理想的供暖设备应具有高能效、低排放、舒适、经济的特点，然而目前市场上的供暖设备品类众多，不同产品的评价方式(如能效等级评价) 并不互通，难以直接横向比较，无论是对于产品的购买方(如住户、地产公司)，还是相关政策制定者，都缺乏较为公允的方式选择出最理想的供暖设备路径。因此，对目前长三角地区主流的分布式供暖设备的统一对比评价十分重要。在本章节中，我们首先对于长三角地区主流的供暖设备进行介绍，并定义典型居民供暖设备应用场景，识别出对比评价的多个维度，从这些维度对于各供暖设备在典型场景的应用进行对比评价。
3.1 主要分布式供暖设备
分布式供暖(也叫非集中供暖) 指每户分别配备一台或多台供暖设备，形成以户或房间为单位的供暖系统。如前文介绍，分布式供暖是长三角地区当前最为普遍的供暖方式，未来长三角地区也将继续保持以分布式设备为主的居民供暖。分布式供暖的形式多样，主要包括热泵两联供、冷暖空调、电暖器、电地暖、燃气采暖炉，其中热泵两联供和冷暖空调这两种设备均为广义上的热泵供暖设备。从供暖原理上，热泵供暖与其他几种供暖方式有着根本上的区别。因此下文将重点介绍热泵供暖原理及供暖设备(即热泵两联供和冷暖空调)，并简要介绍其他供暖设备(即电暖器、电地暖和燃气采暖炉) 。
3.1.1 热泵供暖设备
热泵是一种将热能由低温物体转移向高温物体，从而实现加热功能的设备。相比于其他供暖设备直接将其他能源转化为热能，热泵供暖主要依靠搬运热能实现加热，其工作原理如图3所示。热泵主要有如下几个特征：
o 从低温热源吸收热量：低温热源是热泵运行的必备条件，从而实现从低温侧向高温侧搬运热量的功能，且热泵的能效受低温热源温度高低的影响。按热源分类热泵包含空气源热泵、地源(土壤源) 热泵、水源热泵(“空气”、“地”、“水”就是指热泵从何处吸热)，其中，空气源热泵是热泵最常见的类型。
o 需要输入能量驱动：和水泵利用电能将水从低位送向高位类似，热泵将热能从低温侧转移向高温侧也需要辅助能源的驱动，电能是热泵最常用的驱动能源。另外，燃气热泵可以由燃气发动机驱动，吸收式热泵需要外部 (高品位) 热源驱动。
o 高能效(节能)：尽管热泵的驱动需要消耗能量，但其生产的可用热能(高温侧) 主要来自于从低温侧的吸热，通常能够实现1千瓦时的电能输入生产3千瓦时或更多的热能(即热泵从低温热源吸收了2千瓦时甚至更多的热能)，从而实现了高能效制热。
o 兼具制热和制冷的功能：热泵的本质是将热量从低温侧向高温侧转移，使高温侧温度升高的同时，低温侧的温度则会降低，因此热泵也可以用于制冷。
建筑中的供暖和制备生活热水是热泵最常见的应用场景，在工程实践中，根据实地情况采取不同热源的热泵， 包括空气源、地源、水源等进行供暖；由于空气源热泵的安装条件较为灵活，审批、施工的难度也较低，因此获得了最为广泛的应用。本研究主要聚焦在空气源热泵作为建筑供暖设备的应用。在建筑中使用的空气源热泵也有不同的细分种类，在长三角地区的居住建筑中，最常见的两种空气源热泵设备是热泵冷暖两联供(“空气-水”热泵) 和冷暖空调(“空气-空气”热泵) 。
空气源热泵冷暖两联供系统
“空气源热泵冷暖两联供系统”(后文简称“热泵两联供”) 是长三角地区新兴的一种供暖方式。热泵两联供通过“天氟地水”或“天水地水”的形式，实现夏天为房间制冷，冬天为房间供暖两种功能，系统示意图见图4。 夏季制冷工况下，设备将热泵制备的冷水(或直接将制冷剂“氟”) 送入室内的风机盘管，与循环空气换热实现制冷的目的。冬季制热工况下，设备通过热泵制备热水，输送到室内的末端，从而实现供暖的目的。热泵两联供用于制热时的室内末端既可以是安装在地面下的地暖盘管，也可以是传统的暖气片。由于地暖的舒适性更高， 末端是地暖的热泵两联供在长三角地区较为常见，也是本文主要的研究对象。
冷暖空调
冷暖空调指同时具有制冷和制热功能的空调设备，但与“热泵两联供”不同，冷暖空调没有水系统，而是直接对于空气进行加热并吹向室内。冷暖空调通常不适宜在室外低温环境下使用，且通常需要配备电直热作为辅助热 源，因此供暖能效也会相对低于热泵两联供。冷暖空调的形式有多种，包括一体机、分体机、多联机等，本研究中冷暖空调主要指家用的小型分体机(mini-split) ，一般只能满足单个房间的供暖需求。
3.1.2 其他常见分布式供暖设备
燃气采暖热水炉
燃气采暖热水炉(后文简称“燃气采暖炉”) 使用燃气作为热源，制备热水通过管道输送到室内末端实现供暖的目的，地暖、暖气片均是燃气采暖炉可以配备的室内末端，地暖多见于新建建筑，而暖气片则多用于既有建筑改装，为了更好的和热泵两联供进行对比，本研究主要聚焦在以地暖为末端的燃气采暖炉供暖方式(后文简 称“燃气炉地暖”) 。燃气采暖炉通过燃烧化石燃料获得热量，能效更低，也造成更多的碳排放。另外，燃气采暖炉仅具备制热的功能，制冷则需要额外购置空调来实现。
电地暖
电地暖是一种较为新型的地暖形式。与上述的使用热水的地暖系统不同，电地暖系统采用铺设在地板下的发热电缆直接对地板加热。因为不需采用水系统，电地暖相比热泵两联供和燃气采暖炉维护更便捷、加热更迅速，也不涉及管道渗漏风险，但电地暖往往单位面积的造价更贵，相比热泵两联供的能耗也大得多。
电暖器
电暖器泛指直接使用电能作为热源的小型供暖设备，原理包括电阻加热、远红外加热、对流加热等，是一种将电能直接转换为热能的供暖设备。较小型的电暖器如小太阳等价格便宜、购置方便、可以移动，但是供暖效果不佳，通常只能满足局部空间的供暖。因此，电暖器一般很难完全满足一个家庭的供暖需求，而仅适合于作为辅助供暖设备，用电暖器配合冷暖空调使用也是长三角地区较为常见的家用供暖设备组合。
3.2 不同供暖设备多维度分析对比
对比不同供暖设备需要首先对于其具体应用场景进行定义，然后在相同的应用场景下从不同维度分析对比供暖设备的优劣势。本章节首先定义了居住建筑典型户型的供暖设备应用场景，然后对于五种常见分布式供暖设备 (热泵两联供、冷暖空调、燃气炉地暖、电地暖和电暖器) 在各场景中的应用展开分析，从不同的维度对于各设备进行定性和定量的分析对比。
在供暖设备应用场景定义上，考虑到居民供暖需求主要受到地理位置、建筑围护结构、楼层以及户型的影响， 本研究从这四个方面分别选取了长三角地区的较具代表性的居民供暖设备应用场景：地理位置选取了江苏徐州、上海、浙江温州3个城市，分别代表了长三角地区以内冬季最冷、冬季温和、冬季最暖的三种气候类型；建筑围护结构选取了一般居住建筑(保温性较差) 、仅满足能效规范的建筑(保温性尚可) 、和高能效建筑(保温性优异) 三种建筑围护结构；此外，楼层和户型也对建筑的供暖需求产生影响，本研究选取了底层、中间层、顶层3个楼层的场景，并选取了长三角地区占比最大的两种家庭结构对应的典型户型，作为设备对比的主要场景。图5对于供暖设备应用场景的设定进行了汇总。
在评价维度的选择上，本研究选取了碳排放、经济性、舒适度作为评价居民供暖设备的三个最主要维度。在全球共同应对气候变化的大背景下，尽量低的碳排放是未来供暖设备所必须具备的特质；经济性则是选购供暖设备时最为重要的考虑因素之一；而保证冬天的室内舒适度，是供暖设备所应具备的最基本的功能。除此之外，本研究还将对于其他可能会影响供暖设备实际应用与选择的因素进行探讨，从而更加全面的分析各类供暖设备的优劣。
3.2.1 对比维度一：碳排放
在长三角地区居民供暖设备应用场景中，热泵设备是造成碳排放最低的供暖设备，热泵设备在未来十年的使用周期内相比其他设备可实现30%~70%的二氧化碳减排；相对于燃气设备，热泵的碳减排优势将随着建筑用电的单位碳排放的降低愈发突出，2020到2060年热泵设备可累计减排超过50%。
本小节对比分析了每一种供暖设备在典型的应用场景下的未来十年碳排放累计总量以及更长时期内的累积碳排放。供暖设备产生的碳排放主要来源于设备使用过程中用能造成的二氧化碳排放：燃气设备直接燃烧天然气释放二氧化碳，产生建筑内的直接碳排放；电气化设备并不造成建筑内的直接碳排放，可以通过实际供暖设备用电量乘以地区的电网排放因子计算得出。
在同样的供暖设备应用场景下，热泵两联供以及冷暖空调造成的碳排放始终为最低。燃气炉地暖的碳排放位居中位。电暖器与电地暖因为效率较低、电网排放因子较高的原因，造成的碳排放明显高于其他设备。以徐州大户型为例，热泵两联供的使用周期内供暖碳排放仅为燃气炉地暖的70%，电地暖的三分之一，减碳优势十分明显。图6展现了不同地理位置的大小户型采用不同供暖设备的十年累计碳排放量(图中工字线代表围护结构和楼层对碳排放的影响)。
随着未来建筑用电碳排放的降低，热泵的减碳优势越发突出。热泵由电能驱动，造成的碳排放也受到建筑用电单位碳排放的影响。随着建筑屋顶光伏等分布式可再生技术的快速应用，建筑用电的单位碳排放会逐渐下降， 热泵供暖设备造成的碳排放也会随之进一步降低。图7展示了在典型供暖应用场景下不同供暖设备碳排放随时间的变化。热泵两联供2020年的二氧化碳排放已经低于燃气炉设备，随着电力系统的逐步脱碳其减排的优势将愈发明显，可以在2060年建筑用电零碳化的基础上实现零碳。虽然电地暖和电暖器也由电能驱动，到2060能够实现零碳供暖，但电地暖和电暖器的近期碳排放明显高于其他设备，且由于能效较低，电暖器和电地暖供暖的电功率极高并消耗较高的电量，对于电力系统的稳定运行带来极大挑战。基于对典型户型供暖设备累积碳排放的计算，到2060年，相比于燃气炉地暖，单个住宅使用热泵两联供将累计减碳超过50%，相比于电暖器和电地暖，累计减碳超过70%。
3.2.2 对比维度二：经济性
热泵设备具有运行成本低的优势，然而其整体经济性主要取决于其购置成本。同样作为热泵设备，冷暖空调的 购置成本低，其经济性为五种设备中最优，然而热泵两联供由于购置成本较高导致其整体经济性欠佳。
本小节计算对比了不同供暖设备应用场景下的供暖设备全生命周期(10年) 成本，从而对于不同供暖设备的经济性进行评估。全生命周期成本包括设备的初始购置成本、运行成本、维护成本以及残值，附录三对于各成本的概念以及研究所用假设进行了详细介绍。为了便于对比，全生命周期成本在本研究中以现金流折现(折现率取5%) 后的现值(Present Value) 等额年金(Equivalent Annual Cost) 来呈现。
图8 展示了不同地理位置的大小户型采用不同供暖设备的等额年金(图中工字线代表围护结构和楼层的影响) ， 等额年金越低，代表用于供暖的花费越低，设备经济性就越好。在大部分应用场景下，热泵两联供的经济性最差，电地暖和燃气炉地暖经济性略优于热泵两联供，冷暖空调的经济性最优。对于小户型来说，热泵两联供和冷暖空调的等额年金分别为每年4900元左右和1300元左右，相当于每年在供暖上每年分别需要花费约4900 元和1300元。这一数字在不同应用场景下略有差异：小户型的热泵两联供等额年金范围在每年4670元~5450 元间，冷暖空调等额年金范围在每年1040元~1970元间。对于大户型，热泵两联供和冷暖空调的等额年金分别为每年6200元左右和2200元左右。大户型的热泵两联供等额年金范围在每年5520元~7430元间，冷暖空调的等额年金范围在每年1440元~3710元间。燃气炉地暖和电地暖的平均等额年金也低于热泵两联供，然而两者的等额年金随着应用场景的变化呈现出较大波动(见图8中的工字线) ，而冷暖空调以及热泵两联供的等额年金则相对稳定，这导致部分情况下，热泵两联供的经济性已经接近或者超过电地暖和燃气炉地暖(见图8圆圈) 。
热泵的经济性随着供暖需求量的增大而得到提升。在研究模拟得到供暖需求量最多的应用场景下，热泵两联供的等额年金约为7432元/年，远低于电地暖的9214元/年，趋近于燃气炉地暖的7366元/年。导致供暖需求量增加的因素有很多，包括更冷的冬季温度、保温更差的围护结构、更大的户型、以及住宅更靠近建筑物底层/顶层等。换言之，对于位于气候较冷地区的、较旧的、面积更大的、靠近底层或顶层的住宅来说，采用热泵两联供供暖会更具有经济性。通过对各供暖途径等额年金随供暖需求的变化趋势分析，研究也发现在全年供暖量超过 11500 kWh时，即对应每年供暖耗费的燃气量超过1500立方(对应整个供暖季的燃气费用超过3900元)，热泵两联供的全生命周期经济性会超过燃气炉地暖。
运行成本为热泵优势所在，购置成本决定热泵整体经济性。在所有设备中，热泵两联供系统的购置成本最高、运行成本最低。其次，燃气炉地暖和电地暖系统也有较高的购置成本，且运行成本上并无优势。电暖器和冷暖空调的购置成本很低，但前者运行成本高，后者运行成本低。除了购置和运行成本外，维护成本和残值也对生命周期经济性有一定影响，尤其是热泵两联供和电地暖系统的残值较高，回收价值可观，但是不足以给整个生命周期的经济性带来显著优势。
除了购置成本外，其他因素也对热泵的经济性有一定的影响。其中影响最为直接的包括峰谷电价、折现率，以及热泵的供暖设备效率(消耗单位电量能够产生的供暖量，即COP)。针对这些因素，本研究进行了单变量的灵敏度分析(见图11)，得到以下结论：
• 热泵的购置成本(包括室外机和室内系统) 对热泵生命周期经济性影响超过其他的因素。由于热泵两联供购置成本占比最大，购置成本的变化会对生命周期经济性造成最大的影响。其中，热泵外机的价格影响超过了热泵室内系统价格的影响X。
• 折现率增加对热泵有明显劣势。热泵的主要优势是节省运行成本，即减少未来的支出。高折现率下，未来的现金流折损更多，节省未来运行成本的价值更低，不利于应用热泵。
• 电价对热泵经济性影响有限。电价高低主要影响热泵的运行费用，如图10所示，运行费用在热泵生命周期费用中占比远低于其购置成本，因此电价变化对于热泵整体经济性影响较为有限。
• 增加热泵COP对提升热泵生命周期经济性效果有限。虽然更高的COP能降低热泵能耗，减少运行费用，但是运行费用在热泵生命周期费用中占比低，而且目前市面上的热泵COP提升空间有限，因此优化COP并不是提升热泵经济性的理想手段。
3.2.3 对比维度三：舒适与健康
热泵两联供在温度、湿度、噪音和空气质量几个影响舒适与健康的因素中表现最优。热泵两联供、燃气炉地暖、电地暖能够提供更为均匀的温度分布且干燥感较低、供暖舒适性好。相比于燃气炉地暖，热泵两联供还能够提供更优的室内空气质量。
温度、湿度、噪音是最容易直观感受到的影响室内舒适度的因素，供暖设备在这三方面的表现对于冬季室内舒适度的评价尤其关键。另外，室内的空气质量(如过敏原、扬尘、二氧化碳浓度等) 在影响室内舒适度的同时，还会对于人员的健康造成影响，也是需要予以考虑的方面。供暖设备采用的末端形式对以上几个因素有着重要影响，在常见的五种分布式供暖设备中，热泵两联供、燃气炉地暖、电地暖均采用地暖作为设备的室内末端，而冷暖空调则采用了风系统作为室内末端，电暖器的末端形式则相对较为多样。下文将从上述几个方面对比评价不同分布式供暖系统对于舒适和健康的影响。
在室温控制方面，室内温度的分布对于室内舒适度的高低至关重要。供暖设备采用的室内末端形式是室内温度分布的决定性因素。图12展示了地暖末端与风系统末端的温度舒适度对比，可见地暖的供暖曲线最接近人理想供暖曲线，这是由于两种系统不同的加热方式导致的：地暖可以通过辐射散热形成舒适的室内温度分布，使人足底先暖和起来；而冷暖空调通过强制送风系统供暖，由于冷暖空调出风口位于房间靠近天花板的位置，热空气上浮，容易造成“头热脚冷”的不适感。除温度分布外，加热快慢也是需要考虑的因素，采用地暖作为末端的设备由于供暖面积较大且需要先加热介质(水、地板) 然再以辐射的方式向室内供热，因此其加热速度相对于冷暖空调和电暖器较慢(但停机后还能利用热介质以及地板的蓄热持续供热一段时间) ，这也造成设备的使用模式的差异，通常地暖系统为全时间使用，而冷暖空调和电暖器则可以更加灵活的选择开关时间。整体来讲，热泵两联供、燃气炉地暖、电地暖这三种末端为地暖的供暖设备相比冷暖空调和电暖器能够提供较高的温度舒适度，然而其加热速度要慢于冷暖空调和电暖器，因此并不适合间歇性的使用模式。
湿度方面，一般供暖设备本身均不具备在冬季供暖工况下直接调节室内湿度的功能。而冷暖空调通常会造成室 内更加干燥的感觉，普通冷暖空调采用自上而下的送风方式，风感强，空气中的水分和皮肤表面的水分蒸发都会加快，导致住户感到空气更加干燥。而地暖和暖气片由于是通过辐射散热的无风系统，干燥感会大大降低。
噪音方面，采用地暖作为末端的供暖设备与电暖器在制热工况下不需要风系统，避免了送风噪音，因此运行相比冷暖空调更为安静。同样是采用地暖作为末端，电地暖由于无机械结构，可以完全避免噪音问题；热泵两联供的室外机与燃气炉地暖机箱均会产生一定的噪音，但由于安装位置通常远离室内人员的主要活动区域(热泵室外机安装在室外，燃气炉地暖机箱通常安装在厨房) ，因此噪音影响均较小。
室内空气质量方面，引入室外空气是促进良好空气质量的重要因素之一，现大多数住宅加热系统都没有新风系统，它们只有排风系统并依靠渗透和人为通风将室外空气带入房屋，这样不但容易引入室外污染物，且人为通风难以保证足够的新风量，降低了室内空气质量。部分较为先进的热泵两联供可以选配机械新风系统，这可以帮助提升室内空气质量，由于机械新风系统通常具有过滤(HEPA/MERV) 装置，可以有效过滤室外空气中的污染物，且机械控制更为准确，能够保证室内新风量满足健康需求。目前市面上一些较为先进的冷暖空调也具备 新风功能，但其提供的新风量通常较低，对于室内空气质量的提升较为有限。
表 1对于各分布式供暖设备的舒适健康方面的优劣进行了总结。
除上述三个主要的对比维度之外，安装的难易程度以及与未来的能源系统的匹配性，也是影响供暖设备选择的重要因素，这些方面也在一定程度上会影响供暖设备能耗及碳排放，本小节将针对这些特点对于上述的供暖设备进行对比。
安装难易程度
由于采用了地暖作为室内末端，热泵两联供、燃气炉地暖、电地暖通常安装较为麻烦，热泵两联供室外机的安装大大限制了热泵在既有老旧小区的推广。燃气炉地暖、热泵两联供以及电地暖因为需要在地板下方铺设水管或者发热电缆以及其配套措施，安装需要较为复杂的施工过程，因此一定程度上会影响用户选择这类设备。与之相比，冷暖空调、电暖器这类相对小型家电设备则明显更具优势，特别是对于既有房屋，住户在不需要对于房屋整体进行重新装修的情况下则更容易选择“即插即用”型设备进行供暖。还必须指出的是，热泵两联供通常需要体积较大的室外机组，长三角地区的老旧小区通常没有预留足够的空间，会直接导致热泵两联供设备在这类房屋中无法安装。
与新型能源系统的适配性
在未来面向零碳的新型能源系统中，相比于工业和交通，建筑是最容易实现电气化的部门，因此天然气设备在建筑领域的应用必然会逐渐减少直到实现全面电气化。热泵两联供系统因为其超高能效以及具备一定储热能力的特点，是五种长三角地区常见供暖设备中，与新型能源系统适配度最高的供暖设备。
如果长三角地区迅速增长的供暖负荷全部由电气化手段满足，也会造成地区用电量与尖峰用电负荷的大幅增长， 造成间接碳排放的增加并为电网的稳定运行带来挑战，应对这一问题，热泵供暖能效较高的特点使其在提供同样的热量时消耗较低的电能，相对于电暖器和电地暖这类能效较低的电直热设备对于电力系统的影响较小。
另外，随着光伏、风电等可再生发电在电力系统中占比的逐渐提升，提升电力系统的灵活性变得愈发关键，相比于在供给侧提供更多储能设施(如利用电池储能等) ，需求侧响应通常是更具经济性的手段。热泵两联供系统中，水是热能的主要载体，同时也是良好的储热媒介，热泵可以在电力需求尖峰时段来临之前或者可再生能源发电充裕的时间提前运行，把制备的热量预存在水中，并在需要的时候释放出来，从而实现了在不牺牲室内舒适度的同时以极低的成本完成了需求侧的负荷管理(转移负荷) 。通过热泵提供需求侧负荷的转移与调节也成为近年来的热点研究课题之一，有研究显示，为热泵系统加装额外的热缓冲装置(thermal buffering) 可以实现长达6小时的负荷转移，老旧房屋的围护结构更新改造配合热泵提供的灵活性能够极大地降低新型电力系统所需的储能建设成本。
3.3 供暖设备对比小结
本章节对于长三角地区常见的五种供暖设备进行了多维度的对比(见表 2)，热泵设备是最为符合居民供暖设备 升级以及零碳转型趋势的设备，其造成的碳排放明显低于其他设备，且具备和新型能源系统良好适配的能力， 然而热泵设备依然存在着一定的短板：冷暖空调供暖的舒适性较低，而热泵两联供也存在初始投资较高造成的 整体经济性较差，安装较困难，供暖灵活性不高的问题。
在实际的供暖设备选择时，用户往往可以按照实际需求被分为两类：一类是对于室内舒适度相对不敏感的人 群，另一类则是对于室内舒适度要求较高的人群。
冷暖空调和电暖器这两类设备是第一类用户主要选择的供暖设备，相较于电暖器，冷暖空调存在较为明显的优势，是更加值得推荐的供暖设备。电暖器尽管价格相对更加低廉，且灵活性更高，但由于其能效较低，并不适合用作为房间的主力供暖设备。
第二类用户由于对于舒适度的高要求，更偏向于在辐射型供暖设备中(即热泵两联供、燃气采暖炉和电地暖) 做出选择。对于这类用户，热泵两联供是最值得推荐的供暖设备。首先，其节能减碳的优势十分明显；相比其他两种地暖设备，热泵两联供由于其“冷热两联供”的特点，具备提供更优舒适性的可能性，如新风、湿度调节等，更加符合高舒适度要求类用户的需求；成本方面，对于热需求较大的住宅(户内面积较大、气候相对较冷、 处于建筑的顶层或底层)，热泵两联供的超高能效带来的运行成本优势也将得到凸显，提升其整体的经济性。
关于落基山研究所(RMI)
落基山研究所(RMI)，是一家于1982年创立的专业、独立、以市场为导向的智库。落基山研究所与政府部门、企业、科研机构及创业者协作，推动全球能源变革，以创造清洁、安全、繁荣的低碳未来。落基山研究所致力于借助经济可行的市场化手段，加速能效提升，推动可再生能源取代化石燃料的能源结构转变。落基山研究所在北京、美国科 罗拉多州巴索尔特和博尔德、纽约市、加州奥克兰及华盛顿特区设有办事处。
