如今，熱泵風(fēng)靡一時(shí)，尤其是在歐洲，一些國(guó)家正在努力禁止安裝化石燃料爐和鍋爐，轉(zhuǎn)而采用更環(huán)保的選擇，包括節(jié)能熱泵。（火爐加熱空氣并通過(guò)管道將其分配到整個(gè)房屋，而鍋爐則加熱水以提供熱水或蒸汽供暖。）今年，美國(guó)政府開(kāi)始為安裝熱泵提供稅收優(yōu)惠，而熱泵的前期成本往往更高與傳統(tǒng)熔爐相比，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看效率要高得多。
在新能源汽車領(lǐng)域，因?yàn)殡姵厝萘渴怯邢薜模@也促使行業(yè)轉(zhuǎn)向了熱泵。因此，也許是時(shí)候快速了解熱泵的含義和用途了。
最常見(jiàn)的熱泵類型是什么？
鑒于最近的熱議，您可能會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)您已經(jīng)在使用熱泵——您的家里可能有不止一個(gè)，您的車?yán)镆部赡苡卸鄠€(gè)。您只是不稱它們?yōu)闊岜茫耗褂眯g(shù)語(yǔ)“冰箱”或“空調(diào)”。
事實(shí)上，這些機(jī)器是熱泵，這意味著它們將熱量從相對(duì)較冷的地方轉(zhuǎn)移到相對(duì)較熱的地方。熱量自行從熱流向冷。但如果你想把它從冷變熱，你需要“泵”它。這里最好的類比是水，它自行流下山，但需要被抽上山。
當(dāng)你將某種冷庫(kù)（空氣、水等）中包含的熱量泵送到熱庫(kù)時(shí)，冷庫(kù)會(huì)變得更冷，而熱庫(kù)會(huì)變得更熱。這實(shí)際上就是你的冰箱或空調(diào)的全部作用——它將熱量從不需要的地方轉(zhuǎn)移到其他地方，你不在乎你是否會(huì)浪費(fèi)一點(diǎn)額外的熱量。
熱泵如何將熱量從冷轉(zhuǎn)移到熱？
此時(shí)您可能會(huì)問(wèn)自己：如何將熱量從冷泵送到熱泵？換句話說(shuō)：冰箱是如何工作的？基本原理并不難理解，特別是在思想實(shí)驗(yàn)的幫助下。
想象一下，您有一瓶想要冷藏的葡萄酒，但沒(méi)有冰箱。也許您正在進(jìn)行露營(yíng)旅行，但您無(wú)法獲得比室溫葡萄酒更冷的東西。不過(guò)，你手頭有一瓶同樣溫和的 176 度伏特加。
如果您還沒(méi)有猜出這個(gè)謎語(yǔ)的答案，那就是在葡萄酒瓶上倒一些伏特加。伏特加的酒精度為 88%，隨著酒精的蒸發(fā)，酒的溫度會(huì)稍微降低。這里的工作原理利用了所謂的汽化潛熱。簡(jiǎn)而言之，酒精的蒸發(fā)帶走了酒瓶中的一些熱能，使其稍微冷卻。涂在酒瓶表面的伏特加蒸發(fā)后，沖洗（用更多伏特加）并重復(fù)，每次浸泡時(shí)使酒瓶冷卻一點(diǎn)。
如何制作帶有熱泵的實(shí)用冷水機(jī)？
產(chǎn)生熱泵的關(guān)鍵見(jiàn)解出現(xiàn)在 19 世紀(jì)初，當(dāng)時(shí)包括雅各布·珀金斯 (Jacob Perkins)在內(nèi)的眾多發(fā)明家意識(shí)到，他們可以通過(guò)這種方式冷卻某些東西，而不會(huì)浪費(fèi)為了實(shí)現(xiàn)冷卻而蒸發(fā)的揮發(fā)性液體。他們認(rèn)為，與其將這些蒸氣釋放到大氣中，不如收集它們，將它們凝結(jié)成液體，并將該液體重新用作冷卻劑。
這正是冰箱和空調(diào)的作用。它們蒸發(fā)液體制冷劑，并利用寒冷的蒸汽吸收冰箱或汽車內(nèi)部的熱量。然后他們壓縮氣體，氣體又凝結(jié)成液體形式。這種液體現(xiàn)在比開(kāi)始時(shí)更熱，因此它所容納的一些熱量很容易（可能在風(fēng)扇的幫助下）流入周圍環(huán)境 - 無(wú)論是戶外還是廚房的其他地方。
這就是說(shuō)：您對(duì)熱泵非常熟悉；只是你一直把它們稱為空調(diào)和冰箱。
現(xiàn)在讓我們進(jìn)行另一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)。如果您有窗式空調(diào)，您甚至可以將其作為實(shí)際實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行。向后安裝。也就是說(shuō)，將其控件安裝在窗戶外面。在涼爽干燥的天氣進(jìn)行此操作。會(huì)發(fā)生什么？
正如您所期望的，它將冷空氣吹入您的后院，并將熱量釋放到您的家中。因此它仍然在輸送熱量，通過(guò)供暖讓您的家變得更加舒適。當(dāng)然，它會(huì)讓外面的空氣變冷，但一旦你遠(yuǎn)離窗戶，這種影響就會(huì)變得微乎其微。
您現(xiàn)在擁有熱泵來(lái)為您的家供暖。它可能不是最好的熱泵，但它會(huì)起作用。更重要的是，當(dāng)夏天來(lái)臨的時(shí)候，你還可以把它翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，當(dāng)作空調(diào)使用。
當(dāng)然，實(shí)際上不要這樣做。如果你嘗試過(guò)，那么在第一次下雨并且水進(jìn)入控制器時(shí)，它無(wú)疑會(huì)失敗。相反，你可以給自己買一臺(tái)商用“空氣源”熱泵，它可以利用同樣的原理為您的家供暖。
當(dāng)然，問(wèn)題是伏特加很貴，而且你很快就會(huì)用完它來(lái)冷卻葡萄酒。即使你用更便宜的外用酒精代替伏特加，你很快就會(huì)抱怨這筆費(fèi)用。
其中一些裝置具有所謂的換向閥，它允許相同的設(shè)備發(fā)揮雙重作用：它們可以將熱量從外向內(nèi)或從內(nèi)向外泵送，既提供熱量又提供空調(diào)，如下所述。
雙用途熱泵
用于供暖的熱泵與空調(diào)基本相同。兩者都包含在回路中輸送揮發(fā)性流體的管道、壓縮機(jī)和兩個(gè)熱交換器（一個(gè)在室內(nèi)，一個(gè)在室外）。
一些熱泵利用這種相似性來(lái)充當(dāng)加熱器和空調(diào)。為此，他們使用所謂的換向閥，該閥允許管道中的揮發(fā)性流體向任一方向輸送。然后，每個(gè)熱交換器可用于提供熱量或吸收熱量。
為什么熱泵比電加熱器更有效？
熱泵比電加熱器更有效，因?yàn)樗鼈儾恍枰ㄟ^(guò)電力產(chǎn)生熱量。熱泵使用的電力確實(shí)會(huì)產(chǎn)生一些熱量，但更重要的是它將熱量從室外泵入您的家中。釋放到家中的熱量與發(fā)送到電動(dòng)壓縮機(jī)的能量之比稱為性能系數(shù)，簡(jiǎn)稱 COP。
一個(gè)簡(jiǎn)單的電空間加熱器，其提供的所有熱量均由電加熱元件產(chǎn)生，其 COP 為 1。另一方面，熱泵的 COP 可以高一個(gè)數(shù)量級(jí)。
不過(guò)，熱泵的 COP 并不是固定值。它與在其間泵送熱量的兩個(gè)儲(chǔ)存器之間的溫差成反比。也就是說(shuō)，如果您將熱量從不太冷的水庫(kù)泵送到不太熱的建筑物中，則 COP 將是一個(gè)很大的值，這意味著您的熱泵在用電方面非常高效。但如果你試圖將熱量從極冷的水庫(kù)泵送到已經(jīng)溫暖的建筑物中，COP 的值就會(huì)降低，這意味著效率會(huì)受到影響。
結(jié)果就是您直觀地期望的那樣：最好使用您能找到的最溫暖的東西作為室外儲(chǔ)熱器。
空氣源熱泵利用室外空氣作為熱量?jī)?chǔ)存器，是這方面最差的選擇，因?yàn)槎竟┡竟?jié)室外空氣非常寒冷。更好的是地源熱泵（也稱為地?zé)釤岜茫?，因?yàn)榧词乖诙?，中等深度的地面仍然相?dāng)溫暖。
熱泵的最佳熱源是什么？
地源熱泵的問(wèn)題在于您需要一種方法來(lái)訪問(wèn)這個(gè)埋藏的熱量庫(kù)。如果您家周圍有足夠的空間，您可以挖溝渠并在合理的深度（例如幾米深）埋設(shè)一堆管道。然后，您可以通過(guò)這些管道循環(huán)液體（通常是水和防凍劑的混合物）以吸收地面的熱量。或者，您可以在地面上鉆深孔，并將管道垂直安裝到這些孔中。不過(guò)，所有這些都會(huì)變得昂貴。
少數(shù)幸運(yùn)兒可以采用的另一種策略是，通過(guò)將管道浸入水中一定深度，從附近的水體中提取熱量。這些被稱為水源熱泵。一些熱泵采用更不尋常的策略，即從離開(kāi)建筑物的空氣或太陽(yáng)能熱水中提取熱量。
在非常寒冷的氣候下，如果可能的話，安裝地源熱泵是有意義的。這可能就是為什么瑞典（瑞典是人均熱泵數(shù)量最多的國(guó)家之一）的大多數(shù)熱泵都是這種類型的原因。但即使是瑞典也擁有很大比例的空氣源熱泵，這與熱泵只適用于溫和氣候下的家庭供暖的普遍說(shuō)法（至少在美國(guó)）不符。
因此，無(wú)論您身在何處，如果您能負(fù)擔(dān)得起較高的前期成本，下次您面臨如何為房屋供暖的決定時(shí)，請(qǐng)考慮使用熱泵而不是傳統(tǒng)的爐子或鍋爐。
參考鏈接
https://spectrum.ieee.org/heat-pumps-explained
轉(zhuǎn)載自：半導(dǎo)體行業(yè)觀察
原文鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/FTn8loWmigirdPlvOV4rdw
