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知料|马斯克这次带火的「热泵」,为何没烧热市场?

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来源:36氪

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文 | 吕雅宁

编辑 | 苏建勋

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 图片来源:视觉中国
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 图片来源:视觉中国
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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