3月2日,参加特斯拉首届投资者日活动,马斯克发表特斯拉“宏图计划”第三篇,提出使地球走向完全可持续之路5个组成部分。其中第三步是:大面积的是家庭,商业、工业上大力推广热泵。据了解,在全球变暖趋势加剧背景下,热泵技术有望成为解决温室气体排放问题最有效的手段之一。例如利用热泵为住宅供热,化石燃料的使用量可降低22%。
马斯克热卖热泵技术,之前已搭载于特斯拉Model Y SUV等更新版本。马斯克曾说:尤其是冬季,热泵就是为了增加Model Y的续航里程,降低电池损耗至关重要。
可以预计,与特斯拉家用储能产品Powerwall相似,特斯拉在将来也极可能会推出家用热泵产品。
就像水泵不出水,热泵不产生热,但却充当了热量“搬运工”。在能源日益紧缺的今天,热泵技术可以有效地节约化石燃料、减少温室气体排放以及提高能效等。热泵由电力推动,把热量移向需要较多的位置,为了促进能量利用效率的提高,降低了能耗水平。热泵技术具有高效、低耗的优点,可以广泛应用于制冷空调领域,也可用于供热采暖领域。特别是建筑供暖系统,热泵就是其中一种重要节能解决方案。
但由于以往传统化石能源的总量是足够的,这种代价高昂的技术并不被看好。因此,在未来几年中,随着化石能源的枯竭,世界范围内仍将有大量的清洁和可再生能源被利用。到2021年为止,世界上对空间供暖的需求也仅有10%左右靠热泵来满足。
发展到今天,非可再生能源的储量已经告急,能源结构转型的任务迫在眉睫,对热泵的要求也较过去提高了很多。在节能减排和应对气候变化两大主题下,热泵产业得到迅速发展。尤其是建筑行业,它对世界碳排放的贡献率大约为40%,热泵作为一种清洁能源技术,已逐步成为人们研究的热点。
字面意思是,所谓“泵”,就是能够增加势能的机械设备,在生活中经常使用气泵,水泵等。在人们日常生活当中,我们经常使用各种制冷设备来进行降温或取暖。然后热泵,就可以把热由低温介质“泵”到高温介质。
我们知道水往低处走是自然规律,但为农业灌溉、生活用水及其他需要,人们用水泵把水由低到高输送过去,于是,水泵被发明出来。
类似地,在自然情况下,热量从高温物体流到低温物体,不可能自发地沿着相反的方向发展。所以,热量从高向低传递是一种不可逆过程,它将导致能量浪费和环境恶化。但在人们重视能源利用效率的今天,大自然热量回收备受关注。
在物理学中,只要气温在绝对零度以上(‐273°C),便有了热能,但多为较难利用的低品位热能(低温热能)。
热泵是一种以电能为动力,热力学逆循环的技术,以少量的电能带动机组,使系统内工作介质变相循环:由空气到土壤、水源和其他自然界吸热,将这种低品位热能经过吸收压缩加热,将其转移到加热后物体上,强迫热量由低温物体流到高温物体上。从而使温度升高或降低,达到提高能源利用效率的目的。热泵,是热量“搬运工”,自自然界吸热以后,转换成生产,生活用热能。
按低位能的来源,市场上常用的热泵大致可分为3类—空气源热泵、水源热泵与地源热泵的关系。由于空气源热泵具有节能环保等特点,因此近年来在市场上受到越来越多消费者的青睐。其中空气源热泵最具有普适性,目前市场上普遍使用的空气源热泵空调是其中的一种主要产品。
下面我们就用应用最广的空气源热泵来举例,其传热工质(“制冷剂”,又称“冷媒”)为一种特殊物质,常压下沸点为零下40°C,凝固点低于零下100°C,这种物质遇冷即为液体,却极易挥发为气体。
由于它的蒸发极限温度在零下25°C左右,所以,哪怕0°C环境温度与其比较,还是会发热,部分热能仍然可以互换。
听起来空气源热泵好像是普通中央空调,实际上,两者之间是有区别的。中央空调与空气源热泵之间最大的区别在于,前者主要利用了冷冻水作为冷源,而后者则是采用了热泵技术来对其加热。中央空调由动力带动压缩机运转,把低温变成高温,然后散热制冷,因此,空调主要研究制冷。制热为辅助功能,直接采用电加热等工艺,能耗还会比较大。
但空气源热泵多采用空气能与电能相结合的方式,制冷剂作为介质(即“冷媒”),把低位能作为热源,使低温位热能上升到高温位,以及加热系统循环水,从而使室内空气升温。空气源热泵在国外应用较广泛,国内则刚刚起步。当前空气源热泵系统已能够实现供冷与供热的双重功能,普通为家用分体热泵型空调器,冬天可取暖,夏天可制冷,也就是说,『空气可以冷暖两联供』。
从制冷角度看,传统空调直接向房间吹入氟利昂冷气,并且使用水系统热泵,能够优化用户体验,吹来凉风比较柔和,还能使体感更舒服。
从整体上看热泵属于传输热量设备,将使用价值较小的热量进行收集,用一种更加温柔的态度,“润物细无声”传送给了更多需求。
但究其实质,不论燃煤,燃气,电制热,它的本质都在于能量转化。从热力学原理来看,所有能量在转换过程中都要消耗一定的热量,即能源效率。而对电制热热泵,热量是传递出来的,不是生成出来的,热能利用效率就高了一些。
当今新旧能源转换大环境下,热泵在节能方面更具有突出优势。从目前来看,热泵已经成为一种比较成熟且具有广泛使用前景的空调技术,并被广泛应用到建筑领域中。具体表现为,热泵既具有高能源效率又具有优良的环保特性。
据国际能源署(IEA)统计,一般家用热泵的性能系数(COP)约为4,即耗1度电,可得4度热。从而使家用热泵提高了能源效率,是常规燃气锅炉的3-5倍。同时,在节能环保方面也有着明显的优势。能效提高了,电费的开支自然减少了。
从清洁环保的特点来看,热泵的动力全部来自电能,污染排放很少。同时,由于它具有高效节能、运行可靠等特点,所以其使用范围越来越广,尤其在冬季供暖领域得到了广泛应用。相对于传统燃烧化石能源供暖方式,热泵碳排放强度可以大幅度降低。同时,由于热泵系统具有很好的节能性和经济性,因此它还能有效地减少煤炭使用量,实现绿色低碳发展。正因为如此,如今,各地纷纷倡导“煤改电”,其理由是什么。
事实上热泵这一技术已有百年以上的发展历史,早在十九世纪就被法国科学家卡诺。当时,人们认为热机是一种不可逆过程。英国科学家开尔文于1850年提出了把逆卡诺循环应用于供热的热泵构想,还提出了第一个正规热泵系统的“热量倍增器”。
1928年物理学家霍尔丹已攻破空气源热泵供暖技术的大门。此后的几十年间,热泵被应用于建筑采暖和空调领域。至20世纪30年代热泵已开始商用。
据国际能源署(IEA)统计,2010年-2020年全球热泵安装量(包括空气源,水源和地源热泵)复合年均增长率(CAGR)是6.4%,2020年全球热泵存量是1.77亿台,其中中国和北美、欧洲安装量的比例分别是33%、23%、12%,量没有占到太大。
尤其是去年以来,俄乌冲突造成欧洲各国能源价格飞涨。在能源危机背景下,各国纷纷出台新能源政策。同时热泵也是化石能源高效替代产品之一,销量节节攀升。
已有的研究表明,相同条件的供暖,使用热泵产品仅需天然气20%。因此,热泵技术正在越来越多地应用于建筑采暖中。欧洲天然气价格高,热泵产品与电热毯及产品是相同的,正在成为许多国家居民的日常生活用品。
据欧洲热泵协会公布的行业分析报告,2022年,欧洲21个国家(包括英国、挪威等非欧盟国家)的热泵销量达到300万台,同比增长37%,创历史纪录。到现在为止,欧洲已安装了大约2000万热泵,能为约16%的住宅和商业建筑供热。
热泵在欧洲市场上的销售在过去十年中翻了一番,中国同样凭借产业链优势,成为热泵出口大国,但是,不管是在中国本土市场,还是欧洲市场上,热泵占供暖市场总量不到1/3,不是主流。
“虽然热泵属于清洁能源的范畴,但目前并不能算作资本市场的最火风口。”某新能源领域投资人告诉36碳。
以节能降耗为出发点,热泵已经有了很大的优越性,而经济性不足,则是限制热泵推广的核心问题。近年来,随着全球能源紧缺形势的加剧和环境问题日益严峻,国际社会开始对热泵产品的使用予以重视。欧洲国家热泵迅速发展,主要还取决于各国提供的补助。
中泰证券家电&科技消费首席分析师邓欣向36碳表示:“从政府补贴的角度看,2017年“煤改电”政策的刺激下,我国热泵有过短暂的高增长:北方“2+26”城市全面推进清洁能源,例如河北、山西、河南等地的设备补贴金额在3000元-20000元之间,并叠加电价优惠,当年空气源热泵在国内市场的增速达到66%。之后补贴力度减弱,内销水平则受到一定影响。”
再者是比能源危机更严峻的欧洲,中国天然气、煤价在比较低位。这使得我国居民对清洁能源的利用程度不高。所以热泵在经济性方面并不那么出众,需求也没有欧洲市场大。
还有一个大痛点是安装配套费用问题。因此,很多人选择了“一步到位”式地安装,这就是所谓的“一步法”安装方式。加装家用热泵,比装常规燃气要复杂得多,初始投资亦较多。对于一些经济条件有限的家庭来说,购买一台普通的家用热泵并不是一件容易事。多数时候,需视房屋大小而定、大小是“量身定制”。如果不了解这方面知识的。