电动车追逐的“热泵”科普

如今，热泵风靡一时，尤其是在欧洲，一些国家正在努力禁止安装化石燃料炉和锅炉，转而采用更环保的选择，包括节能热泵。（火炉加热空气并通过管道将其分配到整个房屋，而锅炉则加热水以提供热水或蒸汽供暖。）今年，美国政府开始为安装热泵提供税收优惠，而热泵的前期成本往往更高与传统熔炉相比，但从长远来看效率要高得多。

在新能源汽车领域，因为电池容量是有限的，这也促使行业转向了热泵。因此，也许是时候快速了解热泵的含义和用途了。

鉴于最近的热议，您可能会惊讶地发现您已经在使用热泵——您的家里可能有不止一个，您的车里也可能有多个。您只是不称它们为热泵：您使用术语“冰箱”或“空调”。

事实上，这些机器是热泵，这意味着它们将热量从相对较冷的地方转移到相对较热的地方。热量自行从热流向冷。但如果你想把它从冷变热，你需要“泵”它。这里最好的类比是水，它自行流下山，但需要被抽上山。

当你将某种冷库（空气、水等）中包含的热量泵送到热库时，冷库会变得更冷，而热库会变得更热。这实际上就是你的冰箱或空调的全部作用——它将热量从不需要的地方转移到其他地方，你不在乎你是否会浪费一点额外的热量。

此时您可能会问自己：如何将热量从冷泵送到热泵？换句话说：冰箱是如何工作的？基本原理并不难理解，特别是在思想实验的帮助下。

想象一下，您有一瓶想要冷藏的葡萄酒，但没有冰箱。也许您正在进行露营旅行，但您无法获得比室温葡萄酒更冷的东西。不过，你手头有一瓶同样温和的 176 度伏特加。

如果您还没有猜出这个谜语的答案，那就是在葡萄酒瓶上倒一些伏特加。伏特加的酒精度为 88%，随着酒精的蒸发，酒的温度会稍微降低。这里的工作原理利用了所谓的汽化潜热。简而言之，酒精的蒸发带走了酒瓶中的一些热能，使其稍微冷却。涂在酒瓶表面的伏特加蒸发后，冲洗（用更多伏特加）并重复，每次浸泡时使酒瓶冷却一点。

产生热泵的关键见解出现在 19 世纪初，当时包括雅各布·珀金斯 (Jacob Perkins)在内的众多发明家意识到，他们可以通过这种方式冷却某些东西，而不会浪费为了实现冷却而蒸发的挥发性液体。他们认为，与其将这些蒸气释放到大气中，不如收集它们，将它们凝结成液体，并将该液体重新用作冷却剂。

这正是冰箱和空调的作用。它们蒸发液体制冷剂，并利用寒冷的蒸汽吸收冰箱或汽车内部的热量。然后他们压缩气体，气体又凝结成液体形式。这种液体现在比开始时更热，因此它所容纳的一些热量很容易（可能在风扇的帮助下）流入周围环境 - 无论是户外还是厨房的其他地方。

这就是说：您对热泵非常熟悉；只是你一直把它们称为空调和冰箱。

现在让我们进行另一个思想实验。如果您有窗式空调，您甚至可以将其作为实际实验来进行。向后安装。也就是说，将其控件安装在窗户外面。在凉爽干燥的天气进行此操作。会发生什么？

正如您所期望的，它将冷空气吹入您的后院，并将热量释放到您的家中。因此它仍然在输送热量，通过供暖让您的家变得更加舒适。当然，它会让外面的空气变冷，但一旦你远离窗户，这种影响就会变得微乎其微。

您现在拥有热泵来为您的家供暖。它可能不是最好的热泵，但它会起作用。更重要的是，当夏天来临的时候，你还可以把它翻转过来，当作空调使用。

当然，实际上不要这样做。如果你尝试过，那么在第一次下雨并且水进入控制器时，它无疑会失败。相反，你可以给自己买一台商用“空气源”热泵，它可以利用同样的原理为您的家供暖。

当然，问题是伏特加很贵，而且你很快就会用完它来冷却葡萄酒。即使你用更便宜的外用酒精代替伏特加，你很快就会抱怨这笔费用。

其中一些装置具有所谓的换向阀，它允许相同的设备发挥双重作用：它们可以将热量从外向内或从内向外泵送，既提供热量又提供空调，如下所述。

用于供暖的热泵与空调基本相同。两者都包含在回路中输送挥发性流体的管道、压缩机和两个热交换器（一个在室内，一个在室外）。

一些热泵利用这种相似性来充当加热器和空调。为此，他们使用所谓的换向阀，该阀允许管道中的挥发性流体向任一方向输送。然后，每个热交换器可用于提供热量或吸收热量。

热泵比电加热器更有效，因为它们不需要通过电力产生热量。热泵使用的电力确实会产生一些热量，但更重要的是它将热量从室外泵入您的家中。释放到家中的热量与发送到电动压缩机的能量之比称为性能系数，简称 COP。

一个简单的电空间加热器，其提供的所有热量均由电加热元件产生，其 COP 为 1。另一方面，热泵的 COP 可以高一个数量级。

不过，热泵的 COP 并不是固定值。它与在其间泵送热量的两个储存器之间的温差成反比。也就是说，如果您将热量从不太冷的水库泵送到不太热的建筑物中，则 COP 将是一个很大的值，这意味着您的热泵在用电方面非常高效。但如果你试图将热量从极冷的水库泵送到已经温暖的建筑物中，COP 的值就会降低，这意味着效率会受到影响。

结果就是您直观地期望的那样：最好使用您能找到的最温暖的东西作为室外储热器。

空气源热泵利用室外空气作为热量储存器，是这方面最差的选择，因为冬季供暖季节室外空气非常寒冷。更好的是地源热泵（也称为地热热泵），因为即使在冬天，中等深度的地面仍然相当温暖。

地源热泵的问题在于您需要一种方法来访问这个埋藏的热量库。如果您家周围有足够的空间，您可以挖沟渠并在合理的深度（例如几米深）埋设一堆管道。然后，您可以通过这些管道循环液体（通常是水和防冻剂的混合物）以吸收地面的热量。或者，您可以在地面上钻深孔，并将管道垂直安装到这些孔中。不过，所有这些都会变得昂贵。

少数幸运儿可以采用的另一种策略是，通过将管道浸入水中一定深度，从附近的水体中提取热量。这些被称为水源热泵。一些热泵采用更不寻常的策略，即从离开建筑物的空气或太阳能热水中提取热量。

在非常寒冷的气候下，如果可能的话，安装地源热泵是有意义的。这可能就是为什么瑞典（瑞典是人均热泵数量最多的国家之一）的大多数热泵都是这种类型的原因。但即使是瑞典也拥有很大比例的空气源热泵，这与热泵只适用于温和气候下的家庭供暖的普遍说法（至少在美国）不符。

因此，无论您身在何处，如果您能负担得起较高的前期成本，下次您面临如何为房屋供暖的决定时，请考虑使用热泵而不是传统的炉子或锅炉。

*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。

今天是《半导体行业观察》为您分享的第3548期内容，欢迎关注。