100至2600吉瓦，展現出熱泵技術蓬勃發展的強勁勢頭。尤為值得一提的是，高溫熱泵技術的研發與應用，使得熱泵在工業等高溫大容量供熱場景中也展現出了廣闊的應用前景。據估算，利用可再生能源驅動的熱泵提供150℃以下的熱能，有望在全球范圍內減少約20%的碳排放，這一數字背后蘊含著巨大的環境效益與經濟效益。

然而，隨著輸出溫度的升高和溫升的增大，熱泵的制熱能效（COP）會迅速下降，這一技術瓶頸限制了熱泵在更高溫度范圍的應用。因此，在推動熱泵技術發展的同時，我們還需要深入分析其應用的優先關注場景，以確保技術投入的有效性和針對性。

場景一：高效電氣化供熱的深度探索

在能源轉型的大潮中，電氣化供熱正逐漸成為替代傳統化石燃料供熱的主流趨勢。熱泵作為電氣化供熱的重要載體，其應用范圍的合理界定對于提升整體能效、降低碳排放具有重要意義。

分布式建筑供熱：在溫帶地區，冬季供熱與夏季制冷是居民生活的剛性需求。熱泵憑借其供熱與制冷的雙重功能，成為該領域的優選方案。然而，隨著平均環境溫度的下降，熱泵的年運行時長增加，但其制熱能效卻相應降低。因此，在分布式建筑供熱中，如何平衡熱泵的能效與運行成本，成為亟待解決的問題。

工業集中供熱：與分布式建筑供熱相比，工業集中供熱對溫度和容量的要求更高。這使得熱泵在工業供熱中的應用面臨更大的挑戰。然而，工業余熱作為熱泵的潛在熱源，為熱泵在工業供熱中的高效利用提供了可能。通過合理利用工業余熱，不僅可以提升熱泵的能效，還能減少工業冷卻水的消耗，實現資源的循環利用。

建筑集中供熱：在寒冷地區，建筑集中供熱是保障居民基本生活需求的重要手段。然而，集中供暖的超高容量對熱泵的低溫熱源提出了嚴苛的要求。工業余熱雖是理想選擇，但余熱源與熱泵空間的不匹配問題卻成為制約其應用的關鍵因素。為此，采用低溫熱網收集余熱成為了一種可行的解決方案。通過構建低溫熱網系統，將分散的工業余熱集中起來，為熱泵提供穩定的低溫熱源，從而實現建筑集中供熱的高效低碳運行。

場景二：熱能溫度調節的靈活應用

熱泵在熱能溫度調節方面的獨特優勢，使其在熱能利用領域展現出更加廣泛的應用前景。通過熱泵對熱能進行精準調控，可以實現熱能的高效利用和靈活調配。

余熱溫度調節：在工業生產過程中，大量的低溫余熱被浪費。通過壓縮式熱泵和吸收式熱泵等裝置，可以將這些低溫余熱提升至更高的溫度，用于區域供暖、工藝預熱和干燥等場景。然而，余熱與熱需求之間的溫度、時間和空間不匹配問題卻成為制約其應用的關鍵因素。為此，需要結合儲熱和熱輸運技術，實現余熱的靈活調配和高效利用。

儲熱技術的創新應用：儲熱作為熱能脫碳的另一項關鍵技術，其重要性不言而喻。然而，儲熱介質的選擇卻受到諸多因素的限制。通過熱泵對儲熱介質進行溫度調節，可以消除儲熱溫度與熱源/需求溫度之間的強耦合關系，從而拓寬儲熱介質的選擇范圍并提高其經濟性能。此外，結合熱泵技術的儲熱系統還能實現熱能的穩定供應和靈活調度，為能源系統的穩定運行提供有力保障。

熱輸運技術的突破與拓展：熱輸運作為熱能傳輸的重要手段，其應用效果直接影響到熱能利用的效率和經濟性。然而，熱輸運管道的高初始投資和沿程熱損問題卻成為制約其發展的瓶頸。近年來，吸收式換熱器等新型熱輸運技術的出現為這一問題提供了解決方案。通過結合吸收式制冷或高溫熱泵技術，可以顯著提升熱輸運的溫差和輸運距離，從而滿足更廣泛的熱能利用需求。此外，這種技術組合還能在冬季建筑供熱需求以外滿足夏季制冷需求和工業供熱需求，進一步提升熱輸運系統的年運行時間和經濟性。

總結與展望

綜上所述，熱泵技術已經在分布式建筑供熱中發揮了重要作用，并正逐步向工業應用等領域拓展。然而，受到熱泵容量和低溫熱源的限制，其在集中供熱等場景中的應用仍然較少。未來，隨著技術的不斷進步和政策的持續推動，熱泵有望在基于低溫熱網的建筑集中供熱、耦合熱泵-儲熱的靈活熱能存儲以及基于熱泵的耦合熱能輸送-調控等場景中發揮更加重要的作用。

展望未來，熱泵技術的發展將呈現出以下幾個趨勢：一是高溫大容量熱泵技術的持續突破與應用拓展；二是熱泵與儲熱、熱輸運等技術的深度融合與協同創新；三是政策與市場的雙重驅動下的熱泵技術普及與產業升級。在這個過程中，我們需要充分發揮技術創新的引領作用和政策支持的保障作用，共同推動熱泵技術在熱能脫碳領域的廣泛應用與深入發展。只有這樣，我們才能在這場綠色革命中贏得先機、占據主動，為實現全球碳中和目標貢獻出中國智慧和中國力量。