重庆
近期，雷军发微博祝贺热泵技术入选了《麻省理工科技评论》评选的“2024年十大突破技术”。那么热泵技术究竟是什么，又凭什么入选“2024年十大突破技术”呢？
01
热泵的工作原理
水往低处流，水泵是将水由低处送往高处的机器。热量可以自发由高温物体传向低温物体，而热泵则是消耗少量电能将热量由低温环境搬运到高温环境的装置。由于热泵只是热量的搬运工，它用一度电搬运的热量远比用一度电驱动电加热PTC产生的热量多，因此更加高效节能。
热泵技术并不是一项新技术，它的工作原理本质上和空调（压缩式制冷机）一致，你可以简单地把热泵理解为“空调反装”。热泵与空调一样都有压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器这四个主要零部件组成，利用制冷剂的物态变化搬运热量，制冷剂由气态变液态会散发热量，而由液态变气态则会吸热。
在制冷模式下，压缩机将低温低压气态制冷剂，压缩为高温高压的气态制冷剂，经过冷凝器释放热量后变成高压液态制冷剂，通过膨胀阀又变成低压液态制冷剂，在蒸发器中吸收车内空气中的热量，变成低温低压气态制冷剂回到压缩机中。蒸发器吸热造成的局部空气的低温，通过鼓风机将冷风吹入乘座室内，这就是冷空调的原理。
在制热模式下，利用“四通换向阀”让制冷剂反向流动，压缩机将低温低压气态制冷剂压缩成高压高温气态制冷剂，在车内冷凝器液化成高压液体，同时释放大量的热，完成“逆卡诺循环”。
热泵在制热过程中不是像电暖器那样靠电阻发热加温空气，而是用电能利用压缩机和冷凝器改变制冷剂的气液相，通过制冷剂的相变积蓄潜热，然后随着制冷剂的流动将热量搬运到车内。
根据卡诺的计算，假设室外7度，热泵出口温度45度，完美的热泵最大制热能效比COP=8.37。也就是花1度电可以搬运8.37度电的热量回来。当然实际情况下能效比COP受材料、技术的限制，目前水冷热泵的热力学完善度约在30%-60%之间，所以热泵空调消耗1度电可以得到4度电的热量比电加热器更省电。
蓄电池在低温环境下，充放电能力会严重降低，这是纯电汽车在冬季面临的最大问题。热泵技术是解决纯电动汽车冬季续行里程变短的有效方案。冬季使用热泵空调制热，与使用PTC制热相比，可降低60%的能耗，增加约25％左右的续行里程。
当然真正的热泵空调不单需要加热或制冷驾驶室，还要捕获驱动电机、车载充电器、电池组和逆变器散发的废热，天冷时还需要维持电池仓的温度，同时还需要应付室外温度过低（低于零下30°）等复杂情况，因此真实的回路结构会复杂得多。
02
凭什么入选？
热泵可以利用电力高效冷却和加热空间。如今，许多建筑物仍然使用化石燃料供暖。改用由可再生能源驱动的热泵可以帮助家庭、办公室和工业设施大幅减少碳排放。近年来，为摆脱天然气依赖，欧洲建筑物中热泵安装量大幅增长。
在亚洲，由于新技术的普及新型热泵可以提供更高的温度，在食品、造纸等需要烘干、加热的工业制造领域中正在替代化石燃料的加温设备，从而让工业制造的过程更加清洁。
根据乐观预测，到2030年，全球将安装约6亿台热泵，提供20%的建筑物供暖需求，这将减少5亿吨碳排放，相当于今天欧洲所有汽车的总排放量。
目前，热泵仍然面临着巨大的挑战，包括提高产量和确保电网足够强大，能够为这些技术和其他应对气候问题的技术提供电力。但所有迹象都表明，热泵正在进入黄金时代。
编辑｜张毅
审核｜吴新
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