热泵

温度可以理解为任何物质或空间中热能的集中程度。如果某个空间或物体里挤进了很多能量，它就是热的。要是能量比较分散，它就是冷的。

温度越高，物质分子的动能就越大 - 也就是说，在固体中它们振动得更快，在液体或气体中它们移动得更快、碰撞得更频繁。当它们振动或碰撞时，我们感受到的这种动能就是热能（也就是热）。所以，温度可以通过从外部主动加入更多能量来提高，也可以通过把（更多）分子挤进更小的空间来集中这些能量。

根据宇宙中基本的热力学定律，能量总会倾向于扩散，或从能量高度集中的地方流向能量浓度较低的地方，直到一切平衡且相等（这叫熵 - 见更多视频）。这就是为什么在寒冷的日子里，热能会从温暖的房子散失到寒冷的室外。保温材料可以减慢这种热传递，但热泵借助同样的原理，加上一种叫作制冷剂的特殊加压流体，巧妙地把传递方向彻底反过来。

制冷剂在这里特别好用，是因为我们可以轻松改变它们的沸点。

沸点

我们来深入看看沸点背后的科学。沸腾是液体蒸发成气体的过程：分子获得足够的动能，挣脱把液体聚在一起的分子间作用力。在液体中，这些作用力会不断断开又重新形成，让分子能够彼此滑过。要把液体变成气体，需要足够的能量让分子彻底脱离。这不一定非得像水通常那样，刚好在100 °C（212 °F）发生，甚至也不一定要在很热的时候发生……

举例来说，如果你在山上加热一壶水，会发现它其实会在更低的温度下沸腾。这是因为高海拔地区的大气压比海平面低，分子更容易扩散和逃逸，所以水沸腾所需的能量更少。反过来，在更高压力下，水分子被挤在一起，需要更多能量 - 因而需要更高温度 - 才能沸腾并挣脱出来。因此，压力可以改变水的沸点。

显热与潜热

通常，当你给水之类的东西加热（或冷却）时，加入（或移除）的能量会先改变它的温度：增加（或减少）分子的动能，让它们移动或振动得更快（或更慢）。这种能量叫作显热，也是我们触摸某样东西时感到它冷或热的原因。

但还有一个小技巧 - 一旦水达到沸点，它的温度就不再上升了。相反，所有热能会突然被用来打破让分子聚在一起的键，并把它们彼此分开，使水变成水蒸气。水的温度（或者说产生的水蒸气）要等到所有水都蒸发后才会再次上升。冰从固体融化成液体也是一样。这叫作潜热，而且能量非常大。事实上，蒸发水所需的能量，是最初把水加热到沸点所需能量的7倍。

这也是为什么即使室外温度相同，潮湿天气里的空气会让人觉得更暖（或者为什么天气预报会说一个温度，但“体感”却是另一个温度） - 空气中额外的水蒸气比干燥空气含有更多热能（也就是说，它含有这些额外的潜热）。

这也是出汗能让你凉快下来的原因：汗液蒸发时，会以潜热的形式吸收大量体热，并把热从你的皮肤带走。在潮湿环境中，空气里已经有很多蒸发的水，这个过程会变慢，让人感觉热得多。

当水从水蒸气凝结回液体时，反向过程就会发生。就像你加热让水沸腾一样，它凝结时会释放出大量能量。这样一来，任何物质改变相态时 - 也就是沸腾、融化、凝结或冻结 - 都需要吸收或释放“潜”热能，因为这些键正在断开或形成。

温度与压力

所以，加热或移走热量会改变温度，而改变压力时也会发生类似的事。

压力可以施加在固体、液体和气体上，但气体很容易被压缩，因为它们相对分散的分子之间有空间。另一方面，液体和固体不能以同样的方式被压缩，因为你无法把它们的分子挤得比现在更近。对于液体来说，施加压力会让分子更难分离成气体。蒸气是一类气体，在临界温度以下，不必主动冷却就能直接被压缩成液体。并非所有气体都能这样，即所有蒸气都是气体，但并非所有气体都是蒸气。

我们知道，水蒸气在压力下更容易凝结，因为压力有助于把分子挤得更近。但只要压力足够大，你就能把水蒸气直接压回液体，不需要冷却。然后，当蒸气凝结成液体时，它会释放所有潜热。反过来，在足够低的压力下，液体分子无需任何热量就会扩散开来。接着，当它们分开并蒸发时，会从周围吸收潜热。

不过，这会造成一点拉扯。当压缩气体和蒸气时，施加压力也会提高它们的温度。把分子挤进更小的空间（或把更多分子挤进同一个空间）会提高分子的集中程度 - 分子彼此更接近，碰撞更频繁，更多动能集中在这个空间里。

所以，事情到这里就复杂了 - 提高压力会带来相反的效果：蒸气分子被挤在一起，因此更容易凝结，但这也会升高温度，让它们更不容易凝结。

蒸气的沸点（或凝结点）现在已经被压力提高了，也就是说，在这种新的高压条件下，要让蒸气保持气态，就需要输入更多能量和更高温度。

所以，如果它自身的温度没有变化，增加压力后，它的温度就会更接近新的沸点，也就更容易降到沸点以下并发生凝结。

但当然，它自身的温度已经改变了，也会因压力而升高。所以，虽然压力会提高沸点，它也会提高蒸气的温度，而这同时发生的升温会阻碍凝结过程，让蒸气在不断升高的沸点之上保持气态。

要让蒸气真正凝结，你要么得进一步提高压力 - 直到上升的沸点超过同时上升的温度 - 要么就把它冷却，主动抽走热量，让所有额外的动能散去，温度降到新的沸点以下。

这说明温度、沸点和压力紧密相连。你可以通过1) 主动加入或移走显热（或潜热）能量，或2) 改变压力来迫使某种物质改变温度（或相态），而压力的改变又能迫使潜热被吸收或释放。而给液体或气体加压会提高它的沸点（也就是它蒸发或凝结时的温度）。

当然，这些原理不只适用于水：这就是为什么喷加压除臭喷雾罐时皮肤会觉得冷 - 喷出时压力快速降低，让液态喷雾颗粒（及其能量）扩散成气体，并使温度骤降。

热泵不像传统锅炉、暖炉或电暖器那样产生热量。相反，它利用这些热力学原理来搬运已经存在的热量，逆着它自然流动的方向 - 也就是从室外获取低品位（即分散的）热能，再把它集中到室内。这是通过封闭循环系统中的制冷剂实现的，系统由四个关键部件驱动：压缩机、膨胀阀，以及两个换热器，也就是蒸发器和冷凝器。其实，这和冰箱、空调使用的系统完全一样，只是工作方向相反（即把热量集中在屋内，而不是排出去）。我们先来看看空气-空气热泵，它本质上就是反着用的空调：

• 第1步：在正常大气压下，制冷剂的沸点极低，大约为-50 °C（-58 °F）。循环开始时，它是一种非常冷的液-气混合物，压力极低，温度接近沸点。
  它流过一组叫作蒸发器的盘管，开始吸收室外空气中的热量（空气由风扇吹过盘管）。因为制冷剂非常冷，所以即使室外较冷，它也能吸热 - 哪怕空气温度低于0 °C^† - 只要空气仍比制冷剂本身更暖。吸收热量后，它会升温，并很快超过较低的沸点，蒸发成气体。在这个过程中，它会吸收更多能量，也就是潜热。
• 第2步：现在，制冷剂已是低压下完全气化的蒸气。它仍然比较凉（最高也就是室外空气的温度），但由于吸收了额外的潜热，储存着相当多的能量。
  接着，制冷剂气体进入压缩机。压缩机给气体加压并压缩，把分子挤得更紧，也把它们的能量压进更小的空间（即分子碰撞更频繁，所以动能增加），温度也随之升高。
  正是压缩这个过程让蒸气变热。现在制冷剂已经相当热，通常约为50-70 °C（120-160 °F）- 即使它的沸点现在也升高了，仍然足够热以保持气态。
• 第3步：制冷剂随后进入室内机，流过另一组叫作冷凝器的盘管。此时制冷剂比室内空气热得多（它的能量更集中），所以热量会自然释放并流入房间。与此同时，它会冷却。它不需要冷却很多，就会降到新的沸点以下，这个沸点因冷凝器盘管中压力升高而提高。然后它很容易重新凝结成液体，并释放出大量潜热 - 足以加热整个房间或房屋。
• 第4步：现在制冷剂是高压下较凉（接近室温）的液体，大部分热能已经释放，并流经一个降压膨胀阀。这个阀门会降低管道内的压力，让制冷剂膨胀 - 这样分子就能分散开来，让剩余能量向外消散。这会让制冷剂重新变成液-气混合物，并突然变得很冷，准备再次开始循环，流回蒸发器收集更多热量。

这说明，通过调节压力、相变和潜热，可以搬运大量能量，远多于只靠显热通过基本温度梯度所能搬运的能量。相比之下，暖气片里的热水会很快散失你能感觉到的显热（和潜热相比，我们知道这其实相对很少），所以要加热整个房间，就需要不断通过暖气片补充更多热水。热泵中制冷剂的流量可以低得多，却能提供同样多的热量。好在，热泵也可以和锅炉及水暖系统搭配，把热量传给流经暖气片、地暖和生活用水系统的水（见热泵类型）。

^† 注：即使温度低于0 °C，热量或热能依然存在 - 只是非常分散。0 °C本身只是连续温度尺度（摄氏温标）上的一个人为标记，它以正常大气压下水的熔点/凝固点为基准。因此，摄氏温标可以降到零以下，成为负数。

真正的“绝对零度”基于绝对能量尺度（开尔文温标），它规定了任何物质理论上可能达到的最低温度，此时能量处于绝对最低值。开尔文温标不会低于0 K，也就是-273 °C，因为不可能有负能量。高于这个温度，热泵理论上就能工作。在实际中，现代热泵能从低至-20 °C（即253 K）的空气中提取能量。如果在高于这一温度的条件下性能不佳，通常是设计或安装的问题，而不是技术本身。

热泵用电把热量从一个地方搬到另一个地方，而不是自己产生热量。相比之下，传统供暖系统会产生热量，要么靠电阻（“电阻供热”，电暖器就是这样），要么在暖炉或锅炉中燃烧煤炭或燃气等化石燃料。

这让热泵的效率高得多。普通燃气暖炉或锅炉的效率最高大约只有90% - 燃烧产生的一些能量难免会随热烟逸出，因为水蒸气释放时会带走能量（以未被捕获的潜热形式）。至于电暖器，使用电网供电 - 电力由燃烧化石燃料产生，再经变压器和从发电站延伸数英里的输电线路送来 - 最终只能利用那些场外化石燃料原有化学能的大约40%。

与此同时，热泵只需消耗相对少量的电力，用来驱动室内外机的风扇和压缩机。循环管路中的制冷剂会在自然、自发的过程中改变相态 - 热泵只是创造了让这发生的合适条件。因此，一台设计良好且安装得当的热泵，搬运的能量可超过其耗电量的3倍（即300%）。在理想条件下（见供暖系统），效率可超过5倍，最高可达8倍（500%-800%）。

效率 = 能量输出（你得到的热量）÷ 能量或燃料输入（你付费购买的东西）

根据你住在哪里，电价通常会明显高于燃气价格。比如在英国，电价大约是燃气价格的3倍。但由于热泵的效率可超过300%，运行成本可能比燃气锅炉更低 - 尤其是随着电网变得更绿色、相关政策推进，电价和燃气价差缩小，电价也会下降。

最便宜、最高效的选择，是让热泵使用可再生电力。但即使热泵使用的是化石燃料发的电，它仍可能比传统供暖系统更高效、更便宜。一台效率指标只有2.5的热泵，或许只能利用发电站燃烧天然气中原始能量的40%，但它用这些电搬运相当于耗电量2.5倍的能量，就能把这40%提升到100% - 因而甚至超过直接在现场燃烧燃气所达到的90%效率。

热泵效率如何变成实际效果和运行成本，取决于：

• 房屋大小：房子越大，供暖所需的能量越多。
• 保温：保温良好的房子能留住热量，让热泵以更低、更高效的温度运行。
• 系统设计和安装：安装不佳或较旧的设备可能表现很差，成本也比锅炉更高，但安装到位的现代设备能省下不少钱。

热泵有好几种类型，但它们都用同样的基本原理。最常见的类型从空气中提取热量：

• 空气-空气热泵本质上就是反向运行的空调系统。它们都使用两个风机盘管换热器，风扇让空气流过各自装有制冷剂的盘管，以吸收或释放热量。它和空调的差别很小，只是制冷剂传递热量的方向相反 - 空调的蒸发器在室内吸热，冷凝器在室外放热。
  空气-空气热泵能更快把房间暖起来，有时还能反向运行来制冷。这里，蒸发器和冷凝器可以互换，额外的阀门会让制冷剂反向流动，而不用让压缩机反转。这还能带来空调和除湿的好处：蒸发器盘管从周围吸热，因此会让附近的一切变得很冷 - 水蒸气接触盘管后会从空气中凝结出来，从而降低房间湿度。
  它们更便宜，位置也能灵活避开家具；但在居住空间里通常不那么舒适（可能有噪音、风感太强并造成紊流，还会反复让温度过高或过低），而且更难让整套房子的热量均衡，往往需要在不同房间装多个室内机，或用风管系统把暖空气送到整栋建筑。还有，生活热水仍需要某种额外的加热方式。
• 空气-水热泵使用盘管或金属板式换热器，把制冷剂的热量传给流经暖气片和地暖的水，或传给生活热水箱里的水（这是两套不同的系统；你肯定不想用暖气片里的水洗澡！）。这些系统升温较慢，但降温也较慢。因此，它们适合更舒适、稳定的环境。这也让你的热水箱可以兼作一种储能方式。不过，它们贵得多，还可能需要大幅升级管道和暖气片（它们会占用墙面空间，也可能被家具挡住）。而且有些地方，比如美国，可能原本就没有安装水暖系统。
• 组合系统可以同时使用暖气片和风机盘管，具体取决于房间，例如浴室装暖气片，其他房间装风机设备。同时，热回收系统可以利用空调系统提取的热量 - 这些热量在夏天通常会排到室外 - 改为加热生活热水。

空气源热泵机组也有不同的布置方式：

• 分体式机组过去最常见，一台换热机组在室内，另一台在室外。压缩机和膨胀阀通常装在室外机中，以减少噪音干扰并少占室内空间。制冷剂管道随后从室外通到室内，两个机组可以相隔布置，以更好利用空间。
• 一体式机组如今越来越受欢迎。它们通常是空气-水热泵，两个换热器和整个制冷剂回路都装在一台室外机中，管道把热水送往室内的暖气片。这样就不用定制进出房屋的制冷剂管道，既节省时间和成本，又降低风险。

空气源热泵在大多数条件下都能有效运行，不过在-20 °C以下时可能会有点吃力。和空调可以给空气除湿类似，冬天水可能会在室外盘管或机组上凝结并结冰，造成霜层堆积。这通常很容易解决（例如，系统会自动暂时反转制冷循环，让霜融化），但会随着时间降低平均效率（不过已经有新的主动除霜或防霜技术）。

地源热泵通常效率更高，在较低温度下也更有效，因为地温比气温更稳定、更均匀，尤其是在最需要供暖的冬天。它们使用另一套循环流体的封闭回路（通常是水和防冻液的混合物），称为集热回路，从地下吸收热量（如果反向运行来制冷，则把热量释放到地下），再通过蒸发器把热量传给制冷剂。集热回路主要有两种类型：

• 水平阵列是在浅沟中铺设管道。管道铺得越分散（越不集中），能提取的热量就越多，因此效率也越高。这还能降低抽走太多热量、把地面冻住的风险（这可能造成很大破坏）。最高效的集热回路会用一条连续回路覆盖尽可能大的地面面积。
• 垂直阵列需要的空间小得多，并且深入地下（能打多深取决于现有地下设施允许的范围 - 需要进行地质勘测！）。它们有两种不同布置方式：
• • 封闭回路 - 打一口深钻井，放入一条长管回路后再回填。普通住宅可能需要好几口钻井，具体取决于每口井有多深。
  • 开放回路利用含水层，也就是说，直接使用地下水作为在集热回路中循环的传热流体。它们效率更高（少了一道热量传递的环节/屏障），但需要更多专业知识和维护（脏水需要定期清洗系统过滤器）。

地源热泵往往依靠地下水来传导并补充热量，而这取决于土壤的孔隙度和渗透性。更简单的选择是直接从水体中提取热量。

水源热泵可以比地源热泵更高效、更稳定，也同样采用封闭或开放回路：让单独的封闭集热流体回路穿过水体，或直接使用水源中的水（这同样能提高效率，但需要定期清洗）。水补充的速度（因此可用热量的补充速度）很重要 - 流动的水可能比没有主动水流补充邻近水体的静水更有效。最好也在上游取热，并在下游排出已使用、热量减少的水，以最大化效率，并避免让已经用过的较冷水再次循环。

地源和水源热泵的前期安装成本高得多，也需要有足够的空间或水源，但凭借更高的效率，长期来看有可能节省更多运行成本。不过，空气源热泵已经大幅进步，拉平了差距 - 现在人们较少关注热源的温度和稳定性，更多关注优化水系统设计和供暖系统本身。

系统传感器和控制：

• 智能温控器 - 可通过小幅调节温度来细致控制供暖，而不是反复开关供暖，从而帮助维持稳定的室温。
• 天气补偿 - 利用检测室外温度的传感器，主动调节供暖，在室外温度影响你家室内温度之前就作出反应。

水暖系统的水温：

• 更大的暖气片和更大的水箱能在相同温度下容纳更多水，因此也能储存更多热能。也就是说，它们可以用更低的水温，储存与较小水箱或暖气片相同的热量（即热密度更低）。这会减小水与周围环境之间的温差，从而减慢热传递。虽然这会减慢系统为你家供暖的速度，但更大的暖气片也有更大的散热面积，可以弥补较慢的传热速度。这还能让供热更稳定，并减慢水箱和连接管道中不必要且浪费的热量流失。
  此外，这让供暖系统整体上可以采用更低的供水温度。因为热量要传入水中，制冷剂必须比水更热，所以水温较低时，制冷剂的目标温度也可以保持较低。热源总得更热才能推动热传递，因此较高的供水温度或水箱温度会迫使热泵运行得更热，而较低的供水温度或水箱温度也意味着制冷剂温度可以更低。
  较低的制冷剂目标温度，也意味着热泵需要克服的、与室外热源之间的温差更小。因此，压缩机在提高制冷剂压力和温度时所需做的功更少，从而降低耗电量并提高效率。
• 分层（即水箱内自然形成温度梯度 - 或称“温跃层” - ）可以降低从制冷剂接收热量的水温，从而加快热传递，或减少对更高温制冷剂的需求。因此，最好把换热盘管放在水箱底部，较重的冷水会待在较暖的水下面。
  所以，最好使用更高、更细的圆筒水箱，以加强这种温跃层，并将屋内暖气片回流的冷水与其他冷水一起导向水箱底部（低压、低流速，以免搅动水箱中已有的水）。

管道和换热器：

• 换热能力更强的换热器可以更快加热水，或在整个系统中以更小的温差传热。比如，更长或带翅片的盘管有更大的表面积，因此能加强热传递。不过：
• • 如果流路太长或太窄，就会限制制冷剂的流量，进而限制供热量。热泵就得更费力地工作，导致所需的制冷剂输入温度升高。
  • 如果盘管内径太大，压力就会下降，流体流动会太慢，让管壁附近形成一层隔热层，阻碍传热。
  
  这也适用于连接到暖气片并穿过暖气片的水管和盘管。管道必须仔细调校并保持平衡，让暖气片尽量多传热，同时让所有连接管道尽量少散热。

（额外资料基于 Technology Connections 和 Heat Geek 提供的信息）