本文最初发表在Knowable。
这是一个困扰余志斌（Zhibin Yu）多年的工程难题——但他现在有了解决它的绝佳机会。在新冠疫情首次英国封锁期间，这位热工程师被困在家中，突然拥有了所有必要的时间来提高热泵的效率：顾名思义，热泵是一种将室外热量转移到人们家中去的电器。
与燃气加热器相比，这种泵的效率要高得多，但吸收空气中热量的标准型号容易结冰，这会大大降低其有效性。
在英国格拉斯哥大学工作的余志斌，苦思冥想了数周。他阅读了一篇又一篇论文。然后，他有了一个想法。大多数热泵都会浪费它们产生的一些热量——他意识到，如果他能捕获这些废热并将其转移，就可以解决除霜问题并提高泵的整体性能。“我突然找到了回收热量的方法，”他回忆道。“那真是一个惊人的时刻。”
余志斌的想法是近期旨在提高已有 200 年历史的热泵技术效率的几项创新之一，这可能为热泵在全球范围内获得更广泛的应用打开大门。根据国际能源署（IEA）的数据，迄今为止，全球只有约 10% 的空间供暖需求是由热泵满足的。但由于当前的能源危机以及为应对气候变化而减少化石燃料消费的压力日益增大，这些设备可以说是比以往任何时候都更重要。
自 2020 年封锁期间头脑风暴以来，余志斌和他的同事们已经制造出了一个可运行的热泵原型，该原型将多余的热量储存在一个小水箱中。在 2022 年夏季发表的一篇论文中，他们描述了他们的设计如何帮助热泵消耗更少的能源。此外，通过将部分残余热量单独重新路由到热泵暴露在冷空气中的一部分，该设备可以在需要时自行除霜，而无需中断向房屋供热。
这个想法基于热泵运行的基本原理：如果你能捕获热量，你就能使用它。热泵的特别之处在于，它们不仅产生热量，还能从环境中捕获热量并将其转移到你的房子里——最终，例如，将热量转移到散热器或强制空气供暖系统。这得益于在热泵内部流动的制冷剂。当制冷剂遇到热量时——即使在寒冷的日子里，空气中只有微量的热量——它也会吸收那一点点温暖。
然后，压缩机会迫使制冷剂进入更高的压力，从而提高其温度，达到可以为你的房子供暖的程度。这是因为压力的增加会将制冷剂分子推得更近，增加它们的运动。随后，制冷剂会再次膨胀，在这个过程中冷却，然后循环重复。整个循环也可以反向运行，使热泵在夏季炎热时提供制冷。
热泵的神奇之处在于，它每消耗 1 千瓦时的电力就可以转移数千瓦时的热量。热泵的效率通常以性能系数（COP）来衡量。例如，COP 为 3 意味着 1 千瓦时的电力产生 3 千瓦时的热量——这相当于 300% 的效率。您设备获得的 COP 可能因天气和其他因素而异。
这是一个强大的概念，但也是一个古老的概念。英国数学家、物理学家和工程师开尔文勋爵早在 1852 年就提出了使用热泵系统进行空间供暖的设想。第一台热泵是几年后设计和建造的，并被工业化用于加热盐水以从流体中提取盐。在 20 世纪 50 年代，英国议会议员在煤炭储备不足时讨论了热泵。在 1973-74 年石油危机之后，热泵被吹捧为供暖的化石燃料替代品。正如一位评论家在 1977 年的《能源年鉴》中所写的那样：“希望寄托在未来的热泵身上。”
如今，世界正面临着又一次能源供应的考验。当作为世界主要天然气来源之一的俄罗斯于 2022 年 2 月入侵乌克兰时，天然气价格飙升——这反过来又将热泵推到了聚光灯下，因为除少数例外，它们靠电力而非天然气运行。同年，环保主义者比尔·麦克基本（Bill McKibben）撰写了一篇广为流传的博文，题为“为了和平与自由而使用热泵”，他在文中提及俄罗斯总统时认为，美国可以通过大规模推广热泵并降低美国对化石燃料的依赖，来“和平地在普京的肾脏上狠狠一击”。例如，热泵可以从家用太阳能电池板或主要由可再生能源供电的电网获取电力。
华盛顿特区一家独立的智库“未来资源”（Resources for the Future）的经济学家兼高级研究员凯伦·帕尔默（Karen Palmer）指出，用绿色电力运行这些设备也有助于应对气候变化。她曾与人合著 2018 年《资源经济学年鉴》中一篇关于提高能源效率政策的分析报告。她说：“除非在其他方面有技术突破，否则建筑物的能源需求将不得不转向更多地使用电力。”
来源：THIS OLD HOUSE
国际能源署估计，到 2030 年，全球热泵的潜力可以减少至少 5 亿公吨的二氧化碳排放量，相当于目前欧洲所有汽车年二氧化碳排放量的总和。
尽管热泵历史悠久且具有潜在优势，但在一些国家，它们却难以普及。一个原因是成本：这些设备比燃气供暖设备贵很多，而且由于数十年来天然气价格相对便宜，房主几乎没有动力去更换。
长期以来一直存在一种看法，认为热泵在寒冷气候下效果不佳，尤其是在需要大量热量的隔热性能差的房屋中。例如，在英国，房屋往往相当漏风，一些房主长期以来一直认为燃气锅炉是更稳妥的选择，因为它们可以向散热器输送更热的水（约 140 至 160 华氏度），从而更容易加热房间。相比之下，热泵通常在将水加热到约 100 华氏度时效率最高。
然而，考虑到市场上有多款现代空气源设备即使在零下 10 华氏度（约零下 23 摄氏度）的低温下也能良好运行，寒冷气候问题可能比一些人想象的要小。例如，挪威是热泵普及的世界领导者之一。帕尔默在美国的家里就安装了热泵，并配有炉子作为备用。“如果天气非常冷，我们可以依靠炉子，”她说。
热泵设计的创新正催生出效率更高、更适合隔热性能差的房屋，并且——潜在地——更便宜的设备。例如，余志斌说，他和同事们新颖的空气源热泵设计可以将 COP 提高 3% 到 10%，同时其成本低于现有功能相当的热泵设计。他们目前正致力于实现这项技术商业化。
英国德蒙特福德大学退休的能源系统工程师里克·格林豪（Rick Greenough）说，余志斌的工作很有创新性。“我必须承认，这是一种我之前没想到的方法，”他说。
还有许多其他的想法也在酝酿中。例如，格林豪曾尝试在较暖和的月份将热量储存在地下，然后在天气转冷时由热泵利用。他的设计使用循环流体将太阳能热水器产生的多余热量转移到土壤的浅层钻孔中。他说，这会将土壤温度提高约 22 华氏度（约 12 摄氏度），最高可达约 66 华氏度（约 19 摄氏度）。然后，在冬天，热泵可以在空气变冷时抽出一些储存的热量来更有效地运行。格林豪指出，这项技术已经上市，在英国的一些安装商那里可以买到。
但是，大多数现有的热泵仍然只能产生相对较低的输出温度，因此隔热性能差的房屋的房主在安装热泵时可能需要承担额外的隔热成本。幸运的是，一个解决方案可能正在出现：高温热泵。
瑞典能源公司 Vattenfall 的业务开发项目经理 Wouter Wolfswinkel 说：“我们说，‘嘿，为什么不制造一个热泵，它可以在不需要真正、真正彻底隔热你的房子的情况下，直接替换燃气锅炉？’” Vattenfall 及其荷兰子公司 Feenstra 已联手开发一种高温热泵，预计将于 2023 年推出。
来源：PHYXTER HOME SERVICES
在其设计中，他们使用 CO2 作为制冷剂。但是，由于热泵系统高温高压的运行条件导致气体不易冷凝或冷却，因此他们必须找到一种方法来降低制冷剂的温度，以便在它返回到热泵回路的起点时，能够再次从空气中吸收足够的热量。为此，他们为系统增加了一个“缓冲器”：一个水箱，其中有一层较冷的水层叠在较热的水层之上。热泵使用水箱中较冷的水层来根据需要调整制冷剂的温度。但它也可以将水箱顶部较热的水输送到散热器，温度高达 185 华氏度（约 85 摄氏度）。
Wolfswinkel 承认，该设备的效率略低于传统的低温热泵，其 COP 约为 265%，而传统设备的 COP 为 300%（取决于具体情况）。但这仍然优于燃气锅炉（效率不超过 95%），而且只要电价不显著高于气价，高温热泵的运行成本仍然可能更低。此外，Wolfswinkel 指出，更高的温度意味着房主无需立即升级绝缘材料或加大散热器。这有助于人们更快地过渡到电气化供暖。
一项关键的测试是荷兰房主是否会接受。作为试点项目的一部分，Vattenfall 和 Feenstra 在海姆斯克尔克镇（Heemskerk）的 20 户不同规模的家庭安装了热泵，该镇离阿姆斯特丹不远。经过几年的测试，他们在 2022 年 6 月给了房主选择权：是退回他们家中保留的旧燃气锅炉，还是永久使用高温热泵。“他们都换成了热泵，”Wolfswinkel 说。
在某些情况下，逐户安装热泵的效率可能不如建造一个大型系统服务整个社区。大约十年来，总部位于格拉斯哥的 Star Renewable Energy 公司一直在建造区域供暖系统，这些系统从附近的河流或海湾吸取热量，其中包括一个连接到挪威峡湾的区域供暖系统。说起“热”这个词，你可能不会首先想到斯堪的纳维亚峡湾——但峡湾深处的水温实际上相当稳定，为 46 华氏度（约 8 摄氏度），热泵可以利用这一点。
通过一根很长的管道，该区域供暖系统吸入这些水，并用它来加热制冷剂，在本例中是氨。随后，制冷剂压力的大幅增加——达到 50 个大气压——将其温度提高到 250 华氏度（约 121 摄氏度）。然后，高温制冷剂将其热量传递给区域供暖循环中的水，将该水的温度提高到 195 华氏度（约 90 摄氏度）。这个庞大的系统提供了德拉门市（Drammen）供暖建筑所需热水的 85%。
“这种事情非常令人兴奋，”格林豪说。
并非所有家庭都适合安装热泵。也不是所有预算都能负担得起。余志斌本人也表示，更换自己家燃气锅炉的成本仍然令人望而却步。但这是他未来梦想做的事情。随着效率的不断提高，以及在多个国家销量不断增长，热泵越来越让批评者难以忽视。“最终，”余志斌说，“我认为每个人都会转向热泵。”
本文最初发表于Knowable Magazine，这是来自 Annual Reviews 的一项独立新闻报道。注册新闻通讯。
