热泵

热泵是一种利用制冷循环从外部传递热能，从而为建筑物（或建筑物的一部分）供暖的装置。 许多热泵也可以反向运行，通过从封闭空间带走热量并将其排到室外来冷却建筑物。 仅提供制冷的装置称为空调。

当处于加热模式时，外部温度的制冷剂被压缩。 结果，制冷剂变热。 这种热能可以转移到室内机。 再次移到室外后，制冷剂被减压——蒸发。 它失去了一些热能，返回时比环境温度低。 它现在可以在重复该过程之前从空气或地面吸收周围的能量。 压缩机、风扇和泵用电能运行。

常见的类型有空气源热泵、地源热泵、水源热泵和排风热泵。它们也用于区域供热系统。

热泵的效率表示为性能系数 (COP) 或季节性性能系数 (SCOP)。 数字越大，热泵的效率越高，消耗的能量就越少。当用于空间加热时，热泵通常比简单的电阻加热器更节能。

由于它们的高效率和无化石能源在电网中的份额不断增加，热泵可以在减缓气候变化方面发挥关键作用。使用 1 千瓦时的电力，它们可以将 3 到 6 千瓦时的热能传输到建筑物中。

热泵的碳足迹取决于电力的产生方式，但它们通常会减少温和气候下的排放。

热泵可以满足全球 80% 以上的空间和水加热需求，碳足迹低于燃气冷凝锅炉。

热量会自发地从温度较高的区域流向温度较低的区域。 热量不会自发地从较低温度流向较高温度，但如果进行功可以使其朝这个方向流动。 传递给定量的热量所需的功通常远小于传递热量的量； 这就是在水加热和建筑物内部等应用中使用热泵的动机。

将一定量的热量 Q 从较低温度的储层（例如环境空气）驱动到较高温度的储层（例如建筑物内部）所需的功量为： W = Q C O P {\displaystyle W={\frac {Q}{\mathrm {COP} }}} 其中

• W {\displaystyle W} 是热泵压缩机对工作流体所做的功。
• Q {\displaystyle Q} 是从低温储层传递到高温储层的热量。
• C O P {\displaystyle \mathrm {COP} } 是热泵在某一瞬间水库温度下的瞬时性能系数。

热泵的性能系数大于单位，因此所需的功小于传递的热量，使热泵成为比电阻加热更有效的加热形式。 随着较高温度储层的温度响应于流入其中的热量而升高，性能系数降低，导致传递的每个单位热量所需的功量增加。

通过考虑在逆卡诺循环中运行的理想热泵，可以很容易地计算出热泵的性能系数和所需的功：

• 如果低温水库的温度为 270 K（-3 °C），而建筑物内部的温度为 280 K（7 °C），则相关性能系数为 27。这意味着只有 1 焦耳 需要做功才能将 27 焦耳的热量从 270 K 的蓄热器传递到另一个 280 K 的蓄热器。1 焦耳的功最终会在建筑物内部转化为热能，因此从建筑物内部移除的每 27 焦耳热量 低温水库，28 焦耳的热量被添加到建筑物内部，使热泵从效率的角度来看更具吸引力。

• 随着建筑物内部温度逐渐上升到 300 K（27 °C），性能系数逐渐下降到 9。这意味着每焦耳的功负责将 9 焦耳的热量从低- 温度水库并进入建筑物。 同样，1 焦耳的功最终会在建筑物内部转化为热能，因此建筑物内部会增加 10 焦耳的热量。