工作原理:制暖和制冷——家用热泵

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随着石油、天然气和电力等传统供暖和制冷系统燃料成本的上涨,越来越多的房主开始安装热泵。通过从室外空气或地面提取热量和冷量,热泵可以提供更高的效率和更低的长期成本。

主要有两种基本选择。在空气-空气式设计中,房屋外的装置依靠空气作为热源或散热场所。在地基式设计中,铺设在地下的管道中的流体提供热传递。在这两种情况下,制冷剂都在管道中从室外输送到室内装置,然后由鼓风机将产生的暖气或冷气通过管道系统输送到各个房间。这些系统通常被比作可逆式空调,它可以向整个房屋输送冷空气或排出暖空气。“当季节变化时,你只需拨动开关,气流就会反转,”威斯康星州麦迪逊市 Alliant Energy 的客户经理 Leo Udee 说。

即使这两种系统都需要电力,但它们可以比传统设计获得更高的效率,因为它们不是消耗燃料从头开始产生暖气或冷气,而是利用室外空气或地面中已经存在的热量或冷量。空气-空气式系统在室外空气温度高于 32 至 35 华氏度时最有效,因此它们在美国较温和的地区很流行。在较冷的地区可以添加小型传统加热器,但这会增加成本。地基式系统将管道安装在地下六到八英尺处,在更广泛的区域内都很有用,因为在那个深度,地球的温度不会降至冰点以下,尽管它们的安装成本通常更高。


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热泵自 20 世纪 50 年代以来就已出现,近年来变得更具竞争力,因为“电机和压缩机的效率更高,运行成本更低,”德克萨斯州泰勒市 Trane 产品系统管理副总裁 Randy Scott 说。“即使冷凝器和蒸发器变得更小,它们也能传递更多的热量。”

热泵在家用供暖和空调市场中仍然只占很小的比例。即便如此,这两种类型都在强劲增长,尤其是对于改造项目。Scott 说,许多房屋建于 20 世纪 70 年代、80 年代和 90 年代:“它们的系统正接近使用寿命的尽头。”

注:本文最初的印刷标题为“制暖制冷”。

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马克·费舍蒂 (Mark Fischetti) 担任大众科学 高级编辑已有 17 年,报道可持续发展问题,包括气候、天气、环境、能源、食物、水、生物多样性、人口等等。他委派并编辑记者和科学家的专题文章、评论和新闻,并以这些形式撰写文章。他编辑“历史”栏目,该杂志的部门回顾各个时期的科学进步。他是两本衍生杂志的创始执行编辑:《大众科学 Mind》和《大众科学 Earth 3.0》。他 2001 年为该杂志撰写的自由撰稿文章“淹没新奥尔良”预测了像卡特里娜飓风这样的风暴将给这座城市带来的广泛灾难。他的视频 人死后身体会发生什么? 在 YouTube 上的观看次数超过 1200 万次。费舍蒂曾为《纽约时报》、《体育画报》、《史密森尼杂志》、《技术评论》、《快公司》等众多刊物撰写自由撰稿文章。他与万维网的发明者蒂姆·伯纳斯-李 (Tim Berners-Lee) 合著了《编织网络》一书,讲述了万维网是如何创建的真实故事。他还与微生物学家埃莉诺·利维 (Elinor Levy) 合著了《新杀手疾病》。费舍蒂曾任 IEEE Spectrum MagazineFamily Business Magazine 的执行编辑。他拥有物理学学位,并两次担任路易斯安那州森特纳里学院的公民文化阿塔威研究员,该学院授予他荣誉博士学位。2021 年,他获得了美国地球物理联合会的罗伯特·C·考恩科学新闻持续成就奖,该奖项旨在表彰其在地球和空间科学方面的杰出报道职业生涯。他曾出现在 NBC 的《与媒体见面》、CNN、历史频道、NPR 新闻和许多新闻广播电台中。在 X(原 Twitter)上关注费舍蒂 @markfischetti

更多作者:马克·费舍蒂 (Mark Fischetti)
大众科学 Magazine Vol 299 Issue 2本文最初以“制暖和制冷”为标题发表于 大众科学 Magazine 第 299 卷第 2 期(),第 104 页
doi:10.1038/scientificamerican082008-6UmagXfpRSiWjCvrZPvEZw
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