热泵作为利用低品位热能和高效清洁供热的有效手段，在建筑业、工业甚至交通运输业发挥了愈来愈重要的作用。近20多年来各类热泵技术和产品得到了创新发展，市场容量不断扩大，其中空气源热泵以及工业余热热泵在中国节能减排和环境保护中发挥了愈来愈重要的作用，并通过不断提升技术边界拓展到更 广泛的应用领域。面向2030碳达峰和2060碳中和，在能源供给侧的可再生能源电力必将大幅度提升，而在需求侧热能却依旧是比例最高的能源形式，热泵作为 连接电能和热能的高效能量转换技术，必将成为热能 供应的核心技术。
1 碳中和促进热泵创新发展
当前我国处在能源结构转型的关键时期，为了实现既定的2030碳达峰和2060碳中和既定国家战略，提升可再生能源比例是受到最广泛关注的技术路径，然而需要注意的是这并不是唯一或最重要的技术路径， 因为碳中和目标的实现对于整个社会能源体系所造成 的改变必然是深刻、全面且彻底的。常识告诉我们， 经济的发展是与用能的体量成正相关的。只有在可再 生能源发展速度要远高于用能体量上升速度的情况 下，才可以满足经济持续发展下的用能需求。如果能够进行能量利用效率的进一步提升，则可以大大缓解提升可再生能源供给的压力。如何有效地提升能量利用效率是能源学科面临的经久不衰的话题。然而在未来高比例可再生能源供给的场景下，什么才是提升能源利用效率的关键技术呢？我们认为热泵将会成为这样一个核心技术。一方 面，如果大家去畅想未来碳中和场景下的能源供给场景，很自然地会想到以太阳能光伏和风电为主要能源供给的结构，而煤、石油和天然气的体量则会大大降 低。另一方面，我们需要考虑的是能源需求侧。根据国际能源署的统计数据，能源需求侧真正的电力需求并不高，仅占大约20%的比例，余下的是50%冷热需求和30%交通燃料需求。在现有的能源结构中，很多热需求是直接通过化石燃料燃烧所得到的，那么当化石能源逐步被可再生电力取代后，这些冷热需求又应对如何满足？答案自然是热泵。与电能不同，热能的温度品位多样化，为了将可再生电力转换为不同温度品位的热能需要不同热泵技术的开发，去满足建筑、交通、农业和工业的用热需求。这是热泵技术面临的机遇，也是挑战， 原有的热泵技术在温升和输出范围仍然难以满足这些需求。基于上述思考，本文将首先梳理笔者带领团队所做的热泵技术研发，进一步分析热泵技术在未来的挑战，并最终展望热泵在碳中和战略下的发展潜力。
2 热泵技术的应用
笔者的团队在过去30年中以太阳能、空气热 能、余热高效利用的热泵技术进行了较为深入和长时间的研究，也目睹了近20年以来热泵技术从民用供热一步步拓展， 获得了更广泛的应用。热泵最早应用于民用供热，在经过热泵体量、效率、温度提升能力和输出温度的不断提升后，热泵开始应用于交通、农业和工业。此处以民用热泵、交通热泵和工业热泵为例展示较为典型的热泵研发与应用。
2.1 民用热泵
热泵与空调制冷所采用的热力学理论循环是一 样的，其区别在于系统的目的不一样，空调制冷是通过耗能从低温环境吸收热量（制冷）向周围环境放热，而热泵从环境热源或者余热源吸热通过耗能向高温环境输出热量（供热）。由于在采用热泵技术进行民用供热时，其工作温区与空调相差不多， 因此最初的热泵技术也是用于民用建筑供热或生活 热水制取。在民用供热场景下，热泵可以从河水、 土壤或空气中吸取低温热能，依靠电能驱动蒸气压缩式循环并释放热能，因此又可以分为水源热泵、 地源热泵和空气源热泵。虽然河水或土壤作为热源 可以提供更稳定和温度更高的热量，但其便利性并不如空气作为热源的热泵，所以目前市场上发展最好的就是空气源热泵。由于热泵依靠电能驱动，可以从环境中吸取热能并用于供热，其供热效率比电加热要高3～6倍， 且比分布式燃煤锅炉供热更加清洁，是清洁高效供 热的首选。受到煤改电政策的推动，空气源热泵供 热技术在民用供热领域的应用在近年来得到了快速 发展，但空气源热泵热水器最早的示范应用却可以追溯到2003年。如下图所示是上海交通大学团队在2003年将专利转化给江苏华扬并实施产业化，引领 了我国“空气能”热泵热水器产品的发展。图中的上海达安春之声花园也是我国第一个高层建筑集成示范应用“空气能”热泵热水器。2012年上海交通大学团队还进一步提出了小温差换热末端与空气源热泵技术结合，解决长江中下游地区舒适、高效供暖的问题，采用35℃热水结合落地小温差风机盘管不仅实现了高效舒适供热，彻底消除了除霜过程供热不舒适性，同时也可以将热泵供热效率提升20%以 上。该项技术产品在北方煤改电中获得了应用，也 形成了新的行业标准。目前我国空气源热泵热水器产业市场已经攀升至100亿元/年，空气源热泵舒适性供热也存在巨大市场空间，可以逐步替代化石燃料 供热和电采暖，将为降低我国建筑能耗和碳排放作出巨大贡献。
2.2 交通热泵
交通用热泵所受到的关注并不如民用建筑热泵多。但当前我国的轨道交通发展迅速，城市间的高铁和城市内的轨道交通里程节节攀升，因此轨道交通热泵技术亟须受到更多关注。除体量攀升外，轨道交通所使用的热泵效率目前也和建筑用热泵相差较多，其主要原因是轨道交通相对开放的空间和更高的湿负荷，存在很多技术挑战。近年来，上海交通大学团队研发了新型储湿热泵空调系统，其外形和特殊换热结构如图2所示。在蒸发过程，这种新的技术通过涂覆在换热器上的干燥剂处理湿负荷，一方面显著降低了湿度处理负荷，另一方面不再需要用于露点除湿的低蒸发温度。在冷凝过程，冷凝热可以通过驱动干燥剂的再生，不再需要额外的干燥剂再生能耗，也可以降低冷凝温度。这种巧妙的构思可以将空调COP提升一 倍之多，也有望大大改善轨道交通空调热泵能耗高的现状。
2.3 工业热泵
工业流程中有巨大的热能需求和余热排放，余热回收利用可以有效提升能源利用综合效率。常见的余热利用包括余热直接利用、有机朗肯循环、吸 收吸附制冷和热泵技术。相比其他技术，热泵技术对余热温度要求低，且可以提升余热温度，实现从被动梯级利用到主动调控的目的，因此是低品位余热利用的有效手段。相比环境热源，工业余热的温度更高，所以基于工业余热利用的热泵会具有更高的效率，但工业余热的巨大体量与余热回收的改造属性也带来了更多挑战：首先工业热泵的功率远高于家用热泵的功率，其次工业热泵应用于余热回收时需要特别考虑投资回收属性。例如，家用热泵的能效仅是用户的 一方面考虑，但工业热泵的能效却可以直接决定项目投资回收期是否能够满足余热回收改造的投资预期，反而需要更高的能效。如图3所示为采用吸收式热泵和压缩式热泵进行工业余热回收的两个案例。左侧是位于兰州大唐西固电站的余热回收改造工程，该工程共采用了290 MW的吸收式热泵回收电厂冷却塔余热，并最终用于区域供热，吸收式热泵由原有的汽轮机低压采暖抽气，并达到1.77的COP，即每份原有的热量输入可以回收0.77份的余热。右侧是位于鞍山鞍钢的余热回收改造工程，该工程采用了9MW的离心压缩式热泵回收钢厂余热，用于厂区供热。这也是压缩式热泵首次用于大型余热回收场景，其现场运行效率达到 6.13。由于上述两个工程均因地制宜地利用了余热， 并实现了高效余热回收，其投资回收期也分别在 2～3年左右，体现了良好的节能减排和经济效益。
3 热泵技术的发展展望
从上述热泵技术的发展可以看出，热泵的应用 随着其技术边界拓展变得越来越广泛，已经可以实现高效民用供热、轨道交通空气调节和工业余热回收。但也不难发现目前热泵的温升和输出温度还有比较大的局限性：其温升往往在60℃以内，压缩式热泵的输出温度很少高于100℃，且热能输出主要还是应用于建筑或车辆环境控制。工业用热的温度往往高于建筑环境控制，其体量很大。但目前还很难通过热泵技术满足——当热泵的温升过高时其效率会出现大幅度下降。此外高温工况下的工质、压缩机和换热技术也存在很多挑战。尽管高温热泵很难，但考虑到工业用热的体量巨大，高温热泵技术仍然有很大的研发必要性。近年来，高温热泵也确实受到了国际制冷与热泵行业的重视，涌现了以水等为工质的超高温热泵技术， 如图4所示就是笔者团队研发的水蒸气压缩热泵，机组可利用80～100℃余热，输出120～150℃的高温热能，系统效率高于其他工质，填补了>120℃高温热 泵应用的技术空白。
前文中我们还提到在碳中和场景下大部分的能源供应都是来自可再生电力，将电力直接转换为热能显然是一种无法充分利用能源品位的方式，在这种场景下发展电力驱动且供应工业用热的热泵技术就显得十分关键。考虑到工业用热中很大一部分热能是蒸汽形式的热能，上述提供工业用热的热泵技术可以从提供中低压蒸汽的应用场景开始研发，并逐步拓展到更高的温区。
4 热泵碳减排潜力与发展路线
前文描述了热泵能够服务的行业，以及它在未来碳中和背景下的重要性，那么其节能减排潜力到底如何呢？仅考虑工业和建筑终端用能的热能占比，热能消耗了我国50%以上的终端耗能，而热泵则可以很好地服务于这50%终端能耗的脱碳，意义是十分重大的。在建筑用热方面，居民用热温度大多在100℃以下，50～60℃的温度水平已经可以满足大多数状况的取暖需求，而现有热泵技术是很容易满足上述标准的。参照丹麦制定的供热标 准，第一代供热采用蒸汽供热系统并达到200℃，第二代供热采用加压热水系统并超过100℃，第三代供热将供水温度降到100 ℃以下，并采用换热站、计量系统和监控系统提升效率，第四代供热完全摒弃化石燃料， 充分利用太阳能等可再生能源和热泵，形成分布式智能能源网，并大大降低供热碳排放。参照上述标准，国内大部分集中供热系统处在第二代，只有少 部分能达到第三代水平，推广热泵有助于中国供热迅速进入第四代清洁低碳供热。在工业用热方面，燃煤锅炉是最主要的工业热能供应设备，但它的使用造成了严重的环境污染。基于余热回收式工业热泵的经验，笔者提出构建大温升热泵系统，直接从空气中取热并产生高温蒸汽，用于替代燃煤锅炉和清洁蒸汽供应。如图5所示，经过团队前期的研究，已经成功实现了从空气中取热并产生蒸汽用于酿酒。该空气源热泵蒸汽发 生系统示范工程已经运行2年，每小时可以产生0.5吨蒸汽。目前新的1吨蒸汽/小时的空气源热泵锅炉也即将投入应用。我国约50%～70%的工业能耗都是以热能形式消耗的，并且45%都是低于250℃的中低温热量，且大多集中在80～170℃。欧盟的情况也是类似的，工业能耗中70%是热能，其中150℃以下的热能 占比约40%，150～200℃的热能占比约45 %。随着我国产业结构的升级，低端高耗能产业将受到限制和淘汰，工业能耗的中低温用热占比还将进一步提高，完全可以通过余热式工业热泵替代，甚至可以直接考虑采用空气源热泵锅炉替代，从而为工业用热脱碳提供有力支持。美国能源部能源高级研究计划署2021年在国 际能源顶级期刊Joule发表论文并直截了当地采用 了“为了实现工业碳减排，我们必须实现热能碳 减排（To decarbonize industry, we must decarbonizeheat）”为题目，这也与我们的观点不谋而合。热能不但是工业中的最重要能量形式，也是终端用能中最重要能量形式。但它又和可再生能源产生的电力能源形式不同，热泵作为连接电能和热能的桥梁， 必将成为实现碳中和宏伟目标的核心技术。参照我国目前可再生能源电力占比的不断提升 趋势，到2060年如果考虑热泵全面解决建筑供热， 50%的工业热能利用低碳排放的热泵供应，仅在实施程度为90%的情况下就有可能实现20万亿吨二氧化碳减排，相当于2020年我国二氧化碳排放总量的20%。从目前双碳战略实施的角度看，热泵的作用大大被低估了。2060碳中和可以为制冷空调行业带来巨大的机会，热泵将成为空调制冷行业的最主要产品。
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