为了实现《巴黎气候协定》设定的目标，许多州都制定了宏伟的温室气体减排目标。加利福尼亚州希望到 2045 年实现 碳中和，纽约州的目标是到 2050 年比 1990 年的排放量减少 100%，佛罗里达州则承诺在同一时期内减少 80%。
但是，如果我们想实现这些目标并避免气候变化的一些最严重后果，我们就需要向内看——也就是向我们自己的建筑内部看。建筑占 美国温室气体排放量的 40%，其中三分之一以上来自供暖、制冷和通风。我们室内空间的供暖占 年排放量的十分之一。如今，大多数建筑都使用天然气、石油或丙烷来取暖，这产生了数百万个小的碳污染源，累积起来影响巨大。
幸运的是，现在已经有一种选择：热泵。有些热泵从空气中吸取热量，有些则从地下吸取热量，它们都比您笨重的燃气锅炉更高效、污染更小。
热泵的工作原理
热泵的基本技术并不新鲜。您的冰箱就是一个热泵。它吸出内部的热量并将其排出——这就是为什么冰箱后面的压缩机会感觉很热。即使在低温下，空气中也存在热量，而冰箱和空调使用的蒸汽压缩循环基本上会浓缩这些热量并将其移走。它会使一个空间变暖，以冷却另一个空间。
热泵基本上就是可逆的空调。当室内寒冷时，它们可以从外部热源——空气或地源热泵的地热——吸取热量，并用它来加热室内空气或热水泵用的水。当室内太热时，它们可以将热量移到室外。
空气源热泵从室外空气中吸取热量，并用于加热室内空间，在室内炎热时其功能类似于空调。地热（或称地源）热泵在供暖和制冷方面也利用了热力学原理。在地表以下 30 到几百英尺处，地球全年都保持相对恒定的温度。在美国，这个温度根据地区不同，在 45 到 75 华氏度之间，许多州都在这个范围的中间。这些温度接近人类舒适的温度，热泵可以利用这一点来实现节能供暖和制冷。
地源热泵使用充满液体的管道循环——主要是水，并添加了一些防冻剂——来利用地下的理想温度。在寒冷的月份，地面相对于地表更温暖，因此管道将热量输送到建筑物中，建筑物中的热泵设备（室内吹出空气的装置）可以利用这些热量来加热空气或水。在夏季，当地面相对于地表空气更冷时，热量则从建筑物中被泵入地下。
降低能源账单和排放量
热量传递的能效本质上比产生热量更高，这就是为什么热泵比传统锅炉消耗的能量少得多。事实上，所有热泵的技术效率都超过 100%，这意味着它们产生的热量比消耗的电力多。与此同时，即使是特别高效的燃气加热器，其效率也可能只有 90%。因此，根据美国能源部的说法，与传统的 HVAC 系统相比，热泵可以 节省 65% 的能源费用。
由于地源热泵具有有利的温度梯度——冬季地面相对于地表温暖，夏季相对于地表凉爽——它们的效率可能比空气源热泵更高。Dandelion 公司（一家为住宅安装地热供暖的公司）的总裁兼联合创始人 Kathy Hannun 表示：“它就像一个吸热的吸管，而且效率非常非常高，因为它下面的地面总是 50 华氏度，总是温和的。”“这就是为什么地源热泵是最节能的供暖和制冷方式。”她说，地源热泵的效率在 400% 到 500% 之间，提供的热量是购买电力量的四到五倍。
在一项实验中，俄克拉荷马州立大学研究建筑能源使用的机械工程教授 Jeff Spitler 发现，地源系统在为一栋商业建筑供暖和制冷方面的效率比空气源热泵高出 60% 以上。他补充说，需要对不同热泵系统的效率进行更多研究。
推广热泵对于遏制气候变暖排放具有巨大潜力。在《自然资源保护委员会》委托撰写的一份 2018 年的研究报告中，研究人员估计，将空间供暖和热水供暖改为使用热泵，可以将加州家庭的排放量减少约一半。鉴于全国范围内用于家庭供暖和制冷的巨大能源消耗，全国性的转变也将促进温室气体的显著削减。《美国中叶深度脱碳战略》（一份 2016 年的 官方文件，阐述了该国如何实现《巴黎协定》的目标（在美国退出该协定之前）），特别提到了热泵作为减少建筑排放的策略之一。《橡树岭国家实验室》的地源热泵研究员 Xiaobing Liu 表示：“地源热泵利用电力以比传统供暖和制冷空调系统更高的能源效率为建筑提供供暖、制冷和热水。”“即使我们仍然使用发电厂产生的电力，地源热泵由于其效率，仍然可以减少与电力相关的排放。”
热泵还可以解决风能和太阳能等基于公用事业的系统的一个关键问题：由于风和阳光的波动而导致能源供应的不稳定性。Liu 解释说，地源热泵系统可以设计成将多余的能量以热量的形式储存在地下，以备风力涡轮机和太阳能电池板无法满足能源需求时使用。“该系统不仅可以供暖和制冷，还可以连接到电网，”他说。“这样电网就不会有（来自可变能源生产的）浪涌。”
启动市场
目前，10% 的美国家庭使用热泵，其中大部分是空气源的。地源热泵在 HVAC 市场中的份额仅占可怜的 1%。
在《2017 年研究》中，Liu 和同事们确定了提高其市场份额的主要障碍。最重要的是成本高昂。在商业空间，地源系统的成本为每平方英尺建筑面积 20.75 美元，Liu 估计一栋三居室房屋的成本在 9,000 美元到 15,000 美元之间。这是因为为管道钻孔以及管道系统本身都很昂贵。“它的成本可能是传统系统的两倍，”Liu 说。“这是最大的障碍。”
此外，Liu 解释说，由于地源泵市场规模小，存在一个先有鸡还是先有蛋的问题。由于投资少，关于如何改进和扩大技术的研究也很少。而由于市场规模小，人们就不愿意投资其开发。“所有新技术都有高成本，”他说，并补充说，虽然地源热泵不是新技术，但近年来该技术的发展很少。“但随着改进，它们会变得更便宜。”还有教育消费者和培训承包商了解热泵的“软成本”。
尽管这一运动仍然很小，但已有几家公司开始着手解决这些问题。Dandelion Energy 的 Hannun 表示，他们通过将曾经独立分开的工种——钻井和管道——结合起来，降低了初始成本。如果没有 Dandelion 这样的公司，房主需要与多个承包商合作才能完成安装。这类似于太阳能成为一个独立的工种后价格下降，将屋顶和电工技能结合起来，创建提供全套服务的统一公司。Dandelion 还提供融资，Hannun 说，纽约的典型房主在 20 年内为地源安装支付 135 至 140 美元/月，而地源系统可以使用 25 年。在东北部，这通常比房主支付的供暖燃料费还少，所以他们的每月供暖成本在安装后就会降低，之后他们只需支付少量运行热泵的电费。
私人公用事业公司，它们已经为天然气运行地下系统，也可能在向电供暖和制冷过渡中发挥作用。马萨诸塞州的广播电台 WBUR 最近报道，一家气候变化非营利组织 Home Energy Efficiency Team 与当地一家公用事业公司合作，考虑用地源管道取代老化的天然气管道。现在，这家公用事业公司提出了三个试点项目来测试一个“网络化系统”，由他们管理地下管道，而房主和企业则拥有自己的建筑热泵。这样的系统可以降低业主的成本，并使他们能够轻松连接到地热供暖和制冷。
不过，在大多数地方，目前接入天然气供暖仍然很便宜而且容易。例如，在纽约，公用事业公司有义务在距离天然气管道 100 英尺内的房屋免费连接。“如果你是一项新技术，很难与免费竞争，”Hannun 说。“我们必须审视现有的政策，并确保我们正在激励我们想要的东西。”
通过政府的激励措施和政策，以及更多的投资和劳动力培训，热泵有潜力帮助我们实现减排目标。 Hannun 认为，我们正迎来一场革命。“三年前我共同创立了 Dandelion，即使在我创立公司以来，我们也看到了巨大的转变，”她说。“所以我感觉这个运动正在获得动力。”
