熱泵

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熱泵（heat pump）是將熱量從較低溫下的物質或空間傳遞到更高溫度下的另一種物質或空間的裝置，也就是使熱能沿自發熱傳遞的相反方向移動，使得熱的地方更熱、冷的地方更冷。熱泵為完成將能量從熱源傳遞到散熱器這一非自發過程，須要來自外部的能量。常見的應用是暖氣、冷氣和冷凍機。但術語「熱泵」更為籠統，適用於用於空間加熱或空間冷卻的許多暖通空調設備。

熱泵最常見的設計包括四個主要部件–冷凝器，膨脹閥，蒸發器和壓縮機。循環通過這些組件的傳熱介質稱為製冷劑。

熱泵利用低沸點液體經過節流閥減壓之後蒸發時，從較低溫處吸熱，然後經壓縮機將蒸汽壓縮，使溫度升高，在經過冷凝器時放出吸收的熱量而液化後，再回到節流閥處。如此循環工作能不斷地把熱量從溫度較低的地方轉移給溫度較高（需要熱量）的地方。

熱泵比簡單的電阻加熱器具有更高的能源效率。但是，隨著熱源和散熱器溫度差的增加，效率開始下降。典型的安裝成本也高於電阻加熱器。

## 概要

熱能自然地從較溫暖的地方轉移到較冷的空間。但是，熱泵可以通過從寒冷的空間吸收熱量並將其釋放給較熱的空間來逆轉這一過程。此過程需要一定量的外部能量，例如電，但在實際安裝節約的例子中，比直接電熱要省電五到七成。在暖通空調中，術語「熱泵」通常是指為在熱能傳遞的兩個方向上都實現高效率而優化的蒸汽壓縮製冷設備。即，熱泵能夠根據需要向內部空間提供加熱或冷卻。

熱泵的兩種主要類型是壓縮和吸收。壓縮熱泵以機械能（通常由電力驅動）運行，而吸收式熱泵也可以以熱能作為能源（來自電力或可燃燃料）運行。

按工作原理，熱泵有蒸氣壓縮式熱泵、吸收式熱泵、化學熱泵等，其中應用最廣泛的是電驅動式蒸氣壓縮式熱泵。

## 歷史

- 1748: 威廉·庫倫（William Cullen）演示了人工製冷。
- 1834: 雅各布·珀金斯（Jacob Perkins）用乙醚建造了一台實用的冰箱。
- 1852: 開爾文勳爵（Lord Kelvin）描述了熱泵的基本理論。
- 1855–1857: 彼得·馮·里丁格（Peter von Rittinger）開發並建造了第一台熱泵。
- 1928: Aurel Stodola建造了一個閉環熱泵（來自日內瓦湖的水源），至今為止一直為日內瓦市政廳提供暖氣。
- 1945: 諾里奇市電氣工程師約翰·薩姆納（John Sumner）安裝了一個實驗水源熱泵供暖中央供暖系統，該系統使用附近的河流為市政廳的新行政大樓供熱。季節性效率比為3.42。平均熱輸出為147 kW，峰值輸出為234 kW。
- 1948: 羅伯特·韋伯（Robert C. Webber）被譽為開發和製造了第一台地熱泵。
- 1951: 首次大規模安裝-倫敦的皇家節日大廳開業，該鎮設有由泰晤士河供暖的城鎮燃氣可逆水源熱泵，用於冬季供暖和夏季製冷需求。
- 2019: 基加利修正案生效, 逐步淘汰有害製冷劑.

## 效能

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在比較熱泵的工作性能時，一般不使用「效率」這個詞，由於效率在熱力學上是有特別的定義的，因此使用性能係數（COP, coefficient of performance）這個詞描述了有效熱量移動與工作需要的能量的比率。COP數值越大，表示僅需要少量的能量就能移動大量的熱量。大多數壓縮機熱泵使用電動機帶動，而一些車載裝置則採用傳動軸和引擎馬達相連驅動。

在溫和的天氣給建築物取暖，空氣源熱泵可能可以提供到COP指標3到4的能效，而一個電加熱器則只能提供COP為1的能效。也就是說，電阻發熱的取暖器耗費1焦耳的能量最多只能提供1焦耳的熱量，而熱泵則可以使用1焦耳的能量從更熱或更冷地方移動大於1焦耳的能量。不過需要注意到環境溫度差別很大，譬如在非常寒冷的冬天要給屋子取暖，熱泵為了取得更多的熱量而需要花費更多的能量。因為卡諾效率（Carnot Efficiency）的限制，隨著室內與室外的溫差的增加，熱泵的COP最終有可能會接近1。對於空氣源熱泵，這種情況一般會發生在室外環境溫度靠近-18 ℃（0 ℉）時。

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同時，當熱泵從室外低溫的空氣中獲取熱量時，空氣中的水分會凝結並凍結在室外交換器上。系統就必須階段性地除去這些冰霜。換言之，當外面空氣極端寒冷時，空氣源熱泵取暖有可能不如更直接用電阻加熱的取暖器。

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地源熱泵利用地底特定深度永遠保持舒適溫度的特性，相比之下也許更加全年均衡。地源熱泵的COP一般可以常年保持在3.5到4之間。

製冷用的熱泵，其效能要用能效比（EER）或季節能效比（EESR）表示，兩者都是用為單位，越大的能效比值表示更好的性能。製造商的型錄應該分別用COP表示制熱模式的性能，用EER表示製冷模式的性能。然而實際性能還取決於更多不同的因素譬如安裝、溫差、海拔和維護。對於相同溫差的條件，熱泵工作於制熱模式比製冷模式效率要高。這是因為制熱模式下輸入壓縮機的工作能量也大量被轉化為熱量，並通過冷凝器直接增加到有效熱量中。而對於製冷模式，冷凝器通常處於室外，壓縮機耗能發出的熱量與工作目的正好相反。

法國工程師尼古拉·萊昂納爾·薩迪·卡諾於1824年提出的卡諾效應（Carnot efficiency）可以運用在熱泵上。依照能量守恆定律，流入熱泵的能量（$Q_{cold} + W$）等於流出熱泵的能量（$Q_{hot}$）。

熱泵的效率（從低溫熱源吸熱量/外界輸入的功）為性能係數（coefficient of performance），縮寫為C.O.P.。

$$COP = \frac{Q_{h}}{W}=\frac{Q_{h}}{Q_{h} - Q_{c}}=\frac{1}{1- \frac{Q_{c}}{Q_{h}}}$$

由於Carnot同時還證明了：

$$\frac{Q_{hot}}{Q_{cold}} = \frac{T_{hot}}{T_{cold}}$$

其中溫度單位皆為凱氏溫標。

因此可以得到：

$COP_{heating} = \frac{1}{1- \frac{T_{c}}{T_{h}}} = \frac{T_{h}}{T_{h} - T_{c}}$

這個公式是以熱泵用於供暖為前提的，所以當環境溫度比較溫和的時候，熱泵的效率比較高。

當熱泵用於製冷的時候，C.O.P.的公式變為：

$$COP_{cooling} = \frac{T_{c}}{T_{h} - T_{c}}$$

這個效率計算方法只對理想熱泵適用。對於實際中的熱泵來說，C.O.P.通常在2到6之間。

## 類型

### 空氣源熱泵

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空氣源熱泵（ASHP）是一種可以從建築物外的空氣中吸收熱量並將熱量釋放到室內的熱泵；它使用與空調相同的蒸汽壓縮製冷過程和基本一樣的設備，但方向相反。空氣源熱泵是最常見的熱泵類型，通常製熱量較小，因此傾向於用於為單個住宅或公寓供暖，而不是為建築物、區域或工業過程供暖。

空氣源熱泵用於在兩個熱交換器之間轉移熱量。一個位於建築物外部，內部裝有翅片，風扇驅動空氣通過翅片進行強制循環；另一個則直接加熱建築物內部的空氣，或加熱水，然後將熱水通過暖氣片或地暖系統循環輸送到建築物內，最終將熱量釋放到室內。這些設備也可以在製冷模式下運行，通過內機吸收熱量，並通過外機將熱量釋放到周圍空氣中。部分空氣源熱泵還可用於製取熱水，並將熱水儲存在家用熱水箱中。

空氣-空氣熱泵直接向房間輸送冷熱空氣，但通常不提供熱水。空氣-水熱泵則利用暖氣片或地暖為整棟房屋供暖，並且通常也用於提供生活熱水。

空氣源熱泵通常可以利用 1 kWh 的電能獲得 4 kWh 的熱能。它們的最佳供水溫度為30 至 40 °C (86 至 104 °F)，適用於安裝了較低供水溫度散熱末端的建築物。雖然有一定的效率損失，空氣源熱泵甚至可以製取高達 80 °C (176 °F) 的熱水為建築物提供供熱。

截至2023年，全球約10%的建築供暖來自空氣源熱泵。空氣源熱泵是逐步淘汰住宅燃氣鍋爐（也稱「燃氣爐」）的主要途徑，以避免其溫室氣體排放。空氣源熱泵的安裝成本較低，但在極冷或極熱的天氣下，其性能係數較低。

### 地源熱泵

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地源熱泵（也稱地熱熱泵）是一種建築物供暖/製冷系統，它基於地球溫度在四季相對恆定的特性，利用熱泵從地下吸取或排放熱量。地源熱泵（GSHP）——在北美通常被稱為地熱熱泵（GHP）——是目前最節能的暖通空調和熱水供應技術之一，其能耗低於電阻式電加熱器。

效率以性能係數 (COP) 表示，通常在 3 到 6 之間，這意味著每消耗一個單位的電能，設備就能提供 3 到 6 個單位的熱量。由於需要在較大區域安裝地埋管或鑽孔，地源熱泵的安裝成本高於其他供暖系統，因此如果建築物是公寓樓，通常在新建時安裝。

### 排風餘熱回收熱泵

排風餘熱回收熱泵從建築物的排氣中提取熱量，分為兩類：排氣-空氣式熱泵將熱量傳遞給進氣。排氣-水式熱泵將熱量傳遞給包含生活熱水箱的供暖迴路。

### 太陽能輔助熱泵

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太陽能輔助熱泵（SAHP）是一種將熱泵與太陽能集熱板和/或光伏太陽能板集成於一體的系統。熱泵需要低溫熱源，太陽能可以提供這種熱源。通常，這兩種技術單獨使用（或並聯使用）來產生暖風或熱水。在該系統中，太陽能集熱板作為低溫熱源，產生的熱量為熱泵的蒸發器提供熱量。該系統的目標是獲得較高的性能係數（COP），從而以更高效、更經濟的方式產生能源。

太陽能光伏發電可以為熱泵提供電力，從而實現建築物和溫室的供暖電氣化。這些系統實現了供暖/製冷的電氣化，通常是由經濟效益和脫碳目標驅動的。此類系統已在中東、北美、亞洲和歐洲證明具有經濟效益。

任何類型的太陽能熱系統都可以與熱泵結合使用，包括使用空氣式或液體式集熱器的系統（如板管式、輥壓焊接式、熱管式、平板式），以及混合型系統（單晶／多晶、薄膜）。然而，最為推薦的是採用混合型太陽能板，因為這樣可以覆蓋熱泵部分用電需求，降低電力消耗，從而進一步減少系統的可變運行成本。

### 水源熱泵

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水源熱泵的工作原理與地源熱泵類似，區別在於它從水體而非地下吸收熱量。然而，水體必須足夠大，才能承受設備的冷卻作用而不結冰或對野生動植物造成不利影響。世界上最大的水源熱泵於2023年安裝在丹麥城市埃斯比約。

### 其他

熱聲熱泵的工作原理與熱聲熱機類似，但它無需製冷劑，而是利用揚聲器驅動的密封腔室內的駐波，在腔室兩端產生溫差。

帕爾貼效應熱泵是固態的。

## 應用

熱泵被廣泛的應用在建築物的空調/採暖系統中，例如可以在冬天使用地板採暖或風機盤管、暖氣片來加熱房屋，也可以在夏天來冷卻房屋。還可以應用在生活熱水加熱和滾筒式乾衣機中。

### 窗式熱泵

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窗式熱泵使用標準的 120V 交流電源插座，提供制熱、製冷和濕度控制功能。與僅具備製冷功能的窗式空調相比，它們效率更高、噪音更低、冷凝水管理更完善、占地面積更小。

### 加熱熱水

在熱水加熱應用中，熱泵可用於加熱或預熱游泳池、住宅或工業用水。通常，熱量從室外空氣中提取並輸送到室內水箱。也有一些產品利用地下室夏季需要除濕的需求，一邊除濕，一邊加熱熱水，達到節能的目的。

### 區域供熱

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熱泵也可以用作區域供熱的供熱器。用於此類應用的可能的熱源為污水，環境水（如海水，湖水和河水），工業廢熱，地熱能，煙道氣，區域冷卻產生的廢熱和太陽能儲熱產生的熱。用於區域供熱的大型熱泵與儲熱裝置相結合，為整合不斷變化的可再生能源提供了高度的靈活性。因此，它們被視為通過逐步淘汰化石燃料來限制氣候變化的關鍵技術。它們也是既能提供區域供熱也能提供區域製冷的系統的重要組成部分。

### 工業供熱

通過應用工業用熱泵（例如用於工藝熱），工業部門在降低能源消耗及相關溫室氣體排放方面具有巨大潛力。在實現大幅減少二氧化碳排放（某些情況下超過 50%）的同時，投資回收期可短至兩年以內。工業熱泵的供熱溫度可達 200 °C，能夠滿足許多輕工業的供熱需求。僅在歐洲，紙漿造紙、食品和化工行業的約 3,000 家工廠中，就有潛力安裝總容量達 15 GW 的熱泵系統。

## 優點/缺點

熱泵原理利用電為房屋取暖和住宅用水加熱，比使用電阻發熱的電熱器更加高效。安裝起來也比使用天然氣等方法簡單便宜。缺點是在極度寒冷的情況下，它供熱能力有所下降。所以當環境溫度低於-5 °C（23 °F）時，取暖和熱水供應比較困難。

## 參考文獻

- Heat pumps Long Awaited Way out of the Global Warming - 財団法人 熱泵・蓄熱中心
- 図解 熱泵: 著者：田中俊六監修 矢田部隆志編, ISBN 4-274-50039-X
- 熱泵入門 - 地球溫暖化対策切札: 著者：熱泵研究會 編 矢田部 隆志 著, ISBN 978-4-274-20385-5
- 熱泵・蓄熱白書: 著者：財団法人 熱泵・蓄熱中心 編, ISBN 978-4-274-20423-4