来源：36氪
热泵的技术水平还在持续爬坡。当清洁、稳定与廉价皆具备时，打破“能源不可能三角”的热泵，才能真正走进千家万户。
文｜吕雅宁
编辑｜苏建勋
来源｜36碳（ID：carbon_36kr）
封面来源｜视觉中国
马斯克这次没有带火特斯拉，却带火了一项技术——热泵（Heat Pump）。
3月2日，在特斯拉首次投资者日活动上，马斯克公布了特斯拉“宏图计划”的第三篇章，提出了让地球通往完全可持续之路的五个部分。其中，第三步便是：大范围在家庭、企业、工业中推广热泵。比如，用热泵给房屋供暖，可以减少22%的化石燃料使用。
马斯克热捧的热泵技术，此前已经安装在特斯拉的Model Y SUV和其他车型的更新版本中。马斯克曾经表示：特别是在冬天，热泵是提升Model Y 续航里程，减少电池损耗的关键。
可以预见的是，类似特斯拉的家用储能产品Powerwall，未来特斯拉将很有可能推出家用热泵产品。
特斯拉宏图计划第三步：大规模使用热泵。图片来源：特斯拉
和水泵不会生产水一样，热泵并不生产热量，而是作为热量的“搬运工”。热泵是在电力的驱动下，将热量移动到更被需要的地方去，以提升能量利用效率，降低能耗水平。尤其对于建筑供暖系统来说，热泵是重要的节能解决方案之一。
3月2日，在马斯克的言论影响之下，A股热泵概念板块开盘领涨，一时间让这项技术受到更多关注。
其实，热泵并不算是一项新兴的技术，它的历史可以追溯到两个世纪以前。
但是，由于过去传统化石能源总量充足，这项成本昂贵的技术并未受到青睐。直到2021年，全球也只有约10%的空间供暖需求是依靠热泵满足的。
时至今日，非可再生能源储量告急，能源结构转型任务紧迫，热泵的需求也比以往更大。特别是在贡献了全球碳排放约40%的建筑行业，热泵这项清洁能源技术逐渐成为关注焦点。
热泵的原理是什么？为何能帮建筑减排？被马斯克多次带货的热泵，为何到现在还没能进入千家万户？
热泵，究竟是什么？
从字面上理解，“泵” 是指可以提高势能的机械设备，生活中常见的有气泵、水泵等等。那么热泵，便能将热量从温度较低的介质“泵”送到温度较高的介质中去。
我们知道，水往低处流是一种自然规律，但是为了农业灌溉、生活用水等需求，人们利用水泵将水从低处送到高处，所以就发明了水泵。
同样，自然条件下的热量也是从高温物体流向低温物体，不能自发地沿相反方向进行。但是，在能源利用效率受到重视的当下，大自然中的热量回收引起了人们的重视。
因此，就有了热泵的出现。
从物理学上讲，只要温度高于绝对零度（‐273 °C），就会存在热能，但大多是更难利用的低品位热能（低温热能）。
热泵就是利用电能驱动和热力学逆循环技术，用少量电能驱动机组，把系统中的工作介质进行变相循环：从空气、土壤、水源等自然界中吸收热量，把这类低品位热能吸收压缩升温后，传递给被加热的对象，迫使热量从低温物体流向高温物体。热泵，即热量的“搬运工”，从自然界中吸收热量后，转化为用于生产和生活的热能。
根据低位能来源的不同，目前市面上常见的热泵可以主要分为三类——空气源热泵、水源热泵和地源热泵。其中，空气源热泵的普适性最强，市面上常见的空气源热泵空调就是其主流产品之一。
空气源热泵的工作原理。图片来源：利普曼官网
那么问题又来了，冬季的室外温度依旧很冷，如何能够把室外的热能传输到室内利用？
这里我们以使用最广泛的空气源热泵为例，它的传热工质（“制冷剂”，又称“冷媒”）是一种特殊物质，常压下的沸点为零下40℃，凝固点为零下100℃以下，该物质冷的时候是液体，但很容易被蒸发成气体。
由于它的蒸发极限温度在零下25°C左右，因此即使 0°C的环境温度与之相比也是热的，仍可交换一部分热能。
听上去，空气源热泵似乎就是常见的中央空调，其实二者之间也存在不同。中央空调是以动力驱动压缩机进行工作，将低温转化为高温后再进行散热、制冷，所以空调的主攻制冷。制热是辅助功能，直接用电加热的技术，能耗也会更高。
而空气源热泵主要是利用空气能和电能，以制冷剂为媒介（即“冷媒”），将低位能的热源，将低温位的热能提升为高温位热能，并加热系统循环水，从而加热室内空气。目前，空气源热泵系统已经可以做到供冷和供热功能兼具，常见的就是家用分体热泵型空调器，冬季可以供暖，夏季可以制冷，即「空气能冷暖两联供」。
从制冷的角度，传统空调是直接将氟利昂的冷气吹到室内，而采用了水系统的热泵可以优化用户体验，吹出来的凉风更轻柔，也让体感更加舒适。
总体来看，热泵是一种传输热量的装置，把利用价值低的热量收集起来，以更柔和的方式，“润物细无声”地传输到更被需要的地方去。
常见的空气源热泵空调
热泵是如何节能的？
通俗理解，热泵的原理就是把传统的燃煤、燃气制热，改为电制热。
不过究其本质，无论是燃煤、燃气还是电制热，其本质都是能量的转化。但对于电制热的热泵来讲，热量是被转移而不是产生，热能利用效率也会高些。
如今，在新旧能源转换的背景之下，热泵的节能优势就更加凸显。具体表现在，热泵兼具高能源效率和良好的环保特性。
根据国际能源署（IEA）的数据显示, 典型家用热泵的性能系数 （COP） 约为4，即消耗1度电可以得到4度电的热量。这使得家用热泵的能源效率，比传统燃气锅炉高出3-5倍。能效提升后，电费支出自然就会下降。
在清洁环保特性方面，热泵完全由电能驱动，几乎不会产生任何的污染排放。与传统燃烧化石能源的采暖方式相比，热泵的碳排放强度能够大大降低。这也是为什么，现在各地都在提倡“煤改电”的原因所在。
再者，从平均使用寿命来看，热泵的寿命大多在20年左右，比燃气锅炉10至15年的使用寿命更长。
图片来源：中泰证券
其实，热泵这项技术已经有超过百年的历史，早在19世纪便由法国科学家卡诺提出。1850年，英国科学家开尔文提出将逆卡诺循环用于加热的热泵设想，并提出首个正式热泵系统“热量倍增器”。
1928 年，物理学家霍尔丹已经突破了空气源热泵供暖技术。到20世纪30年代，热泵已经开始进入商用阶段。
但是几十年过去，因为化石燃料的充足、便捷，热泵技术远没有到家喻户晓的地步，推广十分缓慢。
根据国际能源署（IEA）的数据显示，2010年-2020年全球热泵安装量（含空气源、水源、地源热泵）的复合年均增长率（CAGR）为 6.4%，2020年全球热泵存量为1.77亿台、其中中国、北美、欧洲安装量占比分别为 33%、23%和12%，数量并不占多。
不过从增速来看，热泵系统在海外市场更火热。
特别是从去年开始，俄乌冲突导致欧洲各国的能源价格飙升。与此同时，热泵作为化石能源的有效替代产品，销量不断提升。
有研究显示，在同等条件下供暖时，采用热泵产品只需要消耗天然气20%的能量。在天然气价格高企的欧洲，热泵产品和电热毯等产品一样，正成为很多国家的居民日常用品。
根据欧洲热泵协会发布的行业分析报告显示，在2022年，欧洲21个国家（包括非欧盟的英国和挪威）的热泵销量达到300万台，同比增长37%，创下历史新高。至此，欧洲安装的热泵总数达到约2000万台，能够为约16%的住宅和商业建筑供暖。
近十年间，热泵在欧洲市场的销量已经实现翻番，中国也凭产业链优势成为出口热泵的主要国家，但无论是在中国本土市场还是欧洲市场，热泵在整个供暖市场的占比都还不及三分之一，并不占据主流。
被马斯克捧上天，热泵为何还没普及？
“虽然热泵属于清洁能源的范畴，但目前并不能算作资本市场的最火风口。”一位新能源领域的投资人向36碳表示。
从节能降耗的角度，热泵已具备极大的优势，但经济性不足是制约热泵普及的核心因素。热泵在欧洲各国的快速发展，很大程度上也是有赖于各个国家给予的补贴。
在中国市场，其中以政府补贴和能源价格为主要两大原因。
中泰证券家电&科技消费首席分析师邓欣向36碳表示：“从政府补贴的角度看，2017年“煤改电”政策的刺激下，我国热泵有过短暂的高增长：北方“2+26”城市全面推进清洁能源，例如河北、山西、河南等地的设备补贴金额在3000元-20000元之间，并叠加电价优惠，当年空气源热泵在国内市场的增速达到66%。之后补贴力度减弱，内销水平则受到一定影响。”
再者，相对于能源危机更加严重的欧洲，中国的天然气、煤价处于相对较低的水平。因此，热泵的经济性没有那么突出，需求也就不及欧洲市场。
另一大痛点来源于安装配套的成本。安装家用热泵，比安装传统的燃气更为复杂，初始投资也就更高。大多数情况下，需要根据房屋的面积、尺寸“量身定制”。即使是有这样价廉物美的产品，也需要具备技术能力的专业人员完成热泵的安装工作。各个门类的前期投资加起来，家庭安装的前期费用预计接近10万元。
“对于空调热泵来说，它的外机体积大于一般分体式空调，老旧小区如果在设计时未预留外机安装区域，会很不方便；另一方面，家用热泵两联供的系统需要在地面铺设地暖管，用户也要额外支付安装费用。”中泰证券邓欣向36碳表示。
家庭地暖管道
从技术的角度看，热泵的未来提升空间依旧很大，不同的热泵形式也有不一样的解决方案。例如市场份额最高的空气源热泵产品，其实在超低温工况下的制热效率会出现衰减。
从高寒地区的热泵使用结构中，便能有所察觉：据欧洲热泵协会的数据，2022年瑞典、挪威的地源热泵销量增速，均高于空气源热泵。
中泰证券邓欣谈到：“解决这一痛点，需要持续的技术迭代：可以采用增气喷焓压缩机技术，去提升热泵低温环境下制热能力和效率，但成本相对高；以及增加PTC辅热装置（即传统空调的电辅热技术），在低温环境下用PTC先将温度提升，再用热泵进行制热，但代价是PTC制热阶段热效率较低，亟待突破。”
总体而言，现阶段热泵的技术水平还在持续爬坡，产品的经济性、安装便捷性也都存在提升空间。热泵现正处于一个试图突破能源「不可能三角」的阶段，当清洁、稳定与廉价都具备时，才能真正走进千家万户。
在过去很长一段时间，热泵系统都被排除在可再生能源利用的范畴之外。如今，在全球能源转型的大趋势下，随着新型电力系统的建设和化石能源的逐渐退出，终端用能电气化的需求会持续提升，热泵这项技术成为必需品已是必然。
参考资料：
《中泰家电：热泵专题：渗透的斜率与潜力》
《中泰家电：热泵细分：烟草烘干大有可为》
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