30国已制定热泵安装激励计划，美的、LG等正布局小型便携式设备

热泵背后的概念很简单：通过电力驱动，将热量转移到周围冷的或热的建筑中。这并不是一个新想法——早在 19 世纪 50 年代它们就已经被发明，自 20 世纪 60 年代以来就一直在千家万户中使用。

但突然之间，它们成为了最热门的家电产品，因为它能极大的降低潜在的成本，同时产生了一定的气候效益，最近的政策激励措施也是另一个重要因素，所以热泵引起了人们的广泛关注。

虽然基本概念可能很简单，但热泵如何工作的细节却很有趣。以控制家中温度的名义，这个设备几乎打破了物理定律。热泵也变得越来越好：新机型更高效，更能应对寒冷的天气。

图 | 博世热泵在冷室中进行测试（来源：MARIJAN MURAT/PICTURE-ALLIANCE/DPA/AP IMAGES）

所以让我们深入研究，看看热泵是怎样运转起来的。

热泵从一个地方收集热量，并将其高效的转移至另一个地方。我们将主要讨论热泵在加热方面的用途，它们也可以用于冷却，从低温的地方收集热量，然后像空调一样输送它们。许多热泵实际上都可以反向运行，取决于需要加热还是制冷。

热泵中发挥作用的核心是制冷剂：一种在回路中循环的液体，在循环过程中吸收和释放热量。通过电路供电保证制冷剂的循环。

当制冷剂通过热泵时，它被压缩和膨胀，在液体和气体之间切换，使其在循环管路的不同的地方收集或释放热量。（如果这些细节对你来说已经足够详细了，请随意跳到下一个问题。否则，和我一起加入了解热泵是如何工作的旅程。）

想象一下：一个寒冷的冬天，比如说 25 华氏度（零下 5 摄氏度），你坐在客厅的沙发上，拿着一本好书，你的猫蜷缩在附近。你看了一眼恒温器，它被设置在 68 华氏度，但有点冷。你走过去，把它调高了一点，上升到 70 华氏度。

热泵一直在后台安静的工作。现在它升高了一个档位来提高温度：内部的风扇和压缩机开始加速，制冷剂开始移动得更快，将更多的热量从室外转移到室内。

当外面这么冷的时候，从外面收集热量似乎是违反直觉，所以让我们看看制冷剂的循环过程，了解它是如何工作的。对于大多数热泵来说，这个过程只需要几分钟。

热泵制冷剂的沸点很低，通常低于-15 华氏度（-25 摄氏度）。所以在循环开始时，制冷剂通常以液体形式存在。即使在室外温度很低的地方，这种状态下的制冷剂也比外部空气冷得多（在我们这个例子中，低 40 度以上）。

在第一阶段，制冷剂通过热交换器，经过外部空气，加热到开始沸腾，从液体变成气体。

第二阶段是通过压缩机。压缩机将制冷剂压缩到一个更小的体积中，增加其压力和沸点（这一分钟至关重要）。使它温度升高，所以当制冷剂通过压缩机后，它的温度比室内的房间温度更高。

第三阶段是通过另一个热交换器。在经过热交换器之前，制冷剂是一种温暖的气体，超过 100 华氏度，并流经一个相对较冷的房间。当它在风扇的帮助下将一些热量转移到房间里时，它温度降低，重新变成液体。

最后，在第四阶段，液体制冷剂将通过一个膨胀阀，释放压力。就像挤压一种材料可以加热它，释放压力可以让它再次冷却，所以现在液体又回到了低温，准备吸收更多的热量重新进入室内。

化石燃料公司经常重复热泵在严寒的天气中无法正常工作的说法，因为这些公司有竞争产品可以销售。核心因素是——热泵在极端寒冷时效率会降低。随着内外温差的增大，热泵必须更加努力地从外部空气中收集热量，并将其转移到房间中，因此效率会下降。

但是，即使热泵不能在寒冷的气候下以最高的效率运行，“但它们在任何地方都有效，”山姆·卡利施（Sam Calisch）说，他是 Rewiring America 项目的负责人，这是一个专注于电气化的非营利组织。

从阿拉斯加州到缅因州，美国到处都有热泵。挪威约 60% 的建筑都是用热泵加热的，瑞典和芬兰约为 40%。

热泵即使在最冷的地方也能有效地工作。不过，缅因州的高级项目经理安迪·迈耶（Andy Meyer）说，选择合适的热泵是保证它能在气温下降时运行的关键。

迈耶说：当房间温度低于零度时，一些热泵无法供暖，但也有一些能在更低的温度下有效工作。他补充说，备份的小型加热器能在寒流天气发挥作用，但如果你选择了一个合适的热泵，你就不需要这个备份了。

那么，热泵技术有什么新发展吗？

迈耶说：几个主要部件的改进有助于提高热泵的效率和性能，特别是在寒冷的环境中。

一个主要的改进是制冷剂。氟利昂，也被称为 R-22，曾主导市场，但由于它会破坏臭氧层，因此在美国和其他主要市场都已被逐步淘汰。

如今，一种被称为 R-410A 的混合物是热泵中使用最广泛的制冷剂之一。除了对臭氧层的危害较小外，R-410A 的沸点也比 R-22 低，这意味着它可以在较低的温度下吸收更多的热量，提高在低温下工作的效率。

其他部分也有所改进。现如今用于热泵的新型压缩机可以用更少的动力使制冷剂达到更高的压力。还有一种新的所谓变速压缩机，可以让热泵调制供电。最终，在空气和制冷剂之间传递热量的热交换器越来越大、性能越来越好，因此热泵可以更有效地传递热量。

现在已经有各种各样的热泵。其中大约 85% 是我描述的空气源热泵。这些热泵有着各种各样的形状和尺寸。但其他模型的热泵——所谓的地源或地热型热泵则是从地下收集热量，而不是从空气中收集热量。

给建筑供暖经常依赖天然气或石油，这就是为什么该行业占全球排放量的 10%。国际能源机构的能源分析师亚尼克·蒙肖尔（Yannick Monschauer）预测说，热泵将会是减缓全球变暖的核心技术。

热泵会使用来自电网的电力来运行。虽然化石燃料发电厂仍在世界各地的电网发挥着重要的作用，但可再生能源和低碳能源也占有不小的比例。蒙肖尔说，鉴于目前所有主要市场的能源结构，热泵比直接使用化石燃料进行加热对应对气候变化更加有利。

热泵作为应对气候变化的超级武器的原因是：它们的效率很高。如今热泵效率可以达到 300%-400%，甚至更高，这意味着它们转移的热量是用电直接加热的 3-4 倍。对于一个普通加热器而言，理论上的最大值是 100%，而目前最好的型号仅达到 95% 左右。

热泵和加热器之间的效率差异源于它们的工作方式的不同。加热器的工作原理是将能量从电能转化为另一种形式的能量，即热能。

而热泵并没有把电能转化为热能，它只是利用电能来收集热量并转移热量。这是一个细微的区别，但这意味着热泵可以用相同的电量传递更多的热量。

热泵的最大效率将取决于制冷剂和所安装的系统，以及它所加热的房间和外部环境之间的温差。

热泵的前期成本是其应用的主要障碍：现在购买和安装热泵的成本在 3000 到 6000 美元甚至更多，具体费用取决于系统。

但蒙肖尔说，在大约 15 年的工作寿命中，对一些消费者来说，购买和运行热泵已经比其他系统更便宜，尤其是如果习惯了在一年的不同时间都给家里供暖和制冷的话。

世界上有 30 多个国家都有针对安装热泵的激励计划，通常是为低收入家庭或购买高效设备的家庭提供补贴。意大利对在改造建筑以提高能源利用效率时，安装热泵进行补贴尤其慷慨，用户可以获得热泵购买价格的 110% 作为税收抵免。

在美国，《降低通货膨胀法案》对热泵的购买价格提供了 30% 的税收抵免，并为中低收入家庭提供了额外的退税。对一些家庭来说，这些资金足以覆盖全部成本。Rewiring America 设计了一个计算器来帮助人们确定他们能获得多少的补贴。

虽然热泵比十年前要好得多，但这项技术仍有很多值得发展的地方。

新的设计，比如初创公司 Gradient 的独立窗口单元，可以降低安装成本。美的和 LG 等公司也已开始提供小型便携式设备。这些新的选择可以让热泵进入新的原本安装费用高昂或者不可能安装热泵的空间，比如旧的公寓楼。

需要进一步发展一个领域是制冷剂。虽然今天的制冷剂比起旧的选择有所改进，但新的制冷剂依旧是危害巨大的温室气体。需要小心的生产和处理，以避免泄漏。热泵应对气候变化的好处超过了制冷剂泄漏带来的潜在变暖危害，但新的替代品可能有助于进一步降低这种风险。

例如，Gradient 使用了一种叫做 R-32 的制冷剂，它的全球变暖潜力低于 R-410A。其他种类的制冷剂，如碳氢化合物丙烷和丁烷，对气候造成的风险更小。

然而，其中一些对气候更友好的制冷剂往往是极其易燃的，因此对系统的安全要求更高。

新技术的进步将有助于扩大热泵的市场占有率。随着时间的推移，成本应该会随着技术的发展而下降。

2021 年，全球热泵的销量增长了 15%。欧洲是增速最快的市场，2021 年的销量增长了 35%，由于能源危机，这一趋势可能会持续下去。北美安装热泵的房屋数量最多，中国新销售的热泵最多。

无论你看向哪里，热泵的时代都已经正式开始了。

支持：邹名之

原文：

https://www.technologyreview.com/2023/02/14/1068582/everything-you-need-to-know-about-heat-pumps/