碳是生命物質(zhì)中的主要元素之一，是有機(jī)質(zhì)的重要組成部分，并以二氧化碳、有機(jī)物和無機(jī)物的形式貯存于地球的大氣圈、陸地生態(tài)圈、海洋圈和巖石圈中。碳元素通過碳固定和碳釋放的方式，在地球的大氣圈、陸地生態(tài)圈、海洋圈和巖石圈中進(jìn)行循環(huán)。碳固定是指植物的光合作用吸收二氧化碳、海水溶解大氣中的二氧化碳、干旱區(qū)鹽堿土吸收二氧化碳、含碳元素巖石的形成，以及利用人工技術(shù)將二氧化碳轉(zhuǎn)化為化學(xué)品或燃料等。碳釋放主要來自于植物和動物的呼吸作用、化石燃料的消耗、巖石圈中含碳元素巖石的分解等。本文將大氣圈中被固定或可利用的二氧化碳定義為“灰碳”；將無法被固定或利用，并留存在大氣圈中的二氧化碳定義為“黑碳”。

      碳中和的實(shí)現(xiàn)需要各行各業(yè)的共同努力。從能源利用角度來看，熱泵是一種使熱量從低位熱源流向高位熱源的節(jié)能裝置，其基本原理如圖1-3所示，通過輸入1個(gè)單位的高位能（如電能）驅(qū)動熱泵循環(huán)，吸收空氣、土壤或水中的熱能后，能夠制取超過1個(gè)單位的熱能，因此具有節(jié)能高效的特點(diǎn)。在僅考慮建筑和工業(yè)的終端用熱的熱能占比前提下，我國近一半的終端用能都以熱能的形式消耗了。面對如此大的熱量需求，在有合適的低位熱源條件下，使用熱泵來提供熱能將大大減少整個(gè)國家化石燃料的消耗，從而助力碳中和。

      從能源革命的角度來看，能源轉(zhuǎn)換鏈條將發(fā)生革命性變化，由目前的“燃料產(chǎn)熱、熱發(fā)電”變革為“綠電生產(chǎn)、電制熱”，終端用能電氣化態(tài)勢明顯。熱泵作為一種可再生能源利用裝置，是電制熱的最有效方式。如圖1-2所示，在2℃情景下，到2050年，我國能源總需求將達(dá)到52億噸標(biāo)煤，其中非化石能源占比超過73%，非化石電力在總電量中比例90%，煤炭比例將在9%以下；終端消費(fèi)部門加強(qiáng)以電力替代化石能源直接燃燒利用，一次能源用于發(fā)電的比重由目前45%提升到2050年約75%，電力占終端能源消費(fèi)的比重由當(dāng)前25%提升到約55%。這意味著使用電力驅(qū)動生產(chǎn)中低溫?zé)崮艿臒岜帽壤龑⒋蠓岣撸⒅鸩酱鎮(zhèn)鹘y(tǒng)化石能源生產(chǎn)低品位熱量的用能方式。國家能源局關(guān)于印發(fā)《2021年能源工作指導(dǎo)意見》的通知指出，應(yīng)大力推廣高效節(jié)能技術(shù)，支持傳統(tǒng)領(lǐng)域節(jié)能改造升級，推進(jìn)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)制修訂，因地制宜推進(jìn)實(shí)施電能替代，大力推進(jìn)以電代煤和以電代油，有序推進(jìn)以電代氣，提升終端用能電氣化水平。江億院士也多次指出，零碳能源的主要表現(xiàn)形式是直接輸出電力，用電力替代化石能源以高效轉(zhuǎn)換的方式生產(chǎn)熱量是能源革命的需要。同時(shí)，熱泵應(yīng)用還能一定程度上實(shí)現(xiàn)柔性用電，有助于電力調(diào)峰。高效節(jié)能的熱泵技術(shù)契合時(shí)代背景與政策導(dǎo)向，將被碳中和的時(shí)代需求推動而得到進(jìn)一步發(fā)展。

       從技術(shù)路線角度來看，熱泵是用熱領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)零碳的最好技術(shù)路徑。碳排放分為直接碳排放與間接碳排放，使用熱泵代替化石燃料，直接碳排放量就變?yōu)榱?，僅需考慮間接碳排放。圖1-4從碳減排與碳吸收兩個(gè)角度出發(fā)，納入供給側(cè)、需求側(cè)分析，對已有的低碳技術(shù)進(jìn)行了歸納。供給側(cè)減排方面的地?zé)峁?、需求?cè)減排方面的工業(yè)節(jié)能中的余熱余壓回收、建筑使用過程當(dāng)中的暖通空調(diào)及熱水系統(tǒng)節(jié)能，這些技術(shù)路線上熱泵裝置均能充分發(fā)揮自身特點(diǎn)，為路線的實(shí)現(xiàn)提供有效工具。如中深層地源熱泵可利用地?zé)崮芄?；高溫?zé)岜檬诌m用于工業(yè)余熱的回收利用，回收的熱量既可以用于工藝過程，也可以用于供熱，推動工業(yè)體系的低碳化；而建筑暖通空調(diào)、衛(wèi)生熱水供應(yīng)方面，各類熱泵供暖裝置和熱泵熱水器已有大量的應(yīng)用，尤其是清潔取暖的政策發(fā)布以來，空氣源熱泵在北方集中供暖應(yīng)用迅速推廣開來。

       從能源革命角度來看，熱泵契合能源轉(zhuǎn)換鏈條的革命性變化，符合終端用能電氣化發(fā)展的需求；從能量利用角度來看，熱能是我國終端能耗的主要形式，而使用熱泵提供中低溫?zé)崮苁亲顑?yōu)方式；從技術(shù)路線角度，熱泵能夠?yàn)楣┙o側(cè)減排方面的地?zé)岚l(fā)電/供熱、需求側(cè)減排中建筑、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通等領(lǐng)域的中低溫?zé)崮苌a(chǎn)提供工具。因此，為推進(jìn)我國碳中和目標(biāo)順利達(dá)成，大力推廣熱泵技術(shù)是必由之路。