建筑脱碳：电热泵如何帮助减少碳排放

本文来源：Mckinsey  千家网编译

建筑是碳排放的一个重要贡献者。随着整体经济向净零转型，各种利益相关者都在推动建设脱碳建筑——无论是已经做出净零承诺 的房地产投资者  ，制定排放限制的政策制定者，还是寻求更环保空间的租户。电气化空间和水加热系统是减少建筑排放的一种方式，而电热泵技术已经改进并在某些市场具有成本竞争力，已成为一种越来越可行的解决方案。

根据麦肯锡最近关于净零转型的报告，商业和住宅建筑的供暖和烹饪占全球 CO ₂排放量的 6% 。（考虑到总电力消耗的排放量，建筑物的能源使用量约占全球 CO ₂排放量的 27%。¹ ) 这些排放主要是由于现场使用石油和天然气等化石燃料。

建筑供暖通常是大规模电气化的一个挑战，因为改造各种各样的现有供暖系统(蒸汽、热水、强制空气等)的成本高、复杂，而且在大多数寒冷的人口集中地区，化石燃料能源的相对成本效益较高。然而，由于操作、设备和安装成本在某些市场上变得更具竞争力，以及热泵技术的发展，电动热泵已经成为建筑脱碳的一种日益有效的方式。

热泵使用制冷剂和电力将室外空气或地面的热量传递到建筑物内部，即使在较低的温度下也是如此。今天的模式比煤气炉效率高 2.2 到 4.5 倍  。如果在全球范围内实施，使用热泵代替传统的锅炉和熔炉每年可以减少全球30亿吨的二氧化碳排放。根据麦肯锡的分析，到2050年，热泵可能占新供暖装置销售的 90% 左右，而今天这一比例为 35%。

麦肯锡的研究表明，不断变化的需求、不断变化的政策格局、某些市场的成本下降以及技术改进都使热泵成为脱碳的有力杠杆。然而，热泵并不是一种万能的解决方案。还有其他选项可以使建筑物的能源使用脱碳，包括使用可再生能源“绿色化”发电、炊具电气化、建筑物围护结构的能效改进以及安装智能建筑控制装置（例如恒温器）。

热泵是仅适用于某些建筑类型的最佳脱碳解决方案。在评估可行性时，建筑物所有者和其他利益相关者通常需要从了解建筑物当前的热分配系统开始（如下表所示）。

例如，强制通风或低温热水分配的建筑物往往是热泵改造的理想选择，因为它们不需要高工作温度。然而，需要高工作温度的分配系统（例如蒸汽）可能对改造没有多大意义。对于某些建筑物和市场而言，与其他低排放选项相比，热泵转换可能非常昂贵，包括混合锅炉系统，其中在电价飙升时启动化石燃料备用（在某些情况下，燃气分配系统可能会继续运行）在停电的情况下提供可靠性和弹性¹ ）。依赖区域供热的地区是中央设施脱碳可能比安装单个热泵更具成本效益的市场。

在本文中，我们将重点关注热泵在帮助减少建筑排放和房地产资产脱碳方面的潜力，以及利益相关者可以考虑的可能行动。这些行动基于房主调查和麦肯锡与公用事业负责人、承包商、制造商、房地产开发商和物业经理进行的 50 多次访谈。

为什么建筑供暖电气化呈上升趋势

随着许多市场的投资者、租户和监管机构要求脱碳，建筑供暖电气化的势头正在加速。作为回应，建筑业主越来越多地探索将热泵作为一种节能、具有成本效益的解决方案。

对热泵的兴趣由以下四个趋势驱动：

不断变化的需求

主要的房地产投资者、贷款机构、物业管理公司和租户已经做出了脱碳承诺，现在需要通过减少建筑的运营排放来实现这一承诺。考虑到空间和水加热是建筑排放的主要因素，电气化代表着实现脱碳目标的重要一步。假设电力来自清洁能源，在可行的情况下，为住宅和商业建筑的空间和水供暖提供电力，可以将这些建筑的供暖排放量较2016年减少 20%。

不断发展的监管

政策制定者，特别是欧洲和美国的政策制定者，开始引入支持建筑脱碳的立法，包括改变建筑规范要求、禁止新建建筑使用化石燃料、排放限制（对违规行为处以罚款）和激励措施。最近监管变化的例子包括：

• 在德国，该国的联盟协议规定，到 2025 年，所有新安装的供暖系统必须使用至少 65% 的可再生能源运行。²
• 许多美国城市，包括丹佛和波士顿，以及加利福尼亚湾区的几个城市，都引入了建筑法规变更，规定了更严格的能源效率和排放要求。³
• 一些地区正在实施禁止与新建筑物连接天然气的禁令。荷兰在 2018 年通过了一项法律，规定默认情况下新住宅不会连接到燃气管网。⁴ 美国的几个城市也禁止与新建筑连接燃气，包括 2019 年的加利福尼亚州伯克利和 2021 年的纽约市。最近，纽约州州长凯西·霍赫尔 (Kathy Hochul) 表示支持在全州范围内禁止新建筑使用燃气。⁵
• 此外，在纽约市，第 97 号地方法要求在未来 30 年内将大型多户住宅和商业建筑的排放强度降低 80%，从 2024 年开始每年罚款，并在 2030 年增加超过排放上限的罚款。⁶
• 在包括马萨诸塞州和纽约在内的几个美国州，无论是来自当地公用事业公司还是政府资助的计划，都可以提供用热泵取代化石燃料供暖系统的激励措施。例如，马萨诸塞州的 Mass Save 计划由当地电力和天然气公用事业公司赞助，为住宅业主提供回扣，帮助抵消安装热泵的成本。⁷

改善的经济性

与多个市场的化石燃料热源相比，热泵的成本已接近平价。在某些地区，特别是在欧洲，天然气价格上涨以及能源效率的持续提高在某些情况下使热泵具有运营成本优势。

设备和安装成本在历史上一直是热泵应用的最大经济障碍。⁸ 现在，原始设备制造商（包括现在大规模生产空对空热泵的亚洲空调系统制造商）之间日益激烈的竞争导致设备价格下降。在采用更为普遍的市场中，由于技术专业知识的提高，安装的劳动力成本已经下降。例如，根据麦肯锡的分析，在一些北欧国家，安装一个典型的空对空热泵平均需要两个人一个工作日，而欧洲其他国家则需要四到八人一个工作日。

先进技术

技术的发展，包括制冷剂成分和更好的压缩机速度，提高了热泵的效率。⁹ 麦肯锡的研究发现，平均而言，热泵的效率每年提高约 2%。性能值的冷温度系数上升，一种能源效率的衡量标准，使热泵在一些北欧气候中有效。¹⁰ 例如，根据 2014 年的一项研究，大约四分之一的挪威家庭已经使用热泵供暖。¹¹

一种方法不能适用于所有人

虽然热泵提供了一种潜在的脱碳解决方案，但它们目前不能满足每一栋建筑和建筑业主的需求。由于年龄、规模和当前的热量分布等因素，不同类型的建筑的运营可行性和安装成本差异很大。对于建筑业主和其他相关利益相关者来说，灵活地考虑不同的脱碳途径是关键，即使时间很紧(比如满足新的减排目标)。

建筑业主和其他领导人如何为电气化的未来做准备

大规模采用热泵可以受益于多个利益相关者的行动，包括集体和个人的行动。除了政策制定者——他们中的许多人已经采取了措施——建筑业主、热泵制造商、电力公司和投资者都是可能在中短期内帮助加快建筑热脱碳的潜在利益相关者。

业主

在供暖方面，业主可能会面临新的监管准则或租户需求的变化。在某些市场，热泵系统可能具有成本竞争力。通过考虑一些潜在的行动，业主可以主动了解他们的选择和升级计划：

• 在发生故障或设备寿命结束之前更换加热系统。一些建筑业主可能会选择等到他们的供暖系统出现故障或动摇。这种方法可能会导致在没有充分考虑热泵可行性的情况下做出仓促的更换决定。相反，建筑业主可以主动调查和评估热泵替代方案。
• 探索建筑周转期间的改造潜力。特别是对于大型多户住宅或商业建筑，进行热泵安装（例如管道系统或布线）或提高能源效率（建筑围护结构）的改造可以为未来的供暖、通风和空调 (HVAC) 升级奠定基础。空置建筑物或正在进行重大翻修的建筑物可能是一个可供考虑的选择。
• 将热泵系统安装（或准备）与其他措施相结合。在建筑改造过程中，还可以考虑围护结构升级、电动汽车 (EV) 充电设备安装和其他能效措施，以支持单个项目的脱碳影响。
• 为未来设计带有电气基础设施的新建筑。建筑业主可以在此过程的早期与建筑师和设计师进行协调，以确保建筑设计针对热泵进行优化。业主和工程师还可以为其他用途（例如烹饪用具、干衣机和电动汽车充电）可能增加的电力容量需求进行规划。
• 为增加对电网的需求做准备。随着能源系统向电气化过渡，对电网的需求可能会增加。根据麦肯锡的研究，到 2050 年，电力需求可能会增加两倍。在某些地区，如果电网的基础设施没有更新以适应更高的需求高峰，电力需求可能会超过容量。考虑在寒冷气候下安装热泵的建筑业主（冬季的电力需求可能会增加）可能会考虑安装现场混合供暖系统，例如，当电价飙升时，化石燃料备用会打开。

制造商

热泵制造商可以通过多种方式在市场激活和广泛采用中发挥作用，包括：

• 教育客户和暖通空调专业人士。一些热泵的早期采用者经历了较差的系统性能，通常是由于设备安装不当。因此，一些潜在买家对其有效性持谨慎态度。制造商和安装专业人员可以共同努力克服这种看法。例如，一些制造商正在开设有关热泵安装和维护的在线和面对面培训课程。¹² 他们还通过在线潜在客户生成平台将承包商与感兴趣的客户联系起来。
• 创新的热泵设计可提高性能、降低设备成本并简化安装。制造商可以通过改进设计来帮助解决采用的主要障碍，例如，使用更模块化或更紧凑的解决方案，或者旨在减轻电板或电网限制的系统。更精简、更高效的设备还可以使安装更容易——可能会降低安装成本。
• 提供各种产品——特别是针对不同的建筑类型和寒冷的气候。更多的设备选择将为建筑物电气化创造更多途径。对于一些非常寒冷的气候，制造商可以进一步开发将热泵技术与备用化石燃料加热器相结合的混合选项。
• 将热泵安装与先进的楼宇控制系统捆绑在一起。智能恒温器等技术可以提高客户成本节约和能源效率。制造商可能会在购买热泵的同时向客户提供此类技术。
• 考虑与资本提供者建立伙伴关系。制造商可以通过与资本提供者合作进行改造服务，使安装成本对建筑业主更具吸引力。

电力公司

电力公司处于多个利益相关者的交叉点，这些利益相关者将参与大规模采用热泵，并有可能发挥召集或协调作用。更环保的电力是优化热泵作为脱碳战略潜力的关键。传统的电力公司行动可能包括：

• 推进缓解需求高峰变化的措施。随着供暖电气化，电力高峰负荷可能会在较冷的地区从夏季转移到冬季（图表 1）以及一天中的不同时间。公用事业公司可以开始识别和缓解电网限制。例如，电力公司可以重新考虑他们的系统维护计划：在非夏季月份的 8 到 9 个月的维护窗口最终可能会在更温和（并且可能减少高峰负荷诱导）期间转变为 2 到 3 个月的窗口。 ) 春天和秋天。公用事业公司还可以考虑负载控制机制，例如智能恒温器。

• 协调燃气和电力规划。 通过更广泛的能源转型，可能需要结合天然气和电力基础设施来 为许多客户提供电力。随着越来越多的客户电气化，基础设施决策可能会受益于协调，以帮助确保两个网络继续安全可靠地运行。例如，一些市场可以在最冷的日子里维持天然气网络作为电网的“混合备份”。
• 将能源效率计划转向电气化。与地方和州政策制定者合作，公用事业公司可以考虑为建筑业主提供奖励以进行升级。这个过程已经在一些地方开始。例如，科罗拉多州最近通过了一项由工会支持的法律，要求公用事业公司为希望为其供暖系统通电的业主提供财政支持。¹³ 在纽约，Con Edison 计划投资数十亿美元，通过能源效率升级以及空间和水加热电气化来减少建筑物的排放，目标是到 2030 年使超过 150,000 座建筑物电气化。¹⁴
• 投资可再生能源和储能方法。 减少电力部门排放 是大多数脱碳途径的关键。在主要由化石燃料供电的电网上，当化石燃料供电的辅助站（也称为峰值电站）上线以满足需求的急剧增长时，碳排放量可能在高峰负荷期间达到最高水平。我们的分析表明，对于典型的北美电网，由可再生能源驱动的热泵产生的排放量明显低于其他常见供暖方法（图表 2）。长期储能 技术虽然仍处于起步阶段，但也有助于减少热泵产生的排放。通过通过氢或电池维持可再生电力的储存，公用事业可以限制对高排放能源的暴露，即使在最冷的日子也是如此。

投资者

私募股权和房地产投资者有可能将建设脱碳作为投资重点。正如麦肯锡在最近的一篇文章中所探讨的那样，房地产领导者正在寻求使其资产脱碳、面向未来的投资组合并创造新的价值来源。麦肯锡关于净零转型的研究估计，在 2020 年至 2050 年间，建筑行业的脱碳将需要平均每年增加 1.7 万亿美元的资本支出。

投资者可以帮助制定和跟踪脱碳目标，并可以与相关利益相关者（例如运营商和租户）合作，探索热泵如何帮助实现这些目标。投资者还可以探索不同的电气化融资模式（例如，能源即服务租赁）和相关的能效措施。

此外，仍需要创新来推进电力基础设施和能源管理等领域的建筑脱碳。这些可能是初创企业需要考虑的领域，例如，在风险资本家的支持下。

电气化建筑供暖是实现全球和当地净零目标以及房地产资产脱碳的关键且具有挑战性的一步。这可能需要大量的时间、金钱和计划投资。目前尚不存在一刀切的解决方案，因为完全电气化可能不适合建筑类型或能源输送系统的子集。然而，对于许多建筑类型，电热泵已成为一种可行的脱碳技术，并可以为提高能源效率和减少排放提供途径。