[科普中国]-屋里太冷？从寒冷的室外取点热量

一股一股冷空气不断袭来，家中的取暖设备纷纷开启，小太阳、空调、暖气、热水袋、暖宝宝一起上阵。近些年，一种能从寒冷的室外取热给室内加温的热泵取暖技术越来越受人们的青睐。今天，我们就来聊一聊这个能够逆天取热的神奇技术。

逆转热量传递方向就靠它

向环境大气要能源的确是一个不错的主意！然而，要把热量从低温处搬到高温处，谈何容易？一杯热茶之所以会慢慢变凉，是因为热量会自发地从高温处传递到低温处。这说明热量的传递是有方向性的，即热量只能从高温热源自发地传至低温热源。但有了空气源热泵这个“搬运工”就可以实现热量传递方向的逆转。空气源热泵可以把室外低温处的热量“搬运”到室内高温处。利用热泵原理来“搬运”热量，要比电加热的原理复杂得多。

空气源热泵运用逆卡诺循环原理，通过热泵做功使工质产生物理相变而完成热量“搬运”。具体来说，就是利用压缩机和制冷剂的特性把空气中的能量“搬运”到热水中。

热泵“搬运”热量示意图（图片来源：yzjn88）

空气能热泵的心脏为压缩机。采用少量的电能驱动压缩机运行，把工质由低温低压气态压缩成高压高温气态。工质经过冷凝器放热后变成低温高压液态（液化），从而使室内的水温升高。低温高压液态工质通过膨胀阀减压后变成低温低压液态，并在蒸发器中吸收空气中的热量而变成低温低压气态（气化）……低温低压气态工质再次进入压缩机参与下一个循环。如此不断地循环加热，可以把水加热至50℃-65℃。

四倍产出还节能环保

空气能热泵能够实现四倍多的热量产出。同样消耗1千瓦的电能，电热水器输出的热量不会超过1千瓦，而空气源热泵热水器可以输出4千瓦-5千瓦的热量。

热泵能量流程图（图片来源：dimplex.co.uk）

从效果上来看**，我们投入了1份的电能（W）收获了4份的热量（QH）。乍一看这似乎违背了能量守恒定律，其实我们已经忽略了空气源的热量（QC）。**在这个过程中，热泵从室外低温环境中搬运了3份的热量。这样一来，就有了如下的平衡关系，即QH= QC+W。

节能环保的空气能热泵（图片来源：dimplex.co.uk）

至于节能效果，则可以用“性能系数”来反映。在制热模式下，性能系数（COP）在数值上等于制热量与制热输入电功率的比率。在相同的工况条件下，COP越大说明这个热泵系统的效率越高，因此节能性也就越好。空气能热水器的性能系数（COP）通常在3～5之间，并以此为依据来对空气能热泵的能效进行分级。

空气能热泵以环境大气中的热量作为主要热源，这种热量是一种取之不尽的可再生能源。并且它几乎不受天气的影响，可以全天候供应热水。未来，空气能热泵有很好的发展前景，并将成为御寒队伍中的一员猛将。

参考文献：

【1】中华人民共和国国家标准.《热泵热水机（器）能效限定值及能效等级》（GB29541-2013）.中国标准出版社，2013年版。

【2】张昌主编.《热泵技术与应用》，机械工业出版社，2008年版。

【3】张军 孟祥睿 马新灵.《低品位热能利用技术》，化学工业出版社，2011年版。

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