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热泵的奇妙科学:冷空气如何为你供暖

热泵能取代化石燃料供暖吗?许多家庭仍靠燃气、燃油或煤炭取暖,但热泵是更清洁、更高效的选择。它冬天能供暖,夏天能制冷,比锅炉、暖炉或电阻加热节省的能源多得多。但热泵到底怎么工作,又为什么这么高效?我们比较空气源、地源和水源热泵,包括成本、制冷剂、安装难点,以及它们在寒冷天气下的表现。

(插图指南即将推出)

影响速度成本成熟度自然影响

4.2总体

解决方案评分

  • 影响4 / 5减少燃油和燃气供暖产生的大量排放。
  • 速度5 / 5一套房子一两天就能改装好。
  • 成本4 / 5安装成本较高,但运行成本低得多。
  • 成熟度5 / 5已广泛安装,采用与冰箱和空调相同的技术。
  • 自然影响3 / 5当地空气更干净,但制冷剂需要小心处理。

测验

第 1 题,共 10 题

燃烧燃料供暖约占全球排放量的多少?

得分 0 / 10

旁白稿

史前小屋、维京长屋、郊区住宅 - 人类一直爱靠烧东西取暖。可惜,如今供暖燃料燃烧约占全球碳排放的10%[1,2],所以人类要是不停止玩火,就永远无法让地球降温!

但要是还有另一种办法呢……一种完全不用烧东西的办法?如果你能从室外的空气、水或土地中提取热能,用它温暖整栋房子,还能留出足够的热水泡澡呢?

如果它的碳排放比传统供暖更低,成本也更少呢?

人类通常靠燃烧东西来产生热量,但热能无处不在:空气里、水里,还有地下。你可能感觉不到,但就算气温低于冰点,还是有些热量在那里。最棒的是,它免费!

那要怎么捕捉它呢?

嗯,一位叫鲁道夫·克劳修斯的聪明人早在19世纪50年代就描述了传热的基本原理[3-8]。他发现,热能会自然从较热的地方流向较冷的地方,比如从一杯冒着热气的咖啡流向冬天的空气[9-12]。如果一杯冰水比空气更冷,热量就会从空气流向玻璃杯,把它加热来融化冰块。

就像一杯热咖啡,给房子供暖时,热量会不断流失到外面的寒冷空气中……不太妙!

但如果你能把这个过程反过来:即使在冬天,也把室外的热量拉进家里呢。听起来不可能,对吧?

但这正是如今超过1.8亿台热泵在做的事[13,14]。不过热泵不用冰,而是用一种极冷的制冷剂液体,从风扇吸入的空气中吸收热量[15-21]。因为制冷剂液体比空气还冷,所以能轻松吸收其中的热量。随着它变暖,它会汽化成气体。

但这种气体还是比较冷,那它怎么给房子供暖呢?

嗯,这就要靠压缩机了:把气体和它的热能挤进更小的空间,它就会变得非常热[22,23,24]。一旦足够热,热量就会流进房子里。热能也可以传到水箱中,提供热水给暖气片使用,也供你泡个热气腾腾的澡[25,26]。

最后,制冷剂释放热量后会重新凝结成液体,再通过阀门膨胀,把温度降到足以重新开始循环[15-21]。

所以看起来像魔法,其实只是物理。

但风扇和压缩机都要用能量,那为什么不直接用这些能量给家里供暖呢?

嗯,用传统燃气或电力供暖时,1单位能量最多只能产生1单位热量。

热泵不一样。因为它们搬运的是本来就有的热量,同样1单位能量可以搬运3到5单位热量。这让热泵的效率达到燃气或电锅炉的3到5倍,因为它们是在搬运热量,而不是制造热量[15,18,19,20,27]。

更棒的是,夏天很多热泵可以反向运行,提供空调来保持凉爽![15,16,17,20,27]

最好的是,它们能降低能源成本、减少对化石燃料的需求,并减少30%或更多的碳排放[28-32]。如果用可再生电力驱动,它们甚至可能完全消除供暖排放,在全球减少数十亿吨 CO2 排放[15,33,34]。

但比从空气中取热还有更好的办法……

比如地下:[35-37]

地下温度不仅全年更稳定,而且冬天时,地下往往比上方的冷空气更暖[38-43]。所以虽然前期成本较高,但在地下铺设管道能让热泵更容易吸收热量,同时提高效率并降低运行成本[15,17,20,35-44]。

但还有一种热源,比空气和地下都更好:水!

水传热能力超强,所以把管道铺进大型湖泊或池塘这样的水体里,就能获得稳定又好用的热源[45,46,47]。虽然安装起来可能和地源热泵一样麻烦,但它们会是很棒的选择,尤其适合大型商业建筑[15,20,27]。

显然,热泵潜力巨大,但也有一些缺点……

首先是制冷剂液体:如果它们泄漏到空气中,会产生很强的温室效应,可能比 CO2 糟超过2,000倍[27,48-52]。但只要处理得当,热泵带来的好处远大于这些风险[52],而危害更小的新制冷剂也已经在研发中[27,53,54,55]。

下一个问题是地点 - 不是每套房子都适合装热泵。热泵通常不仅需要给室外机留出空间,而且要发挥最佳效果,最好搭配现代化、保温良好的房屋[15,27,56,57,58]。

然后就是成本:

短期来看,安装成本可能很高[18,59,60],但长期来看,热泵能持续节省能源开支[15,18,61,62]。视系统而定(还有当地电价),大约5到15年就能回本[63-68]。

更棒的是,随着可再生电力继续变便宜,靠它运行的热泵也会更便宜![69,70]

许多国家也提供补助金、计划和补贴,能大幅降低前期成本,有时甚至超过90%[71-79]。

最后还有极寒天气的问题。虽然大多数热泵在冰冻条件下都能正常工作,但低于-25 °C时可能会有点吃力 - 不过在特别严酷的冬天,可以使用备用或混合供暖系统[80,81,82]。

好在这么低的气温很少见,所以热泵适合大多数气候[83-86]。事实上,寒冷的斯堪的纳维亚国家包揽了全球每户热泵数量最多的前三名![13,87,88] 多亏了政府的聪明远见,如今60%的挪威家庭都把热泵当作主要热源[13,30,89]。

所以,只要有政府支持、做好一点规划,并扩大可再生电力来驱动它们,热泵就有望最终取代烧东西取暖,并在这个过程中大幅削减全球排放。

专家顾问

我们要感谢

Prof. Richard Fitton

索尔福德大学

建筑性能学教授 科学、工程与环境学院

Prof. Zhibin Yu

利物浦大学

能源工程教授

Prof. Rajat Gupta

牛津布鲁克斯大学

建筑学院可持续建筑与气候变化教授

延伸阅读

这些资源的提供方与我们没有隶属关系。这里的所有链接内容都是英文。

安装技巧、成本与节省 - 另见:

制冷剂

参考资料

这里的所有链接内容都是英文。

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  5. [5] 鲁道夫·克劳修斯 - 现代热理论的先驱 | Vacuum
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  7. [7] 论热力学中第二基本定理的一种修正形式 | The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science
  8. [8] 威廉·汤姆孙与热力学的创立:1840-1855 | University of Notre Dame
  9. [9] 热力学 - 面向化学家和物理学家的进阶教程(第7版) | ETDEWEB | US Department of Energy Office of Scientific and Technical Information
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  32. [32] 如何利用热泵和热能储存来调控风电:爱尔兰案例研究 | Energy
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  34. [34] Net Zero by 2050 - A Roadmap for the Global Energy Sector | IEA(见参考注释*)
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  36. [36] 水平式与垂直式地源热泵系统对比 | YES Energy Solutions
  37. [37] 水平环路与垂直环路对比 | Vitt Heating & Cooling
  38. [38] 地热换热器——系统、模型和应用综述 | Renewable Energy
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  40. [40] 英国东南部办公楼利用地埋风管制冷的模拟性能 | International Conference on Sustainability in Energy and Buildings
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  42. [42] 地源热泵系统及应用 | Renewable and Sustainable Energy Reviews
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  44. [44] 地源热泵:优点和缺点 | GreenMatch
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  46. [46] 空气与水:热传递效率 | Farr Mechanical(存档)
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  49. [49] 热泵制冷剂泄漏的常见原因和解决方案 | HVAC.com(见参考注释*)
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  51. [51] 家用热泵所用部分制冷剂对比 | Greengauge(见参考注释*)
  52. [52] 热泵泄漏 | Will Brownsberger(见参考注释*)
  53. [53] HFC 的气候友好型替代品 | European Commission
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  55. [55] 下一代制冷剂 | Daikin America
  56. [56] 空气源热泵实地研究:系统性文献综述 | Renewable and Sustainable Energy Reviews
  57. [57] 空气源热泵选址的 5 个技巧 | Heat Different
  58. [58] 伦敦热泵改造 | Carbon Trust(见参考注释*)
  59. [59] 降低热泵安装成本:回顾历史趋势并评估未来前景 | Applied Energy
  60. [60] 安装、运行和维护空气源热泵要花多少钱? | The Renewable Energy Hub UK
  61. [61] 用热泵能省多少钱? | Octopus Energy
  62. [62] 热泵在英国值得买吗? | The Eco Experts(见参考注释*)
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  64. [64] 热泵 | Confused About Energy(存档)(见参考注释*)
  65. [65] 热泵与能源效率 - 做出正确选择 | Star Refrigeration(见参考注释*)
  66. [66] 英国水源热泵:2025 年完整指南 | GreenMatch(见参考注释*)
  67. [67] 空气源热泵的投资回收期有多长? | Saltire(见参考注释*)
  68. [68] 点燃欧盟建筑环境中的机遇 | McKinsey
  69. [69] Lazard LCOE+ | 2025 年 6 月(载于:可再生能源为何如此迅速地变得便宜? | Our World in Data)(见参考注释*)
  70. [70] 什么是电价与燃气价格之比,为什么它很重要? | Nesta
  71. [71] 锅炉升级计划 | GOV.UK 查找补助
  72. [72] 安装热泵 | 热泵详解 | Octopus Energy
  73. [73] 热泵可能比你想的便宜得多:方法在这里 | Which? News
  74. [74] 希腊将在 2025 年为热泵提供补助 | tovima.com
  75. [75] ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΩ 2025 | Greek Government
  76. [76] 为房屋节能改造获取财政补助 (Exoikonomo 2025) | Greek Government
  77. [77] 从燃油供暖转用热泵的可负担性计划 | Natural Resources Canada
  78. [78] 不列颠哥伦比亚省热泵的平均成本 | Green Building
  79. [79] 热泵安装成本:2023 年加拿大平均价格 | The HVAC Service Solutions
  80. [80] 走出严寒:热泵在低温下的效率 | Joule
  81. [81] 热泵在冰点温度下能用吗? | 热泵 | The Guardian
  82. [82] 混合式热泵 | IRENA
  83. [83] 图 S2. 1950-2000 年全球陆地年平均气温 (WorldClim),在 0.1 度纬度带内取平均 (图片来自 全球陆地鸟类分布范围内的纬度和海拔温度梯度:全球气候变化下的影响 | PLoS One)
  84. [84] 图 5 - 地球当前气候中两半球地表气温差异的成因 (图片来自 地球当前气候中两半球地表气温差异的成因 | Journal of Climate)
  85. [85] 全球气温 - 自然环境 | University of Hawai'i
  86. [86] 地表气温 (年平均) | National Geographic MapMaker
  87. [87] 2024 年热泵市场与统计报告 | EHPA
  88. [88] 哪些国家在热泵竞赛中领先? | Eco Experts
  89. [89] “你可以穿着 T 恤到处走”:挪威如何让热泵走出严寒 | Energy | The Guardian

参考注释

15,33,34

消除供暖排放

热泵不会在建筑现场燃烧燃料。如果驱动热泵的电力完全来自可再生能源,其供暖运行产生的直接排放就可以消除。但这并不代表整个供暖系统的生命周期完全零排放:热泵和配套能源基础设施的制造,以及制冷剂生产和可能发生的泄漏,仍会产生排放[27,48-52]。

可再生能源的发电时间也很重要。例如,太阳能板通常在夏季发电最多,而供暖需求在冬季最高。因此,建筑可以在阳光充足的月份向电网输送多余的清洁电力,但在冬季太阳能发电较低、供暖需求较高时,仍需从电网购电。从全年能源核算来看,输出的电力可能足以平衡/抵消输入的电力,但除非这些能源能够储存并在季节之间调配,否则无法直接满足冬季需求。如果没有足够的长时储能或跨季节储能,或没有足够的低碳冬季发电来弥补缺口,冬季用电高峰仍可能需要部分化石燃料发电。因此,运行热泵所购入的电力仍会带来相关排放,这意味着供暖排放会减少,但不会被完全消除A,B; [32]。

27,48-52

制冷剂的温室效应(GWP - 全球变暖潜能值)说明

全球的热泵使用多种制冷剂,其全球变暖潜能值(GWP)各不相同。这指的是全球变暖潜能值 - 即一种气体相对于CO2的增温效应,通常按100年计算,而CO2的GWP为1。比如,热泵常用的一种制冷剂是R-410A,其GWP为2,088。这种工质由CH2F2(也叫R-32)和CHF2CF3(叫作R-125)混合而成。另一种常见制冷剂是R-134A,也称1,1,1,2-四氟乙烷,或HFC-134a(HFC意为氢氟碳化物)。它的GWP为1,430(- 这些GWP采用的是IPCC《第四次评估报告》中既定的100年数值;较新报告中的数值可能不同)。

不过,随着全球各地法规和政策变化,人们正根据更低的GWP选择不同的制冷剂。比如在大不列颠,从2025年起适用的规定要求,新装单分体式热泵和空调系统所用制冷剂的GWP不得超过750(这适用于制冷剂含量低于3 kg的系统;更大的系统以及规定类别,包括空气-水单分体式系统,目前可获豁免)C。最常见且不超过这一限制的制冷剂是R-32(或HFC-32),其GWP为675。R-454B等新混合制冷剂也在考虑之中(GWP为466)。R-290和R-744(也就是丙烷和CO2)也已投入使用,GWP分别低至3和1。

不过,这些政策由各国分别实施,而且往往只适用于新系统,因此全球许多热泵仍使用GWP高达甚至超过2,000的制冷剂。如果这些系统安装不当、受损、发生泄漏,或在使用寿命结束后处置不当,这些制冷剂就可能以气体形式逸散到大气中;与排放同等体积的CO2相比,它们会对全球变暖及其相关影响造成巨大影响。

27,58

热泵安装的家庭要求

热泵可以改装到各种现有建筑中。现代、保温良好的住宅或许更容易配备高效运行的热泵,但房龄本身并不决定是否适合,老房子也能成功改装。是否适合及其性能取决于建筑热量流失、可用空间、散热设备和系统设计以及安装质量等因素;提升能效通常还能改善其性能 [58]。

62-67

热泵系统的投资回收期

热泵的投资回收期(或 ROI - 投资回报率)是指,能源费用降低所节省的成本与购买和安装热泵的初始成本相等所需的时间。这会因多种因素而有很大差异:安装的热泵系统类型、初始成本、房屋的能源效率、此前使用的能源种类和成本(包括电价与被替代燃料价格的相对高低),以及购买系统时使用的补贴、返利或融资方式。地源热泵的投资回收期通常比水源和空气源热泵更长,而空气源热泵最短。现有资料显示,投资回收期通常在5-15年之间,其中[63,64]列出了投资回收期可能更短或更长的情景。

需要注意的是,设备和安装成本、能源价格、补贴及系统性能变化时,投资回收期也会改变。随着低价可再生能源扩大,电价预计会下降(而石油/燃气价格会继续上涨);随着越来越多人采用热泵(可能受到政策和/或法规支持),前期成本也可能降低。因此,从燃气锅炉改用由可再生能源供电的空气源热泵,投资回收期可能会大幅缩短。话虽如此,可再生能源的扩张能在多大程度上转化为较低电价,仍不明确。批发发电成本可能下降,但消费者电价仍取决于电网、税收、附加费、整体碳政策、边际费率和市场设计D,E; [69,70]。

69

平准化度电成本(LCOE)图表

图表汇总了拉扎德(Lazard)2025年6月《LCOE+》报告中发布的数据,并反映了历年LCOE研究中未获补贴的平均平准化度电成本(LCOE)数值。它主要涉及北美能源市场,但也反映了更广泛的全球成本变化。其他可再生能源技术的全球平均公用事业规模LCOE走势可见来源 F。

额外资料

热力学:能量、温度和压力

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。

热泵循环

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。

效率(对比传统供暖)

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。

热泵类型

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。

优化供暖系统

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)

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