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当前，我们正处于全球向净零排放迈进的关键时刻，需要开始快速有效地扩大低碳基础设施。热泵是燃气锅炉的低碳替代品，它们从外部低温源（最常见的是室外空气）中获取能量，以加热室内空间。当由可再生能源供电时，它们比传统的燃气锅炉更加环保。
21 年20，家庭和工业应用消耗的总热能占全球最终能源消耗的近一半，占 年2020全球能源相关 CO2排放量的40% 以上（13.1 Gt）。为实现到 2050 年的净零排放目标，到 2030 年每年应安装 6 亿台热泵。截至 年2020，全球仅使用 1.8 亿个，占建筑需求的 7% 。在热泵产品中，空气源热泵 (ASHP) 是最便宜的，但在英国和德国仍然比燃气锅炉贵 3-4 倍。提高能源性能和降低成本对于促进采用热泵来替代基于化石燃料的产品至关重要。
尽管人们对使用热泵进行脱碳的兴趣日益浓厚，但仍然存在重大挑战，包括资本成本高、除霜效率低、供暖中断等问题。因此，需要进行彻底的创新以提高其成本效益，以便与基于化石燃料的供暖技术竞争。
在全球范围内，约 40% 的碳排放来自化石燃料供暖。英国政府设定了到 2028 年每年安装 600,000 台热泵的目标，以减少该国的碳足迹。
然而，当前一代热泵的制热能力和能源效率可能会受到寒冷天气的影响，尤其是空气源热泵。高昂的价格和运营成本以及相对较低的供热温度限制了它们在英国的使用增长，迫切需要创新来提高热泵的成本效益，以与基于化石燃料的供热技术竞争。
为了应对这些挑战，格拉斯哥大学的研究人员开发了一种新型、灵活的热泵技术，它将潜热或显热储热集成到传统的 Evans-Perkins 循环中，以回收、储存和再利用离开冷凝器的热液态制冷剂携带的过冷热量。可以帮助家庭节省能源费用并为实现净零排放目标做出贡献。
在2022年8月1日发表的一篇新论文中，研究人员概述了他们的灵活热泵技术如何通过集成储热（一个小水箱和一卷铜管）为当前热泵的问题提供一种低成本的解决方案。
图 1：灵活热泵循环与标准单级热泵循环（即 Evans-Perkins 循环）的比较。
a标准的单级蒸汽压缩循环热泵；b相应的压焓图（制冷剂 R134a）显示在节流过程 3-4 中，离开冷凝器的热液体制冷剂中包含的大量未使用的热能被降解；c提议的具有储热功能的柔性热泵循环回收部分过冷热量，然后将其用作辅助热源。
水箱回收泵运行过程中产生的部分多余热能，并将其存储为热泵以后运行的额外热源。回收的热量比提供热源的室外空气温度要高得多，可以作为临时热源再利用，大大降低了泵的功耗。
对于空气源热泵应用，储存在水中的回收热量还允许柔性热泵在除霜期间连续运行。这使得它比当前一代的热泵更高效和有效，后者在除霜期间中断热量供应，同时仍然消耗电力。
柔性热泵原型照片
研究人员通过使用现成组件构建工作原型，展示了他们的新型热泵的优势。对当前一代热泵设计的全面测试表明，它们的设计比当前设计的效率高约 3.7%，供热温度相对较低，为 35°C。
当电源温度升高时，回收的能量也会增加，从而提高系统效率并节省更多电能。团队分析预测，经过优化后，当供热温度升至65°C时，其效率可能比现有产品提高10%。
柔性热泵原型和仪器示意图
该团队已通过 PCT 专利保护他们的发明，并正在积极寻找使柔性热泵技术商业化的方法。
柔性热泵相对于当前热泵产品的优势类似于冷凝锅炉相对于非冷凝锅炉的优势——两者都可以回收多余的热量，从而大大提高效率。该新型柔性热泵解决了当前一代热泵的许多问题，使它们能够在使用更少的电力的同时提供更高的性能。小型水箱蓄热的成本微乎其微，但节省的电力却很显著。它可以广泛应用于各种热泵应用。这将有助于推动对热泵技术的改进。
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