工作原理:制暖和製冷——家用熱泵

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隨著石油、天然氣和電力等傳統供暖和製冷系統燃料成本的上漲,越來越多的房主開始安裝熱泵。透過從室外空氣或地面提取熱量和冷量,熱泵可以提供更高的效率和更低的長期成本。

主要有兩種基本選擇。在空氣-空氣式設計中,房屋外的裝置依靠空氣作為熱源或散熱場所。在地基式設計中,鋪設在地下的管道中的流體提供熱傳遞。在這兩種情況下,製冷劑都在管道中從室外輸送到室內裝置,然後由鼓風機將產生的暖氣或冷氣透過管道系統輸送到各個房間。這些系統通常被比作可逆式空調,它可以向整個房屋輸送冷空氣或排出暖空氣。“當季節變化時,你只需撥動開關,氣流就會反轉,”威斯康星州麥迪遜市 Alliant Energy 的客戶經理 Leo Udee 說。

即使這兩種系統都需要電力,但它們可以比傳統設計獲得更高的效率,因為它們不是消耗燃料從頭開始產生暖氣或冷氣,而是利用室外空氣或地面中已經存在的熱量或冷量。空氣-空氣式系統在室外空氣溫度高於 32 至 35 華氏度時最有效,因此它們在美國較溫和的地區很流行。在較冷的地區可以新增小型傳統加熱器,但這會增加成本。地基式系統將管道安裝在地下六到八英尺處,在更廣泛的區域內都很有用,因為在那個深度,地球的溫度不會降至冰點以下,儘管它們的安裝成本通常更高。


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熱泵自 20 世紀 50 年代以來就已出現,近年來變得更具競爭力,因為“電機和壓縮機的效率更高,執行成本更低,”德克薩斯州泰勒市 Trane 產品系統管理副總裁 Randy Scott 說。“即使冷凝器和蒸發器變得更小,它們也能傳遞更多的熱量。”

熱泵在家用供暖和空調市場中仍然只佔很小的比例。即便如此,這兩種型別都在強勁增長,尤其是對於改造專案。Scott 說,許多房屋建於 20 世紀 70 年代、80 年代和 90 年代:“它們的系統正接近使用壽命的盡頭。”

注:本文最初的印刷標題為“制暖製冷”。

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馬克·費舍蒂 (Mark Fischetti) 擔任大眾科學 高階編輯已有 17 年,報道可持續發展問題,包括氣候、天氣、環境、能源、食物、水、生物多樣性、人口等等。他委派並編輯記者和科學家的專題文章、評論和新聞,並以這些形式撰寫文章。他編輯“歷史”欄目,該雜誌的部門回顧各個時期的科學進步。他是兩本衍生雜誌的創始執行編輯:《大眾科學 Mind》和《大眾科學 Earth 3.0》。他 2001 年為該雜誌撰寫的自由撰稿文章“淹沒新奧爾良”預測了像卡特里娜颶風這樣的風暴將給這座城市帶來的廣泛災難。他的影片 人死後身體會發生什麼? 在 YouTube 上的觀看次數超過 1200 萬次。費舍蒂曾為《紐約時報》、《體育畫報》、《史密森尼雜誌》、《技術評論》、《快公司》等眾多刊物撰寫自由撰稿文章。他與全球資訊網的發明者蒂姆·伯納斯-李 (Tim Berners-Lee) 合著了《編織網路》一書,講述了全球資訊網是如何建立的真實故事。他還與微生物學家埃莉諾·利維 (Elinor Levy) 合著了《新殺手疾病》。費舍蒂曾任 IEEE Spectrum MagazineFamily Business Magazine 的執行編輯。他擁有物理學學位,並兩次擔任路易斯安那州森特納裡學院的公民文化阿塔威研究員,該學院授予他榮譽博士學位。2021 年,他獲得了美國地球物理聯合會的羅伯特·C·考恩科學新聞持續成就獎,該獎項旨在表彰其在地球和空間科學方面的傑出報道職業生涯。他曾出現在 NBC 的《與媒體見面》、CNN、歷史頻道、NPR 新聞和許多新聞廣播電臺中。在 X(原 Twitter)上關注費舍蒂 @markfischetti

更多作者:馬克·費舍蒂 (Mark Fischetti)
大眾科學 Magazine Vol 299 Issue 2本文最初以“制暖和製冷”為標題發表於 大眾科學 Magazine 第 299 卷第 2 期(),第 104 頁
doi:10.1038/scientificamerican082008-6UmagXfpRSiWjCvrZPvEZw
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