碳是生命物質中的主要元素之一，是有機質的重要組成部分，并以二氧化碳、有機物和無機物的形式貯存于地球的大氣圈、陸地生態圈、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、陸地生態圈、海洋圈和巖石圈中進行循環。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，以及利用人工技術將二氧化碳轉化為化學品或燃料等。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”。

      碳中和的實現需要各行各業的共同努力。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能裝置，其基本原理如圖1-3所示，通過輸入1個單位的高位能（如電能）驅動熱泵循環，吸收空氣、土壤或水中的熱能后，能夠制取超過1個單位的熱能，因此具有節能高效的特點。在僅考慮建筑和工業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，能源轉換鏈條將發生革命性變化，由目前的“燃料產熱、熱發電”變革為“綠電生產、電制熱”，終端用能電氣化態勢明顯。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到52億噸標煤，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；終端消費部門加強以電力替代化石能源直接燃燒利用，一次能源用于發電的比重由目前45%提升到2050年約75%，電力占終端能源消費的比重由當前25%提升到約55%。這意味著使用電力驅動生產中低溫熱能的熱泵比例將大幅提高，并逐步代替傳統化石能源生產低品位熱量的用能方式。國家能源局關于印發《2021年能源工作指導意見》的通知指出，應大力推廣高效節能技術，支持傳統領域節能改造升級，推進節能標準制修訂，因地制宜推進實施電能替代，大力推進以電代煤和以電代油，有序推進以電代氣，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形式是直接輸出電力，用電力替代化石能源以高效轉換的方式生產熱量是能源革命的需要。同時，熱泵應用還能一定程度上實現柔性用電，有助于電力調峰。高效節能的熱泵技術契合時代背景與政策導向，將被碳中和的時代需求推動而得到進一步發展。

       從技術路線角度來看，熱泵是用熱領域實現零碳的最好技術路徑。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，直接碳排放量就變為零，僅需考慮間接碳排放。圖1-4從碳減排與碳吸收兩個角度出發，納入供給側、需求側分析，對已有的低碳技術進行了歸納。供給側減排方面的地熱供熱、需求側減排方面的工業節能中的余熱余壓回收、建筑使用過程當中的暖通空調及熱水系統節能，這些技術路線上熱泵裝置均能充分發揮自身特點，為路線的實現提供有效工具。如中深層地源熱泵可利用地熱能供熱；高溫熱泵十分適用于工業余熱的回收利用，回收的熱量既可以用于工藝過程，也可以用于供熱，推動工業體系的低碳化；而建筑暖通空調、衛生熱水供應方面，各類熱泵供暖裝置和熱泵熱水器已有大量的應用，尤其是清潔取暖的政策發布以來，空氣源熱泵在北方集中供暖應用迅速推廣開來。

       從能源革命角度來看，熱泵契合能源轉換鏈條的革命性變化，符合終端用能電氣化發展的需求；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熱能是最優方式；從技術路線角度，熱泵能夠為供給側減排方面的地熱發電/供熱、需求側減排中建筑、工業、農業、交通等領域的中低溫熱能生產提供工具。因此，為推進我國碳中和目標順利達成，大力推廣熱泵技術是必由之路。