热泵的使用可以追溯到19世纪50年代初期[1]，因其具备有助于实现气候变化目标的潜力而引发新的关注。越来越多的国家通过立法禁止使用化石燃料供暖，这在很大程度上使人们对热泵技术的兴趣日益浓厚，从而提高了该技术的效率并降低了使用成本。热泵技术的另一个独特之处是，一台热泵根据季节需求既可以用于供暖也可以用于制冷。

“热泵是在建筑物中替代化石燃料使用的最简单、最直接的方法。”美国密歇根大学安娜堡分校的可持续系统助理教授Parth Vaishnav说，“该技术作为一项成熟技术可以减少化石燃料的使用，这很罕见。”

大多数建筑物依靠燃烧天然气或取暖油来供暖，由此产生的温室气体排放目前估计占全球温室气体排放总量的10% [1]。最近一项研究结果表明，最常见的热泵类型（即空气源热泵）与燃气炉相比可减少至少50%的温室气体排放；该项研究考虑了制冷剂泄漏可能产生的影响[2]。虽然使用热泵避免了二氧化碳排放，但是由于目前大多数热泵中使用的制冷剂是非常强效的温室气体，因此即便制冷剂泄漏量通常很小，但仍然可能加剧温室气体排放。寻找能够减少温室气体排放的制冷剂仍然是一个活跃的研究领域。

尽管热泵已经存在了几十年，但到2022年，它仅能满足全球供暖需求的7% [3]，在美国，这一比例接近10% [4]。2022年，美国经历了一个重要的里程碑：当年热泵的销量达数百万台，超过燃气炉销量约40万台 [5]。2022年，美国购买和安装管道式空气源热泵的中位价格为7791美元，而燃气炉的中位价格为6870美元[6]。不过，如果能同时取代燃气炉和中央空调或能被内置于新建筑中，热泵将变得更具成本竞争力。“在现有房屋中，拆除一个完美的系统并用热泵进行替换几乎没有意义。”Vaishnav说，“更有意义的是，如果空调或者取暖炉坏了，那么您可能需要考虑用热泵代替。”

为鼓励消费者选择热泵，美国国会于2022年通过的《通胀削减法案》（Inflation Reduction Act）规定，每位安装热泵的房主都可以获得高达2000美元的联邦税收抵免[7]。该法案还制定了一项折扣计划，为低收入家庭购买和安装热泵支付100%的费用（最高可达8000美元）；中等收入家庭有资格获得50%的费用折扣[7]。同样在2022年，美国总统援引《国防生产法》（Defense Production Act）来促进国内热泵制造[8]，美国参议员提出了两项旨在促进和加速热泵使用的法案[9]。全球许多国家都出台类似激励措施来鼓励购买和安装热泵 [10]；其中包括至少20个欧盟国家[11]，热泵已成为这些国家摆脱对化石燃料依赖的重要手段[12]。

新建住宅方面，燃气加热设备（如炉子和热水器）相关新禁令也推动了热泵的销售。此类禁令已在纽约市[13]以及加利福尼亚州的伯克利[14]和旧金山[15]等美国城市颁布。类似的禁令将于2024年在德国、2026年在荷兰全国范围内生效[16]。

即使在寒冷的天气下，热泵也比燃气炉或燃油炉更节能。许多型号的热泵在-24°C左右的环境温度下几乎仍然可以正常运行[17]，但其价格往往高达8700~32 000美元[18]。在美国缅因州，热泵的使用正在不断增长，但大多数家庭仍然烧油，而改用热泵的房主每年可以节省数千美元的能源费用[4]。挪威、瑞典和芬兰等天气寒冷国家越来越多地采用热泵，这些国家至少40%的建筑使用该技术[19]。Vaishnav说：“在斯堪的纳维亚半岛，热泵得到广泛使用，部分原因是这些地方的电力比天然气便宜。”

热泵背后的概念相对简单：相关一体化加热和制冷装置由电力驱动，本质上是双向运行的空调。由于20世纪60年代电价下降和20世纪70年代石油禁运，热泵在家庭和商业建筑中的使用迅速增加；它们现在被用作热水器、干衣机甚至啤酒厂的热源[20]。总部位于美国华盛顿特区的非营利组织Rewiring America致力于促进电气化（将机器和系统转换为电力供能），其市场转型主管Stephen Pantano表示：“人们认为向电动热泵的过渡是一项不可能完成的任务，而事实上，我们周围到处都在使用热泵蒸汽压缩循环。”

一般来说，热泵的工作原理是从一个地方捕获热量并将热量转移到其他地方。在冬天，热泵将热量吸入室内，将冷空气排到室外；在夏天，热泵将热空气排出并吸入冷空气。热泵的关键部件是制冷剂，该物质在整个设备的回路中移动，在移动过程中吸收和释放热量。热泵制冷剂的沸点非常低，通常低于-25 °C。当制冷剂开始通过热泵时，其温度接近沸点并呈液态。首先，由电力泵送的制冷剂流经热交换器，经过外部空气（特指空气源热泵）后，增温至开始沸腾，此时制冷剂从液体变成气体。然后，制冷剂通过压缩机，压缩机将气态制冷剂压缩成更小的体积，从而增加其压力。在这个过程中，制冷剂变暖，因此当它经过压缩机时，它比室内环境更热。

下一段行程是使制冷剂通过另一个热交换器。此时，制冷剂是一种温暖的气体，温度通常高于37°C。制冷剂涌入相对较冷的房间后，风扇将制冷剂携带的热量传递到室内，制冷剂返回液态。在循环的最后阶段，制冷剂经膨胀阀降压冷却，以便准备从外部吸收更多热量[1]。而制冷过程恰恰与此相反。

即使室外寒冷，热泵仍然可以捕获一些热量（只要空气温度高于制冷剂的沸点），只是随着室外温度下降，空气源热泵必须更加努力地提取热量。由于地源热泵和水源热泵的热交换器盘管埋在地下或穿过池塘或附近的其他水体，因此这两种热泵不会面临这一挑战，并且通常效率更高；就这些热泵而言，虽然热源温度较稳定，但安装成本通常要高得多。

制冷剂可能会在热泵使用期限内以及制造和处置过程中泄漏，因此制冷剂是热泵技术亟需改进之处。氟利昂是一种常见的氯氟烃，也称为R-22，曾在市场上占据主导地位，但由于它对臭氧层的破坏作用已在全球范围内被逐步淘汰。氯氟烃是强效温室气体，其造成全球气候变暖的可能性比二氧化碳高10 000倍[21]。Pantano说：“许多新型制冷剂仍然具有巨大的全球变暖潜力，但在《蒙特利尔议定书》签署后，我们已经恰当地放弃了氟氯烃。目前正在积极地将全球变暖潜能值为零或较低的制冷剂推向市场。”

如今，一种名为R-410A的化学混合物是最广泛使用的热泵制冷剂之一。除了对臭氧层的危害略小于R-22外，R-410A的沸点也低于R-22：在1个标准大气压（1个标准大气压=101 325 Pa）下，R-410A和R-22的沸点分别为-48.5和-40.8 °C。这意味着R-410A可以在较低温度下吸收更多热量，从而提高寒冷条件下热泵的制热效率[22]。美国将于2025年开始逐步淘汰R-410A [23]，因此各公司一直在开发和测试R-32和R-466A等下一代制冷剂[24‒25]。例如，与R-410A相比，R-466A的沸点略低，对全球变暖的影响降低了65% [24‒25]。目前市场上的一些热泵采用超临界二氧化碳作为制冷剂，其全球变暖潜能值比R-32和R-410A的全球变暖潜能值分别低65倍和2000倍[26]。

其他组件也得到了改进。现代压缩机使用比以前版本更少的功率来提升制冷剂压力，而新型变速压缩机可以使功率上升和下降，以提高效率。热交换器设计的进步也提高了热泵效率[27]。其他创新包括更可靠的传感器和用于减少冰层形成的压缩机内涂层[28]。

热泵的安装非常简单。将管道热泵连接到现有的强制通风系统可以最大限度地降低安装成本；因为安装热泵与安装中央空调类似，大多数拥有此类系统的家庭已经拥有用于布置电线和制冷剂所必要的电气连接装置和线路。无管道空气源热泵也易于安装；其室外组件与管道式型号的室外组件相同（图1），但冷凝器不是连接至中央强制通风系统，而是通过穿过墙壁小孔的制冷剂管线连接至一个或多个“接口”，所谓“接口”多是指带有风扇的壁挂式热交换器，它们可以将加热或冷却后的空气排到室内。

《图1》

图1 虽然管道式和非管道式空气源热泵的室外组件（a）相同，但管道式系统可以直接连接至先前安装的强制通风和中央空调系统的现有组件；易于安装的非管道式热泵（b）是模块化的，需要连接至壁挂式或安装于天花板的鼓风机。图片来源：两者均来自公共领域。

与标准的窗式空调一样，新型马鞍形装置只需15分钟即可在大多数窗台上完成安装，但其价格（无优惠政策）比标准窗式空调的价格几乎高出十倍（图2）。这种马鞍形窗台式热泵目前由几家公司出售，纽约州最近同意向两家美国公司Gradient（加利福尼亚州旧金山）和Midea America（新泽西州帕西帕尼）支付7000万美元，为纽约市公共住房生产3万台该类设备[29]。

《图2》

图2 Gradient生产的马鞍形窗台式热泵于2023年首次投入商用。它不会遮挡视线，安装时间仅需15分钟。无优惠政策和（或）折扣，该装置售价4997美元。图片来源：Gradient（公共领域）。

安装的简便性使得窗台式热泵对于那些希望降低安装成本的人和租户来说很有吸引力，租户在搬家的时候可以带走自己购买的东西。Pantano说：“如果您租住在配备蒸汽加热器的建筑里，那么对该建筑进行电气化改造将非常困难。而且，如果您是租户，您也无权这么做。或者，如果您住在美国东北部的一栋老房子里，房子配备了昂贵的电基板或燃油加热装置，但您仍希望在房间中添加热泵，那么马鞍式热泵可以让您的窗户空间保持宽敞。”

由于这种无管道的窗台式装置是模块化的，因此可以根据需要调整尺寸或进行组合，以便达到更好的加热和制冷效果；不过安装多组此类装置时，费用会变得更昂贵。Pantano说，需要进一步降低成本和获得更多技术解决方案，从而使热泵像设想的那样得到广泛采用。“这是经过验证的技术，但每个家庭都是独一无二的，而且建筑环境就像一个到处都有不同东西的大拼图一样复杂。”