革新能源：高效热泵

  太阳能、风能和原子能等可替代化石燃料发电有潜力为交通工具(如汽车、公共汽车和卡车)提供动力,摆脱传统汽油或柴油发动机的依赖。然而,在实现经济和环境可持续发展方面,我们面临一些挑战。一个明显的例子是,在欧盟地区,家庭和企业的空气和水加热仍然依赖于石油或天然气。图表显示,传统供暖方式导致温室气体排放量约占欧盟总排放量的12%。因此,在努力减少碳排放的过程中,从这些基于化石燃料的供暖系统中脱离是一项重大挑战。

  热泵类似于反向冰箱,可以从外部环境中提取热量并将其传递到建筑物中。欧盟的目标是到2030年用热泵替代三分之一的燃气锅炉和燃油锅炉,这将大幅度减少住宅部门的油气排放,预计可降低28%。随着慢慢的变多的热泵采用低碳和环保能源,减排效果将进一步提升。然而,实现这一目标也面临一些挑战。首先,热泵的成本很高,通常是传统锅炉的两到三倍。此外,安装热泵在新建筑中相对容易,但改造旧建筑则需要更加多的技术和资金。尽管存在这样一些问题,但热泵的性能也受到气候平均状态随时间的变化的影响。尽管如此,随着政策支持和技术进步,热泵仍有巨大的减排和可持续发展潜力。

  与使用化石燃料的锅炉相比,低碳电力驱动的热泵无疑对环境更友好。然而,我们一定要注意,许多住宅热泵型号中含有对环境有害的气体。如果欧洲立法者禁止使用这一些气体,热泵安装可能会延迟,因为制造商正在努力重新设计热泵,使其不含这些有害于人体健康的物质。例如,德国打算从明年开始禁止家庭安装新的燃气锅炉。然而,该国联合政府内部发生了激烈的争论,反对这一提议的不同政治派别最后导致该规定于6月被废除。根据本文发表时的一手消息(截至9月8日),德国的立法者预计将经过仔细修改后的规则,其中一些条款将有所缓和。

  热泵使用空气、水或地下的热量来加热特定的流体。当流体吸热后,它变成气态。当气体冷却时,它会重新变成液态,准备继续循环。热泵与传统的通过燃烧产生热量的供暖方法不一样,热泵只是将现有的热量转移。最先进的型号的效率高达400%,这在某种程度上预示着每消耗1千瓦电能,热泵可以为房屋提供4千瓦的热量。相比之下,现代燃气锅炉通常只有90%的效率。这是因为燃气锅炉无法通过燃烧产生热量达到百分之百的效率。

  冬季空气中的热量较少,这可能会降低热泵的效率。然而,必须要格外注意的是,热泵产生的热水通常在55°C左右,比大多数燃气锅炉的温度低,通常在75°C左右。因此,即使在极寒的零下25°C的温度下,热泵仍旧能正常工作。因此,在旧建筑中安装热泵在大多数情况下要采取其他措施,例如增加隔热层、安装更大的散热器或使用地板采暖系统。现代热泵通常使用氢氟碳化合物(HFC)作为制冷剂,因为HFC是一种可以在适当温度下从液态变成气态的物质,具有高热量传递能力。然而,人类从热泵和别的设备(包括空调和制冷系统)排放的二氧化碳对气候平均状态随时间的变化的影响更大。这些HFCs构成欧盟温室气体排放总量的大约2.5%,相当于该地区航空旅行所产生的排放量。

  欧盟打算在今年夏季制定新的法规,要求在2027年之前使用更环保的替代品来取代氢氟碳化合物(HFC)。然而,荷兰和德国正在努力减少氢氟碳化物。另一方面,由于一些东欧国家和热泵制造商主张将截止日期延长到2030年,以寻找替代品,许多热泵制造商转而使用“天然制冷剂”。化学工业已经开发了一种称为HFO的物质,与二氧化碳相比具有较低的温室气体影响。然而,丹麦、德国、荷兰、挪威和瑞典担心雨水会污染自然环境。因此,为减少使用氢氟烯烃,丙烷目前是用于住宅热泵的最佳替代品之一。

  使用丙烷作为热泵制冷剂对全球变暖产生的影响仅略高于二氧化碳。然而,使用丙烷也存在一些问题,与氢氟碳化物(HFCs)不同。丙烷易燃,导致安全问题,并且产生一种被称为“臭鸡蛋味”的气味来识别任何泄漏。然而,这种气味不能加入热泵中,因为产生这种气味的化学物质会阻碍制冷过程。在分体式系统中,热交换设备位于建筑物内部,系统中使用的丙烷量不允许超出150克(大约是氢氟碳化物制冷剂的五分之一)。若需要使用更多的丙烷,则要安设泄漏传感器和自动通风系统,这除了增加成本外,还增加了安装过程的复杂性,尤其是对于使用这种技术的老建筑来说。

  欧洲热泵协会认为(尽管并非所有成员都同意这一观点),过快淘汰氢氟碳化合物(HFC)将大幅度减少热泵技术的推广。他们还认为,放宽过渡时间表将给行业更多时间来开发基于丙烷的系统,这将使它们更容易安装到更多家庭中。然而,一个由四十多名科学家组成的小组向欧洲立法者提交了一份文件,指出过渡不应该推迟。他们强调,在20世纪90年代,冰箱行业成功过渡到使用异丁烷等更清洁的气体。这种过渡是由于慢慢地减少氟氯化碳破坏臭氧层的结果。该报告说明,由于使用不易燃的氢氟碳化合物,热泵制造商未能充分减少系统中的制冷剂用量。

  与行业协会的建议相反,Viessmann和RobertBosch以及日本三菱电机等制造商已经开发了使用丙烷作为制冷剂的热泵系统。根据Viessman的说法,丙烷简化了热泵制作的完整过程,并能提供高达70°C的供水温度,这与燃气锅炉的温度相当。这些热泵通常是更大的“整体式”系统,安装在户外,以确保任何可能的气体泄漏都可以安全地释放到大气中。这种能力通常能够大大减少地板采暖或更换散热器所需的步骤,从而极大地节省成本。

  通过对热泵设备做改进,能解决许多与热泵相关的问题。这些改进不仅使热泵更环保,而且使其在旧建筑中更容易安装和更经济,这些进步有助于减少热泵的使用争议。