全球热泵市场的销量2021年增长13%,2022年增长11%,按照目前的增长率,到 2030 年,热泵在建筑物供暖中的份额将增加近一倍。
2022 年中国销售的热泵机组数量世界第一,采暖增速超过20%,热水器销量100万台以上。全球约40%的热泵在中国制造,使中国成为全球最大生产国和出口国。
作为取暖设备,热泵在我国并不为人们所熟悉,它到底神奇在何处,为何一跃成为欧洲人的“取暖神器”并且销量狂飙屡创新高?
01
热泵是什么?
水往低处流,水泵是能将水由低处送往高处的装置。热能由高温物体传向低温物 体,热泵则是能将热能由低温物体转移至高温物体的装置,可以为用户提供采暖、 制冷、热水、烘干等功能。热泵具有有偿和节能两个特征。从有偿特征看,根据热力学第二定律,热能无法 自发地、无代价地由低温物体转移至高温物体。因此热泵进行“热能搬运工作”需 要先输入一部分热能(通常为易被利用的高位能,如电能)用于启动。从节能特 征看,热泵以少量的热能(1 单位易被利用的高位能)启动装置,从而获取空气、 土壤或水中的大量热能(3-5 单位难被利用的低位能)。在提供等量热能的前提下, 热泵能耗成本约为燃煤的 15%-20%,纯电能的 25%-30%、燃油/燃气的 30%-50%、 常规太阳能的 60%-70%。
热泵按低位能来源,可分为空气源热泵、地源热泵和水源热泵,空气源热泵为主 流。据《中国热泵产业发展报告(2022)》统计,2021 年中国热泵行业销额规模 为 248.2 亿元,其中空气源热泵销额规模为 227.1 亿元,占比达 91.50%。相比空 气源热泵,地源热泵与水源热泵虽在部分体验上具有优势(如噪音、除霜等), 但经济和环境问题较为突出,体现在:1)经济不友好,设计、建造以及维修成 本较高。如为保证传热性能,地源热泵埋管占地面积和深度大,短期设计建造难, 长期维修难且不利土地未来开发。再如水源热泵需充分调查水源状况且取水构筑 物复杂。2)环境不友好,存在引发次生环境问题的隐患。如水源热泵若利用地下 水,则需考虑回灌困难的问题。
作为主流的空气源热泵,按照功能多寡可进一步划分为单功能(采暖/热水)、两 联供(采暖+制冷)以及三联供(采暖+制冷+热水)。单功能:单功能热泵可提供采暖或热水功能。家用型热泵体积较小,安装方便, 适用于于家庭、小型商铺等小面积范围。商用型使用年限较长,可达 15 年,主要 适用于宾馆、工厂、泳池等。两联供:两联供具有制冷及采暖功能,因冷媒的不同可分为上水下水(空调及地 暖均使用水系统)、上氟下水(空调使用氟系统,地暖使用水系统)和上氟下氟(空 调及地暖均使用氟系统)。市场中以上水下水及上氟下水较为常见,2021 年市场 占比合计约 99%。
三联供:三联供在二联供基础上加入热水功能,综合能效比更高,初始投资和运 行费用比传统空调+热水器节省 10%以上。但因各地水质不同,生活热水需做二 次换热系统以杜绝腐蚀穿孔问题,冷凝温度需提高 5℃,主机的 COP 值下降,因 此三联供稳定性不及二联供。
02
热泵有何用途?
热泵具有节能、环保、高效等特点,可用于制冷、供暖、供热水、烘干等多项功能,应用领域广泛。在建筑领域,热泵可为建筑供暖、供冷、除湿和提供热水;在农业领域,热泵可用于干燥工艺,实现农业环境调控,改善农村经济结构;在工业生产方面,高温热泵系统可被应用于石油化工、纸浆加工、陶瓷工业、印刷业等大多数工业生产中。此外,热泵海水淡化技术也取得了技术突破,采用机械压缩式热泵海水淡化,可直接将海水加热到80“C以上,与现有膜法海水淡化技术相比,可节约能源约40%,成本降低约50%,且不会造成环境污染。
全球范围来看,热泵目前更多运用于住宅和商业建筑的空调,除了传统的建筑领域,高温热泵和余热回收正在帮助工业部门脱碳,而且它们的作用正在大大增加。热泵正在被确定为工业脱碳的关键技术。国际能源署已确定,到 2050 年,热泵将占轻工业热需求的 30%,这相当于在未来 30 年内每月推出 500 兆瓦的热泵。
中国节能协会热泵专业委员会在《热泵助力碳中和白皮书(2021)》中列举了热泵在工业中具有较大发展潜力的典型应用:
1、高温工业热泵
能够提供高达150℃的热媒介质,是未来热泵技术研究的重要方向之一,技术突破将导致的性能和可靠性的大幅提升。
2、余热回收
利用中高温热泵技术,不但可减少对环境的热污染,又可把低温余热提高到可直接利用的温度,提高能源的利用率,降低二氧化碳排放。
3、工业干燥
热泵干燥系统有高效节能、干燥过程参数易控制、干燥时间短、无废气排放、环境友好等特点。
4、冷热联供系统
针对既需要制冷冷藏,又需要制备热水的工业场景,可采用冷热联供技术,避免能量的浪费。
03
热泵市场狂飙
热泵是一种高效且气候友好的技术解决方案,可帮助消费者节省能源账单费用,并减少国家对进口化石燃料的依赖。由于成本下降和强有力的政策激励措施,热泵市场近年来一直在强劲增长。2021年,全球热泵销售额增长了近15%,是过去十年平均水平的两倍,其中欧盟/北美/中国(仅空气源)/日本热泵同比分别+35%/+15%/+13%/+13%,欧盟在热泵政策刺激下增速较快,美国、日本热泵发展历史较早,热泵渗透率相对较高。
图说:欧洲热泵年度销售数量
2022年,随着俄乌冲突带来的全球能源危机,欧洲热泵市场一路狂飙,创下了约 300 万台的销售新纪录,同比增长80万台(38%),自2019年以来翻了一番。2022 年售出的热泵则替代了大约 40 亿立方米 (bcm) 的天然气,避免了大约 800 万吨 (Mt) 的二氧化碳排放。
据欧洲热泵协会统计,2022年,许多欧盟国家热泵的销量都实现了跨越式增长。例如,德国2022年市场增长了53%,约有23.6万台热泵用于建筑供暖。值得一提的是,德国政府预计2024年热泵的销量将超过50万台(3年内增长3倍以上)。挪威是欧洲气候最冷的国家,目前约有三分之二的家庭拥有热泵,其销售额增长了25%。2022年,芬兰热泵市场增长了50%,瑞士增长了23%。比利时和波兰一样,热泵市场更是在2022年翻了一番。法国目前拥有欧洲最大的热泵市场,2022年增幅也达到了30%。
为降低能源依赖及维护能源安全,欧洲各国出台供暖脱碳政策持续利好热泵销售。除了欧盟整体“REPowerEU”计划明确将热泵的部署速度提高一倍,未来五年累计部署1000 万台。英国、德国、法国等国家亦出台政策明确未来热泵部署目标,热泵长期高增确定性强。国际能源署也指出,欧盟各国政府如果成功实现温室气体减排和能源安全目标,到2030年热泵的年销售额需要从2021的200万台增至700万台。
双碳背景下我国加快低碳转型的步伐,各省份连续发布一系列政策鼓励新能源产业,大力推行供暖领域电气化。2021年“碳达峰”相关行动方案出台,2022年各地“十四五”能源规划陆续落地。随相关建筑减碳要求的加速实施,未来中国热泵市场规模有望持续上升。于此同时,财政部预算报告显示2022年大气污染防治方面拨出300亿元,比去年增加25亿元,将进一步增加北方地区清洁取暖补助支持,也将推动国内空气源热泵产业的发展。在相关政策的支持下,国内市场在煤改电逐步趋弱的背景下,将迎来新的发展机遇。
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