【內容簡介】

　　上海交通大學制冷與低溫工程研究所王如竹教授領銜的能源-水-空氣ITEWA創新團隊（Innovative Team for Energy, Water & Air）在能源環境類頂級期刊Energy & Environmental Science上發表題為“Heat pumps as a sustainable bridge for global heating and cooling at multi-scale”的觀點論文。該論文探討了熱泵技術在全球供熱和制冷中的可持續應用，尤其強調熱泵在熱能綜合利用中的核心作用。論文指出了熱泵在不同規模和應用場景下的潛力，提出了從單個設備到熱力網絡的熱泵多尺度利用策略，并通過一系列實例指出如何將熱泵技術深度融入到未來能源系統中，從而進一步提高綜合能效。此外，研究還提出了對熱泵技術的跨學科研究方法，建議改善現有運營模式，以進一步推動熱泵技術的廣泛應用，促進熱能利用重構。上海交通大學制冷與低溫工程研究所博士研究生閆鴻志為論文第一作者為，王如竹教授為通訊作者。

　　【論文內容】

　　隨著可再生能源的加速部署和終端用能的電氣化，全球熱泵市場正迅速擴大。國際能源署預測，到2030年，全球熱泵安裝量將超過6億臺，滿足超過20%的全球供熱需求。值得注意的是，熱泵在供熱的同時還產生制冷效果，家用熱泵的性能系數（COP）通常在3到4之間，據此估算，到2030年，熱泵帶來的冷負荷將超過1600GW。因此，有效利用熱泵的制冷負荷變得同樣重要。

圖1. 全球冷熱負荷潛力與典型場景冷熱負荷時間分布特征

　　目前，全球區域供暖需求是區域供冷需求的五倍多，預計隨著空調技術的普及，到2050年，區域供冷需求將超過供暖需求。此外，工業生產過程中產生的大量熱量，經常因為缺乏有效的回收和利用，例如直接通過冷卻塔排放，造成熱能浪費與水資源消耗。鑒于供熱和制冷需求的巨大體量，熱泵技術在這兩方面都具有極大的應用潛力。然而，冷熱負荷在時間和空間上分布不均勻，這就要求對熱泵的應用進行精密規劃和部署。為了最大化地發揮熱泵在供熱和制冷方面的雙重功能，需要從單個設備到整個行業，乃至跨區域熱網的層面上，全面優化熱泵的應用策略。

圖2. 熱泵技術的多尺度利用策略

　　基于上述考量，研究提出采用多尺度熱泵利用策略：在設備層面，熱泵可根據季節變化集成不同的功能，例如在冬季滿足供熱外，可與冷柜、冰箱等冷需求集成。在夏季除空間冷卻外，熱泵可同時滿足熱水生產等高溫需求。此外，熱泵還可以結合儲熱技術進一步提升耦合系統的穩定性和能效。通過將熱泵與特定材料結合，還可以實現如制冰、除濕、取水和CO2捕獲等多功能應用；在多部門協同層面，熱泵可通過重新分配熱量與冷量，提高能源效率。例如，將超市冷卻需求與附近住宅的供暖需求集成，或利用數據中心冷卻產生的熱量作為區域供暖的基礎。在工業中，熱泵可用于多溫度加熱和冷卻處理的工藝情景；熱泵還可以進一步整合到跨區域熱能利用場景中，此時熱泵可結合循環水網絡進行冷熱負荷的再分配與終端調節，即第五代區域供暖和制冷（5GDHC）模式。此外，熱泵還可結合移動式儲熱技術拓展其應用區域。

圖3. 熱泵跨學科研究

　　為確保上述戰略部署的實施，跨學科研究在熱泵技術整合及宏觀脫碳框架中尤其重要，特別是在多尺度應用和大規模部署方面。目前，這一領域面臨著數據收集和模型驗證的挑戰，也存在對實際應用復雜性考慮不足的問題。文章強調，高分辨率的地理空間分析至關重要，需精確識別熱能需求的時間、地點和規模。此外，后續研究應充分考慮社會、環境以及能源和碳交易價格等因素的未來變化，進一步將熱泵潛力的最大化嵌入到脫碳路徑框架中。

　　文章最后部分討論了涉及熱泵應用的各個利益相關方，以及運營模式的過渡和協調問題。它指出了僅依賴自下而上模式的局限性，提出需要政府部門的自上而下介入來實現熱泵規模化應用。例如， 需要戰略性地組織各用熱部門，利用熱泵協調工業與建筑間的冷熱需求。在商業模式方面，大型公司的熱力購買協議將有助于規模化利用。總結而言，盡管目前熱泵的銷量最近激增，考慮到未來碳中和愿景，多尺度的熱泵利用策略、跨學科研究，以及運營模式的轉變，對于可持續的供熱和制冷至關重要。