CET 环能科技 CABREET ENERGY FOUNDATION 能源基金会 双碳目标下的热泵供暖路线研究 建科环能科技有限公司 2023年6月
热泵技术的发展始终同能源与环境问题息息相关，作为可再生能源利用的有 效途径，是联合国能源署认定的节能减碳关键技术，在我国获得了广泛的应用.
2020年9月，习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布，中国将 采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争 取2060年前实现碳中和.
双碳战略下推动我国的能源领域将发生革命性变化， 热泵将如何在我国的建筑领域能源结构调整中发挥更大的作用尚存在一系列待 解问题：1）多样性需求下，热泵供暖典型应用场景有待梳理：2）碳中和目标下， 热泵供暖在2030和2060将发挥怎样的减碳替代作用，未来发展应用情景尚不清 断，减碳贡献缺乏科学预测：3）为推动热泵供暖高速应用，我国的现有政策标 准体系仍有待提升.
为了针对性解决以上问题，开展双碳目标下中国热泵供暖路 线研究，辨识热泵应用典型场景，开展热泵供暖的减碳潜力预测，对影响热泵供 暖的技术、产业、政策方面因素进行分析，提出推动热泵供暖高速发展需要克服 的障碍和问题，为使热泵供暖在中国发挥更大的减碳贡献提供支撑.
1热泵供暖现状 1.1我国供热产业发展历史 我国国土面积广阔，跨多个气候带，由北到南季节温度差异显著，建筑供 暖是北方地区人民冬季过冬的刚性需求.
我国建筑集中供暖以秦岭淮河为界， 如图1-1所示，分为南北区域，集中供暖仍然集中在北方地区，南方地区分散 供暖.
南北供暖线示意图 40 2017 2021 图1-1我国南北供暖线示意图 图1-2北方地区清洁供暖面积变化曲线 我国的供暖产业发展分为四个时期：供热产业起步期（1949-1979年），供 热产业发展期（1980-1999年），供热产业转型期（2000-2016年），清洁供热新 时代（2017年至今），2021年北方地区清洁供热面积为158亿平方米，清洁供 暖变化曲线如图1-2所示.
1.2热泵分类及市场现状 热泵是在高位能驱动下，通过热力学逆循环连续地将热量从低位热源转移到 高温物体或者介质，并用于制取热量的装置.
根据热泵利用的低位热源不同划分 的分类示意如图1-3所示.
为了区分热泵与空调产品的差异，项目组基于我国的 产品国标，对热泵空调产品分类进行梳理，如图1-4所示.
可以看出热泵以供暖 作为主要功能因此其适用温度范围更低，更加注意气温环境下制热运行.
空调产 品则主要以供冷工况为主，热泵型空调作为其可选机型，最低应用温度多为-7℃.
产品技术标准中名称，往往根据产品应用场景和功能确定，在市场销售中明目过 于繁琐，因此，热泵空调行业通常根据国家质检总局的制冷设备产品生产许可及 强制性产品认证目录，对于空气源热泵产品以35kW为界，分为家用热泵和商用 热泵两类，空调产品则以24.36kW为界，分为家用空调和商用空调，在后续的热 泵产业数据分析中均以此为据.
图1-3热泵分类示意图 图1-4热泵产品双侧换热类别划分示意图 250 290 203.2 190 018 销售额同比 内插额-同比 图1-5我国热泵市场变化曲线图 图1-6我国热泵内销部分变化曲线图 长江流域及以南地区供暖以分散式热源为主，为各类热泵技术提供了良好的 应用条件，新增供热需求95%以上也是由热泵型空调满足，此区域应用的空气源 热泵仍以普通机型为主，近年来主要增长为低温型产品.
我国热泵市场变化如图 1-5所示，我国的热泵市场规模已经接近250亿，出口市场的迅猛增长拉高了整
体行业规模，国内销售部分变化曲线如图1-6所示，虽然三年疫情对热泵销售及 应用造成了一定冲击，但整体市场仍然呈现逐年上升的态势.
1.3热泵供暖需求及适用类型分析 我国严寒、寒冷地区是我国设置集中采暖的区域，夏热冬冷地区室外平均温 度低于5℃的天数低于90天，对应无集中采暖区域，这个地区是居民热舒适要 求日益强烈的区域.
夏热冬暖地区，对供暖系统的要求也无明确要求，由建筑使 用性质及业主需求确定.
温和地区全年温度最低月气温0-13℃，仅部分地区需 要考虑来用供暖装置和系统进行补充.
热泵根据其低位热源的来源可以划分为不同的技术类型，包括：浅层地理管 地源热泵、中深层地理管地源热泵、地下水源热泵、地表水源热泵、污水源热泵、 中深层地热水热泵、空气源热泵等，根据技术形式不同具有其不同的技术特点及 难点.
对应不同气候区负荷需求特点，对应可采用的热泵典型技术类型如图1-7 所示.
中国建先区的 热负荷大，建筑供暖能量密度 兼具冷热需求 需求高，夏季供冷负荷需求 地埋管地源热系，任 低 温空气源热泵 中深层地理管地源热原.
污水 源热泵、低温复叠式CO空气 源热泵 冷热负荷小，需求时间 重点解决供冷需求，短暂采 供冷需求占据主导地位，累计需求 短， 暖需求.
量及负荷值明显大于供暖需求.
各类分散式热泵 空气源热泵，冷暖空调 》地表水源热泵、空气源热泵，冷暖 空调 图1-7我国不同气候区热泵适用类型划分示意图 2热泵供暖在双碳目标下减碳潜力 2.1热泵供暖应用发展预测 建筑面积发展规模是建筑能耗与碳排放的重要影响因素，本文基于前人研究 成果，根据最新数据对建筑面积存量模型进行修正.
提出三种建筑面积发展规模， 在三种建筑规模下，城镇人均居住建筑面积分别达到45m/人、42m/人、40m /人，人均公共建筑面积分别达到19m/人、18m/人、16m/人，农村人均建筑面 积在三种模式下均达到50㎡/人.
其中，需要进行采暖的建筑主要由以下三方面
构成：北方城镇供暖、北方农村供暖、夏热冬冷公建供暖、夏热冬冷地区居住建 筑供暖.
考虑建筑不同增速下未来存量建筑总量，同时考虑人口及城镇化率变化， 对应夏热冬冷地区占全国人口的40%，估算北方地区和夏热冬冷地区的供暖面 积变化情况如图1-8所示.
（a）低增速 （b）中增速 （c）高增速 图1-8不同增速下建筑面积及供暖面积变化情况 在建筑面积低增速情况下，需求侧减排量最大，以此为基础进行的热泵减碳 替代效果最明显，因此本项目对建筑面积低增速下热泵减碳量进行测算.
在双碳 目标的指引下，我国热系供暖发展可以划分为三个阶段：初期应用上升阶段、高 速上升阶段、稳定应用阶段.
而各个阶段的累计应用量，总是随时间连续上升.
针对以上增长预测模型应用筛选表明，Logistic模型更加适用，将其进行整理后 的曲线方程如（1）.
y(t)= K 1Ae- (1) 式中，K为饱和水平：A为模型系数，根据既有数据得到：b为发展速度因 子：y(t)是第t年的预测值.
适用于热泵供暖减碳量预测，主要是由于其具有以下重要特性：1）利用极 限和导数工具进行分析，Logistic曲线具有两条渐近线，即初始线和饱和线：2） 单调性，当K>0，b>0，则y>0，故Logistic曲线为严格单调递增函数：3） 有唯一拐点，当y的两阶偏导为0时，可求出其唯一拐点.
Logistic曲线增长过 程变化趋势为慢-快-慢，与热泵供暖技术未来发展特性相符合，因此，本文热泵 的应用量和COP变化采用此模型进行后续减碳量预测.
2.2不同发展情景热泵供暖减碳量计算分析 本文来用碳排放因子法计算碳排放.
排放因子法是目前应用最广泛的碳排放 计算方法，适合任何尺度的计算，有全面的排放因子数据库作为参考.
碳排放量 的公式为： C=∑AxEF (2)
