热泵如何用寒冷的室外空气为房屋供暖

热泵通过做功，把热量从较冷的地方搬到较暖的地方。这就是为什么空调本身就是热泵：它把热量从房间带走。可逆空调还能反过来搬运热量，为房间供暖。在这段 2021 年的视频中，Technology Connections 面向熟悉空调、却未必熟悉空调供暖的观众解释了这一循环。

冷冻柜是一个起点。热量会自然地从较暖的房间流入较冷的柜内。保温层能减慢这一过程，但要让内部保持低温，制冷系统必须把热量抽出来并排到房间里。发暖的柜体外侧说明，即使寒冷的内部也能提供热量。讲者把温度比作热能的集中程度，这是教学类比；这里的关键是温度不同的物体之间热量流动的方向。观看冷冻柜讲解。

制冷剂是一种工作流体，它的沸点会随压力改变。讲者以 R-134a 为例：在普通压力下，它的沸点约为 −15°F（−26°C），但在加压罐中可以保持液态。压力降低，沸点下降；压力升高，沸点上升。系统利用这一关系，让同一种流体在一处蒸发、在另一处冷凝。

相变还会转移潜热。处于沸点的水在变成水蒸气时可以继续吸收能量，温度却不再升高。讲者举例说，让一定量的水汽化所需的能量，约为将其从室温加热至沸点所需能量的七倍：假设加热功率不变，烧开需要十分钟，那么烧干还需约七十分钟。另一个例子是可重复使用的乙酸钠暖手宝：结晶时释放热量，在热水中熔化时又吸收热量。这些都是解释性例子，并非对热泵的测量。

一段由学生提供的制冷教学装置录像让回路变得直观。讲者感谢 Front Range Community College 综合制造中心的一名学生；该设备用于实践学习和故障排查。装置有两个换热器、一台全封闭压缩机和少见的可观察制冷剂管路；普通系统可能有视液镜，但不一定有这样透明的管道。

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教学装置的两个盘管可以互换角色，因为其循环可逆。录像由 Front Range Community College 综合制造中心的一名学生提供。

沿回路走一圈：压缩机吸入低压制冷剂气体并将其压缩，使压力和温度升高。高压下，它的沸点也更高。在冷凝器中，空气流过带翅片的管道；热制冷剂向空气放热，冷凝成液体并释放潜热。讲者举例说，在假定的高压下，R-134a 的沸点约为 130°F。释放的热量包括制冷剂先前收集的热量和压缩过程中输入的能量。

接着，节流装置限制流量，帮助维持压力差。毛细管是其中一种。进入低压侧后，制冷剂的沸点降至周围空气温度以下。一部分液体最初借助制冷剂自身的能量沸腾，使剩余液体冷却；随后在蒸发器中，它一边蒸发，一边从空气吸热。压缩机再把蒸气吸回，循环重新开始。实际压力取决于制冷剂和运行条件。观看教学装置讲解。

制冷时，室内盘管是蒸发器，吸收房间热量；室外盘管是冷凝器，向外放热。讲者的中央空调和车库无风管分体机都有压缩机、节流装置、管路、两个盘管和风扇；他估计两者机械结构约有 95% 相同。分体机还有变速压缩机和更智能的控制，壁挂机自带鼓风机；中央系统则使用暖炉的鼓风机。

演示的分体机标称为 1.5 冷吨、18,000 BTU，或约 5,250 瓦的能力。讲者认为室内节流装置可能是毛细管，但明确请观众在他说错时纠正：这只是猜测。热成像相机用于展示相对变化；由于不同材料的发射率不同，画面显示的温度可能不准确。

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热成像画面展示制冷过程中的室内机。理解颜色和显示温度时，应记住讲者对发射率的提醒。

切换到供暖时，换向阀和额外管路改变制冷剂流经系统其余部分的方向；压缩机本身仍沿一个方向泵送。在演示的配置中，节流处变到室内盘管下游，室内盘管成为高压冷凝器，室外盘管则成为低压蒸发器。演示中，设备先暂停，让压力趋于平衡，然后换向并重新启动，两侧角色随之互换。

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加速播放的热成像序列展示切换模式时室内盘管逐渐变暖；它是视觉演示，并非经过校准的温度测量。观看换向过程。

压缩机和风扇消耗电能，系统同时从环境中收集热量。因此，送入室内的热量可以超过消耗的电能，而不是凭空创造能量。即使天气寒冷，只要室外蒸发器比空气更冷，热量仍会流入盘管；讲者以室外约 40°F 为例。压缩随后使制冷剂能够在室内放热。

**性能系数（COP）**是有效供热量与消耗能量之比。供暖 COP 为 1 时，与电阻供暖相当；COP 为 4 表示在该运行条件下，投入一单位能量可得到四单位热量。讲者说，在冰点以上几度、条件不错时可以达到 4。这并不能保证在所有条件下成立：室外环境越严苛，空气源热泵的表现会下降。

寒冷的室外蒸发器会收集水分。水汽凝结会释放潜热，但接近或低于冰点时，翅片上可能逐渐结霜。干燥空气可能减慢结霜，潮湿空气可能加快结霜。冰层会隔热，也可能阻碍空气流动，降低吸热能力。

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这张特写来自室外盘管结霜的加速播放序列。

这台设备通过室内外温度和制冷剂压力判断何时需要除霜。讲者观察到，随着霜层积累，压缩机转速不断升高。随后设备停止压缩机和两个风扇，以制冷模式重新启动，把室内热量送到室外盘管融冰。除霜后，它再次换向，启动室外风扇和压缩机，并等室内盘管变暖后才重新启动室内鼓风机。用户可能只感觉供暖暂停了片刻；寒冷潮湿天气下频繁除霜会降低输出和效率。

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画面展示除霜过程中的室外盘管；设备将热量送回室外以融化冰霜。观看除霜过程。

讲者的设备标称制冷 SEER 为 19，他将其换算为 COP 5.5。这是制冷季节指标，不能当作供暖季的 COP。它的 HSPF 为 10，是供暖季节指标；按测试方法，讲者将其换算为约 2.9 的平均供暖 COP。由此他估计，整个供暖季提供相同热量所需的电量约为电阻供暖的三分之一，同时提醒每天的表现会有高低。这是该设备的标称值和讲者的解释，并非对其他安装场景的保证。

车库机组的额定工作下限为 5°F。在 −10°F 时它仍然运行并产生一些热量，但讲者说热量只是微温，而且设备运转得很吃力。他猜测当时 COP 可能约为 1 或略高；他没有测量。安装这台设备的主要目的是在夏季除湿，因为存放物品曾经发霉。供暖功能让车库在较温和的冬日可作工作空间；45°F 防冻模式还有助于融化车上的雪。

他说，单靠这台设备无法可靠地满足整个冬天的供暖需求。辅助或应急热源可以是电阻加热、天然气或其他燃料，恒温器可以协调两套系统。他也指出，当地冬季许多日子的气温高于该设备的额定下限，并提到另一些热泵的额定下限可达 −20°F。不同制冷剂、设计或专用电除霜加热器都是可能的低温方案；本视频没有测试这些替代方案。

安装中央空调时，讲者没有得到可逆机型的选项。他认为自己的 2.5 冷吨空调容量在温和天气可能有用，尽管他说它的输出约为燃气炉的一半。他回忆，在 −10°F 的一天，70,000 BTU 的燃气炉运行了约十小时，并设想持续输出 30,000 BTU 足以覆盖那一天的能量需求。他立即承认热泵在那样的室外温度下无法达到该输出，并称这只是粗略设想。原文没有说明这些 BTU 数字的时间单位；这不是设备选型建议。

频道一位住得更靠北的赞助者展示了类似的可逆室外机，它也会周期性除霜。讲者说，在供暖需求通常较温和的美国南部，此类系统当时已很常见。他同时提醒，极寒时大量用户同时启用电阻备用供暖可能给电网带来压力。谈到视频 2021 年发布前刚发生的得克萨斯事件时，他明确说热泵不是电网故障的原因，指出发电侧出现了问题；至于燃气备用供暖更常见的观察，他注明是根据自己读到的资料。

讲者给出的是历史计算，而非对所有电网的现状评估。他引用美国能源信息署的数据：2019 年美国天然气发电厂平均效率为 44%，然后假设扣除输电损耗后约有天然气能量的 40% 到达用户。他将其与效率超过 90% 的现场燃气炉比较。当热泵 COP 为 2.5 时，40% 乘以 2.5，得到的供热量相当于原始天然气能量的 100%。

这个结果包含从环境中收集的热量，并不意味着发电厂把天然气以 100% 的效率转成电。发电方式、输电损耗、实际 COP 和比较对象改变，结论也会改变。在 2021 年的判断中，讲者认为高效热泵即使使用化石燃料发电的电网，也有助于减少资源消耗和排放，并让风能或太阳能供暖及储能更可行。他设想在高效率条件下，用电需求可能降至电阻供暖的约四分之一或更少；这是预测，并非普遍适用的实测节省值。

本视频聚焦空气源系统。讲者提到地源热泵可作为寒冷气候下的另一种选择，但将其具体原理、其他用途、制冷剂，以及财务和气候成本收益比较留到第二期讨论。观看历史计算。