一探究竟！为什么马斯克和欧盟都在狂飙热泵
发布日期：2023/3/24
今年3月1日，马斯克在特斯拉投资者日上揭晓了万众期待的宏图计划三，向世界描绘了完全可持续之路。除了大家较为熟悉的光伏、储能、电动车和氢能，马斯克重点介绍了热泵这项不为大众所熟知的技术。
特斯拉投资者日的热度还未消退，全球低碳转型“急先锋”欧洲紧跟着提出净零工业法案，将在欧洲地区重点部署热泵。
经过一番研究，我们发现看起来遥远的热泵，实际上即将形成燎原之势。化石能源匮乏的日本自上世界80年代起，便开始大规模生产热泵产品，比如空气源热泵空调、空气源热泵热水器等；欧洲地区已经广泛使用热泵产品。
更加意外的是，虽然国内很多人都没听说过热泵，实际上中国是全球最大的热泵生产国，占据全球近6成市场份额。
作为能源转型的长期观察者，本篇我们将跟随马斯克和欧盟的视角认识热泵。
01
藏在马斯克宏图计划三部曲中的热泵
时间回到2006年，马斯克提出宏图计划第一篇章：首先打造一款足够惊艳的超级跑车，再用赚到钱开发一款产量适中、价格相对更低的车型，最后再用赚到的钱打造一款价格亲民的量产车。同时，马斯克还要提供零排放的太阳能电力产品。
从RoadSter到ModelS/X，再到Model 3/Y，特斯拉车型逐步覆盖各消费阶层。如今宏图计划第一篇章规划的要点已基本实现。
时隔十年，马斯克于2016年启动了第二篇章：开发出更高效的太阳能电池产品；开拓电动汽车细分市场；研发比手动驾驶安全10倍的自动驾驶功能。
今年特斯拉投资者日上，马斯克在万人瞩目下发布第三篇章，并极为详实地描绘了通往可持续能源的道路。一生二，二生三，三生万物。透过特斯拉电动车、“Powerwall”太阳能等产品，我们看到马斯克的可再生能源闭环正在形成。
图片图1：宏图计划3的五大组成部分,资料来源：特斯拉
马斯克将宏图计划3分成五大组成，其中重要一步是让家庭、企业、工业等都转向热泵。
为什么马斯克特别强调热泵？实际上，热泵是当前电力高效转为热量的最佳途径，一直契合马斯克全面电气化的终极目标，也就是用清洁能源电力替代现在的石油、煤、天燃气等化石能源。
02
欧盟又是如何看待热泵？
直接说结论，热泵已经成为欧洲电气化的重要战略布局。为了达成2050年净零排放目标，近年来，欧洲多国相继出台政策，通过补贴、减税、低息贷款、能效法规、高碳税、技术禁令等措施加速热泵应用推广。
2022年5月，欧盟启动REPowerEU计划，使热泵的部署率提高1倍，将地热和太阳能整合到现代化的区域和公共供暖系统中。
在REPowerEU计划明确的7个投入方向中，“能效升级和热泵”项目位居第2，计划投入资金规模约为560亿欧元，约占当前规划资金规模的20%。
图2：热泵在欧盟REPowerEU计划中占据重要位置,资料来源：慧博投研
03
多面手热泵
1、热泵是什么？
对于热泵，不熟悉的人以为这又是一项黑科技。其实无论产品还是技术，都已经成熟。还是以特斯拉为例，早在2020年，马斯克就将热泵空调应用在热销车型Model Y上，开辟了新能源车热管理的新标杆。
大家知道水泵是将水由低处送往高处的装置，顾名思义，热泵是能将热能由低温物体转移至高温物体的装置。由于热能无法自发地、无代价地由低温物体转移至高温物体，因此热泵其实就是热能的搬运工。
为了方便理解，我们将热泵视为制热能力更强、效率更高的空调即可。毕竟他们的底层技术原理都一样，甚至连外观也有8分相似。
按热源来源不同，热泵可分为空气源热泵、水源热泵和土壤源热泵；按功能的不同，热泵又可以分为热泵热水器、热泵地暖、热泵中央空调等。
图片图3：主要公司热泵相关产品和空调相似，资料来源：长江证券
2、热泵的多功能性
跟传统空调一样，热泵已经融入社会的方方面面，不管是在家用、商用，还是工业领域。而且随着技术进步，其应用范围还在不断扩大。
建筑领域，热泵可以将房屋外部的能量传递到房屋内部，这将为建筑物供暖减少33倍能耗。
新能源车领域，相比PTC空调，热泵空调制热效率更高，更加省电，尤其是在冬季可以大幅提升新能源车整体续航水平。目前比亚迪、蔚来、小鹏等车企均在布局热泵技术。
光伏领域，热泵技术能够实现光伏电站和空气能热泵适配组合，提高能源利用效率。
工业领域，中高温热泵技术可用于回收工业余热及其他低品位能源，替代部分燃油（气）等锅炉设备，满足更多工业生产对蒸汽及热水的需求。
如果不是今年的特斯拉投资者日，想必很多人不会去关注热泵。事实上，热泵不仅应用广泛，其技术和产品性能优势也十分突出。
最值得说的当然是节能优势，在提供等量热能的前提下，热泵能耗成本约为燃煤的15%-20%，纯电能的25%-30%、燃油/燃气的30%-50%、常规太阳能的60%-70%。
更具体一点，热泵的热效率通常可达300%-400%以上，即消耗1度电可以搬运3-4倍以上的热能。以家庭取暖为例，热泵的热效率比电取暖、壁挂炉、集中燃煤供暖等高出数倍。
图4：不同取暖方式的最大热效率，资料来源：麦迪斯热泵官微，华泰证券
当传统能源价格越高，热泵高效率带来的经济性越明显，其产品竞争力越强。这在欧洲市场体现得淋漓尽致。
2022年，在俄乌冲突带来的能源危机催化下，欧洲热泵的销量和增速均创下历史新高，同比增长近40%。根据欧洲热泵协会发布的行业分析报告显示，欧洲安装的热泵总数已经达到2000万台。
从使用经济性角度分析，在当前的补贴力度下，测算未来德国天然气价格分别维持在2.5/2.0/1.4欧元/Nm³时，采用热泵采暖的投资回收年限分别为2.0/2.9/6.4年。可以说，作为低碳转型的先发地区，欧洲市场已经充分验证了热泵的经济价值。
图片图5：德国采暖方案投资回收年限对比（热泵VS燃气壁挂炉），资料来源：兴业证券
热泵的另一大优势是环保。这很好理解，毕竟它不涉及燃烧。在全球走向零碳世界的道路上，热泵的环保优势将会不断被放大。
在使用场景方面，热泵能接受的运行环境温差更大，其在低温环境下持续运转和热效率稳定性都要明显优于传统暖通空调。毕竟普通空调在零下5度的时候，其制热能力就开始快速衰减。
3、热泵的本质是热管理
一直以来，人们主要通过燃料化石能源提供热能，再把热能变成电能。而在低碳社会，我们需把风电、光伏等清洁电力转化成热能，再供应各行各业。显而易见，角色变换之后热能的地位已经凸显，未来如何有效管理热能将成为新的战略制高点。
马斯克在投资者日开场部分就提出80%的能源消耗来自化学燃料，然而化石燃料的能效只有30%左右，并且在使用过程中会产生大量的热能并没有加以利用。换言之，热管理是实现零碳世界不可或缺的部分。
本质上讲，热泵可以归属于热管理，是热管理的拳头技术。这也是马斯克说的从行业的角度来看，热泵为提高效率铺平了道路。
以新能源车为例，在制热部分，由于没有余热可以用，必须要电池主动加热，所以热管理的效率更加关键。一个好的热管理系统，不仅可以提升电池的安全性和乘客的舒适度，还能够显著降低综合能耗。
新能源车热管理的核心主要是针对动力电池，以宁德时代为代表的动力电池企业们正在热管理领域不断发力。
举例来说，宁德时代增配控制器和热量传输系统，将座舱、电池和电机电控热管理这三个子系统深度集成，然后通过协调工作的方式来提高热量的使用效率。当然，为了实现协调高效工作，有很多技术难点需要克服，在此就不展开讨论了。
面对电池加热效率低的痛点，宁德时代设计电池智能化的自加热技术。简单来说就是增加控制部分和储能模块，使得电池组能够快速的充电和放电，利用自身的内阻产生热量，而不是依赖外部的热量。
自加热。加热电池，在技术上更容易实现的就是利用外部元器件加热，但是热传导本身是一个慢过程，满足不了快速热车的要求。而宁德时代巧妙地利用电池内部电阻来加热的方法来实现，那相对热传导速度提升了一个数量级，类似于烧水用热得快。宁德时代将这种方法形象地称为“自加热”。
智能化。对动力电池性能有极致追求的宁德时代不仅是革新底层原理就躺平了，显然会想百尺竿头更进一步，因此在回路里大量的采用模块化、控制器、开关等，目的就是为了实现智能化，智能化的好处就是能够进一步提升加热效率，和“自加热”产生1+1>2的效果。
图6：宁德时代发明专利——电池组系统及其控制方法、管理设备，资料来源：宁德时代
虽然电池自加热技术的原理看起来简单，背后需要动力电池企业对整车的热管理都了如指掌，而且要做好整个新能源热管理系统的“控制”，也只有做好了整个系统的控制，才能在更高的层面实现对整车热管理的有效管理，这才是有本之木、有源之水。
到了2022年6月23日，宁德时代发布麒麟电池热管理技术，通过水冷系统结构设计适应新能源车高压快充的热管理要求，导热性能提升50%，实现急速控温。凭借技术的领先性，麒麟电池被美国《时代》周刊（TIME）评为2022年度最佳发明。
图片图7：宁德时代CTP3.0麒麟电池热管理技术，资料来源：宁德时代官网，中信建投
言归正传，回到热泵身上，作为热管理的重要技术，其在可再生能源闭环中的地位不可或缺，其是推动节能减排，实现零碳社会的关键组成部分。这也是马斯克将热泵与可再生清洁电力、电动车、氢能等放在同一维度的深层原因。
04
热泵成为C位之后？
在投资者日上，马斯克宣称要花10万亿美元改造地球，为地球使用可持续能源指出一条清晰的道路。那么本文的主角热泵要花费多少呢？相信这是大家更为关心的话题。
根据国际能源署发布的《EnergyEfficiency 2021》报告中显示，在2050年净零排放情景中，热泵是实现空间供暖电气化的关键技术，2030年全球平均每月热泵销量将超过300万台。
作为热泵普及率最高的欧洲地区，根据欧洲热泵协会预测，到2026年需要新增安装2000万台，到2030年需要新增6000万台热泵，对应10年CAGR约为21%。
图8：EHPA预计推算到2030年欧洲热泵市场CAGR约为21%，资料来源：EHPA（欧洲热泵协会），长江证券
在我国，根据中国工程院江亿院士发表的《双碳目标下的热泵行业发展机遇》，在整个社会减碳量的15%靠热泵。热泵在建筑领域大概能替代3.5亿吨，在集中供热大概能替代1-1.5亿吨，工业生产中能替代10亿吨碳排放。
根据2021年印发的《中共中央、国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》中的相关表述，在建筑用能结构方面，中国将因地制宜推进热泵、燃气、生物质能、地热能等清洁低碳供暖。
总而言之，在碳中和背景下，热泵作为关键解决技术方案，其长期成长的确定性是可见的。根据中信证券测算，到2025年，国内热泵市场规模达到500亿元；欧洲热泵市场规模达到144亿美元。
图片图9：主要国家的热泵政策，资料来源：EHPA，产业在线，中信证券
最后讲到产业链各路玩家，其实从外观上判断，大家已经猜到热泵产业链结构和核心零部件与空调行业较为类似。自然会有很多熟悉的面孔。
热泵的核心零部件包括压缩机、换热器、阀件、水泵及水箱等。根据芬尼科技招股说明书，热泵产品成本结构中，直接原材料占整机成本超过80%，其中换热器和压缩机约占材料成本的近一半。主要玩家有海立股份、三花智控、盾安环境、大元泵业等。
整机组厂商则主要布局采暖、热水、烘干等领域，主要玩家有传统三大白电龙头海尔、美的与格力，也有热泵专业制造厂商如中广欧特斯、芬尼科技等。
在海外市场中，中国技术和产品认证已经达到海外市场认可。其中，广州芬尼科技凭借ODM业务占据海外市场第一，美的、海尔等家电巨头紧随其后。
图10：2021年中国热泵出口大幅增长，资料来源：海关总署，华创证券
从技术角度，热泵产品和空调行业相关技术具有相似性，但是关键技术与传统空调又存在明显区别，需要空调行业之外的多种技术和产品配合。简单说就是热泵存在更高的技术壁垒。
由于热泵产品需要在高温、高湿、极寒等复杂、极端的工作环境使用，热泵产品需要具备高稳定性、高耐久性和抗腐蚀性等性能，才能长期保持良好的运行状态。
另一维度，热泵产品并不仅仅是各项技术的简单叠加，而是需要有效协调利用不同技术，将各项技术紧密联系在一起，从而达到产品综合性能最佳。比如家庭需求强调在舒适性和节能性，而商用需求侧重稳定高效运行和服务能力。所以说，具备长期技术积累的头部企业得以保持先发优势。比如美的集团、海尔智家等老牌家电巨头。
近年来，国内热泵企业不断地加大研发投入，热泵相关技术也在不断地高速迭代。比如高效氟冷变频驱动技术、涡旋喷气增焓技术、智能除霜技术等，产品安全性、稳定性、智能化等都得到明显提升，进一步促进热泵产品的应用。
图片图11：热泵出口企业及上游核心部件相关标的汇总，资料来源：产业在线，海关总署，华创证券
过去三年多时间，锦缎研究院从光伏、风电、氢能，到智能电网、储能，再到电池材料、动力电池企业、电动车企，实现了可持续发展道路的详细覆盖。随着可持续发展的深入，新的技术进步和革命还在不断涌现，我们将持续扩大我们的研究图谱。
来源：锦缎 作者：知勇
