在当今全球能源转型的宏大背景下，热能作为终端能源消耗的重要组成部分，其脱碳路径的探索与实践显得尤为重要。热能占全球终端能耗的半壁江山，不仅关乎经济发展的可持续性，更是实现碳中和目标的关键一环。热泵技术，以其独特的能量转换机制和对可再生电力的高效利用，正逐步成为热能脱碳领域的明星技术，引领着一场绿色革命。

导 读

国际能源署（IEA）的权威数据显示，热能消耗在全球能源消费结构中占据了举足轻重的地位，其脱碳进程对于全球实现碳中和目标具有不可估量的价值。热泵，这一依靠可再生电力驱动、能够有效利用低温热源实现高效供热的装置，正逐渐成为热能脱碳的先锋力量。从最初的建筑领域应用，到如今向高温大容量供热场景的拓展，热泵技术的每一次突破都预示着热能利用方式的深刻变革。同时，随着储热和热输送等热能调控技术的快速发展，热泵在实现热能灵活调配、优化能源结构方面的潜力愈发凸显。因此，全面梳理热泵实现热能脱碳的机制，不仅有助于我们更好地理解其技术内涵，更为未来技术的发展与迭代提供了宝贵的参考依据。

图1 图文摘要的深度解析

热泵技术之所以能够成为热能脱碳的关键技术，在于其能够巧妙地利用可再生电力和广泛存在的低温热源，实现热能的高效转换与供应。据国际能源署统计，全球热泵总容量已突破1000吉瓦（GW），满足了全球建筑供暖需求的十分之一。到2030年，这一数字预计将跃升至2100至2600吉瓦，展现出热泵技术蓬勃发展的强劲势头。尤为值得一提的是，高温热泵技术的研发与应用，使得热泵在工业等高温大容量供热场景中也展现出了广阔的应用前景。据估算，利用可再生能源驱动的热泵提供150℃以下的热能，有望在全球范围内减少约20%的碳排放，这一数字背后蕴含着巨大的环境效益与经济效益。

然而，随着输出温度的升高和温升的增大，热泵的制热能效（COP）会迅速下降，这一技术瓶颈限制了热泵在更高温度范围的应用。因此，在推动热泵技术发展的同时，我们还需要深入分析其应用的优先关注场景，以确保技术投入的有效性和针对性。

场景一：高效电气化供热的深度探索

在能源转型的大潮中，电气化供热正逐渐成为替代传统化石燃料供热的主流趋势。热泵作为电气化供热的重要载体，其应用范围的合理界定对于提升整体能效、降低碳排放具有重要意义。

分布式建筑供热：在温带地区，冬季供热与夏季制冷是居民生活的刚性需求。热泵凭借其供热与制冷的双重功能，成为该领域的优选方案。然而，随着平均环境温度的下降，热泵的年运行时长增加，但其制热能效却相应降低。因此，在分布式建筑供热中，如何平衡热泵的能效与运行成本，成为亟待解决的问题。

工业集中供热：与分布式建筑供热相比，工业集中供热对温度和容量的要求更高。这使得热泵在工业供热中的应用面临更大的挑战。然而，工业余热作为热泵的潜在热源，为热泵在工业供热中的高效利用提供了可能。通过合理利用工业余热，不仅可以提升热泵的能效，还能减少工业冷却水的消耗，实现资源的循环利用。

建筑集中供热：在寒冷地区，建筑集中供热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对热泵的低温热源提出了严苛的要求。工业余热虽是理想选择，但余热源与热泵空间的不匹配问题却成为制约其应用的关键因素。为此，采用低温热网收集余热成为了一种可行的解决方案。通过构建低温热网系统，将分散的工业余热集中起来，为热泵提供稳定的低温热源，从而实现建筑集中供热的高效低碳运行。

场景二：热能温度调节的灵活应用

热泵在热能温度调节方面的独特优势，使其在热能利用领域展现出更加广泛的应用前景。通过热泵对热能进行精准调控，可以实现热能的高效利用和灵活调配。

余热温度调节：在工业生产过程中，大量的低温余热被浪费。通过压缩式热泵和吸收式热泵等装置，可以将这些低温余热提升至更高的温度，用于区域供暖、工艺预热和干燥等场景。然而，余热与热需求之间的温度、时间和空间不匹配问题却成为制约其应用的关键因素。为此，需要结合储热和热输运技术，实现余热的灵活调配和高效利用。

储热技术的创新应用：储热作为热能脱碳的另一项关键技术，其重要性不言而喻。然而，储热介质的选择却受到诸多因素的限制。通过热泵对储热介质进行温度调节，可以消除储热温度与热源/需求温度之间的强耦合关系，从而拓宽储热介质的选择范围并提高其经济性能。此外，结合热泵技术的储热系统还能实现热能的稳定供应和灵活调度，为能源系统的稳定运行提供有力保障。

热输运技术的突破与拓展：热输运作为热能传输的重要手段，其应用效果直接影响到热能利用的效率和经济性。然而，热输运管道的高初始投资和沿程热损问题却成为制约其发展的瓶颈。近年来，吸收式换热器等新型热输运技术的出现为这一问题提供了解决方案。通过结合吸收式制冷或高温热泵技术，可以显著提升热输运的温差和输运距离，从而满足更广泛的热能利用需求。此外，这种技术组合还能在冬季建筑供热需求以外满足夏季制冷需求和工业供热需求，进一步提升热输运系统的年运行时间和经济性。

总结与展望

综上所述，热泵技术已经在分布式建筑供热中发挥了重要作用，并正逐步向工业应用等领域拓展。然而，受到热泵容量和低温热源的限制，其在集中供热等场景中的应用仍然较少。未来，随着技术的不断进步和政策的持续推动，热泵有望在基于低温热网的建筑集中供热、耦合热泵-储热的灵活热能存储以及基于热泵的耦合热能输送-调控等场景中发挥更加重要的作用。

展望未来，热泵技术的发展将呈现出以下几个趋势：一是高温大容量热泵技术的持续突破与应用拓展；二是热泵与储热、热输运等技术的深度融合与协同创新；三是政策与市场的双重驱动下的热泵技术普及与产业升级。在这个过程中，我们需要充分发挥技术创新的引领作用和政策支持的保障作用，共同推动热泵技术在热能脱碳领域的广泛应用与深入发展。只有这样，我们才能在这场绿色革命中赢得先机、占据主动，为实现全球碳中和目标贡献出中国智慧和中国力量。