热泵是什么(热泵的工作原理)

热泵以一种高效、可持续的方式来加热和冷却你的家。热泵的功能与冰箱或空调类似，它们将热空气从一个空间输送到另一个空间。在冬天，热泵将室外的热量转移到室内，在夏天，它将这一过程逆转。

随着全球平均气温持续上升，预计到2050年，空调需求将增加近四倍，加剧气候危机。使用热泵可以显著减少建筑物的温室气体排放。在这篇文章中，将介绍什么是热泵? 它是如何工作的? 并以美国为例讨论热泵如何成为更可持续的选择，以及成本和效率

热泵的工作原理

有两种主要类型的热泵，它们都可以作为空间加热器或冷却器以及热水器。

1） 地源热泵

地源(或“地热”)热泵将水、防冻剂和/或制冷剂的混合物通过埋在霜冻线以下的管道网络输送。当液体通过管道时，它就像热交换器，吸收地球的热量。然后，液体被吸入压缩机，进一步加热，产生蒸汽。然后，热泵中的风扇将热空气通过管道输送而分布在整个建筑中。

在夏天，地源热泵将这一过程反过来，将室内的热空气抽出并储存在土壤中。

什么是热交换器? 热交换器是将热量从一种流体传递到另一种流体而不混合的装置。

2）空气源热泵

空气源热泵从空气中而不是从地下提取热量。室外机的风扇从大气中吸入空气，通过热交换盘管，其中含有沸点极低的液体制冷剂。

当制冷剂沸腾时，通过压缩机进一步加热。然后，压缩蒸汽通过室内机组中类似的线圈，将其加热。然后，风扇将制冷剂的热量释放到空气中，并在整个房子中循环。

当制冷剂冷却时，它通过一个膨胀器(与压缩机相反)，并恢复到液体状态。然后制冷剂被送入室外线圈，重新开始整个过程。

与地源热泵一样，热泵内部的换向阀可以在夏天起到空调的作用。

热泵在寒冷气候下工作吗?

地源热泵不受大气温度变化的影响，因为霜冻线以下的地面保持相对稳定。不久以前，空气源热泵的效率还不足以在极冷的气候下工作。但是如今，在南极洲、加拿大北部和北欧都有热泵。空气热源中的制冷剂。泵的温度可在华氏15度至-56度之间，任何高于制冷剂温度的空气都会将其变成蒸汽。

空气源热泵需要更努力地工作(因此需要更多的电力)来从极冷的空气中提取热量。尽管如此，在零下的温度下，高性能热泵的效率是天然气供暖系统的两倍。

热泵的可持续性

在住宅和商业建筑中，超过一半的能源用于空间供暖/制冷和水加热。这就是为什么商业和住宅建筑占全球温室气体排放量的34%，包括美国温室气体排放量的13%。

热泵如何能够降低这些排放数字取决于许多因素，包括用于运行热泵的电力来源。2021年，美国40%的电力来自非化石燃料来源，所以在美国大部分地区，电动热泵将比在地下室燃烧化石燃料更清洁。更安全的是: 在2010年至2015年期间，2244名美国人死于意外的一氧化碳中毒，这是由化石燃料不完全燃烧引起的，大多数一氧化碳死亡发生在冬季。

使用你自己的屋顶太阳能板来运行你的热泵，你几乎已经消除了温室气体和潜在的一氧化碳排放，产生加热和冷却你的房子。

成本和效率

在美国，购买热泵比同时购买煤气炉和空调系统更划算。

根据《福布斯》的数据，在2022年7月，一台空气源热泵的平均前期成本为3500美元至4500美元，根据安装的复杂程度，价格在2500美元至1万美元之间。同样，一个煤气炉的平均费用为4 500美元，基本炉(安装前)的费用为1 690美元，安装高效型号的费用为6 910美元。

一个地源热泵的前期成本可能要高得多，对于大多数系统来说，从14000美元到42000美元不等——考虑到需要进行的挖掘和管道工作。

请记住，热泵不仅可以替代加热系统，也可以替代冷却系统——这是两合一的交易，有可能节省数千美元。(一套新的中央空调系统的美国全国平均价格约为5,600美元，其中包括安装费用)。

1）能源效率

根据美国能源部的数据，根据不同地区的情况，空气源热泵“向家庭输送的热能比其消耗的电能多三倍”。这可以是新天然气炉效率的三倍多，天然气炉是所有化石燃料炉中效率最高的(旧炉子的效率只有新炉子的一半。) 地源热泵的效率更高，与空气源热泵相比，地源热泵的能耗降低了44%。

2）运营成本

由于效率的提高，热泵的年运行成本几乎总是低于煤气炉——这取决于家庭的供暖需求、电力价格和天然气价格。

除了三个州(阿拉斯加、密歇根和新墨西哥)外，用空气源热泵给家庭供暖的成本都比用高效煤气炉低。在成本差异最大的州(缅因州)，一台热泵比一台煤气炉15年节省的成本超过1.3万美元。这是你下一个供暖系统的价格。

虽然热泵和中央空调机组的效率和运行成本相当，但窗户空调的运行成本往往更高。

3）稳定的能源成本

空调和暖通空调系统是家里最耗电的电器，占美国家庭平均能源支出的12%。(在南方，这一比例可能会上升到27%。) 随着气候变化导致的平均气温持续上升，这些费用只会增加。依靠电力运行的热泵可以帮助将成本上升控制在1英里以内

作为通货膨胀的主要驱动因素，化石燃料成本历来比电力成本波动大得多，而电力成本往往受制于州公共事业监管。(当然，在使用化石燃料发电的市场中，这两种成本是相关的。) 如上所述，美国电网已经有40%的电力来自非化石能源。随着越来越多成本更低、价格稳定的可再生能源进入美国电网，电动热泵的经济效益将越来越明显，使美国消费者和企业在家庭能源需求可能上升时，仍能依靠稳定的供暖和制冷成本。