碳是生命物质中的主要元素之一，是有机质的重要组成部分，并以二氧化碳、有机物和无机物的形式贮存于地球的大气圈、陆地生态圈、海洋圈和岩石圈中。碳元素通过碳固定和碳释放的方式，在地球的大气圈、陆地生态圈、海洋圈和岩石圈中进行循环。碳固定是指植物的光合作用吸收二氧化碳、海水溶解大气中的二氧化碳、干旱区盐碱土吸收二氧化碳、含碳元素岩石的形成，以及利用人工技术将二氧化碳转化为化学品或燃料等。碳释放主要来自于植物和动物的呼吸作用、化石燃料的消耗、岩石圈中含碳元素岩石的分解等。本文将大气圈中被固定或可利用的二氧化碳定义为“灰碳”；将无法被固定或利用，并留存在大气圈中的二氧化碳定义为“黑碳”。

      碳中和的实现需要各行各业的共同努力。从能源利用角度来看，热泵是一种使热量从低位热源流向高位热源的节能装置，其基本原理如图1-3所示，通过输入1个单位的高位能（如电能）驱动热泵循环，吸收空气、土壤或水中的热能后，能够制取超过1个单位的热能，因此具有节能高效的特点。在仅考虑建筑和工业的终端用热的热能占比前提下，我国近一半的终端用能都以热能的形式消耗了。面对如此大的热量需求，在有合适的低位热源条件下，使用热泵来提供热能将大大减少整个国家化石燃料的消耗，从而助力碳中和。

      从能源革命的角度来看，能源转换链条将发生革命性变化，由目前的“燃料产热、热发电”变革为“绿电生产、电制热”，终端用能电气化态势明显。热泵作为一种可再生能源利用装置，是电制热的最有效方式。如图1-2所示，在2℃情景下，到2050年，我国能源总需求将达到52亿吨标煤，其中非化石能源占比超过73%，非化石电力在总电量中比例90%，煤炭比例将在9%以下；终端消费部门加强以电力替代化石能源直接燃烧利用，一次能源用于发电的比重由目前45%提升到2050年约75%，电力占终端能源消费的比重由当前25%提升到约55%。这意味着使用电力驱动生产中低温热能的热泵比例将大幅提高，并逐步代替传统化石能源生产低品位热量的用能方式。国家能源局关于印发《2021年能源工作指导意见》的通知指出，应大力推广高效节能技术，支持传统领域节能改造升级，推进节能标准制修订，因地制宜推进实施电能替代，大力推进以电代煤和以电代油，有序推进以电代气，提升终端用能电气化水平。江亿院士也多次指出，零碳能源的主要表现形式是直接输出电力，用电力替代化石能源以高效转换的方式生产热量是能源革命的需要。同时，热泵应用还能一定程度上实现柔性用电，有助于电力调峰。高效节能的热泵技术契合时代背景与政策导向，将被碳中和的时代需求推动而得到进一步发展。

       从技术路线角度来看，热泵是用热领域实现零碳的最好技术路径。碳排放分为直接碳排放与间接碳排放，使用热泵代替化石燃料，直接碳排放量就变为零，仅需考虑间接碳排放。图1-4从碳减排与碳吸收两个角度出发，纳入供给侧、需求侧分析，对已有的低碳技术进行了归纳。供给侧减排方面的地热供热、需求侧减排方面的工业节能中的余热余压回收、建筑使用过程当中的暖通空调及热水系统节能，这些技术路线上热泵装置均能充分发挥自身特点，为路线的实现提供有效工具。如中深层地源热泵可利用地热能供热；高温热泵十分适用于工业余热的回收利用，回收的热量既可以用于工艺过程，也可以用于供热，推动工业体系的低碳化；而建筑暖通空调、卫生热水供应方面，各类热泵供暖装置和热泵热水器已有大量的应用，尤其是清洁取暖的政策发布以来，空气源热泵在北方集中供暖应用迅速推广开来。

       从能源革命角度来看，热泵契合能源转换链条的革命性变化，符合终端用能电气化发展的需求；从能量利用角度来看，热能是我国终端能耗的主要形式，而使用热泵提供中低温热能是最优方式；从技术路线角度，热泵能够为供给侧减排方面的地热发电/供热、需求侧减排中建筑、工业、农业、交通等领域的中低温热能生产提供工具。因此，为推进我国碳中和目标顺利达成，大力推广热泵技术是必由之路。