摘要  　　

　　未來能源中綠電比例越來越高，末端用能向電氣化轉(zhuǎn)變，熱泵作為電制熱最有效的方式，將成為供熱領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳中和的可靠路徑。本文通過碳排放因子法對熱泵技術(shù)在建筑、工業(yè)和農(nóng)業(yè)等中低溫?zé)崮苌a(chǎn)中的減碳效益進(jìn)行定量分析。結(jié)果表明，在熱泵高增速情景下，2060年建筑供暖和熱水供應(yīng)、工業(yè)中低溫用熱和農(nóng)業(yè)環(huán)境調(diào)控減碳總量為25.06億t，相對于當(dāng)前減排65%。潛在減排量中熱泵減排量達(dá)14.53億t，相當(dāng)于現(xiàn)階段我國碳排放總量的14.7%，電力端和需求側(cè)減排量分別為3.44億t和5.67億t，另外建筑供暖中低碳或零碳熱力規(guī)模擴(kuò)大減排1.42億t。隨著技術(shù)進(jìn)步，熱泵將成為中低溫供熱領(lǐng)域替代化石能源、實(shí)現(xiàn)碳中和的必然選擇。此外，雖相對電直熱供熱節(jié)電明顯，但熱泵高增速發(fā)展增加電網(wǎng)負(fù)荷，應(yīng)積極利用合適場景的熱泵應(yīng)用對電網(wǎng)進(jìn)行日調(diào)峰，實(shí)行“需求側(cè)響應(yīng)”的柔性用電。

　　

　　關(guān)鍵詞　

　　熱泵；中低溫?zé)崮埽惶紲p排；碳中和；建筑供暖；熱水供應(yīng)；工業(yè)生產(chǎn)；農(nóng)業(yè)環(huán)境調(diào)控

　　

　　作者  　　

　　倪龍1,2  董世豪1,2  鄭淵博1,2  趙恒誼3  宋忠奎3  高屹峰3　　

　　（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)；2.寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.中國節(jié)能協(xié)會）

　　

　　0、引言  　

　　2019年我國二氧化碳排放量達(dá)99.18億t，占全世界二氧化碳排放量的29.5%。2020年煤炭占我國能源消費(fèi)總量的57%，而在全球溫升限定在2 ℃的情景下，2050年煤炭的占比將降為9%，因此，要實(shí)現(xiàn)碳中和就必須大力改革能源結(jié)構(gòu)。放眼國際，歐美等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)從“碳達(dá)峰”到“碳中和”普遍有50~70年的過渡期，而我國僅有30年的時(shí)間，因而未來40年我國碳中和任務(wù)十分艱巨。

　　

　　2020年，中國消耗了全球熱量的1/4，其中建筑業(yè)、工業(yè)和農(nóng)業(yè)消耗了大量中低溫?zé)崮埽掖蟛糠钟苫剂现苽洹７中袠I(yè)來看，2019年中國建筑運(yùn)行造成碳排放約22億t，其中與供暖和生活熱水相關(guān)的碳排放超過8億t；2018年工業(yè)能耗達(dá)14.23億t標(biāo)準(zhǔn)煤，其中50%~70%以熱能形式消耗，且大多數(shù)工業(yè)用熱溫度在60~150 ℃區(qū)間，而2020年中國工業(yè)用可再生能源熱量僅占0.83%；我國目前農(nóng)業(yè)環(huán)境調(diào)控主要依靠散煤燃燒，但大量實(shí)例證明采用熱泵比燃煤可降低20%~60%的能耗。

　　

　　在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，能源領(lǐng)域?qū)l(fā)生革命性變化，尤其是能源轉(zhuǎn)換鏈條將由“燃料產(chǎn)熱、用熱發(fā)電”變?yōu)?ldquo;綠電生產(chǎn)、由電制熱”，終端用能電氣化態(tài)勢顯著。熱泵作為一種可再生能源利用裝置，是電制熱的最有效方式，成為中低溫供熱領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳中和的可靠路徑。同時(shí)，某些場景下的熱泵應(yīng)用還能實(shí)現(xiàn)柔性用電，有助于電力調(diào)峰和風(fēng)電、光電消納。

　　

　　隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，對各領(lǐng)域碳中和路徑和政策的研究成為熱點(diǎn)。如建筑實(shí)現(xiàn)零排放的路徑與關(guān)鍵技術(shù)，零能耗建筑的碳中和政策建議，針對建筑終端用電的“光儲直柔”新型建筑配電系統(tǒng)；構(gòu)建了考慮光伏發(fā)電和電解制氫的典型城市工業(yè)園區(qū)的碳中和框架；根據(jù)能源消費(fèi)、碳排放和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)增長的關(guān)系，提出了農(nóng)業(yè)碳中和路徑等。針對電力實(shí)現(xiàn)碳中和，朱法華等人指出，未來風(fēng)電與光電將發(fā)揮重要作用，并預(yù)測2060年非化石能源發(fā)電量占比將達(dá)到85.3%；吳鄖等人分析了碳中和背景下電力部門的總體轉(zhuǎn)型思路。

　　

　　作為一種廣泛應(yīng)用的節(jié)能減碳技術(shù)，熱泵技術(shù)將在中低溫用熱領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，但是現(xiàn)有文獻(xiàn)針對熱泵減碳效益的定量分析較少。為分析熱泵技術(shù)在建筑、工業(yè)和農(nóng)業(yè)等行業(yè)中的減碳潛力，推動熱泵發(fā)展，助力碳中和，本文采用碳排放因子法對3個(gè)行業(yè)采用電動熱泵進(jìn)行碳排放預(yù)測與減排量分析。

　　

　　1、減碳潛力分析　　

　　1.1 熱泵發(fā)展趨勢預(yù)測　　

　　隨著碳中和相關(guān)政策推出，預(yù)計(jì)熱泵會迎來高速發(fā)展；隨著技術(shù)進(jìn)步，熱泵應(yīng)用范圍有所擴(kuò)大，COP也將有所提升。本文采用Logistic曲線模型對未來熱泵占比與COP變化進(jìn)行預(yù)測。Logistic曲線在有限空間內(nèi)的數(shù)值增長會趨于一個(gè)穩(wěn)定值，反映事物的發(fā)生、發(fā)展、成熟并趨于穩(wěn)定的過程，廣泛應(yīng)用于技術(shù)發(fā)展、植物生長、市場需求等多領(lǐng)域。Logistic曲線方程為

　　式中 y(t)為第t年的預(yù)測值；K為飽和水平，即2060年熱泵占比或COP能達(dá)到的最大值；A為模型系數(shù)；b為發(fā)展速度因子。

　　

　　根據(jù)目前應(yīng)用現(xiàn)狀、未來政策推動熱泵占比擴(kuò)大和部分行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域拓寬（如工業(yè)），不同行業(yè)熱泵占比按照Logistic曲線發(fā)展，分為初始階段、高速發(fā)展階段和穩(wěn)定階段；而熱泵COP受制于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性，增長能力有限，處于緩慢增長，穩(wěn)定階段較長。高增速條件下，不同行業(yè)熱泵應(yīng)用占比和COP及采用Logistic曲線方程預(yù)測時(shí)參數(shù)取值如表1所示。2020年熱泵占比及COP根據(jù)現(xiàn)有行業(yè)調(diào)研、市場數(shù)據(jù)及技術(shù)現(xiàn)狀取值。考慮到熱泵技術(shù)應(yīng)用條件與范圍，熱泵技術(shù)推廣并不可能完全取代所有的中低溫用熱方式，為此對2060年熱泵占比進(jìn)行合理預(yù)測。文獻(xiàn)給出了城鎮(zhèn)建筑集中供暖碳中和路徑，未來除熱電聯(lián)產(chǎn)外，還有核電余熱、工業(yè)余熱、熱泵供熱等方式，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算，2060年熱泵占比預(yù)計(jì)可達(dá)到20%~30%，本文取30%。表1中K、A、b的取值通過2020年、2060年熱泵占比和COP及Logistic曲線發(fā)展階段計(jì)算得到。

　　1.2 建筑行業(yè)　　

　　1.2.1 建筑面積與供暖面積預(yù)測　

　　每年大量建筑的竣工使得我國建筑面積存量不斷增長，根據(jù)近年我國城鎮(zhèn)和農(nóng)村住宅面積變化趨勢進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果如圖3所示。我國城鎮(zhèn)住宅面積穩(wěn)步增長，人口逐步趨穩(wěn)，增長率逐漸放緩；同時(shí)，城鎮(zhèn)化不斷深入，農(nóng)村人口不斷減少，農(nóng)村住宅面積略有下降。目前，我國城鄉(xiāng)居住建筑面積約為528億㎡，供暖面積約為220億㎡。2040年后我國人口穩(wěn)定在14億，城鄉(xiāng)居住建筑總規(guī)模將達(dá)到560億㎡，其中北方城鎮(zhèn)需要供暖的建筑面積為200億㎡，農(nóng)村供暖建筑面積約為100億㎡。

　　

　　1.2.2 建筑供暖減碳分析　　

　　目前北方城鎮(zhèn)建筑每年需要50億GJ的熱量來滿足供暖需求，主要供暖方式為熱電聯(lián)產(chǎn)、燃煤區(qū)域鍋爐房等。2017—2018年北方城市平均單位面積年耗熱量約為0.355 GJ/㎡，隨著節(jié)能改造的進(jìn)行，2020年建筑供暖年耗熱量取0.350 GJ/㎡。考慮未來熱泵供暖、各類工業(yè)余熱、核能供熱等零碳或低碳熱力占比擴(kuò)大，燃煤燃?xì)夤┡饾u縮小的趨勢，設(shè)置1個(gè)當(dāng)前情景和2個(gè)2060年情景，進(jìn)行不同情景的碳排放量核算。對比供暖方式，城鎮(zhèn)折算為燃煤供暖的綜合能效取70%，農(nóng)村取50%；對于熱電聯(lián)產(chǎn)方式集中供熱，根據(jù)GB/T 51161—2016《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》，通過輸出的電力和熱量的分?jǐn)傒斎氲娜剂蟻碛?jì)算碳排放。由于農(nóng)村取暖具有“部分時(shí)間、部分空間”的特點(diǎn)，因此農(nóng)村供暖的同時(shí)使用率取50%，未來隨生活水平提高增至60%。各情景計(jì)算指標(biāo)如表2所示，其中，其他零碳熱力主要包括工業(yè)余熱的直接利用、核能供熱等。其碳排放主要來源于長輸耗電，參考文獻(xiàn)中最小輸熱成本（僅考慮泵耗）及價(jià)格，按照80 km的經(jīng)濟(jì)輸熱距離，折算長輸電耗為20 kW·h/GJ。各情景主要含義如下：

　　當(dāng)前情景（情景1）：按照目前我國建筑規(guī)模、各類主要供熱方式占比及電力碳排放因子計(jì)算碳排放量。

　　

　　自然增長情景（情景2）：熱泵規(guī)模自然增長，2060年熱泵占比增長至城鎮(zhèn)20%、農(nóng)村30%；熱電聯(lián)產(chǎn)效率提高，燃?xì)獗趻鞝t等被取代，各類零碳或低碳熱力占比增多；綠電生產(chǎn)增加，供暖面積增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造，耗熱量指標(biāo)下降，管網(wǎng)輸配效率更高，熱泵COP也提高。

　　

　　顯著增長情景（情景3）：在情景2的基礎(chǔ)上，大力推動熱泵技術(shù)及其他零碳熱力的應(yīng)用，熱泵占比顯著增長至城鎮(zhèn)30%（含電動熱泵回收工業(yè)余熱）、農(nóng)村70%。

　　

　　圖4給出了不同情景下的碳排放量，當(dāng)前建筑供暖碳排放量達(dá)到了8.83億t/a，由于城鎮(zhèn)集中供熱和熱電聯(lián)產(chǎn)方式占比較大，因此間接碳排放量較多，而農(nóng)村散煤燃燒較多，直接碳排放量更大。對于自然增長情景，采取電力改革、圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造、低碳熱力普及等措施，但熱泵占比自然增長，未大規(guī)模推廣，2060年的碳排放量仍有4.64億t/a，僅能實(shí)現(xiàn)47%的減排。對顯著增長情景，2060年熱泵技術(shù)及零碳熱力得到大力推廣，碳排放量降為2.29 億t/a，可實(shí)現(xiàn)74%的減排。顯著增長情景下，剩余少量碳排放是由于熱電聯(lián)產(chǎn)造成的間接碳排放，以及熱泵未全面普及、熱泵消耗電力及其他零碳熱力輸配耗電造成的碳排放。未來，隨著零碳熱力普及和農(nóng)村采用生物質(zhì)燃料，碳排放量可望進(jìn)一步降低，乃至實(shí)現(xiàn)零碳供暖。

　　圖5給出了不同熱泵增速下2020—2060年的碳排放量與潛在減排量，計(jì)算指標(biāo)見表3。在熱泵零增速下，建筑供暖的碳排放量緩慢降低，碳減排僅源于需求變化、低碳熱力規(guī)模擴(kuò)大及電力碳排放降低；在低、中、高增速下，碳排放量逐年降低，且熱泵占比增速越大，減排效果越明顯。在高增速（顯著增長情景）下，2060年減排量達(dá)到6.54億t/a，其中熱泵減排量為3.04億t/a（占比46%），需求側(cè)減排量為1.67億t/a，電力端減排量為0.41億t/a，另外熱電聯(lián)產(chǎn)和低碳熱力規(guī)模擴(kuò)大也貢獻(xiàn)了1.42億t/a的減排量。

　　圖6顯示了不同熱源供暖的碳排放強(qiáng)度變化。燃煤、燃油和燃?xì)夤┡绞降奶寂欧艔?qiáng)度不變；直接電熱供暖方式的碳排放雖逐年下降，但其碳排放強(qiáng)度顯著高于熱泵；熱泵的碳排放隨電力碳排放因子的下降而不斷下降，且熱泵COP越高，碳排放強(qiáng)度越低。在2030—2060年間，熱泵都是碳排放最低的供暖方式，且持續(xù)下降，相對于其他供暖方式具有顯著的減排優(yōu)勢，說明熱泵技術(shù)是建筑供暖領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳中和的最優(yōu)路徑。

　　除分析的電動熱泵之外，吸收式熱泵在城鎮(zhèn)集中供暖中也正在擴(kuò)大應(yīng)用，在電廠、工業(yè)余熱回收，煙氣熱回收、吸收式換熱等大溫差供熱系統(tǒng)中變得越來越重要，是供暖熱源、輸配系統(tǒng)減排的重要技術(shù)措施。此外，電動熱泵也是近年興起的南方供暖的主要熱源。

　　

　　1.2.3 建筑熱水供應(yīng)減碳分析　　

　　目前，我國居民主要通過燃?xì)鉄崴鳌㈦姛崴鳌⑻柲軣崴鞯确绞街苽渖顭崴磥恚S著生活水平的提高，熱水供應(yīng)普及率和熱水使用量將增加，使得熱水供應(yīng)熱負(fù)荷和生活熱水耗能增加。熱水供應(yīng)同樣設(shè)置了1個(gè)當(dāng)前情景和2個(gè)2060年情景，各情景計(jì)算指標(biāo)如表4所示，其中，現(xiàn)階段我國住房空置率約為城鎮(zhèn)20%、農(nóng)村40%，而未來城鎮(zhèn)合理空置率應(yīng)該控制在10%以內(nèi)。燃?xì)鉄崴鞯男嗜?0%。各情景設(shè)計(jì)如下：

　　當(dāng)前情景（情景1）：按照目前我國建筑規(guī)模、空置率、熱水供應(yīng)普及率和熱泵占比計(jì)算碳排放量。

　　

　　自然增長情景（情景2）：建筑規(guī)模、熱水供應(yīng)普及率、熱負(fù)荷指標(biāo)均隨需求增加，電力生產(chǎn)方式得到改造，空置率下降；熱泵占比自然增長至城鎮(zhèn)20%、農(nóng)村15%，仍然存在燃?xì)鉄崴骱碗姛崴鳎渌麨樘柲軣崴鳌?/div>