热泵如何帮助应对全球变暖

许多州都制定了雄心勃勃的目标，削减温室气体排放，以期实现《巴黎气候协定》规定的目标。加利福尼亚州希望到 2045 年实现碳中和，纽约州的目标是到 2050 年将排放量在 1990 年的基础上减少 100%，佛罗里达州则承诺在同一时期内将排放量减少 80%。

但是，如果我们想要实现这些目标并避免气候变化带来的一些最严重后果，我们就需要审视内部——也就是我们的建筑物内部。建筑物是美国 40% 温室气体排放的来源，而这些排放的三分之一以上来自供暖、制冷和通风。室内供暖占每年排放量的十分之一。如今，大多数建筑物都使用天然气、石油或丙烷来保暖，从而产生了数百万个小型碳污染源，累积影响巨大。

幸运的是，现在还有另一种选择：热泵。有些热泵从空气中吸收热量，有些热泵从地面吸收热量，它们都比笨重的燃气炉更高效、污染更少。

热泵的工作原理

热泵的基本技术并不新鲜。你的冰箱就是一个热泵。它从内部吸出热量并将其排出——这就是为什么它后面的压缩机感觉很热的原因。即使在寒冷的温度下，空气中也有热量，冰箱和空调使用的蒸汽压缩循环本质上就是将热量集中起来并将其移走。它使一个空间变暖，从而冷却另一个空间。

热泵基本上是一种可逆空调。当室内温度较低时，它们可以从外部来源（地热机组中的空气或地面）吸收热量，并用它来加热室内热水泵的空气或水。当室内温度过高时，它们可以将热量转移到室外。

空气源热泵将室外空气中的热量集中起来，用于加热室内空间，当室内温度较高时，其功能类似于空调。地热或地源热泵在加热和冷却方面也具有热力学优势。从地表以下 30 英尺到几百英尺，地球全年保持相当恒定的温度。在美国，该温度在 45 到 75ºF 之间，具体取决于您所在的位置，许多州的温度都处于该范围的中间。这些温度接近人类舒适的温度，热泵可以利用这一点实现节能加热和冷却。

地热泵使用一圈充满液体（主要是水，添加了一些防冻剂）的管道来利用深层地下的理想温度。在寒冷的月份，地面相对地表温暖，因此管道将热量输送到建筑物中，热泵设备（室内吹出空气的装置）可以利用它来加热空气或水。在夏天，当地面相对上方空气凉爽时，热量会从建筑物泵入地下。

减少能源开支和排放

传热本质上比产生热量更节能，这就是为什么热泵比传统炉子消耗的能量少得多。事实上，所有热泵在技术上都超过 100% 的效率，这意味着它产生的热量比它消耗的电能要多。与此同时，即使是特别高效的燃气加热器也可能只能达到 90%。因此，根据美国能源部的数据，与传统的 HVAC 系统相比，热泵可以节省 65% 的能源费用。

由于地热热泵具有有利的温度梯度（冬季地面相对于地表较热，夏季地面相对于地表较凉），因此它们甚至可能比空气源热泵更高效。“它就像一根吸管，吸收热量，而且效率极高，因为地面温度始终保持在 50ºF，气候始终温和，”家庭地热供暖安装公司 Dandelion 的总裁兼联合创始人 Kathy Hannun 说道。“因此，地热热泵是最高效的供暖和制冷方式。”她表示，地热热泵的效率在 400% 到 500% 之间，提供的热能是你购买电力的四到五倍。

俄克拉荷马州立大学机械工程学教授杰夫·斯皮特勒在一项研究建筑能源利用的实验中发现，地热系统在商业建筑的供暖和制冷方面比空气源热泵效率高出 60% 以上。他补充说，需要对不同热泵系统的效率进行更多研究。

扩大热泵的使用范围对控制气候变暖排放大有裨益。在 2018 年为自然资源保护委员会准备的一项研究中，研究人员估计，改用热泵进行空间和水加热可以将加州家庭的排放量减少约一半。由于全国范围内用于取暖和制冷的能源数量巨大，全国范围内的转变也将大幅减少温室气体排放。美国世纪中叶深度脱碳战略是一份 2016 年的官方文件，阐述了该国将如何履行《巴黎协定》（在特朗普政府退出该协议之前），其中特别提到热泵是减少建筑物排放战略的一部分。“地热热泵使用电力为建筑物提供供暖、制冷和水加热，其能源效率高于传统的供暖和制冷空调系统，”橡树岭国家实验室的地热热泵研究员刘晓兵说。“尽管我们仍然使用发电厂生产的电力，但地热热泵仍然可以减少与电力相关的排放，因为它们效率高。”

热泵还可以解决风能和太阳能公用设施系统的一个关键问题：风和阳光波动导致能源供应不稳定。刘解释说，地热热泵系统可以设计成将多余的能量以热量的形式储存在地下，以备风车和太阳能电池板无法满足能源需求时使用。“该系统不仅可以加热和冷却，还可以与电网连接，”他说。“这样电网就不会出现（因能源生产不稳定而产生的）电涌。”

激发市场活力

目前，美国有 10% 的家庭使用热泵，其中大部分是空气源热泵。地热热泵仅占暖通空调市场的 1%。

在 2017 年的一项研究中，刘和同事指出了增加市场份额的主要障碍。其中最显著的障碍是成本高。在商业空间中，地热系统每平方英尺建筑空间的成本为 20.75 美元，刘估计一套三居室房屋的成本在 9,000 至 15,000 美元之间。这是因为在地面上钻孔铺设管道成本高昂，管道系统本身也是如此。“它的成本可能是传统系统的两倍，”刘说。“这是最大的障碍。”

此外，刘解释说，由于地源热泵市场规模小，因此存在先有鸡还是先有蛋的问题。由于投资很少，因此很少有人研究如何改进和扩大这项技术。而且由于市场规模小，人们没有投资开发它。“所有新技术的成本都很高，”他说，并补充说，虽然地热热泵并不是什么新技术，但近年来这项技术的发展很少。“但通过改进，它们变得更便宜了。”此外，还有教育消费者和培训承包商使用热泵的“软成本”。

虽然这项运动规模仍然很小，但一些公司已经开始着手解决这些问题。Dandelion Energy 的 Hannun 表示，他们能够通过将曾经分开的行业（钻井和管道）合并为一个来降低初始成本。如果没有像 Dandelion 这样的公司，房主将不得不与几家承包商合作进行安装。这类似于太阳能成为独立行业后变得更便宜的方式，将屋顶和电工技能结合起来，创建能够提供全套服务的统一公司。Dandelion 还提供融资，Hannun 表示，纽约的典型房主在 20 年内每月支付 135 至 140 美元安装地热系统，该系统可持续使用 25 年。在东北部，这通常比房主支付的取暖燃料费用要少，因此安装后他们每月的取暖费用会降低，之后他们只需支付少量电费来运行热泵。

私营公用事业公司已经运营地下天然气系统，它们也可能在向电力供暖和制冷的过渡中发挥作用。在马萨诸塞州，WBUR 广播电台最近报道，一家致力于气候变化的非营利组织家庭能源效率团队与当地一家公用事业公司合作，考虑用地热管道取代老化的天然气管道。现在，这家公用事业公司提出了三个试点项目来测试一个“联网系统”，在这个系统中，他们管理地下管道，而房主和企业则拥有自己的建筑物热泵。这样的系统可以降低业主的成本，并使他们更容易连接到地热供暖和制冷。

不过，目前在大多数地方，利用天然气取暖仍然既便宜又方便。例如，在纽约，公用事业公司必须免费为房主连接 100 英尺范围内的天然气管道。“如果你是一项新技术，就很难与免费技术竞争，”汉农说。“我们必须研究目前实施的政策，确保我们能激励我们想要的东西。”

在政府的激励和政策以及更多投资和劳动力培训的推动下，热泵有潜力帮助我们实现排放目标。汉农认为，我们正在见证一场革命的开始。“三年前，我与他人共同创立了 Dandelion，在它成立的这段时间里，我们已经看到了巨大的转变，”她说。“所以我觉得这场运动正在获得动力。”