要點:
熱泵的運作很簡單，從一個地方收集熱量並將其放在另一個地方。我們主要在加熱方面談論熱泵，但它們也可用於冷卻，從內部收集熱量並將其像空調一樣發送到室外。許多熱泵實際上可以反向運行，根據需要加熱或冷卻。熱泵的效率非常高全球銷量增長15%，歐洲的增長速度最快，近年銷售額增長35%，由於能源危機，這一趨勢可能會持續下去。如今，北美仍然是安裝熱泵的家庭數量最多的地區，但中國地區的新銷量最高。放眼望去，熱泵時代已經正式開啟。
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我們正在進入熱泵時代
熱泵科技背後的概念很簡單：由電力驅動，它們將熱量四處移動以冷卻或加熱建築物。熱泵是在1850年代發明的，並且自1960年代以來一直在家庭中使用。但最近，它們成為最熱門的家用電器，因其節省成本和氣候效益的潛力以及最近的政策激勵而成為人們關注的焦點。
儘管基本理念可能很簡單，但熱泵工作原理的細節卻令人著迷。以控製家中溫度的名義，這個設備幾乎可以打破物理定律。熱泵科技越來越好：新型號效率更高，能夠更好地應對寒冷天氣。
熱泵科技
熱泵的運作很簡單，從一個地方收集熱量並將其放在另一個地方。我們主要在加熱方面談論熱泵，但它們也可用於冷卻，從內部收集熱量並將其像空調一樣發送到室外。許多熱泵實際上可以反向運行，根據需要加熱或冷卻。
熱泵中的主角是製冷劑：一種在迴路中流動的流體，吸收並釋放熱量。電力為系統提供動力，推動製冷劑循環。
當製冷劑通過熱泵時，它會被壓縮和膨脹，在液體和氣體形式之間切換，使其能夠在循環的不同點收集和釋放熱量。請和我一起踏上熱泵之旅，了解這一切是如何運作的。
圖片來自國際能源署
想像一下：一個寒冷的冬日，它把溫度提高了一個檔次：內部的風扇和壓縮機加速，製冷劑開始移動得更快，以將更多的熱量從外部傳遞到內部。在外面這麼冷的時候從外面收集熱量似乎有悖常理，所以讓我們跟隨製冷劑循環一個週期，看看它是如何運作的。對於大多數熱泵，運作只需幾分鐘。
熱泵製冷劑的沸點非常低，通常低於-25 °C。因此製冷劑處於該溫度附近，並且呈液態。即使在最冷的地方，這種狀態下的製冷劑通常也比室外空氣冷得多。
在其跋涉的第一階段，製冷劑流過熱交換器，經過外部空氣併升溫到足以開始沸騰，從液體變為氣體。
第二階段是穿越壓縮機。壓縮機將製冷劑壓縮成更小的體積，從而增加其壓力和沸點。這也會使它進一步變暖，所以當製冷劑通過壓縮機時，它比室內房間更暖和。
製冷劑旅程的第三段是通過另一個熱交換器。但現在，製冷劑是一種溫暖的氣體，溫度超過37°C，它流過一個相對較冷的房間。當它在風扇的幫助下將部分熱量轉移到房間時，它開始變回液體。
最後，在第四階段，液態製冷劑將通過膨脹閥釋放壓力。就像擠壓材料會使其升溫一樣，膨脹會使其再次冷卻，所以現在液體又回到低溫狀態，準備好吸收更多的熱量帶入內部。
熱泵在寒冷的環境下如何運作？
化石燃料公司經常重複熱泵在真正寒冷的天氣中無法正常運作的說法，這些公司在市場上有競爭產品，所以他們的言論存在利益衝突。
這裡有一個核心事實：熱泵在極端寒冷的情況下效率可能會降低。隨著室內外溫差的增加，熱泵將不得不更加努力地從室外空氣中收集熱量並將其散發到室內，因此效率會下降。
但是，即使熱泵在較冷的氣候下沒有以最高效率運行，“它們在任何地方都可以繼續運作，”專注於電氣化的非營利組織Rewiring America說。美國從阿拉斯加到緬因州到處都有熱泵。挪威約有60%的建築物採用熱泵供暖，瑞典和芬蘭的這一比例為40%。
即使在最冷的地方，熱泵也能高效運作。不過，選擇合適的熱泵是確保它在溫度下降時正常運作的關鍵，緬因州效率機構的高級項目經理安迪邁耶說，該機構在該州開展能源效率項目。
有些熱泵無法在溫度低於零時為房間供暖，但有些型號可以在較低溫度下高效工作。小型空間加熱器可以幫助為寒流提供備用，但如果你選擇一個尺寸合適的系統，你就不需要它們。
那麼熱泵技術有什麼新創新呢？
熱泵的幾個主要部件的改進有助於提高熱泵的效率和性能，尤其是在寒冷的情況下。一項重大改進是製冷劑。氟利昂，也稱為R-22，曾經佔據市場主導地位，但由於其破壞臭氧層的作用，已在美國和其他主要市場被逐步淘汰。
今天，一種稱為R-410A的化學混合物是熱泵中使用最廣泛的製冷劑之一。除了對臭氧層的危害略小外，R-410A的沸點低於R-22，這意味著它可以在較低溫度下吸收更多熱量，從而提高寒冷時的效率。
其他組件也有所改進。當今熱泵中使用的新型壓縮機可以使用更少的功率使製冷劑達到更高的壓力。還有新的變速壓縮機，可以讓熱泵提高和降低功率。最後，在空氣和製冷劑之間傳遞熱量的熱交換器越來越大，性能越來越好，因此它們可以更有效地傳遞熱量。
今天已經有各種各樣的熱泵可供使用。大約85%的安裝是空氣源熱泵。它們有各種形狀和尺寸。其他型號，所謂的地源熱泵或地源熱泵，從地下收集熱量，而不是從空氣中收集熱量。
熱泵如何幫助應對氣候變化？
建築物供暖通常依賴天然氣或取暖油，這就是該行業佔當今全球排放量約10%的原因。國際能源署能源分析預測，熱泵將成為用於減少供暖對氣候影響的核心技術。
熱泵使用來自電網的電力運行。雖然化石燃料工廠仍在為世界各地的電網提供幫助，但可再生能源和低碳能源也做出了貢獻。因此根據目前所有主要市場的能源結構，熱泵比直接使用化石燃料供暖更適合氣候。
熱泵的效率非常高。今天的熱泵可以達到300%到400%甚至更高的效率，這意味著它們以熱的形式輸出的能量是它們以電能形式使用的能量的三到四倍。對於空間加熱器，理論上的最大值為100%的效率，而當今最好的型號可達到95%左右的效率。
熱泵和加熱器之間的效率差距歸結為它們的工作方式。空間加熱器的工作原理是將能量從電能轉化為另一種形式，即熱能。另一方面，熱泵並沒有將電能轉化為熱能，它們使用電能來收集熱量並將其四處移動。這是一個細微的差別，但它基本上意味著熱泵可以使用相同的電量返回更多的熱量。
熱泵的最大效率將取決於所安裝的製冷劑和系統，以及它所加熱的房間與室外的溫差。
考慮使用熱泵？
熱泵的前期成本是主要障礙：今天購買和安裝一個單元的成本在3,000美元到6,000美元之間，而較大的家庭通常需要多個單元。
但在大約15年的使用壽命中，對於一些消費者來說，熱泵的購買和運行成本已經低於其他系統，特別是如果它們在一年中的不同時間用於為房屋供暖和製冷。
全球30多個國家/地區都制定了熱泵激勵計劃，通常會為低收入家庭或購買高效設備的家庭提供獎金。意大利對為提高能源效率而改造建築物時安裝的熱泵提供特別慷慨的補貼，客戶可以獲得高達購買價格110%的稅收抵免。
在美國，“降低通貨膨脹法案”對熱泵的購買價格提供30%的稅收抵免，並為中低收入家庭提供額外退稅。對於一些家庭，資金可以支付100%的費用。
熱泵的下一步是什麼？
雖然熱泵比十年前要好得多，但該技術仍有很大的潛在增長空間。新設計，例如初創公司Gradient的獨立窗裝置，可以降低安裝成本。美的和LG等其他公司也開始提供小型便攜式設備。這些新的選擇可以讓熱泵進入新的空間，比如舊的公寓樓，否則安裝可能會很昂貴或不可能。
需要取得進一步進展的一個成熟領域是製冷劑。雖然今天的製冷劑比舊的選擇有所改進，但即使是更新的製冷劑也是強大的溫室氣體。需要小心處理和精確製造以避免洩漏。熱泵對氣候的好處超過了洩漏製冷劑的升溫潛力，但替代品可以幫助進一步降低這種風險。
例如，Gradient使用名為R-32的製冷劑，其全球變暖潛能值低於R-410A。其他類別的製冷劑，如碳氫化合物丙烷和丁烷，造成的氣候風險甚至更小。然而，其中一些對氣候更友好的製冷劑往往極易燃燒，因此需要安全系統。
新技術的進步將有助於擴大市場上本已龐大的熱泵系列。隨著技術變得越來越普遍，成本應該會隨著時間的推移而下降。2021年全球熱泵銷量增長15%。歐洲的增長速度最快，2021年銷售額增長35%，由於能源危機，這一趨勢可能會持續下去。如今，北美仍然是安裝熱泵的家庭數量最多的地區，但中國地區的新銷量最高。放眼望去，熱泵時代已經正式開啟。
