IEA统计数据显示热能正占据全球终端能源消耗的一半，热能脱碳对于实现碳中和意义重大。热泵可以通过可再生电力驱动，并且可以充分利用低温热能以实现热能的高效低碳供应，是热能脱碳的重要手段。空气源热泵在建筑领域应用已经获得了广泛推广，而随着高温大容量热泵和热储运技术的研发，热泵开始应用于工业等更多场景，有望实现20%的碳减排量。
热泵可以利用可再生电力和低温热源实现高效供热，是热能脱碳的关键技术。根据国际能源署统计，目前全世界热泵的总容量超过1000 GW，满足全球建筑供暖需求的10%，到2030年这一容量将进一步增加到2100-2600 GW。随着高温热泵的发展，热泵也逐步开始应用于工业和其他领域。据估算，用可再生能源驱动的热泵提供150℃以下的热能，可以减少约20%的全球碳排放量。热泵的高输出温度带来了应用拓展，但输出温度的升高和温升的增大会导致热泵制热能效COP迅速下降，因此必须要分析热泵应用的优先关注场景。
场景一：高效电气化供热
传统能源系统中热能通常通过化石燃料燃烧获得，在未来可再生电力逐渐变为能源供给的主要方式后，电气化供热将变为主流，因此需要考虑电气化加热和热泵供热在不同场景下的竞争，并确定热泵供热的合适应用范围。
（1）分布式建筑供热在平均环境温度下降时年运行时长增加，但热泵制热能效COP降低。考虑到温带地区大量人口的冬季供热和夏季制冷需求，以供热为主同时兼顾供冷的热泵将成为该地区的最佳选择，而电加热则需要与额外的空调相结合。
（2）工业集中供热的温度和容量均高于分布式建筑供热，这导致热泵供热能耗上升甚至接近电加热，但也有两个积极因素。首先，工业供热可以在一年内工作更长时间，年运行节能及相关效益增加。其次，工业余热可以替代空气热能作为热量输入，这不仅可以提升热泵能效，还减少了工业冷却水消耗。
（3）建筑集中供热是寒冷地区的基本生活需求，热泵供热相比电加热、生物质燃烧等可再生供热技术消耗能源少，但集中供暖的超高容量导致寻找合适的热泵低温热源极具挑战。工业余热是最佳选择，但面临着余热源和热泵空间不匹配的难题，而采用低温热网收集余热是一种解决方案。
场景二：热能温度调节
除了高效电气化供热，热泵的另一个重要特征是可以实现热能的温度调节。由于热能只能自发地从高温到低温传递，热能温度对于热能利用至关重要，通过热泵将热能调节到合适的温度可以实现更灵活的热能利用。
（1）目前热泵在余热温度调节中获得了广泛应用，压缩式热泵和吸收式热泵可以通过消耗电力或高温热能将低温余热提升至更高的温度，用于区域供暖、工艺预热和干燥等。但这类应用主要受到余热和热需求之间温度、时间和空间不匹配的限制，温度不匹配问题可以通过热泵解决，而时间和空间失配则需要通过储热和热输运来解
（2）由于可再生能源和余热存在不稳定性，储热是热能脱碳的另一项关键技术。储热介质有很多选择，但特定应用下储热温度必须低于热源温度、高于热需求温度，这限制了低成本和高密度储热介质的选择。如果在充放热过程中使用热泵进行温度调节，则可以消除储热温度与热源/需求温度之间的强耦合，从而可以灵活选择储热介质并提高经济性能。
（3）热输运的应用有两个方面限制，首先热输运的管道初始投资很高，其次沿程热损限制了其输运距离。以热水为介质的热输运通常在50公里以内，而蒸汽热输送则距离更短。近年来吸收式换热器的使用显著提升了热输运的温差，并可以将输运距离提高到200公里。如果这种技术进一步与吸收式制冷或高温热泵相结合，可以在冬季建筑供热需求以外满足夏季制冷需求和工业供热需求，从而增加年运行时间并提高经济性。
总的来说，热泵已经在分布式建筑供热中发挥了重要作用，并正在向工业应用延伸，但受到热泵容量和低温热源的限制在集中供热中应用仍然较少。未来，热泵将在基于低温热网的建筑集中供热、耦合热泵-储热的灵活热能存储、基于热泵的耦合热能输送-调控等场景发挥作用。考虑到供热设备的长生命周期特性，在未来几十年中将传统供热技术替换为热泵低碳供热技术任重而道远，需要技术和政策的共同努力来确保热泵热能减碳技术的推进。
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