既有建筑供暖脱碳中的热泵应用——瑞士的早期实证与政策分析

《PLOS Climate》：Decarbonising existing buildings with heat pumps – Early evidence and policy analysis for Switzerland

　　

摘要：为解决既有建筑中油气锅炉(oil and gas boilers)达到寿命终点时通常被再次替换为化石燃料锅炉这一问题，瑞士部分领先州(cantons)已开始实施更具针对性的脱碳政策。本文旨在批判性地探讨这些州在建筑供暖系统脱碳政策措施方面的实践经验。研究人员以半结构化访谈(semi-structured interviews)为主要方法开展研究。早期证据表明，相关政策通过确保向可再生供热技术（主要为热泵）的转型而具有有效性。所实施的政策组合(policy package)包含强制性要素（强制可再生能源份额 mandatory renewable energy shares）、补贴(subsidies)以及信息与传播措施，形成了化石燃料锅炉的准禁止(quasi-ban)。避免明文禁止化石燃料使用既有助于提高建筑业主接受度，也能合理兼顾特别困难的锅炉更换情形（即尚无技术上或经济上可行的完全可再生解决方案之情况）。鉴于瑞士电力供应碳足迹极低，其为从化石燃料锅炉向电热泵(electric heat pumps)转型提供了极具说服力的案例。这一点通过对若干欧洲国家热泵与燃气及燃油锅炉CO2排放之比较分析得以证实。研究人员进而对不同补贴水平下热泵平准化成本(levelised cost)与燃气锅炉进行比较。在典型热泵补贴（相当于投资成本的11%）下，其平准化成本仍处可接受范围（较燃气锅炉贵7%）。敏感性分析显示较高的气电价格比(gas to electricity price ratio)对财务可行性至关重要。瑞士领先州的实证表明，所选政策措施有效、可负担且被接受，可供其他国家借鉴。

《PLOS Climate》刊载论文解读：既有建筑供暖脱碳中的热泵应用——瑞士的早期实证与政策分析

本文发表于《PLOS Climate》，针对既有建筑存量中供暖系统脱碳这一严峻政策挑战展开研究。当前欧盟及多国建筑供暖仍高度依赖油气和燃气锅炉(oil and gas boilers)，其在寿命终结时往往被再次替换为同类化石燃料设备，导致建筑 sector 占全球能源相关CO₂排放的26%（欧盟为34%），且既有建筑节能需求远高于新建建筑。尽管欧盟《建筑能源性能指令》(EPBD)要求2030年起新建建筑为零排放建筑并要求制定国家改善措施，但对分散式既有建筑化石燃料锅炉淘汰缺乏具体指引，德国等国的激进提案也被撤销或弱化，整体EU建筑脱碳进度与目标路径差距持续扩大。瑞士虽同样目标2050年建筑零碳排放，但实行联邦制下各州(cantons)拥有建筑能源立法权，部分先锋州已超前实施锅炉更换时强制最低可再生能源份额(minimum share of renewable energy sources)及配套措施形成"准禁止(quasi-ban)"化石燃料锅炉，其经验对温带气候、低碳电力结构的国家具参考价值。研究人员通过定性为主结合定量的方法，调研瑞士七個先锋州政策制定者、热泵协会、工程公司及租户协会，辅以CO₂排放强度对比与热泵平准化成本(levelised cost, LCO)敏感性分析，得出强制可再生比例+补贴+信息宣导的组合政策可有效推动既有建筑油/气锅炉向热泵转型，在典型补贴下热泵LCO仅比燃气锅炉高约7%，政策具效费比与接受度，可推荐他国参考；瑞士2025年已发布CMR2025要求新装供热全用可再生能源或废热，印证渐进加码策略成功。

研究方法概述：

研究人员采用以定性为主的混合方法。定性部分对瑞士七個供热脱碳先锋州（苏黎世Zurich、汝拉Jura、纳沙泰尔Neuchatel、弗里堡Fribourg、图尔高Thurgau、沙夫豪森Schaffhausen、卢塞恩Lucerne）的能源/气候部门政策制定者（6人）、瑞士热泵协会（1人）、能源工程公司（2人）及租户协会（1人）共10人开展半结构化访谈(semi-structured interviews)，收集政策设计经验与感知效果；定量部分基于可下载Excel模型按标准方法计算空气源热泵与燃气锅炉平准化成本(levelised cost of heat)，假定既有住宅单位面积热需求100 kWh/m²/a、年均性能系数(annual Coefficient of Performance, COP_annual)为2.8（空气源热泵），对比不同补贴率与投资成本比下的LCO，并做气电价格比(gas to electricity price ratio)敏感性分析；另采用各国电网供电组合CO₂排放因子对比热泵与油/气锅炉的CO₂排放强度。访谈于2022年4至7月进行，受访州官员提供政策执行估算数据，辅以文献与既有实测数据交叉验证。

研究结果：

3.1 Main policies implemented（主要实施政策）： 通过对七州能源部门的访谈归纳出三项核心政策工具——①信息与咨询(information and advice)：国家级RenewableHeating项目提供技术与费用测算，各州开展面向业主、安装商、设计师的宣导与能源审计(CECB+/GEAK+)补贴；②管制措施(regulatory measures)：更换旧化石燃料锅炉时强制最低可再生能源供热份额，先锋州已将CMR2014规定的10%提升至15%~100%（视技术经济可行性），并辅以过渡期与豁免条款（如无可行可再生方案可保留化石燃料），实质上构成quasi-ban；③补贴(subsidies)：六州按协调补贴模式(Harmonised Subsidy Model, HFM/ModEnHa)补偿热泵较高初投资，苏黎世Zurich按热泵与油/气锅炉平准化成本差额设定补贴。此外部分州简化热泵审批流程、延长过渡期、提供安装商培训，并将个体可再生供热纳入地方供热规划(local heating plans)。

3.2 Viability of policies（政策可行性）：

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  3.2.1 Technical viability（技术可行性）：多数情况下热泵技术可行，但受保护历史街区、密集城区空间不足及噪音限制影响；未做围护结构节能改造(old building envelope)即装热泵会导致供热水温高、COP下降、冬季电峰负荷增加，部分州因此对低能效建筑限制或削减补贴。
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  3.2.2 Financial viability（财务可行性）：油/气锅炉长寿命与低残值使其具竞争优势，热泵初投资约为燃气锅炉近3倍；经典型补贴（约投資成本11%）可缩窄LCO差距，个别困难案例（如电散热器更换需重铺末端散热系统）额外补贴仍难完全覆盖差额，需关注低收入家庭豁免。
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  3.2.3 Level of acceptance and effectiveness of decarbonisation policy（接受度与政策有效性）：州能源部门评估业主对补贴+配套措施的接受度高～极高；单户住宅化石燃料锅炉被完全可再生替代比例估算可达90%（汝拉Jura、卢塞恩Lucerne、纳沙泰尔Neuchatel），多户住宅比例较低（约50%，弗里堡Fribourg），图尔高Thurgau与沙夫豪森Schaffhausen报补贴申请量显著上升。设置过低强制可再生比例（10%~20%）配合强信息+补贴仍可实现近完全脱碳。
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  3.2.4 Further enablers（进一步促成因素）：简化行政审批（如反转油/气锅炉与热泵许可难度）、充分安装商培训与认证、合理过渡期、嵌入地方供热与制冷规划(local heating and cooling plans)、明确分区（个体可再生 vs 区域供热district heating）。
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  3.2.5 Views about bans of fossil fuel boilers（对化石燃料锅炉禁令的看法）：受访者对明文禁令态度分歧，主要顾虑含特殊工况无法用热泵（需设豁免）、房地产业界抵触及社会接受度不足，认为当前quasi-ban已能达成目标且阻力较小。

3.3 System-wide CO₂emissions（系统层面CO₂排放）： 以COP_annual与各国电网CO₂排放强度绘制热泵供热量CO₂排放曲线，结果显示瑞士电网低碳背景下COP_annual=2.0时热泵已较油/气锅炉减排>50%，COP_annual≥2.5~3.0可达深度脱碳；同系统若运行于德国当前电力结构则可能排放高于燃气锅炉，凸显电网脱碳重要性。分析基于消费侧电力混合含进口，未做全生命周期含制冷剂泄漏(life cycle approach with potential refrigerant losses)细化。

3.4 Analysis of levelised cost（平准化成本分析）： 假设空气源热泵初投资约为燃气锅炉2.56倍、COP_annual=2.8、电价24分/kWh、天然气价约16分/kWh（含13%加价），无补贴时热泵LCO较燃气锅炉高16%；给予典型补贴（相当于初投资11%，约投資额减11%）后高7%；若补至两系统LCO相等需补贴≈初投资20%；若补至初投资相等需补贴≈65%。敏感性分析表明热泵具成本竞争力(levelised cost ratio HP/GB<1)需气电价格比(gas/electricity price ratio)＞0.65（典型投资成本比2.56）或＞0.6（投资成本比2.0），高气价、碳税或热泵运行电价优惠有助财务可行性。

3.5 Potential subsidy-related rebound effects（潜在补贴相关回弹效应）： 按补贴基准（LCO持平vs初投资持平）与产权自用vs出租给付能源费租客区分四类情景，LCO持平补贴且无freeriding时可避免直接用能回弹(direct rebound effect)；初投资持平补贴使业主或租客获可支配收入可能产生回弹；补贴引发安装价格上涨视为另一类回弹(provider-side rebound)；补贴资金来源于税收或债务分别引致prebound效应，需量化但未在此实证。

讨论与结论总结：

讨论部分指出单一政策工具不足以驱动所需规模的热泵部署，需policy package组合（信息+经济激励+管制），这与北欧国家"heat pump policy package"经验相符。瑞士渐进提高强制可再生份额并辅以沟通参与(co-design, co-decision)、安装商伙伴关系及过渡期安排可提升接受度，最终促成2025年瑞士各州一致同意CMR2025（新装供热须全用可再生能源或废热），证明由soft measures起步再转向 coercive measures可行。局限性含缺乏官方热泵安装率登记数据、多户老旧建筑经验有限、访谈只选先锋州可能偏乐观、样本较少缺大样本房东与租客代表。

研究结论为：既有建筑用热泵替代油/气锅炉脱碳因较高初投资及业主无明显协同效益(co-benefits)而成突出政策挑战，不可避免需较现行更强硬措施。瑞士先锋州早期证据显示，强制最低可再生份额(10%~20%)配合补贴与信息宣导构成的quasi-ban可高效、可负担且获接受地推动转型，较明文禁令抵触更小并为特殊建筑留豁免空间。成功政策设计需现实可接受过渡期、适配补贴水平、保障低收入群体并控回弹效应。瑞士经验可供他国借鉴，瑞士自身仍需维持周全支持体系。渐进施政待利益相关方对齐后可升级为明示禁令，已在CMR2025中体现。