浅谈热泵技术

TALKINGABOUTTHEHEATPUMPTECHNOLOGY

前言

自人类工业革命以来，随着人类的工业活动大量使用化石燃料，大量的二氧化碳等温室气体被排放，加剧了全球变暖，使得气候多变、灾害丛生。我们在介绍净零排放途径中提到，世界各国以全球协约的方式减排温室气体。中国在之前也提出了碳达峰和碳中和目标，即双碳目标。

想要实现双碳目标，必须要进行能源转型，逐步将以化石能源为基础的碳基能源转变为可再生能源为基础的零碳能源。未来的能源结构会是发掘可再生能源为基础的零碳能源，而零碳或低碳能源结构（光、水、风能等）的特点就是直接以电力形式出现，但现阶段我国主要的电力来源依然是燃烧化石燃料的火力发电，北方的冬季供暖锅炉也是依靠燃烧大量的化石燃料。

在上一期倒春寒来袭，空调取暖真的更费电吗？，文中详细对比了不同电加热形式的原理与区别，并介绍了热的搬运工——热泵，可以说热泵技术是电力转换为热能的最高效途径，而考察这个搬运工搬运能力的指标就是COP。

PART1

什么是COP？

COP(CoefficientofPerformance)，即性能系数或制热能效比，是热泵系统表示其能量转移效果的无量纲量，是所搬运（输出）热量相对于其需要输入能量（热泵系统的压缩机及其它元件所消耗电量）的比值，COP数值越高代表越省电。

对热泵技术而言，在当今火力发电为主的社会，电力来源是火电时，需要热泵系统的COP大于2.5，才能够比直接燃烧取热更节能。而当多数电力来源于零碳电力后，热泵系统的对比对象便是传统焦耳加热原理的电热（比如电加热管和PTC加热器），此时热泵系统的COP只要大于1便更节能。

那么现有的热泵系统的COP能做到多少呢？热泵按热源可分为空气源热泵（ASHP）、水源热泵(WSHP)、地源热泵(GSHP)等，不同热源的热泵COP也不尽相同。

PART2

空气源热泵

空气源热泵是以自然界中无处不在的空气中的能量作为能量来源，自年英国苏格兰安装了第一台空气源热泵以来，它已经成了世界上应用最多、最广泛的一种热泵。

人们家中使用的空调大多都是空气源的，它们一般可以两种模式运行，一种是作为制冷系统制冷，另外一种则是热泵系统制热，除此外，空气源热泵还广泛应用于新能源汽车、家用热水器等场景。空气源热泵可一年四季全天候运行，不惧风雨，但其COP随空气温度变化，空气温度越高，空气源热泵的COP越高，当然COP的值还与室内外的温差有关，温差越大，COP越低。一般来说空气源热泵的COP在常温下可以做到2~5.4，但在低温下（-8℃），其COP会下降至1.1~3.7，而某些热泵设备在低温下还需要借助PTC加热器等设备进行辅助加热除霜，此时其COP将小于1。

PART3

水源热泵

水源热泵是一种利用地球水资源（地下水、河流、湖泊和海洋等）所储存的太阳能资源作为冷、热源，水体分别作为冬季热泵供暖的热源和夏季空调制冷的冷源。相比于空气源热泵，水源热泵系统出现的更早，在年，瑞士苏黎世成功安装了一套水源热泵系统，这也是世界上第一套热泵系统。

与大气中的空气不同，地球水体的温度一年四季相对稳定，尤其是地下水，其冬季的平均温度与夏季差别都很小。由于水体温度较恒定的特性，使得水源热泵系统的COP在绝大部分情况下都能维持在3.6~6.6，且不存在除霜的问题，可以说水源是热泵最好的能量来源。当然水源热泵（开式系统）因其需临近水源，且对水源有一定的要求（水量、清洁度等），且成本较高，无法在所有的地方推广使用。

PART4

地源热泵

地源热泵则是利用地球表面浅层地热资源作为冷热源，进行能量转换的供暖和制冷系统，地表浅层的地热资源也被称为地能，其能量绝大部分来自于太阳对地球表面的照射，只有极少部分来自于地心。

在年，第一台地源热泵在美国俄勒冈安装成功，因其不受地域、资源等限制，在欧美等发达国家迅速发展。在北欧各国，冬季气温可以达到-30℃甚至更低，但地下土壤的温度却一般在0℃以上，因此即使在最冷的寒冬，地源热泵的COP也可以保持在3以上，土壤的温度虽然不如地下水稳定，但稳定性却高于地表水和空气，也同样不存在除霜的问题，多数情况下地源热泵的COP可以维持在3.1~7。由于地源热泵系统存在打井等前期工作，投资大成本高，推广程度不及空气源热泵。

PART5

结语

下图为不同环境温差下几种热泵系统的COP变化趋势，可以看出对于空气源热泵系统（除低温情况下），水源和地源热泵系统（几乎所有情况下）而言，它们的COP是大于2.5的，这也意味着即便其用于制热的电是来自化石燃料的燃烧，其效率也高于直接燃烧化石燃料的锅炉，更是远高于焦耳加热原理的电热炉（COP1），依然可以做到节能减排。

中国工程院江亿院士曾指出，热泵技术若能全面应用在工业、农业和其他民用领域，可产生15亿吨CO?减排效果，占中国总量的15%。所以无论是在当下（以化石燃料为主），还是在未来（以零或低碳能源为主），无论电力是来自化石燃料，还是风电光电等低碳能源，热泵技术都是实现双碳目标的好帮手。

本期内容到这里就结束了，我们下期再见！

END