要点:
热泵的运作很简单，从一个地方收集热量并将其放在另一个地方。我们主要在加热方面谈论热泵，但它们也可用于冷却，从内部收集热量并将其像空调一样发送到室外。许多热泵实际上可以反向运行，根据需要加热或冷却。热泵的效率非常高全球销量增长15%，欧洲的增长速度最快，近年销售额增长35%，由于能源危机，这一趋势可能会持续下去。如今，北美仍然是安装热泵的家庭数量最多的地区，但中国地区的新销量最高。放眼望去，热泵时代已经正式开启。
科技正以前所未有的速度和规模发展，引发多个领域的变革，塑造了新的商业模式，甚至重塑了全新社会结构。我们一起，从科技创新中洞察社会转型和升级的机遇。
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我们正在进入热泵时代<br>热泵科技背后的概念很简单：由电力驱动，它们将热量四处移动以冷却或加热建筑物。热泵是在1850年代发明的，并且自1960年代以来一直在家庭中使用。但最近，它们成为最热门的家用电器，因其节省成本和气候效益的潜力以及最近的政策激励而成为人们关注的焦点。
尽管基本理念可能很简单，但热泵工作原理的细节却令人着迷。以控制家中温度的名义，这个设备几乎可以打破物理定律。热泵科技越来越好：新型号效率更高，能够更好地应对寒冷天气。
热泵科技
热泵的运作很简单，从一个地方收集热量并将其放在另一个地方。我们主要在加热方面谈论热泵，但它们也可用于冷却，从内部收集热量并将其像空调一样发送到室外。许多热泵实际上可以反向运行，根据需要加热或冷却。
热泵中的主角是制冷剂：一种在回路中流动的流体，吸收并释放热量。电力为系统提供动力，推动制冷剂循环。
当制冷剂通过热泵时，它会被压缩和膨胀，在液体和气体形式之间切换，使其能够在循环的不同点收集和释放热量。请和我一起踏上热泵之旅，了解这一切是如何运作的。
图片来自国际能源署
想像一下：一个寒冷的冬日，它把温度提高了一个档次：内部的风扇和压缩机加速，制冷剂开始移动得更快，以将更多的热量从外部传递到内部。在外面这么冷的时候从外面收集热量似乎有悖常理，所以让我们跟随制冷剂循环一个周期，看看它是如何运作的。对于大多数热泵，运作只需几分钟。
热泵制冷剂的沸点非常低，通常低于-25 °C。因此制冷剂处于该温度附近，并且呈液态。即使在最冷的地方，这种状态下的制冷剂通常也比室外空气冷得多。
在其跋涉的第一阶段，制冷剂流过热交换器，经过外部空气并升温到足以开始沸腾，从液体变为气体。
第二阶段是穿越压缩机。压缩机将制冷剂压缩成更小的体积，从而增加其压力和沸点。这也会使它进一步变暖，所以当制冷剂通过压缩机时，它比室内房间更暖和。
制冷剂旅程的第三段是通过另一个热交换器。但现在，制冷剂是一种温暖的气体，温度超过37°C，它流过一个相对较冷的房间。当它在风扇的帮助下将部分热量转移到房间时，它开始变回液体。
最后，在第四阶段，液态制冷剂将通过膨胀阀释放压力。就像挤压材料会使其升温一样，膨胀会使其再次冷却，所以现在液体又回到低温状态，准备好吸收更多的热量带入内部。
热泵在寒冷的环境下如何运作？
化石燃料公司经常重复热泵在真正寒冷的天气中无法正常运作的说法，这些公司在市场上有竞争产品，所以他们的言论存在利益冲突。
这里有一个核心事实：热泵在极端寒冷的情况下效率可能会降低。随着室内外温差的增加，热泵将不得不更加努力地从室外空气中收集热量并将其散发到室内，因此效率会下降。
但是，即使热泵在较冷的气候下没有以最高效率运行，“它们在任何地方都可以继续运作，”专注于电气化的非营利组织Rewiring America说。美国从阿拉斯加到缅因州到处都有热泵。挪威约有60%的建筑物采用热泵供暖，瑞典和芬兰的这一比例为40%。
即使在最冷的地方，热泵也能高效运作。不过，选择合适的热泵是确保它在温度下降时正常运作的关键，缅因州效率机构的高级项目经理安迪迈耶说，该机构在该州开展能源效率项目。
有些热泵无法在温度低于零时为房间供暖，但有些型号可以在较低温度下高效工作。小型空间加热器可以帮助为寒流提供备用，但如果你选择一个尺寸合适的系统，你就不需要它们。
那么热泵技术有什么新创新呢？
热泵的几个主要部件的改进有助于提高热泵的效率和性能，尤其是在寒冷的情况下。一项重大改进是制冷剂。氟利昂，也称为R-22，曾经占据市场主导地位，但由于其破坏臭氧层的作用，已在美国和其他主要市场被逐步淘汰。
今天，一种称为R-410A的化学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略小外，R-410A的沸点低于R-22，这意味着它可以在较低温度下吸收更多热量，从而提高寒冷时的效率。
其他组件也有所改进。当今热泵中使用的新型压缩机可以使用更少的功率使制冷剂达到更高的压力。还有新的变速压缩机，可以让热泵提高和降低功率。最后，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，因此它们可以更有效地传递热量。
今天已经有各种各样的热泵可供使用。大约85%的安装是空气源热泵。它们有各种形状和尺寸。其他型号，所谓的地源热泵或地源热泵，从地下收集热量，而不是从空气中收集热量。
热泵如何帮助应对气候变化？
建筑物供暖通常依赖天然气或取暖油，这就是该行业占当今全球排放量约10%的原因。国际能源署能源分析预测，热泵将成为用于减少供暖对气候影响的核心技术。
热泵使用来自电网的电力运行。虽然化石燃料工厂仍在为世界各地的电网提供帮助，但可再生能源和低碳能源也做出了贡献。因此根据目前所有主要市场的能源结构，热泵比直接使用化石燃料供暖更适合气候。
热泵的效率非常高。今天的热泵可以达到300%到400%甚至更高的效率，这意味着它们以热的形式输出的能量是它们以电能形式使用的能量的三到四倍。对于空间加热器，理论上的最大值为100%的效率，而当今最好的型号可达到95%左右的效率。
热泵和加热器之间的效率差距归结为它们的工作方式。空间加热器的工作原理是将能量从电能转化为另一种形式，即热能。另一方面，热泵并没有将电能转化为热能，它们使用电能来收集热量并将其四处移动。这是一个细微的差别，但它基本上意味着热泵可以使用相同的电量返回更多的热量。
热泵的最大效率将取决于所安装的制冷剂和系统，以及它所加热的房间与室外的温差。
考虑使用热泵？
热泵的前期成本是主要障碍：今天购买和安装一个单元的成本在3,000美元到6,000美元之间，而较大的家庭通常需要多个单元。
但在大约15年的使用寿命中，对于一些消费者来说，热泵的购买和运行成本已经低于其他系统，特别是如果它们在一年中的不同时间用于为房屋供暖和制冷。
全球30多个国家/地区都制定了热泵激励计划，通常会为低收入家庭或购买高效设备的家庭提供奖金。意大利对为提高能源效率而改造建筑物时安装的热泵提供特别慷慨的补贴，客户可以获得高达购买价格110%的税收抵免。
在美国，“降低通货膨胀法案”对热泵的购买价格提供30%的税收抵免，并为中低收入家庭提供额外退税。对于一些家庭，资金可以支付100%的费用。
热泵的下一步是什么？
虽然热泵比十年前要好得多，但该技术仍有很大的潜在增长空间。新设计，例如初创公司Gradient的独立窗装置，可以降低安装成本。美的和LG等其他公司也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空间，比如旧的公寓楼，否则安装可能会很昂贵或不可能。
需要取得进一步进展的一个成熟领域是制冷剂。虽然今天的制冷剂比旧的选择有所改进，但即使是更新的制冷剂也是强大的温室气体。需要小心处理和精确制造以避免泄漏。热泵对气候的好处超过了泄漏制冷剂的升温潜力，但替代品可以帮助进一步降低这种风险。
例如，Gradient使用名为R-32的制冷剂，其全球变暖潜能值低于R-410A。其他类别的制冷剂，如碳氢化合物丙烷和丁烷，造成的气候风险甚至更小。然而，其中一些对气候更友好的制冷剂往往极易燃烧，因此需要安全系统。
新技术的进步将有助于扩大市场上本已庞大的热泵系列。随着技术变得越来越普遍，成本应该会随着时间的推移而下降。 2021年全球热泵销量增长15%。欧洲的增长速度最快，2021年销售额增长35%，由于能源危机，这一趋势可能会持续下去。如今，北美仍然是安装热泵的家庭数量最多的地区，但中国地区的新销量最高。放眼望去，热泵时代已经正式开启。
科技正以前所未有的速度和规模发展，引发多个领域的变革，塑造了新的商业模式，甚至重塑了全新社会结构。我们一起，从科技创新中洞察社会转型和升级的机遇。
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