由中國科學(xué)院文獻情報系統雙碳戰略研究團隊運營(yíng)的“雙碳情報”公眾號正式上線(xiàn)！重點(diǎn)跟蹤報道主要國家和重要組織雙碳相關(guān)戰略規劃、政策法規、發(fā)展路線(xiàn)圖、重大計劃、重點(diǎn)項目等動(dòng)態(tài)訊息，監測分析雙碳領(lǐng)域國際前沿科技熱點(diǎn)和發(fā)展態(tài)勢。
熱泵技術(shù)應用現狀與前景展望
隨著(zhù)全球推進(jìn)碳中和行動(dòng)，加快能源結構轉型已成為各國共識。國際能源署（IEA）預測，2050年將有26億人生活在同時(shí)需要供暖和制冷的地區，由可再生能源驅動(dòng)的熱泵（Heat pumps）兼具供暖及制冷功能，還有助于溫室氣體減排，可能成為新建筑和供暖改造的首選?！堵槭±砉た萍荚u論》評出的“2024年十大突破技術(shù)”中就包括熱泵，這是一種在高位能（電能、熱能）的驅動(dòng)下，將低位熱源的熱能轉移到高位熱能的節能裝置，廣泛應用于建筑采暖/制冷、工業(yè)、農業(yè)和交通等領(lǐng)域。按利用熱源種類(lèi)，熱泵裝置可分為空氣源熱泵、水源熱泵、地源熱泵三大類(lèi)。目前熱泵熱效能轉換效率（COP）為300%~400%以上，制冷采暖效率是傳統燃氣鍋爐的3~5倍。熱泵技術(shù)作為綠色低碳的熱能供應方案，是供熱領(lǐng)域替代化石能源、實(shí)現碳中和的必然路徑。本文從國內外熱泵發(fā)展現狀、行業(yè)情況、技術(shù)發(fā)展前沿等角度，全方位展示目前全球熱泵技術(shù)與部署的進(jìn)展情況。
一、國外熱泵發(fā)展現狀
目前歐美等20多個(gè)主要經(jīng)濟體已將熱泵提升到國家戰略層面，相繼制定發(fā)展規劃、路線(xiàn)圖以及相關(guān)扶持政策。包括但不限于補貼或減稅、低息貸款、能效法規、高碳稅、技術(shù)禁令等方式，加速熱泵推廣，提升熱泵市場(chǎng)普及率。
美國作為全球最大經(jīng)濟體，不斷出臺支持熱泵相關(guān)政策，加速提升能源效率和電氣化水平。2023年11月，美國能源部（DOE）宣布提供高達1.69億美元的資助以加速全國15地的電熱泵及其關(guān)鍵部件制造。2024年2月，DOE在此基礎上又宣布提供6300萬(wàn)美元的資助，以加速全美住宅電熱泵、熱泵熱水器以及其他組件的國內制造增長(cháng)。2023年，全美空氣源熱泵出貨量達361.7萬(wàn)臺，美國氣候聯(lián)盟提出到2030年聯(lián)盟內的熱泵安裝量達到2000萬(wàn)臺的目標。
歐洲將熱泵作為電氣化的重要戰略布局，長(cháng)期滲透率提升趨勢較為明確。2022年5月，歐盟委員會(huì )推出REPowerEU計劃，明確要將熱泵的部署速度提高1倍，在5年內累計部署1000萬(wàn)臺。根據歐洲熱泵協(xié)會(huì )數據顯示，2022年，歐洲21個(gè)國家的熱泵銷(xiāo)量達到300萬(wàn)臺，同比增長(cháng)37%，創(chuàng )下歷史新高。2024年2月，歐盟就《凈零工業(yè)法案》達成臨時(shí)協(xié)議，提出到2050年熱泵部署增加6倍。
英國凈零排放目標的實(shí)現必須提高建筑領(lǐng)域的電氣化程度，通過(guò)熱泵技術(shù)電氣化供暖，成為其中的重要選擇之一。2023年3月，英國碳預算交付計劃提出大規模部署熱泵，英國氣候變化委員會(huì )主張迅速增加熱泵的部署數量，要從2021年每年部署的5.5萬(wàn)臺增加到2028年的60萬(wàn)臺。2024年2月，英國公共部門(mén)脫碳計劃已進(jìn)行到第四階段，政府確認向公共部門(mén)提供高達11.7億英鎊的資金安裝熱泵等低碳供暖系統。英國還推出鍋爐升級計劃，為用熱泵取代化石燃料鍋爐的住戶(hù)提供5000英鎊補助，補助旨在降低熱泵安裝成本，并讓熱泵在家庭取代天然氣和石油供暖時(shí)成為一種可行的替代方案。
二、我國熱泵發(fā)展現狀
我國熱泵行業(yè)受益于國家氣候安全及能源安全戰略的長(cháng)期性和確定性，有望長(cháng)期享受政策紅利。國家大力支持熱泵發(fā)展，在可再生能源、建筑節能、新能源技術(shù)推廣應用等方面頒布了相應的政策文件。2021年10月，國務(wù)院發(fā)布《2030年前碳達峰行動(dòng)方案》提出推進(jìn)終端用能領(lǐng)域以電代煤、以電代油，推廣新能源汽車(chē)、熱泵、電窯爐等新型用能方式。2022年7月，住房和城鄉建設部、國家發(fā)展改革委出臺《城鄉建設領(lǐng)域碳達峰實(shí)施方案》，指出要推廣空氣源等各類(lèi)電動(dòng)熱泵技術(shù)，推廣熱泵熱水器、高效電爐灶等替代燃氣產(chǎn)品。2023年4月，國家能源局發(fā)布《2023年能源工作指導意見(jiàn)》，積極推廣地熱能、太陽(yáng)能供熱等可再生能源非電利用。各種政策文件直接或間接地推動(dòng)了地熱產(chǎn)業(yè)和地源熱泵技術(shù)的應用發(fā)展。
“十四五”期間，我國大部分省份均已提出地區地熱能開(kāi)發(fā)或地源熱泵行業(yè)的發(fā)展方向及目標。例如加快淺層地熱和中深層地熱資源開(kāi)發(fā)利用，打造地熱能高效開(kāi)發(fā)利用示范區，加快推廣地源熱泵及技術(shù)應用等，詳見(jiàn)表1。
表1 “十四”五期間全國各省(市、區)鼓勵發(fā)展地源熱泵政策要點(diǎn)
| 地區 | 政策要點(diǎn) |
| 北京 | 到2025年，全市新增淺層地源熱泵供暖面積2000萬(wàn)平方米，新增中深層地熱熱泵供熱面積200萬(wàn)平方米 |
| 河北 | 利用地源熱泵，加快推廣淺層地溫能和中深層地熱資源開(kāi)發(fā)利用 |
| 河南 | 擴大淺層地熱規模，優(yōu)先發(fā)展土壤源熱泵，積極發(fā)展再生水源熱泵 |
| 甘肅 | 推動(dòng)地熱能分區分類(lèi)利用、井下?lián)Q熱技術(shù)應用和淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用 |
| 陜西 | 大力推進(jìn)關(guān)中地區中深層地熱能供熱、淺層供熱制冷 |
| 山東 | 推動(dòng)淺層土壤源能源利用技術(shù)升級，形成適宜的、多元化的清潔供熱解決方案 |
| 貴州 | 到2025年，淺層地熱能利用面積達到2500萬(wàn)平方米；2030年達到5000萬(wàn)平方米 |
| 湖南 | 到2025年，新增淺層地熱能建筑應用面積占新建建筑面積比例達10% |
| 江蘇 | 到2025年，全省新增地熱能建筑應用面積300萬(wàn)平方米，推廣熱泵分散供暖方式 |
| 安徽 | 鼓勵建設地下水水源型或地埋管型地源熱泵系統 |
| 江西 | 在大型公共建筑和星級綠色建筑中鼓勵淺層地溫能熱泵技術(shù)應用 |
熱泵行業(yè)受?chē)鴥韧庑枨蟾邼q，發(fā)展加快，空氣源熱泵為市場(chǎng)主流。從國際來(lái)看，能源危機催化下熱泵成為歐洲各國首選的供暖方式，我國熱泵出口迎來(lái)機遇，產(chǎn)品在歐洲地區的滲透率進(jìn)一步提升。從國內來(lái)看，隨著(zhù)國民生活水平不斷提高，綠色環(huán)保意識增強，消費者更偏好環(huán)保、便利、高效的熱泵產(chǎn)品。從產(chǎn)品銷(xiāo)售類(lèi)型來(lái)看，空氣源熱泵是占比最大的細分種類(lèi)，占比91.5%，其次為水源熱泵和地源熱泵，占比6.4%，其它熱泵占比2.1%。2022年我國空氣源熱泵產(chǎn)業(yè)內銷(xiāo)市場(chǎng)規模為211.6億元，同比增長(cháng)6.3%，出口市場(chǎng)規模為69.5億元，同比增長(cháng)43.0%。
我國作為全球重要的熱泵主要生產(chǎn)地，產(chǎn)業(yè)鏈日臻完善，2022年熱泵產(chǎn)量占全球50%以上。熱泵產(chǎn)業(yè)鏈由上游零部件制造商、中游整機制造商及下游應用構成。上游核心零部件包括壓縮機、閥件、換熱器、變頻控制器、水泵水箱等，代表企業(yè)包括海立股份、三花、盾安、利歐股份等。中游整機包含空氣源熱泵、水地源熱泵以及熱泵與其他熱源的組合系統，其中空氣源熱泵下細分熱水、采暖、烘干、干衣機及特種應用。下游應用廣泛，包括建筑、工業(yè)、農業(yè)、交通等領(lǐng)域，涵蓋建筑供暖制冷、熱水供應、工業(yè)干燥、農業(yè)溫室、汽車(chē)空調等諸多應用場(chǎng)景。從企業(yè)占有率來(lái)看，2022年，海爾、美的、格力三大家用電器巨頭的空氣源熱泵市場(chǎng)占有率占比位列前三，但總市場(chǎng)占有率僅有34.4%，行業(yè)集中度有望進(jìn)一步提升。
熱泵減排潛力巨大。2060年建筑供暖和熱水供應碳排放降至2.71億噸，潛在減排量達到30.81億噸，其中建筑部門(mén)8.9%，工業(yè)生產(chǎn)21.3%，農業(yè)環(huán)境調控1.2%，其中熱泵減排總量達20.95億噸，占潛在減排量的70%。
三、熱泵技術(shù)發(fā)展前沿
我國熱泵技術(shù)專(zhuān)利數量及份額位居全球第一，其中熱門(mén)技術(shù)方向和發(fā)展動(dòng)態(tài)集中在熱泵機組系統及核心部件。
從全球分布來(lái)看，各國熱泵實(shí)用新型及發(fā)明授權專(zhuān)利占全球比例最高的前五位國家分別是中國（7872件）、韓國（155件）、日本（46件）、美國（32件）和歐洲專(zhuān)利局（12件），占比分別為95.28%、1.88%、0.56%、0.39%和0.15%。
從技術(shù)構成來(lái)看，以F25B小類(lèi)（制冷機，制冷設備或系統；加熱和制冷的聯(lián)合系統；熱泵系統）、F24F（空氣調節、空氣增濕、通風(fēng)、空氣流作為屏蔽的應用）和F24D（住宅或區域供熱系統；生活熱水供應系統；其原件或部件）等小類(lèi)為核心，關(guān)鍵技術(shù)有高效氣冷變頻驅動(dòng)技術(shù)、渦旋噴氣增熔技術(shù)、智能除霜技術(shù)等。
從主題聚類(lèi)和專(zhuān)利申請機構來(lái)看，空氣源熱泵包括低溫空氣源熱泵、多能互補、室外換熱器、除霜控制、糧食烘干、余熱回收等主題。韓國申請機構有韓國電力（Korea Electric Power Corporation）、LG樂(lè )金電子（LG Electronics Inc）等，歐洲專(zhuān)利局申請機構有開(kāi)利公司（Carrier Corporation）、日本大金歐洲公司（Daikin Europe N.V.）等。水源熱泵包括高溫水源熱泵機組、污水源熱泵、海水源熱泵、生活熱水、水蒸汽壓縮機、雙蒸發(fā)器等主題。美國申請機構有日本大金美國公司（Daikin Applied Americas Inc）等。地源熱泵包括土壤源熱泵、地源熱泵機組、地埋管換熱器、分集水器、地下?lián)Q熱器、供熱系統等主題。韓國申請機構有三星工程公司（Samsung Eng Co Ltd）、韓國能源研究所（Korea Institute of Energy Research）等，日本有日鐵工程公司（Nippon Steel Engineering Co Ltd）、三菱電機公司（Mitsubishi Electric Corp）等。
從技術(shù)應用來(lái)看，在建筑領(lǐng)域，熱泵可代替鍋爐和常規冷水機組為建筑進(jìn)行供暖和制冷（與燃煤鍋爐相比，可降低60%-80%的二氧化碳排放量）。在工業(yè)領(lǐng)域，通過(guò)熱泵回收工業(yè)余熱、廢水余熱用于供暖，熱泵工業(yè)干燥等也在迅速推廣。在農業(yè)領(lǐng)域，熱泵可應用于農業(yè)生產(chǎn)環(huán)境調控，如農產(chǎn)品溫室、水產(chǎn)養殖溫室、畜禽養殖舍。在交通領(lǐng)域，熱泵汽車(chē)空調是維持冬季乘員艙的熱環(huán)境最有潛力的解決方案，多種車(chē)型已經(jīng)開(kāi)始應用。
四、未來(lái)熱泵技術(shù)發(fā)展的新趨勢
一是熱泵多場(chǎng)景應用設備研發(fā)。目前中低溫熱泵（60~90攝氏度）的技術(shù)相對較成熟，已有大量商業(yè)化產(chǎn)品，拓展熱泵應用范圍是發(fā)展方向之一。包括開(kāi)發(fā)出適用工業(yè)的高溫熱泵、滿(mǎn)足嚴寒地區空氣源熱泵的超低環(huán)境溫度熱泵和適用于汽車(chē)應用場(chǎng)景的交通熱泵。
二是低全球變暖潛能值（GWP）工質(zhì)及相關(guān)技術(shù)研發(fā)。目前熱泵及制冷設備的制冷劑，無(wú)論氫氟碳化物類(lèi)還是混合物制冷劑的性能均有待進(jìn)一步提高。未來(lái)制冷工質(zhì)主要有三大發(fā)展方向，包括工質(zhì)替代、減少制冷劑泄露、特殊應用場(chǎng)景工質(zhì)研發(fā)。
三是熱泵與蓄熱、蓄能技術(shù)結合。可再生能源電力、各類(lèi)余熱或自然熱源均具有波動(dòng)性或季節差異性，熱泵與蓄熱技術(shù)、蓄能技術(shù)結合，可幫助電力系統進(jìn)行調峰，降低供熱運行費用，改善跨季節蓄能的穩定性和經(jīng)濟性。
四是智能互聯(lián)與AI優(yōu)化控制。熱泵技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)、大數據及人工智能深度融合，通過(guò)智能感知環(huán)境變化與用戶(hù)需求，匹配熱泵系統源、網(wǎng)、荷、儲各個(gè)環(huán)節，實(shí)現整體能效提升。
五是多源化耦合與多能互補。未來(lái)熱泵將進(jìn)一步拓寬低品位熱源來(lái)源，集成多種可再生能源，如太陽(yáng)能、風(fēng)能等，實(shí)現多源耦合利用。同時(shí)，促進(jìn)空氣源、水源、地源等多種類(lèi)型熱泵的復合應用，以適應不同地域條件和應用場(chǎng)景，提高能源利用的整體效能。
（文章來(lái)源：雙碳情報）
