推动长三角地区居民供暖升级：热泵开启供暖零碳转型之路-RMI.pdf-solarbe文库

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2022.12 推动长三角地区居民供暖升级 . 热泵开启供暖零碳转型之路rmi.org / 2 推动长三角地区居民供暖升级热泵开启供暖零碳转型之路关于落基山研究所（ RMI ）落基山研究所RMI，是一家于1982年创立的专业、独立、以市场为导向的智库。我们与政府部门、企业、科研机构及创业者协作，推动全球能源变革，以创造清洁、安全、繁荣的低碳未来。落基山研究所致力于借助经济可行的市场化手段，加速能效提升，推动可再生能源取代化石燃料的能源结构转变。落基山研究所在北京、美国科罗拉多州巴索尔特和博尔德、纽约市、加州奥克兰及华盛顿特区设有办事处。rmi.org / 3 推动长三角地区居民供暖升级热泵开启供暖零碳转型之路作者与鸣谢作者郝一涵，王广煦，王萌除非另有说明，所有作者均来自落基山研究所。其他作者陈楷沛，胡馨心，李婷 . 作者姓名按姓氏首字母顺序排列。联系方式王萌 m w angrmi. org 王广煦 g w angrmi. org 版权与引用郝一涵，王广煦，王萌，推动长三角地区居民供暖升级热泵开启供暖零碳转型之路，落基山研究所，2 0 2 2 鸣谢本报告作者特别感谢以下来自企业和研究机构的专家对报告撰写提供的洞见与建议。高屹峰，中国节能协会热泵专业委员会石文星，清华大学建筑学院本报告所述内容不代表以上专家和所在机构的观点。前言. 5 一、 .长三角地区居民供暖零碳转型的重要性. . 6 二、 . 长三角地区居民供暖的现状、趋势与挑战. . 8 2.1 居民供暖现状 . 8 2.2 居民供暖发展趋势 8 2.3 燃气设备快速增长为长三角居民供暖零碳转型带来挑战 9 三、 . 长三角地区分布式供暖设备对比分析. 11 3.1 主要分布式供暖设备 11 3.2 不同供暖设备多维度分析对比 13 3.3 供暖设备对比小结 21 四、 . 长三角地区热泵供暖减排潜力及推广路径. 23 五、 . 长三角地区推广热泵供暖发展的主要挑战与对应建议. 25 5.1 推广应用热泵供暖的主要挑战 25 5.2 推动热泵供暖发展的建议 . 25 六、 . 长三角地区热泵供暖贡献于全球供暖零碳转型. 28 附录一建筑能耗模拟输入参数. . 30 附录二建筑用空气源热泵汇总. . 31 附录三经济性分析概念与假设. . 32 参考文献. 33 目录 rmi.org / 4 推动长三角地区居民供暖升级热泵开启供暖零碳转型之路rmi.org / 5 推动长三角地区居民供暖升级热泵开启供暖零碳转型之路前言居民供暖是关乎民生的大事，也是住宅建筑零碳转型的重点领域。近期全球能源危机造成部分地区居民供暖费用攀升，居民供暖再次成为被广泛关注的国际性民生议题。从全球来看，建筑供暖和生活热水能耗占建筑用能的近一半， 2021年二氧化碳排放约24.5亿吨，占建筑总排放的23，是建筑碳排放的最主要来源 1 。因此，居民供暖的保障、提升以及零碳转型是体现气候公平性的主战场，成功的居民供暖转型将贡献于更加清洁、可负担、普惠的零碳未来。长期以来，我国长三角地区居民供暖设施严重不足，引发了广泛的社会关注。作为我国人口最密集、经济最发达、能源消费最高的地区之一，长三角地区住宅建筑冬季室内温度无法充分满足居民的基本舒适需求，与发达国家相似气候区的室内舒适性还存在较大的差距。近年来，由于气候变化导致的极端天气频发，以及经济增长带来的人民对生活品质要求的提高，长三角地区的居民供暖需求愈发迫切。根据落基山研究所的初步分析，到2030年，长三角地区供暖将面临规模大、增幅高的实质性转变，超2000万居民将实现供暖设备从无到有，供暖需求将较2020年增加约40；长期来看，超过100亿平方米的居住建筑将面临近乎刚需的供暖条件改善。目前，长三角地区居民供暖正在进入高速发展的升级转型阶段，需重视并尽快探索长三角地区居民供暖零碳转型路径与方式，并加快布局实施，避免这些供暖需求由化石能源驱动的供暖设备来满足，从而形成不可挽回的高碳锁定效应，影响到长江地区和我国双碳目标的顺利实现。落基山研究所长期关注建筑电气化、清洁供暖、热泵经济性等行业议题，发布了建筑电气化的新经济性纽约市建筑需求侧灵活性等多个研究报告，聚焦以热泵供暖为核心的居民供暖零碳转型相关研究。在现有研究的基础上，本报告以长三角地区的居民供暖现状与发展趋势分析入手，全方位对比分析了在长三角地区应用热泵供暖相较于其他供暖设备的优劣势，初步探索了其减排潜力及技术推广路径，并针对不同的利益相关方提出了行动建议。同时，本报告对于热泵供暖的经济性分析、推广路径、行动建议也对中国其他地区乃至全球的供暖零碳转型有一定的借鉴意义。一、长三角地区居民供暖零碳转型的典型性和重要性建筑供暖与人民生活密切相关，也是能源消耗与碳排放的重要源头。 2021年，建筑供暖与生活热水制备消耗了约全球15的终端能源，这造成了约24.5亿吨的二氧化碳排放。随着全球人口的持续增长以及生活水平的提高，全球建筑供暖面积将在未来十年内保持增长，预计到2030年建筑供暖面积将在目前的基础上进一步增长近12 1 。根据国际能源署的统计，目前供暖所需的能源主要由以天然气为主的化石能源提供，供暖面积的增长将使得建筑供暖造成的二氧化碳排放进一步增加，为全球气候目标带来较大挑战。图.1.全球建筑供暖和生活热水能耗按能源形式分类及占比（数据来源国际能源署）在全球共同应对气候变化以及俄乌冲突引发世界能源危机的大背景下，建筑的供暖亟需加快零碳转型，众多西方发达国家也相继推出系列政策，从顶层规划（如欧盟的RePowerEU计划）、法规标准（德国建筑能源法）、财税补贴（美国的通胀削减计划）等多方面共同着手，鼓励推广更加低碳的供暖设备在建筑的应用，以在短期内尽可能的减少对于化石能源的依赖，进而为远期的零碳化打下基础，助力全球气候目标的实现。在我国，随着近年来气候变化导致的冬季极端天气频发以及长江流域及广大南方居民生活水平的快速提升，这一区域居民供暖问题引发了广泛的社会关注。居民供暖一方面是关乎民生福祉的重要工程，同时还是影响区域能源转型以及碳中和的重要因素。国家能源局在 2021年能源工作指导意见提出 “研究探索南方地区清洁取暖，在长江流域和南方发达地区，鼓励以市场化方式为主，因地制宜发展清洁取暖，培育产品制造和服务企业” ，对于南方地区的居民供暖给予了高度重视和积极政策指导。在众多的南方城市群中，长三角地区是最具有潜力优先探索和发展适合南方居民供暖新模式的地区。 rmi.org / 6 推动长三角地区居民供暖升级热泵开启供暖零碳转型之路 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2021年现状年近零碳情景预测全球建筑供暖和生活热水能源形式占比其他可再生能源电力集中供暖天然气燃油燃煤rmi.org / 7 推动长三角地区居民供暖升级热泵开启供暖零碳转型之路长三角地区供暖设施缺乏，冬季室内舒适度亟待改善。长三角地区具有典型的夏热冬冷地区的气候特点，冬季有2-3个月的平均气温在10℃以下，加上空气湿度较高，容易造成 “湿冷” 的感觉。另外，受气候变化影响，长三角地区的极端天气频发，冬季频繁的强寒潮导致持续低温出现，例如上海2021年1月上旬平均气温为1.2℃，为 1987年以来的新低 2 ，加上供暖设施的缺乏，冬季室内热环境进一步恶化，居民提升冬季室内舒适度的意愿强烈，居民供暖设备的升级十分必要。长三角地区零碳转型压力较大，居民供暖的零碳发展十分重要。长三角地区是我国能源消费的聚集地，其能源零碳转型对我国实现双碳目标至关重要。长三角地区的能源消费具有需求总量大、化石能源比重高、对外依赖性强等特点。长三角地区终端能源消费量占全国17，目前能源消费结构中化石能源占地区能源消费总量高达 89.4，本地能源资源匮乏，是我国 “北煤南送” 、 “西气东输” 、 “西电东送” 的主要目的地之一。长三角地区居民供暖的快速发展必然带来能源消费的继续加速增长，进一步加大该地区的能源安全保障和零碳能源转型的压力。因此，在长三角地区探索一条居民供暖零碳发展路径十分重要。长三角地区经济发达，人民生活水平高，具备居民供暖升级转型的条件。长三角地区是我国人口最密集、经济最发达的地区之一。长三角地区包括上海市、江苏省、浙江省、安徽省，共41个城市，区域面积35.8万平方公里， 2020年底常住人口2.35亿， GDP总量24.5万亿元，对全国GDP的贡献超过24；人均可支配收入达49000 元，是全国平均水平的1.5倍。长三角地区良好的经济发展情况与较高的人民生活水平为率先进行居民供暖升级转型提供了良好的基础，密集的人口所带来的巨大需求也能够助力供暖产业的快速发展。长三角地区居民供暖还具备极强的典型性。从全国来看，与长三角地区气候类型相似、面临类似供暖问题的夏热冬冷地区拥有约180万平方公里的国土面积与超过5.5亿的常住人口；世界范围看，约15的世界人口居住在亚热带湿润气候地区，也面临着应对气候变化背景下的居民供暖升级转型。长三角地区居民供暖的零碳转型将为这些地区的居民供暖转型以及零碳发展树立成功示范。综上所述，长三角地区同时具备了供暖设施缺乏、零碳转型压力大、改善意愿强烈等特点，有需求、有必要、有条件进行居民供暖的零碳升级转型。本报告将从长三角地区居民供暖的现状入手，分析长三角地区居民供暖发展的主要趋势与挑战（第二章）；并通过全面对比当前主流的居民供暖方式与设备，分析热泵供暖设备相对于其他设备在长三角地区居民供暖应用的主要优劣势（第三章）；最后，对于热泵在长三角地区推广的减碳潜力与推广路径进行分析（第四章），并给出在长三角地区推广热泵供暖的主要建议（第五章）。二、长三角地区居民供暖的现状、趋势与挑战 2.1.居民供暖现状长三角地区处于中国的夏热冬冷气候地区，主要的气候特点是夏季炎热，冬季寒冷，全年湿度较高。与中国北方寒冷地区相比，该地区冬季的持续时间相对较短，室外温度也较少低至0℃以下。另外，受历史因素影响，长三角地区并未建立由政府主导的集中式供暖系统。当前，长三角地区居民供暖主要呈现出以下几个特点设备选择方面，分布式家用供暖设备是长三角地区的主流供暖方式，冷暖空调、电暖器等家用电器是目前最常见的供暖设备，仍有部分居民冬季并不采用供暖设备。长三角的大部分地区 I 没有被纳入中国传统的集中供暖区，因此长三角地区的绝大多数居民采用分户式的供暖设备进行取暖，其中使用冷暖空调供暖的比例超过60 ，电暖器、电热毯等小型电直热设备也受到较为广泛的应用 3 。此外，多组调查数据显示，仍有部分居民并未采用任何供暖设备，未采用供暖设备的居民占比在10-30之间 4 。在供暖习惯上，长三角地区居民多采用 “ 部分时间、部分空间 ” 的供暖形式。和北方地区“ 全时间、全空间 ”的集中供暖模式不同，由于冷暖空调和电暖器这类小型供暖设备在长三角地区的盛行，居民也通常会选择在部分时间（如回家后、睡觉前）采用供暖设备加热部分房间（如卧室、客厅）。长三角地区居住建筑的冬季室内热舒适性较差。调查数据 5 显示，我国夏热冬冷地区的冬季室内温度处于不舒适范围的比例极高，冬季最冷月份平均室内温度通常低于15℃，而发达国家类似气候区域则有近90 的住户冬季室内温度超过20℃ 6 ，这展现了我国夏热冬冷地区冬季供暖设施和舒适性水平还明显不足。 2.2.居民供暖发展趋势受舒适度改善需求、极端天气频发等因素的影响，长三角地区的居民供暖正进入高速发展与升级转型的阶段，到2030年将有约4 0 的供暖需求增长，超过 20 0 0 万人将实现供暖设备的从无到有；长期来看，约 1 0 0 亿 m 2 的居住建筑面积将面临供暖条件的改善升级，这将带来持续的供暖设备采购需求。长三角地区居民供暖的发展与转型主要受到以下两方面因素的驱动 o 供暖舒适度改善需求伴随着长三角地区的经济高速发展与居民生活水平的提高，居民对于室内舒适度的要求逐渐提高；另外，长三角地区是人口净流入地区，外来务工人员中很大一部分来自中国北方城市，有研究表明，这些人群对于供暖舒适性要求也明显更高 7 。 o 极端天气频发受气候变化影响，长三角地区的极端天气频发，冬季频繁的强寒潮导致持续低温度出现，冬季室内热舒适性差的问题进一步凸显，居民对于室内舒适度提升的意愿进一步增强。同时，随着人口的持续流入以及人均居住面积的增长，长三角地区的总居住建筑面积将进一步增加，这也将带 I 中国的城市集中供暖以秦岭淮河作为分界线，以北的城市地区大部分有集中供暖，而以南则没有。长三角地区的极个别地级市因为地理上处于秦岭淮河以北也被纳入了集中供暖区。 rmi.org / 8 推动长三角地区居民供暖升级热泵开启供暖零碳转型之路来新供暖设备的采购需求。在多方面因素的共同驱动下，长三角地区的居民供暖正进入高速发展与升级转型的阶段新建建筑中，供暖设备基本成为标配；既有建筑的住户也开始越来越多地采购新的供暖设备。短期来看（2020-2030），长三角地区的居住建筑面积预计还将增长超过20，增加约25亿m 2 的居住建筑面积；既有建筑中，超过2000万人将实现供暖设备的从无到有的转变；预计2030年长三角地区将有超过5亿GJ的新增供暖热需求 II ，较2020年水平增长近40；可以预见，新建建筑的设备采购以及无供暖住户的设备添置将是供暖设备发展的主战场。长期来看（2030-2060），随着长三角地区居住建筑面积逐渐饱和，以及长三角地区旧房改造的加速实施，既有居住建筑中供暖设备的更新升级将创造主要的供暖设备采购需求，根据落基山研究所预测，长三角地区有约 100亿m 2 居住建筑面临供暖条件改善。图2展示了对于长三角地区居民供暖发展趋势的预测结果。图2.长三角地区居民供暖发展趋势预测（ 2020年-2060年）还需要指出的是，长三角的地区的居民供暖发展还将延续以分布式设备为主的特点。众多研究显示，集中式供暖并不适合在长三角地区大规模发展。一方面发展集中供暖需要铺设大量城市热网管道，大规模发展的工程量巨大且投入极高，加上长三角地区供暖季通常较短、间歇供暖需求多，很难通过收取供暖费用回收建设成本，长三角地区发展集中供暖的经济性不高；另一方面，研究表明 8 ，由于集中供暖的热源仍主要来源于化石能源，长三角地区发展整个供暖季持续供暖的集中供暖方式导致的碳排放将远高于分布式供暖，不利于地区碳中和目标达成。 2.3.燃气设备快速增长为长三角居民供暖零碳转型带来挑战 2 . 3 . 1.挑战一燃气设备初具规模与口碑，发展迅速. 落基山研究所的调查显示，目前长三角地区的新建住宅中供暖设备基本成为标配，其中燃气采暖热水炉（以下简称燃气采暖炉）最为常见，约八成以上的新建住宅采用燃气采暖炉作为供暖设备。在既有住宅中，也有越来越多的用户选择安装燃气采暖炉来升级供暖设备，以获得更加舒适的冬天室内环境。燃气设备的广泛使用将为长三角地区的能源稳定供给以及地区 “双碳” 目标的实现带来挑战。无供暖设备住宅 2020 年后新建建筑 2020 年前既有新建未更新升级供暖设备的住宅 2020 年后新增住宅更新升级供暖设备的住宅建筑面积（亿平方米）年份 II 居民供暖需求是指维持冬季居住建筑室内温度在某一较为舒适的区间内所需的热量输入。该热量可以由不同的终端能源满足（电能转化为热能、化石燃料燃烧所释放的热能等）。 rmi.org / 9 推动长三角地区居民供暖升级热泵开启供暖零碳转型之路rmi.org / 10 推动长三角地区居民供暖升级热泵开启供暖零碳转型之路根据落基山研究所的预测，到2030年，如果长三角地区新增的供暖热需求全部由燃气设备满足，长三角2030年居民生活用天然气总量将达到约260亿立方米，是2020年居民生活用天然气总量的约2.5倍。考虑到中国贫油少气、天然气供应愈发依赖进口，且北方农村地区 “煤改气” 的实施本就极大增加了天然气需求，在长三角大规模采用燃气供暖会进一步加剧国内天然气的供需紧张问题；另外，冬季天然气供应量的猛增也可能会为长三角地区天然气供应基础设施的扩建带来较大挑战。碳排放放方面，燃气设备的广泛应用将造成大量的建筑内部的直接碳排放。根据落基山研究所的估算，在当前燃气为主的长三角居民供暖转型趋势下，短期来看，由于燃气设备在新建建筑中的大量采用将使得居住建筑碳排放进一步增长，到2030年，仅居民生活用燃气就将造成5600万吨的建筑直接碳排放，居民供暖造成的总碳排放将达到超过7000万吨二氧化碳 III 。长期来看，尽管建筑围护结构更新升级将降低建筑热需求，但由于燃气供暖广泛使用， 2060年长三角地区居民供暖仍将造成约4500万吨二氧化碳排放，为长三角地区的碳中和目标的达成带来较大困难。 2 . 3 . 2.挑战二供暖设备的选择存在锁定效应. 供暖设备的锁定效应是指用户或者某一地区采取了某一类供暖设备/产品之后，会在未来很长一段时间内延续该设备的使用。供暖设备锁定效应主要体现在两个方面，即在供暖设备本身使用寿命周期内对于能耗和碳排放的锁定，以及某一供暖设备在一段时间内大规模使用后造成的供暖路径锁定。供暖设备的使用寿命通常在十年左右，一旦采用了某一供暖设备后，则在未来的十年内大概率会延续使用这一设备，相当于锁定了未来十年供暖造成的能耗，电热设备的碳排放可能会随着电力系统的脱碳而降低，但燃气设备则会在整个使用周期内持续造成较高的碳排放，也就造成了 “碳锁定” 。而供暖路径的锁定，主要是指某一供暖设备在大规模使用后，无论是用户使用习惯、产品认知度，还是相关政策措施以及相关基础设施的建设，都会导致对于该设备的使用惯性增加，使得在未来更长一段时间内（十到几十年）切换成另一供暖路径的成本大大升高，造成更加深远的影响。以燃气设备为例，其大规模采用必然伴随着燃气基础设施和配套网络的扩建和进一步升级，还会使燃气设备的生产成本进一步降低，相关法律法规进一步健全，用户产生对于设备的依赖等，产生更强的规模化效应和路径依赖性，使得燃气设备在几十年的时间内持续霸占供暖市场，进一步加剧前文提出的对于能源供应和区域碳中和目标造成的影响。因此，当前长三角地区新建居住建筑中燃气设备的大规模应用有极大的风险造成燃气供暖路径的锁定，造成未来几十年中燃气设备的进一步扩张。综上所述，在当前长三角地区居民供暖需求快速增长的趋势下，燃气设备发展迅速，为当地能源的稳定供应以及区域碳中和目标的实现带来较大挑战，而供暖设备的锁定效应则进一步加剧了这一挑战。在供暖需求增长带来设备规模化增长的初期，发掘推广更加节能、造成更少碳排放的供暖设备是应对这一挑战的关键。 III 居民生活用天然气包括了供暖、生活热水、炊事所需的天然气。居民供暖造成的碳排放包含了天然气燃烧造成的直接碳排放以及电能消耗造成的间接碳排放。rmi.org / 11 推动长三角地区居民供暖升级热泵开启供暖零碳转型之路三、长三角地区分布式供暖设备对比分析理想的供暖设备应具有高能效、低排放、舒适、经济的特点，然而目前市场上的供暖设备品类众多，不同产品的评价方式（如能效等级评价）并不互通，难以直接横向比较，无论是对于产品的购买方（如住户、地产公司），还是相关政策制定者，都缺乏较为公允的方式选择出最理想的供暖设备路径。因此，对目前长三角地区主流的分布式供暖设备的统一对比评价十分重要。在本章节中，我们首先对于长三角地区主流的供暖设备进行介绍，并定义典型居民供暖设备应用场景，识别出对比评价的多个维度，从这些维度对于各供暖设备在典型场景的应用进行对比评价。 3.1.主要分布式供暖设备分布式供暖（也叫非集中供暖）指每户分别配备一台或多台供暖设备，形成以户或房间为单位的供暖系统。如前文介绍，分布式供暖是长三角地区当前最为普遍的供暖方式，未来长三角地区也将继续保持以分布式设备为主的居民供暖。分布式供暖的形式多样，主要包括热泵两联供、冷暖空调、电暖器、电地暖、燃气采暖炉，其中热泵两联供和冷暖空调这两种设备均为广义上的热泵供暖设备。从供暖原理上，热泵供暖与其他几种供暖方式有着根本上的区别。因此下文将重点介绍热泵供暖原理及供暖设备（即热泵两联供和冷暖空调），并简要介绍其他供暖设备（即电暖器、电地暖和燃气采暖炉）。 3 . 1 . 1.热泵供暖设备. 热泵是一种将热能由低温物体转移向高温物体，从而实现加热功能的设备。相比于其他供暖设备直接将其他能源转化为热能，热泵供暖主要依靠搬运热能实现加热，其工作原理如图3所示。热泵主要有如下几个特征 o从低温热源吸收热量低温热源是热泵运行的必备条件，从而实现从低温侧向高温侧搬运热量的功能，且热泵的能效受低温热源温度高低的影响。按热源分类热泵包含空气源热泵、地源（土壤源）热泵、水源热泵（ “空气” 、 “地” 、 “水” 就是指热泵从何处吸热），其中，空气源热泵是热泵最常见的类型。 o需要输入能量驱动和水泵利用电能将水从低位送向高位类似，热泵将热能从低温侧转移向高温侧也需要辅助能源的驱动，电能是热泵最常用的驱动能源。另外，燃气热泵可以由燃气发动机驱动，吸收式热泵需要外部（高品位）热源驱动。 o高能效（节能）尽管热泵的驱动需要消耗能量，但其生产的可用热能（高温侧）主要来自于从低温侧的吸热，通常能够实现1千瓦时的电能输入生产3千瓦时或更多的热能（即热泵从低温热源吸收了2千瓦时甚至更多的热能），从而实现了高能效制热 IV 。 o兼具制热和制冷的功能热泵的本质是将热量从低温侧向高温侧转移，使高温侧温度升高的同时，低温侧的温度则会降低，因此热泵也可以用于制冷。 Ⅳ 热泵的能效通常可以通过能效系数COP （Coefficient Of Performance）进行评价，可以通过标准工况下制造的可用热能除以电能输入计算得出。rmi.org / 12 推动长三角地区居民供暖升级热泵开启供暖零碳转型之路建筑中的供暖和制备生活热水是热泵最常见的应用场景，在工程实践中，根据实地情况采取不同热源的热泵，包括空气源、地源、水源等进行供暖；由于空气源热泵的安装条件较为灵活，审批、施工的难度也较低，因此获得了最为广泛的应用。本研究主要聚焦在空气源热泵作为建筑供暖设备的应用。在建筑中使用的空气源热泵也有不同的细分种类，在长三角地区的居住建筑中，最常见的两种空气源热泵设备是热泵冷暖两联供（ “空气- 水” 热泵）和冷暖空调（ “空气-空气” 热泵）。空气源热泵冷暖两联供系统 “ 空气源热泵冷暖两联供系统 ” （后文简称 “ 热泵两联供 ” ） .是长三角地区新兴的一种供暖方式。热泵两联供通过 “天氟地水” 或 “天水地水” 的形式，实现夏天为房间制冷，冬天为房间供暖两种功能，系统示意图见图4。夏季制冷工况下，设备将热泵制备的冷水（或直接将制冷剂 “氟” ）送入室内的风机盘管，与循环空气换热实现制冷的目的。冬季制热工况下，设备通过热泵制备热水，输送到室内的末端，从而实现供暖的目的。热泵两联供用于制热时的室内末端既可以是安装在地面下的地暖盘管，也可以是传统的暖气片。由于地暖的舒适性更高，末端是地暖的热泵两联供在长三角地区较为常见，也是本文主要的研究对象。图4 热泵两联供（天水地水）系统示意图膨胀阀蒸发器压缩机冷凝器环境中的能量（空气、水、地表）吸收热量以空气或水作为媒介输送到室内释放热量能量输入（电能）制制冷冷剂剂循循环环图.3 热泵工作原理简单示意图热泵两联供室外机组制冷末端（风机盘管）供热末端（地暖）rmi.org / 13 推动长三角地区居民供暖升级热泵开启供暖零碳转型之路 3.2.不同供暖设备多维度分析对比对比不同供暖设备需要首先对于其具体应用场景进行定义，然后在相同的应用场景下从不同维度分析对比供暖设备的优劣势。本章节首先定义了居住建筑典型户型的供暖设备应用场景，然后对于五种常见分布式供暖设备（热泵两联供、冷暖空调、燃气炉地暖、电地暖和电暖器）在各场景中的应用展开分析，从不同的维度对于各设备进行定性和定量的分析对比。在供暖设备应用场景定义上，考虑到居民供暖需求主要受到地理位置、建筑围护结构、楼层以及户型的影响，本研究从这四个方面分别选取了长三角地区的较具代表性的居民供暖设备应用场景地理位置选取了江苏徐州、上海、浙江温州3个城市，分别代表了长三角地区以内冬季最冷、冬季温和、冬季最暖的三种气候类型；建筑围护结构选取了一般居住建筑（保温性较差）、仅满足能效规范的建筑（保温性尚可）、和高能效建筑（保温性优异）三种建筑围护结构，各围护结构的性能参数可见附录一表3；此外，楼层和户型也对建筑的供暖需求产生影响，本研究选取了底层、中间层、顶层3个楼层的场景，并选取了长三角地区占比最大的两种家庭结构对应的典型户型，作为设备对比的主要场景（附录一表4）。图5对于供暖设备应用场景的设定进行了汇总。在评价维度的选择上，本研究选取了碳排放、经济性、舒适度作为评价居民供暖设备的三个最主要维度。在全球共同应对气候变化的大背景下，尽量低的碳排放是未来供暖设备所必须具备的特质；经济性则是选购供暖设备时最为重要的考虑因素之一；而保证冬天的室内舒适度，是供暖设备所应具备的最基本的功能。除此之外，本研究还将对于其他可能会影响供暖设备实际应用与选择的因素进行探讨，从而更加全面的分析各类供暖设备的优劣。冷暖空调冷暖空调指同时具有制冷和制热功能的空调设备，但与 “热泵两联供” 不同，冷暖空调没有水系统，而是直接对于空气进行加热并吹向室内。冷暖空调通常不适宜在室外低温环境下使用，且通常需要配备电直热作为辅助热源，因此供暖能效也会相对低于热泵两联供。冷暖空调的形式有多种，包括一体机、分体机、多联机等，本研究中冷暖空调主要指家用的小型分体机（mini-split），一般只能满足单个房间的供暖需求。 3 . 1 . 2.其他常见分布式供暖设备. . 燃气采暖热水炉 . 燃气采暖热水炉（后文简称 “燃气采暖炉” ）使用燃气作为热源，制备热水通过管道输送到室内末端实现供暖的目的，地暖、暖气片均是燃气采暖炉可以配备的室内末端，地暖多见于新建建筑，而暖气片则多用于既有建筑改装，为了更好的和热泵两联供进行对比，本研究主要聚焦在以地暖为末端的燃气采暖炉供暖方式（后文简称 “燃气炉地暖” ）。燃气采暖炉通过燃烧化石燃料获得热量，能效更低，也造成更多的碳排放。另外，燃气采暖炉仅具备制热的功能，制冷则需要额外购置空调来实现。 . 电地暖电地暖是一种较为新型的地暖形式。与上述的使用热水的地暖系统不同，电地暖系统采用铺设在地板下的发热电缆直接对地板加热。因为不需采用水系统，电地暖相比热泵两联供和燃气采暖炉维护更便捷、加热更迅速，也不涉及管道渗漏风险，但电地暖往往单位面积的造价更贵，相比热泵两联供的能耗也大得多。 . 电暖器电暖器泛指直接使用电能作为热源的小型供暖设备，原理包括电阻加热、远红外加热、对流加热等，是一种将电能直接转换为热能的供暖设备。较小型的电暖器如小太阳等价格便宜、购置方便、可以移动，但是供暖效果不佳，通常只能满足局部空间的供暖。因此，电暖器一般很难完全满足一个家庭的供暖需求，而仅适合于作为辅助供暖设备，用电暖器配合冷暖空调使用也是长三角地区较为常见的家用供暖设备组合。rmi.org / 14 推动长三角地区居民供暖升级热泵开启供暖零碳转型之路 3 . 2 . 1.对比维度一碳排放在长三角地区居民供暖设备应用场景中，热泵设备是造成碳排放最低的供暖设备，热泵设备在未来十年的使用周期内相比其他设备可实现30 - 7 0的二氧化碳减排；相对于燃气设备，热泵的碳减排优势将随着建筑用电的单位碳排放的降低愈发突出， 20 20到20 6 0 年热泵设备可累计减排超过 50 。本小节 Ⅴ 对比分析了每一种供暖设备在典型的应用场景下的未来十年碳排放累计总量以及更长时期内的累积碳排放。供暖设备产生的碳排放主要来源于设备使用过程中用能造成的二氧化碳排放燃气设备直接燃烧天然气释放二氧化碳，产生建筑内的直接碳排放；电气化设备并不造成建筑内的直接碳排放，可以通过实际供暖设备用电量乘以地区的电网排放因子 Ⅵ 计算得出。在同样的供暖设备应用场景下，热泵两联供以及冷暖空调造成的碳排放始终为最低。燃气炉地暖的碳排放位居中位。电暖器与电地暖因为效率较低、电网排放因子较高的原因，造成的碳排放明显高于其他设备。以徐州大户型为例，热泵两联供的使用周期内供暖碳排放仅为燃气炉地暖的70，电地暖的三分之一，减碳优势十分明显。图6展现了不同地理位置的大小户型采用不同供暖设备的十年累计碳排放量（图中工字线代表围护结构和楼层对碳排放的影响）。图6.不同城市和户型下各供暖设备的十年累计碳排放图5 长三角地区居民供暖设备应用场景设定徐州上海温州一般建筑围护结构符合最新标准的围护结构更为先进的围护结构底层中间层顶层大户型三室两厅 , 1 0 8 平米小户型（两室两厅， 7 0 平米）热泵两联供燃气炉地暖电地暖冷暖空调电暖器地点建筑围护结构楼层户型居民供暖设备应用场景设定的主要参数居民供暖设备冷暖空调热泵两联供燃气炉地暖电地暖电暖器小户型大户型 10 年累计CO 2 排放千克- CO 2 温州上海徐州温州上海徐州 Ⅴ 本研究计算的供暖设备碳排放为利用供暖设备使冬季整个房间都维持在18°C时，所消耗能源造成的碳排放。 Ⅵ 每发一度电所产生的二氧化碳排放，单位（kg-CO 2 /kWh）rmi.org / 15 推动长三角地区居民供暖升级热泵开启供暖零碳转型之路 3 . 2 . 2对比维度二经济性 . 热泵设备具有运行成本低的优势，然而其整体经济性主要取决于其购置成本。同样作为热泵设备，冷暖空调的购置成本低，其经济性为五种设备中最优，然而热泵两联供由于购置成本较高导致其整体经济性欠佳。本小节计算对比了不同供暖设备应用场景下的供暖设备全生命周期（10年）成本，从而对于不同供暖设备的经济性进行评估。全生命周期成本包括设备的初始购置成本、运行成本、维护成本以及残值，附录三对于各成本的概念以及研究所用假设进行了详细介绍。为了便于对比，全生命周期成本在本研究中以现金流折现（折现率取5）后的现值（Present Value） VIII 和等额年金（Equivalent Annual Cost） Ⅸ 来呈现。随着未来建筑用电碳排放的降低，热泵的减碳优势越发突出。热泵由电能驱动，造成的碳排放也受到建筑用电单位碳排放的影响。随着建筑屋顶光伏等分布式可再生技术的快速应用，建筑用电的单位碳排放会逐渐下降，热泵供暖设备造成的碳排放也会随之进一步降低。图 7展示了在典型供暖应用场景下不同供暖设备碳排放随时间的变化。热泵两联供2020年的二氧化碳排放已经低于燃气炉设备，随着电力系统的逐步脱碳其减排的优势将愈发明显，可以在 2060年建筑用电零碳化 Ⅶ 的基础上实现零碳。虽然电地暖和电暖器也由电能驱动，到2060能够实现零碳供暖，但电地暖和电暖器的近期碳排放明显高于其他设备，且由于能效较低，电暖器和电地暖供暖的电功率极高并消耗较高的电量，对于电力系统的稳定运行带来极大挑战。基于对典型户型供暖设备累积碳排放的计算，到 2 0 6 0 年，相比于燃气炉地暖，单个住宅使用热泵两联供将累计减碳超过 5 0 ，相比于电暖器和电地暖，累计减碳超过70。图7 建筑用电脱碳趋势下不同供暖设备造成的年碳排放变化冷暖空调热泵两联供燃气炉地暖电地暖电暖器建筑用电排放因子供暖碳排放（千克CO 2 / 年）建筑用电的碳排放因子（千克CO 2 / k W h ） Ⅶ 考虑到分布式光伏（如屋顶光伏）与光储直柔等技术在建筑领域的发展趋势，本研究预计2060年建筑用电可以实现完全零碳排放 Ⅷ