这是一个困扰Zhibin Yu（音：余志斌）多年的工程问题。但现在他有一个完美的机会来解决它。
在Covid-19肆虐英国，第一次封锁期间，这位热能工程师突然有了他需要的时间来改进热泵的效率：这些电气设备将热量从室外转移到人们的家中。

热泵的效率比燃气热水器高得多，但从空气中吸收热量的标准模型容易结冰，这大大降低了它们的效率。

在英国格拉斯哥大学工作的Yu对这个问题思考了数周。他阅读了一篇又一篇的论文。然后有了一个想法：大多数热泵浪费了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，就能解决除霜问题并提高泵的整体性能。

他回忆说："我突然发现了一个回收热量的解决方案，那真是一个惊人的时刻"。

Yu的想法是最近的几项创新之一，这些创新旨在使有200年历史的热泵技术比现在更有效，有可能为全世界更多采用热泵打开大门。
根据国际能源署（IEA）的数据，迄今为止，全世界只有大约10%的空间加热需求是由热泵满足的。但是，由于目前的能源危机和为应对气候变化而减少化石燃料消耗的压力越来越大，这些设备可以说比以往任何时候都更加重要。

自从他在2020年闭关集思广益以来，Yu和他的同事已经建立了一个热泵的工作原型，将剩余的热量储存在一个小水箱中。在2022年夏天发表的一篇论文中，他们描述了他们的设计如何帮助热泵使用更少的能源。此外，通过单独将这些剩余的热量重新分配到热泵暴露在冷空气中的部分，该设备可以在需要时自我解冻，而不必暂停对房屋的供热。

这个想法依赖于热泵运行的原理。如果你能抓住热量，你就能使用它。热泵的特别之处在于，它们不只是产生热量，还从环境中捕捉热量，并将其转移到你的房子里。

例如，最终将这些热量转移到散热器或强制空气加热系统。这要归功于热泵内部流动的冷媒。当制冷剂遇到热量时，即使是在寒冷的日子里空气中的少量热量，它也会吸收少量的热量。然后，压缩机迫使制冷剂达到更高的压力，将其温度提高到可以加热房屋的程度。它的工作原理是，压力的增加将制冷剂分子推到一起，增加其运动。随后，制冷剂再次膨胀，一边膨胀一边冷却，循环往复。整个循环也可以反向运行，允许热泵在夏季高温时提供冷却。

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空气源热泵是最常见的设计，它从室外空气中获取热量。

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热泵的神奇之处在于，它每使用一千瓦时的电，就能输送多千瓦时的热量。热泵的效率通常以其性能系数（COP）来衡量。例如，COP为3，意味着1千瓦时的果汁可以产生3千瓦时的热量 ，这实际上是300%的效率。你从你的设备中得到的COP可以根据天气和其他因素而变化。

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年就提出使用热泵系统进行空间加热。第一个热泵是在几年后设计和建造的，并在工业上用于加热盐水，以便从液体中提取盐。在20世纪50年代，英国议会成员在煤炭库存不足时讨论了热泵。而在1973-74年石油危机之后的几年里，热泵被吹捧为化石燃料供暖的替代品。"一位评论家在1977年的《能源年度评论》中写道："希望寄托在未来的热泵上。

现在，世界面临着对能源供应的又一次清算。2022年2月俄乌战争期间，天然气的价格飙升，又将热泵推到了聚光灯下，因为除了少数例外，它们是靠电力而不是天然气运行的。同月，环保主义者Bill McKibben写了一篇博客文章，他认为美国可以通过大规模推广热泵来降低美国人对化石燃料的依赖。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应的电网中获取电力。

华盛顿特区的独立研究机构 "未来资源 "的经济学家和高级研究员凯伦-帕尔默指出，用绿色电力运行这些设备也有助于应对气候变化，她在《2018年资源经济学年度评论》中共同撰写了关于提高能源效率的政策分析。"她说："如果没有其他方面的技术突破，建筑中更多地使用电力满足能源需求的情况将不得不发生。

国际能源署估计，在全球范围内，热泵有可能在2030年减少至少5亿公吨的二氧化碳排放，相当于今天欧洲所有汽车的年二氧化碳排放量。

尽管热泵有着悠久的历史和潜在的优点，但在一些国家却很难普及。原因之一是成本。这种设备比燃气加热装置要贵得多，而且，由于几十年来天然气一直保持相对便宜的价格，房主们没有什么动力去转换。

长期以来，人们还认为热泵在寒冷的气候条件下不能很好地工作，特别是在需要大量热量的绝缘性能差的房屋中。例如，在英国，房屋往往相当通风，一些房主长期以来认为燃气锅炉是更安全的选择，因为它们可以向散热器供应更热的水（约140至160华氏度≈60到71摄氏度），这使得房间更容易加热。相比之下，热泵在将水加热到华氏100度（37.8摄氏度）左右时往往效率最高。

然而，鉴于市场上有多种现代空气源设备，即使外部温度低至零下10华氏度（约零下23摄氏度）也能很好地工作，寒冷气候问题可以说没有一些人认为的那么严重。例如，挪威被认为是热泵部署方面的世界领导者之一。帕尔默在她的美国家里有一个热泵，同时还有一个炉子作为备用。她说："如果天气真的很冷，我们可以依靠炉子，"。

热泵设计的创新导致了更高效的设备，更适合于绝缘水平低的房屋，而且有可能更便宜。例如，Yu说他和他的同事们的新型空气源热泵设计可以将COP提高3%到10%，而成本却低于具有可比功能的现有热泵设计。他们现在正寻求将该技术商业化。

英国德蒙福特大学现已退休的能源系统工程师Rick Greenough说，Yu的工作具有创新性。"他说："我必须承认，这是一种我实际上没有想到的方法。
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这种较新的热泵设计由格拉斯哥大学的热能工程师 Zhibin Yu 设计，它可以储存原本会被浪费掉的余热，并用它来帮助加热房屋或为泵本身的一部分除霜。这使系统更有效率。

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还有很多想法正在酝酿之中。例如，Greenough已经尝试在温暖的月份将热量储存在地下，当天气转凉时，可以通过热泵来利用这些热量。他的设计使用循环流体将太阳能热水板的多余热量转移到土壤中的浅孔中。他说，这使土壤的温度提高了约22华氏度（约零下5摄氏度），最高约为66华氏度（约18摄氏度）。然后，在冬天，当空气变得更冷时，热泵可以抽出一些储存的热量，以便更有效地运行。格林诺夫指出，这种技术已经在市场上出现，由英国的一些安装商提供。

但是，目前大多数热泵仍然只能产生相对较低的输出温度，因此，在安装热泵时，通风良好的房屋业主可能需要承担额外的保温费用。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生产热泵的业务发展项目经理Wouter Wolfswinkel说："我们说，'嘿，为什么不制造一种热泵，它实际上可以一对一地取代燃气锅炉，而不需要对你的房子进行真正的、彻底的绝缘？Vattenfall和其荷兰子公司Feenstra已经合作开发了一种高温热泵，预计将于2023年首次亮相。
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与反向运行的空调一样，热泵（例如安装在此处的热泵）使用制冷剂从室外捕获热量并将其输送到室内以供暖。（图片来源：PHYXTER 家庭服务）

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在他们的设计中，他们使用二氧化碳作为制冷剂。但是，由于热泵系统的高温、高压工作条件使气体不容易冷凝或冷却，他们必须找到一种方法来降低制冷剂的温度，以使其在返回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，他们在系统中添加了一个 "缓冲器"：一个水箱，在上面的热水下面有一层较冷的水。热泵利用水箱中较低的冷水层，根据需要调整制冷剂的温度。但它也可以将水箱顶部的较热的水送至散热器，温度最高可达185华氏度。

沃尔夫斯温克尔承认，该设备的效率略低于传统的、温度较低的热泵，根据条件，其COP值约为265%，而不是300%。但这仍然比燃气锅炉（效率不超过95%）要好，而且只要电价不明显高于燃气价格，高温热泵的运行成本仍然会更低。此外，Wolfswinkel指出，较高的温度意味着房主不需要立即升级他们的绝缘材料或扩大散热器的尺寸。这可以帮助人们更快地过渡到电气化供暖。

一个关键的测试是荷兰的房主们是否会去做这件事。作为试点试验的一部分，Vattenfall和Feenstra在离阿姆斯特丹不远的Heemskerk镇的20户不同规模的家庭中安装了热泵。经过几年的测试，2022年6月，他们让房主选择收回他们保留在家中的旧燃气锅炉，或永久使用高温热泵。"沃尔夫斯温克尔说："所有的人都改用了热泵。

在某些情况下，逐户安装热泵可能不如建造一个大型系统为整个社区服务更有效率。大约十年来，位于格拉斯哥的Star Renewable Energy公司一直在建设区域系统，从附近的河流或入海口汲取热量，包括连接到挪威峡湾的区域供热系统。如果你说 "热 "这个词，斯堪的纳维亚的峡湾可能不是你想到的第一件事，但峡湾深处的水实际上保持着46华氏度（约7.8摄氏度）的相当稳定的温度，热泵可以利用它。

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地源热泵和水源热泵与空气源热泵的不同之处在于它从地面或水体中获取热量。

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通过一个很长的管道，区域供热系统吸入这些水，并使用它来加热制冷剂，在这种情况下是氨。随后，制冷剂的压力严重增加，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，热制冷剂将其热量传递给区域供热循环中的水，将水的温度提高到195华氏度。这个庞大的系统提供了德拉门市建筑物供暖所需的85%的热水。

"这种类型的事情是非常令人兴奋的，"Greenough说。

不是每个家庭都适合使用热泵。也不是每个预算都能容纳一个。Yu自己说，更换他自己家里的燃气锅炉的费用仍然很高。但这是他梦想中的事情。随着效率的不断提高，以及在多个国家销售量的增加，热泵的反对者越来越难以拒绝。"最终，"Yu说，"我认为每个人都会改用热泵。

> 原文标题：How heat pumps of the 1800s are becoming the technology of the future
Innovative thinking has done away with problems that long dogged the electric devices — and both scientists and environmentalists are excited about the possibilities
原文作者：Chris Baraniuk
原文地址：https://knowablemagazine.org/article/technology/2023/heat-pumps-becoming-technology-future

热泵的效率比燃气热水器高得多，但从空气中吸收热量的标准模型容易结冰，这大大降低了它们的效率。
在英国格拉斯哥大学工作的Yu对这个问题思考了数周。他阅读了一篇又一篇的论文。然后有了一个想法：大多数热泵浪费了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，就能解决除霜问题并提高泵的整体性能。

1800 年代的热泵如何成为未来的技术