基于专利分析的全球热泵技术发展态势与前景展望

吴丁页 ,  张辰 ,  韩金雨 ,  曲建升 ,  陈方

科学观察 ›› 2024, Vol. 19 ›› Issue (5) :27-41

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科学观察 ›› 2024, Vol. 19 ›› Issue (5) :27-41 DOI: 10.15978/j.cnki.1673-5668.202405003
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基于专利分析的全球热泵技术发展态势与前景展望

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Global Development Trends and Future Prospects of Heat Pump Technology Based on Patent Analysis

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摘要

[目的/意义] 热泵技术作为绿色低碳的热能供应方案,是供热领域替代化石能源、实现碳中和的必然路径。该研究旨在为未来热泵的市场部署和政策制定提供决策支持。[方法/过程] 该文调研和梳理了主要国家和地区促进热泵技术发展的战略规划,基于Incopat平台,运用专利分析方法分析了近50年国际热泵技术的发展态势。[结果/结论] (1)中、美、欧、日、韩等主要国家和地区相继制定发展规划、路线图、财政激励以及相关扶持政策促进热泵市场化应用;(2)全球热泵技术专利数量呈现快速增长趋势,在政策推动和资金扶持下,我国专利数量占总量的比例高达74.59%,是全球热泵技术主要增长力量。随着全球能源转型和热泵需求增加,未来热泵技术将会迎来新一轮的增长;(3)以低位热源为特征的热泵技术专利占较大比例,研究热点主要集中在空气源热泵及零部件、吸收式热泵和水源热泵等领域。最后对我国热泵技术的发展提出建议。

Abstract

[Objective/Significance] As a green and low-carbon thermal energy supply solution, heat pump technology represented an essential pathway for replacing fossil fuels and achieving carbon neutrality in the heating sector. This study aimed to provide decision-making support for future market deployment and policy formulation of heat pumps. [Method/Process] The paper reviewed and organized the strategic plans of heat pump technology in major countries and regions, and examined the international development trends of heat pump technology over the past 50 years. [Results/Conclusions] (1) Major countries and regions such as China, the United States, Europe, Japan, and South Korea have successively formulated development plans, roadmaps, financial incentives, and related support policies to promote the market application of heat pumps. (2) The number of global heat pump technology patents has shown a rapid growth trend. China has become the main growth force of global heat pump technology with policy promotion and financial support. Under the background of global energy transition and increasing demand for heat pumps, heat pump technology is expected to experience a new wave of growth in the future. (3) The research focus of heat pump technology includes air source heat pump units and components, absorption heat pumps, and water source heat pumps. Finally, the paper provides suggestions for the development of heat pump technology in China.

Graphical abstract

关键词

热泵技术 / 战略规划 / 专利分析 / 文献计量

Key words

heat pump / strategic plan / patent analysis / literature bibliometrics

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吴丁页, 张辰, 韩金雨, 曲建升, 陈方. 基于专利分析的全球热泵技术发展态势与前景展望[J]. 科学观察, 2024, 19(5): 27-41 DOI:10.15978/j.cnki.1673-5668.202405003
Wu Dingye, Zhang Chen, Han Jinyu, Qu Jiansheng, Chen Fang. Global Development Trends and Future Prospects of Heat Pump Technology Based on Patent Analysis[J]. Science Focus, 2024, 19(5): 27-41 DOI:10.15978/j.cnki.1673-5668.202405003

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1 引言

随着全球推进碳中和行动,加快能源结构转型已成为各国共识[1]。热泵(Heat Pumps)是一种在电能或高品位热能的驱动下,将低品位热源(如空气、水、地表、余热)的热量转移到高品位的高效供热装置,广泛应用于建筑采暖/制冷、工业、农业和交通等领域[2]。《麻省理工科技评论》、国际能源署(International Energy Agency,IEA)、国际可再生能源署(International Renewable Energy Agency,IRENA)均指出热泵是供热领域替代化石能源、未来应对气候变化以及实现碳中和的核心技术[3-5]。随着全球主要国家碳中和目标的提出及碳减排工作的加快推进,热泵的研发和部署受到主要国家的高度重视[6]

目前,热泵的综合性能系数(Coefficient of Performance,COP)通常在2~5之间,具体取决于热泵类型和工况,这使得热泵在制冷和采暖方面的效率远高于传统燃气锅炉,后者的效率通常低于100%。参考IEA在2023年更新的《清洁能源技术指南》对热泵技术的分类[7],根据不同的设计目标及机组功能,热泵可分为以下类型(图1)。按照工作原理分,热泵分为压缩式热泵、吸收式热泵和化学热泵等,其中应用最广泛的是电驱动式蒸汽压缩式热泵;按照低位热源种类分,热泵分为空气源热泵、水源热泵、地源热泵和废热源热泵等,反映了热泵系统在不同环境条件下对能源的需求和利用效率;按应用领域进行分类,热泵可应用于建筑、工业、农业、交通等领域,涵盖建筑供暖制冷、热水供应、工业干燥、农业温室、汽车空调等诸多应用场景。不同类型热源热泵的部件有所差异,以电驱动式热泵为例,组成部分包括热泵机组、电能输配系统、低位热源采集系统和热分配系统,其中热泵机组的核心零部件包括蒸发器、冷凝器、压缩机、四通阀和其他辅助部件等。

我国目前仍是以煤炭为主要消费能源的国家,热泵具有减少建筑供暖制冷碳排放的潜力,将在我国未来实现碳达峰与碳中和目标的进程中发挥关键作用。作为绿色低碳的热能供应方案,热泵技术是供热领域替代化石能源、实现碳中和的必然路径。把握国内外热泵技术发展的特点和战略布局,对于我国部署热泵技术发展重点、确定发展方向和制定相关政策具有重要意义。

近年来国内外热泵技术相关的研究成果持续涌现。Ruhnau等[8]基于When2Heat数据库,建模分析了2008-2018年间16个欧洲国家的热需求和热泵效率,发现不同热源(空气源、水源、地源)的COP随温差的增大而减小,温差越大,热泵效率越低。Hamid等[9]利用高温热泵与各种工业应用相结合的过程数据,探讨了高温热泵未来发展面临的挑战,并提出相应建议。Carroll等[10]基于ScienceDirect数据库,对2009-2019年空气源热泵现场试验和性能指数的文献进行综述,提出空气源热泵在家庭供暖中的重点关注领域。Ołtarzewska和Krawczyk[11]以欧洲某地建筑为案例,建模分析空气源热泵的能源效率,模拟结果表明在当前能源价格下,空气源热泵最适用于温带过渡气候。Yao等[12]对中国南方地区的热源塔热泵系统的工作原理和构造、传热传质特性和实际运行效果进行了全面分析,为热源塔热泵的发展和应用提供了建议。胡斌等[13]回顾国内外工业热泵的发展现状,对目前工业热泵常采用的各类典型技术进行分析,最后提出工业热泵技术发展建议。孙健等[14]对比了空气源热泵、水源热泵、土壤源热泵和余热回收热泵技术的结构形式、特点及应用现状,对热泵在综合能源系统中的发展趋势进行了展望。

通过梳理发现,目前热泵领域相关研究成果多集中于工程实例、场景应用或具体技术分析,较少对热泵领域进行态势定量分析与综述研究。专利文献是科学研究和技术发展最重要的信息来源之一,能够客观评价科技领域发展状况和趋势[15,16],本文梳理了世界主要国家的热泵战略与技术布局,并结合全球近50年的热泵技术专利的计量分析,探究热泵技术研发态势,以期对我国热泵技术创新战略的制定以及加快研发与产业化进程提供参考。

2 主要国家和地区热泵发展现状

政策支持和激励措施推动热泵数量强劲增长。全球有30多个国家/地区已将热泵提升到国家战略层面,相继制定发展规划、路线图、财政激励以及相关扶持政策,包括但不限于补贴或减税、低息贷款、能效法规、高碳税、技术禁令等方式,加速热泵推广,提升热泵市场普及率。根据IEA数据显示,2022年全球热泵销量同比增长11%,连续2年实现两位数增长,预计到2030年,全球建筑供暖市场中热泵份额将增至20%[17]

2.1 中国

我国热泵行业受益于国家气候安全及能源安全战略的长期性和确定性,有望长期享受政策红利。我国大力支持热泵发展,在可再生能源、建筑节能、新能源技术推广应用等方面颁布了相应的政策文件。2016年12月,国务院发布《“十三五”节能减排综合工作方案》,提出在农村地区推动建筑节能,因地制宜推广余热利用、高效热泵、可再生能源、分布式能源等低碳技术。2017年5月16日,财政部等多部门发布《关于开展中央财政支持北方地区冬季清洁取暖试点工作的通知》,提出推进燃煤供暖设施清洁化改造,推广热泵、燃气锅炉、电锅炉、分散式电(燃气)等取暖。2021年10月,国务院发布《2030年前碳达峰行动方案》,提出推进终端用能领域以电代煤、以电代油,推广新能源汽车、热泵、电窑炉等新型用能方式。2022年7月,住房和城乡建设部、国家发展改革委出台《城乡建设领域碳达峰实施方案》,指出要推广空气源等各类电动热泵技术,推广热泵热水器、高效电炉灶等替代燃气产品。2023年4月,国家能源局发布《2023年能源工作指导意见》,积极推广地热能、太阳能供热等可再生能源非电利用。

热泵行业受国内外需求高涨影响,发展加快,空气源热泵为市场主流。从国际来看,能源危机催化下热泵成为欧洲各国首选的供暖方式,我国热泵出口迎来机遇,产品在欧洲地区的渗透率进一步提升。从国内来看,随着国民生活水平不断提高,绿色环保意识增强,消费者更偏好环保、便利、高效的热泵产品。从产品销售类型来看,空气源热泵是占比最大的细分种类,2022年我国空气源热泵产业内销市场规模为211.6亿元,同比增长6.3%,出口市场规模为69.5亿元,同比增长43.0%[18]

作为全球重要的热泵生产地,我国是热泵最大的新销售市场,产业链日臻完善,2022年热泵产量占全球50%以上,但市场竞争格局较分散,行业集中度有望进一步提升。我国热泵产品主要适用于严寒、高温、低温、高湿地区,高纬度区域的市场规模占绝大部分,随着新型城镇化建设进程推进以及国家对中西部地区政策的倾斜,西北地区也占据部分市场。从企业占有率来看,2022年,海尔、美的、格力三大家用电器巨头的空气源热泵市场占有率位列前三,但总市场占有率仅有34.4%[19],行业集中度有望进一步提升。

2.2 美国

美国不断出台热泵相关的支持政策,加速提升能源效率和电气化水平,热泵被认为是未来实现能源脱碳的有效途径。2021年1月,白宫公布《美国就业计划》,投资460亿美元用于清洁能源制造业,包括制造电动汽车、充电端口和电热泵等[20]。2022年8月,美国总统拜登签署《通胀削减法案》,提出将清洁能源税收抵免扩大至购买太阳能光伏和太阳能热水器、地热热泵和燃料电池等住宅清洁能源解决方案[21]。2023年11月,美国能源部(Department of Energy,DOE)宣布提供高达1.69亿美元的资助以加速全国15地的电热泵及其关键部件制造[22]。2024年2月,DOE在此基础上又宣布提供6300万美元的资助,以加速全美住宅电热泵、热泵热水器以及其他组件的国内制造增长[23]。同年4月,美国能源部宣布“更好建筑计划”以加速热泵制造和应用,提高能源效率并降低能源费用[24]。2023年,全美空气源热泵出货量达361.7万台[25],美国气候联盟提出到2030年联盟内的热泵安装量达到2000万台的目标[26]

2.3 欧洲

欧洲是全球热泵市场的中心,热泵作为电气化的重要战略布局,长期渗透率提升趋势较为明确。2022年5月,为应对俄乌冲突、疫情和极端天气带来的影响,欧盟委员会推出REPowerEU计划,明确要将热泵的部署速度提高一倍,在5年内累计部署1000万台[27]。同年10月,欧盟发布“能源系统数字化”行动计划,在基础设施方面投资5650亿欧元,再次明确热泵长期发展规划[28]。德、意、法、荷等国家均针对热泵的购置、安装和维护,提出了增值税减免等政策,切实优化了欧洲的供暖能源结构,在减缓天然气依赖、降低能源账单等方面发挥了重要的作用。根据欧洲热泵协会数据显示,2022年,欧洲14个主要国家的年热泵销量达到276.5万台,同比增长37.6%,创下历史新高[29]。德、意、法热泵销量占欧洲总销量的近一半,波兰和捷克等一些新兴市场规模翻了一番,北欧家庭的购买量是欧洲其他地区的五倍。2024年2月,欧盟就《净零工业法案》达成临时协议,提出到2050年热泵部署增加6倍的目标[30]

2.4 日本

热泵被日本视为实现2050年净零排放承诺的关键技术之一,已在国家战略性政策中得到充分认可,未来将加快部署工业热泵和商用及民用热泵热水器的应用推广。2019年6月,日本在《巴黎协定下的长期战略》中计划使用热泵提高建筑热能效率,研究热泵热水器在高需求热水供应设施中的潜在应用性[31]。2021年,日本相继发布《全球变暖对策脱碳计划》[32]和《第六个战略能源计划》[33],为工业热泵和商用及民用热泵热水器设定了定量化目标。2023年2月,日本在《实现绿色转型的基本方针》提出,为减少热能需求、高效利用热能,政府将助推在住宅领域使用热泵热水器以及在工业领域使用工业热泵[34]。同时,日本还出台了一系列补贴政策,如节能项目补贴政策、热泵专项补贴和净零能耗建筑补贴等,激励热泵系统效率提升。在日本,热泵热水器需求增长,2000年初推出的EcoCute已售出超过850万台,家庭安装热泵覆盖率已到90%以上[35]

2.5 韩国

受限于建筑特点和市场格局,韩国热泵市场份额在全球占比较小,在可再生能源补贴政策和建筑法规的推动下,地源和水源热泵正在扩大细分市场。在韩国,热泵提供的热量被认为是可再生能源,是促进绿色能源产业发展的新动力,有资格获得可再生能源政策计划的部分支持,热泵相关政策主要集中在应对气候变化和发展绿色能源技术。在韩国政府的热泵战略布局中,采用了促进热泵行业发展的具体措施,包括热泵技术开发、高效率设备研制、热泵系统和设备系统化认证和高效热泵产品的激励等等,重点推动中等容量空气-水热泵形式的商业化和利用潜热储能热泵系统原创技术的开发,旨在扩大国内外市场,更好服务于工业生产余热回收,并提出在2030年可再生能源发电占比达到20%的目标。

3 数据来源与分析方法

专利文献作为技术信息最有效的载体,囊括了全球90%以上的最新技术情报,相对于其他文献形式,专利更具有新颖、实用的特征[36]。本文从专利的角度分析热泵技术的发展趋势与竞争格局,数据来源于北京合享智慧科技有限公司开发的IncoPat平台,涵盖了120个国家/地区/机构超过1亿项的专利数据。以IncoPat平台作为数据基础,参考IEA《清洁能源技术指南》对热泵技术的分类,利用关键词和专利分类号进行检索(检索式见附录),通过扩展同族合并进行专利族统计,并进行数据清洗,包括排重、去噪、规范标准等,检索出全球1974-2023年间共申请了实用新型及发明授权专利39479项(检索日期为2024年7月27日)。

4 结果分析

4.1 发展概况

20世纪70年代,第一次石油危机爆发,人们广泛地认识到资源是有限的,热泵以其节能、环保、高效的供热方式受到人们青睐[37]。从全球热泵技术专利数量年度变化趋势来看(图2),其发展可分为三个阶段:第一阶段为1974-2000年,专利数量较少,每年不足200项,尚处于起步期;第二阶段为2001-2007年,随着全球气候变化问题日益严峻,各国对能源效率和环境保护的要求提高,热泵技术逐渐成熟,处于缓慢发展期;第三阶段为2008-2021年,热泵技术被认为是利用可再生能源的有效途径,各国陆续制定热泵相关发展计划,新技术层出不穷,专利数量处于快速发展期,在2018年达到峰值。由于专利授权公开需要一定的审查周期,因此2021年及之后的专利数量不能完全反映实际专利申请情况,仅供参考。从专利类型来看,2000年前实用新型专利数量极少,几乎只有发明授权专利,2000年后,热泵研究开始注重实用创新,实用新型专利数量逐渐占据主导地位。在全球应对气候变化、清洁能源低碳转型和净零排放(碳中和)的背景下,热泵在工业、建筑、农业、交通等领域的应用将持续扩大,专利申请将会迎来新一轮增长。

4.2 主要国家/地区分析

从全球专利技术申请地域分布来看,中国、日本、韩国、美国和德国是热泵技术重点布局的国家和地区,如图3所示。其中,中国专利申请数量为29449项,占专利总量的74.59%,位居全球首位;日本、韩国、美国和德国的专利申请数量分别为3962项、1870项、1155项和832项,占比分别10.04%、4.74%、2.93%和2.11%,其他国家占5.60%。从主要国家专利年度申请趋势来看,日本和美国在热泵专利技术研发方面布局较早,韩国紧随其后。日本是最早落地空气源热泵技术的国家之一,在热泵技术领域积累了大量的技术经验[38],2004年前专利数量保持领先。我国自2001年起加快热泵技术的引进和消化吸收,研究制定鼓励发展的政策[39],并于2005年以立法形式推动可再生能源应用,为热泵应用发展提供了依据和基础[40],专利数量进入增长阶段。2013年我国开始推广使用太阳能热水系统、地源热泵、空气源热泵、光伏建筑一体化等技术和装备[41],一系列政策补贴相应出炉,在政策推动和资金扶持下,我国热泵数量爆发式增长,位居首位,是全球热泵技术专利增长的主要动力。

合享价值度是合享智慧研发的专利价值模型的应用结果。该专利价值模型融合了专利分析行业内常用的技术指标(如技术稳定性、技术先进性、保护范围层面的20多个技术指标),通过设定指标权重、计算顺序等参数,实现对每篇专利进行专利强度自动评价。评价结果取值为1~10个星级,星级值越高,代表专利价值度最好。根据合享价值度星级指标测度结果11 所用数据为拓展同族合并前数据:44300条。)(图4),日本的高价值度(10星级)专利产出最多(1343件),其次分别是美国(933)和中国(784)。中国的中高价值度(7~9星级)专利占比最高,为64.71%,其次分别是美国(50.19%)和日本(45.86%)。

4.3 专利涉及技术情况

国际专利分类(International Patent Classification,IPC)是国际通用的专利分类和检索工具,根据技术主题形成了完整的部、大类、小类、大组和小组等逐步分类体系,不同的IPC号代表不同类型的技术主题。专利技术分布情况是技术创新的重要产出,反映了技术应用领域,可以在一定程度上揭示专利研究方向。表1展示了1974-2023年间热泵专利技术领域中出现频次前10位的IPC小组号,主要聚焦热泵技术和供暖制冷系统。包括以低位热源为特征的热泵、压缩式热泵及其零部件的设计与安装(F25B30/06、F25B30/02、F25B49/02、F25B41/20、F25B47/02),同时也涉及热泵用流体加热器及其安装(F24H4/02、F24H9/20、F24H4/04),还有热水集中供暖系统及其布置或安装(F24D3/18、F24D19/10)。

分析热泵技术各阶段的技术分布情况和发展趋势,有助于了解特定时期的重要技术分布,挖掘近期的热门技术方向和未来的发展动向。图5展示了近10年全球热泵专利涉及技术情况。以低位热源为特征的热泵系统(F25B30/06)具有显著的能效优势、环保效益和广泛的应用范围,数量最多、增幅最大,是未来能源利用和环境保护的重要方向之一。随着热泵技术的发展,新型工作介质、关键设备和系统集成技术的研究也在不断深入,因此压缩式热泵技术、热泵用水加热器技术、控制/安全装置的布置或安装、流体循环装置的阀门配置等提高能效比和降低能耗成本的相关专利(F25B30/02、F24H4/02、F25B49/02、F25B41/20)的申请量也不断增多,是重点布局领域。

从主要国家/地区专利涉及技术情况来看(图6),中国在热泵技术各领域布局的专利最多。中国最重视以低位热源为特征的热泵技术(F25B30/06)、压缩式热泵(F25B30/02)和热泵用水加热器(F24H4/02);日本最重视压缩式热泵(F25B30/02)、热泵用水加热器(F24H4/02)和用于压缩式系统的控制或安全装置(F25B49/02),韩国除了同样重视压缩式热泵(F25B30/02)之外,还聚焦于以低位热源为特征泵热泵技术(F25B30/06)和压缩式系统的控制或安全装置(F25B49/02)。美国和德国在各类专利申请数量上差距不大,相对中国、韩国和日本来讲数量较少。

4.4 申请人分析

全球热泵技术TOP20的申请机构如图7所示,13家来自中国,6家来自日本,1家来自韩国,热泵技术主要掌握在大型跨国企业和高校院所手中,且多重视空气源热泵、室内外换热器、压缩机和供热系统等技术。

中国机构中专利数量最多的有格力集团(专利多集中于室内换热器、双级压缩机和除霜控制等技术)、海尔集团(专利多集中于空气源热泵、太阳能热泵热水器和冷媒循环回路等技术)、美的集团(专利也集中在空气源热泵、室内换热器和风冷热泵等技术)、清华大学(专利主要聚焦溶液除湿、供热系统、热网回水和吸收式热泵等技术)和广东芬尼科技股份有限公司(专利分布于高温热泵、空气源热泵和除霜控制等技术)。

日本机构中专利数量最多的有三菱集团Mitsubishi Corporation(专利聚焦于热交换器与热介质技术)、松下集团Panasonic Corporation(专利也聚焦于热交换器、制冷剂回路和压缩机等技术)、日立集团Hitachi Corporation(专利聚焦于室外换热器、空气源热泵机组和压缩机等技术)和电装公司Denso Corporation(专利聚焦于热水供给和热交换器等技术)。韩国乐金集团LG Corporation的专利聚焦于吸收式热泵、室内换热器和压缩制冷剂等技术研发。

图8为热泵技术领域专利申请人合作网络,展示了50个代表性节点。基于python环境下Networkx和Community工具包作图,以节点的大小代表合作数量,节点之间线条的粗细代表合作频次,根据合作程度用不同的颜色划分不同群体。可以看到,热泵领域合作网络主要呈现两大集群,一是国外合作(绿色集群):以日本各大型跨国企业、区域电力公司和燃气供应商之间的合作为主,包括三菱集团、松下集团、东京电力、关西电力、东京瓦斯、大阪瓦斯等,聚焦于吸收式热泵、热泵系统的安装和控制等专利研发。二是国内合作(蓝色集群):以产学研合作为主,包括国家电网、西安交大、天津大学、东南大学、中建集团等,聚焦在水源热泵、热泵冷热联供系统、热泵蒸发装置等技术。此外,格力集团、海尔集团、美的集团等节点较大,表明内部合作较多,但几乎没有对外合作。

4.5 聚类分析

利用incoPat平台对近五年(2019-2023年)热泵专利的标题和摘要进行聚类,并通过语义聚类算法绘制成3D专利沙盘,如图9所示。每个沙丘代表一个技术主题,沙丘越大,专利数量越多,每个沙丘之间的距离代表主题之间的相关性,距离越短,相关性越高。聚类结果显示(表2),热泵专利主要集中在空气源热泵及零部件、吸收式热泵和水源热泵等领域。

图9可以看到,空气源热泵领域及零部件的专利数量最多,是近年来最热门的研究方向之一,主要聚焦于热泵装置设计和整体性能提高,涉及核心零部件及各类辅助部件的专利研究,注重核心零部件的优化设计、能效提升、性能改进和高温应用。空气源热泵占地面积小,运营成本低,易于维护,能在商业综合体和居民住宅中发挥重要作用,但在潮湿、寒冷的气候条件下,空气源热泵室外机面临着结霜风险,因此结霜、除霜和防霜方面的研究是一大热点[42-44]

吸收式热泵领域涉及余热回收与节能、供暖系统、太阳能、装置部件等专利技术研究。这是一种利用高温热源(如工业废热、太阳能、地热等)驱动的高效节能技术,广泛应用于燃气锅炉冷凝热回收、余热回收、浅层地热提取和再生水热能低温区域供热等[45,46],在现代工业和民用领域中展现出巨大的应用潜力和价值。中深层地热相较于浅层地热,热泵在工作时具有更高的出水温度和能效比[47],适用于严寒、寒冷地区以及对节能减排有较高要求的建筑,但也面临技术复杂以及地质条件严格等挑战,加快推广浅层低温能和中深层地热资源开发利用的研究也是热点之一[48,49]

水源热泵领域涉及污水源热泵、热水储水箱和装置零部件的研究。污水源热泵能有效回收和利用城市污水,用于建筑供暖制冷,具有显著的节能环保效益,在新旧能源转换与绿色低碳发展的背景下应用潜力巨大[50]

5 结论与展望

5.1 主要结论

本文通过专利分析法对主要国家和地区热泵技术发展战略以及全球专利技术态势进行分析,得出以下主要结论。

(1)热泵技术在全球应对气候变化、清洁能源低碳转型和净零排放的背景下被广泛关注,全球形成了积极的研发和应用热潮,中、美、欧、日、韩等主要国家和地区相继制定发展规划、路线图、财政激励以及相关扶持政策促进热泵市场化应用;(2)1974年以来热泵技术蓬勃发展,经历了起步-缓慢增长-快速发展三个阶段,市场呈现出稳定良好的发展趋势,未来前景广阔。美国、日本、韩国较早开始布局热泵技术,在政策推动和资金扶持下,我国专利数量从2004年起开始快速增长,总量占全球的比例高达75.49%,位居首位,是全球热泵技术主要增长力量。(3)TOP20热泵专利技术创新主体以大型企业和高校为主,我国机构占据13个席位,其次是日本和韩国,分别有6家和1家。热泵领域合作网络主要呈现两大集群,一是国外集群,以日本大型企业、电力公司和燃气供应商为主的广泛合作,二是国内集群,产学研合作较为紧密,但对外合作较少。(3)热泵技术全球专利中,以低位热源为特征的热泵技术专利占较大比例,是整个热泵设计研制的核心。此外,随着新型工作介质、关键设备和系统集成技术的研究也在不断深入,压缩式热泵、热泵用水加热器、控制/安全装置的布置或安装、流体循环装置的阀门配置等提高能效比和降低能耗成本的相关专利技术得到了发展,是各个国家及地区的关注重点。(4)通过聚类分析发现,热泵专利研究热点主要集中在空气源热泵及零部件、吸收式热泵和水源热泵等领域。

5.2 启示与建议

基于上述分析,针对我国加快推进热泵技术研发和集成示范提出以下建议。

(1)明确中长期发展目标,健全激励政策加速推广。我国目前直接和热泵相关的战略规划较少,发展定位不清晰,对热泵技术建筑面积覆盖率或装机总量尚未设置具体的中长期目标,对投资该领域的整体信号释放得不够充分,致使热泵技术的巨大碳减排价值和发展潜力还未得到充分利用与激发。建议针对不同区域及应用场景推出热泵技术发展路线图,健全相关产品标准和规范,将热泵产品列入可再生能源设备范围,遴选相关领域的关键示范工程,积极发挥热泵的节能减碳作用,加快开展热泵碳交易方法论研究,积极推动热泵进入碳交易市场,推动热泵纳入全国温室气体自愿减排交易系统(CCER)。

(2)提高热泵行业准入门槛,完善上下游产业链生态。目前我国热泵行业准入标准较不明确,企业同质化竞争严重,严重影响热泵市场。此外,我国热泵大规模发展相对较晚,零部件配套和产业链尚不完善,部分部件可选性不强,产业园区间和企业间缺乏实质性的联系与合作,难以形成产业集群和产业链条。因此建议,一是需尽快制定热泵行业分区分类准入指导意见,规范热泵产业建设,严格招商引资项目准入,完善热泵行业经营管理企业主体退出机制。二是从市场需求出发,联合产业链上下游企业、科研院,建设涵盖全产业链的重大协同创新平台,形成产学研用协同创新机制。强化产业链上下游之间的战略合作与利益绑定,鼓励产业链上下游加强沟通联系、互通有无。

(3)夯实国际标准制定合作,加快推动应用场景技术突破。我国企业技术创新势头强劲,但研发合作大多局限于集团内部,并且我国热泵产品种类丰富,用户端需求复杂多样,需根据不同地区环境特点因地制宜设计热泵及系统创新形式。而美、日、韩等国较早开始热泵技术开发与商业化,积累了一定经验,值得借鉴。建议一是强化与其他国家在能效标准、市场运作、商业模式等方面的交流与合作,借鉴成熟经验,结合我国实际用热模式,进行统一评价,提升技术和监管水平,助力我国热泵行业的发展。二是加快热泵领域关键核心技术和装备攻关,推动绿色低碳技术重大突破,加大与光伏发电等其他技术的融合发展、联破,全面实施热泵机组灵活性改造,从根本解决应用场景限制。

(4)加强热泵供暖需求侧宣传,实施多元化经济激励。目前热泵依然存在宣传力度较低、用户认知不足、用户对热泵产品缺乏使用和维护理念等问题[34],同时热泵初期安装成本较高,对不同收入水平家庭的推广形成了一定的阻碍。因此建议,一是利用全国节能宣传周、全国低碳日等活动,联合行业协会、家电制造商、电商平台等,对高效热泵产品开展宣传与推广,引导消费者了解热泵产品的节能潜力,鼓励消费者购买热泵产品。二是制定针对居民收入的细分激励政策,设计租赁、订购、租借等多元化模式,激发需求侧的积极性,有效运用市场化工具,推进技术市场深化应用。

附录

#1:TIAB= ((air-source OR "air source" OR air-to-air OR air-to-water OR "central inverter" OR integrate* OR 空气源 OR 中央变频 OR 集成 OR 综合) AND ("heat pump*" OR 热泵));#2:TIAB= ((water-source OR "water source" OR "water heater*" OR solar OR 水源 OR 热水器 OR 太阳能) AND ("heat pump*" OR 热泵));#3:TIAB= ((ground-source OR "ground source" OR geothermal OR underground OR shallow OR well* OR 地源 OR 浅层 OR 井) AND ("heat pump*" OR 热泵));#4:TIAB= ((thermally-driven OR "thermal drive*" OR "electric drive*" OR compress* OR absorp* OR adsorp* OR 热驱动 OR 电驱动 OR 压缩 OR 吸收 OR 吸附) AND ("heat pump*" OR 热泵))。将上述检索式合并在一起,并把结果限定在F、B、C等IPC专利号中,用于将不相关专利从关键词检索结果中排除。进行数据清洗后,检索出全球1974-2023年间共申请了实用新型及发明授权专利数据39479项(检索日期为2024年 7月27日)。

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