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空气源热泵是减少建筑排放的核心。他们在夏天用电把热量从房子里移出去，在冬天把热量输送到房子里。在加热或冷却季节的过程中，热泵每消耗一个单位的电力，就可以输送三个或更多单位的热量。当与来自风能和光伏的低碳电力相结合时，它们可以在没有化石燃料的情况下提供全年的舒适。
传统的热泵在温和的条件下表现最好。随着室外温度的下降，它们的效率——以及它们能输送的热量——迅速下降。低于一定温度(通常是30-40华氏度)，它们就无法满足房屋的需求，需要补充热量。对补充热量的依赖，特别是电阻，使热泵成为昂贵的选择。传统热泵在较低温度下的不良性能也限制了它们在较冷地区的使用。
在过去的二十年中，新一代的热泵适用于寒冷的气候地区已经出现。许多这些“寒冷气候热泵”在低于0°F的温度下表现良好。它们提高了效率，减少了对补充热量的需求，使它们成为电动踢脚板、丙烷和燃料油的经济高效替代品。在一些地区，它们的运营成本可以与天然气相当。
不幸的是，公众对热泵的看法受到传统设备局限性的影响。为了建立人们对这项新技术的信心，东北能源效率伙伴关系(NEEP)和环境保护署能源之星计划制定了构成寒冷气候热泵的标准。在本文中，我将介绍这些标准，然后讨论使寒冷气候热泵在低温下表现良好的特性。
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15个评论
乔恩，文章写得很好!我知道我将在哪里指导那些说热泵在寒冷气候下不起作用的人(不幸的是，通常是专业人士)。
我听到了对即将到来的制冷剂变化的批评，它只是将R410-A与一种更良性但效率较低的制冷剂混合在一起，最终结果与坚持使用R410-A没有太大不同。我认为那是不正确的，但我所知不多，无法作出判断。你说呢?
谢谢你,迈克尔。R-410A是R-32和R-125的50/50混合。R-32具有很好的制冷剂性能和中等的全球变暖潜势，但其本身具有轻微的可燃性。R-125的GWP值要高得多，但其可燃性等级为“A1”。
未混合的R-32是R-410A替代品的主要候选者，但由于其可燃性等级(“A2L”)，需要重新设计设备和安装程序。R-454B是另一种正在考虑的A2L制冷剂。这两种材料的热性能至少应该和R-410A一样好。
R-32和R-454B都不是完美的;它们的全球升温潜能值分别为675和466。但与R-410A (GWP = 2088)相比，它们都是朝着正确方向迈出的一大步，并且不应该导致性能受到很大影响。
我在这里更详细地介绍A2L制冷剂:
//www.elsporta.com/article/186618
有一些(或者可能只有一个?)热泵热水器使用二氧化碳作为制冷剂。我想它没有被用于空间加热/冷却的热泵是有原因的。为什么呢?
不可燃和GWP值为1是二氧化碳的明显好处!
二氧化碳作为制冷剂有很多很好的特性，但是住宅热泵的应用有一些挑战。其一，它的工作压力比HFC/HFO制冷剂高得多，因此需要对管道和其他系统部件进行大量重新设计。另一个问题是，在任何压力下，它都不会在华氏88度以上冷凝，这限制了它用于冷却的用途。但是，考虑到它的环保优势，我希望未来我们会看到更多。
二氧化碳热泵可以在88华氏度以上的跨临界循环中运行，因此不能冷凝并不是严格的限制。但所需的更高压力当然更具挑战性。
本页有一个简单的压力-焓图的例子:https://www.ohio.edu/mechanical/thermo/property_tables/CO2/
使用二氧化碳作为热泵制冷剂的一个主要挑战是，它们的工作温度要高于二氧化碳的临界点(约88华氏度)。对于1 HP, COP等于从高侧换热器输出的热量除以输入到压缩机的电力。对于冷凝的制冷剂，冷凝过程提取了传递热量的很大一部分。由于CO2不冷凝(气体冷却器)，制冷剂需要在膨胀之前冷却到更接近蒸汽压缩循环冷侧温度的温度，以提取相同数量的热量。
Stene(2007)的焓(x轴)-压力(y轴)图说明了这一点。在高侧温度为110摄氏度(230华氏度)的情况下，他发现将膨胀前的温度从40摄氏度(104华氏度)降低到10摄氏度(50华氏度)可使COP提高约55%。Ecotope在2013年对Sanden HPWH进行的测试发现了类似的结果:随着水箱底部水温升高，COP急剧下降。
因此，管道中的回风温度有效地限制了基于二氧化碳的空对空高压的效率，因为二氧化碳只能接近该温度(类似于HPWH下部的水温)。
有一些方法可以在制冷剂膨胀之前有效地从制冷剂中提取更多的焓(例如，吸盘热交换器、喷射器、帮助压缩机供电的工作膨胀装置)并提高循环效率，但它们增加了循环的复杂性。
对于空调来说，基于基本热力学的二氧化碳系统的性能也会更差。最重要的是，非包装机组在室内外机组之间使用二次流体，而不是运行制冷剂管线(记住~100 atm的操作压力!)，增加了系统升力，降低了效率。例如，先前的测试发现，工作扩展器可以消除大部分效率损失，尽管会增加循环复杂性和成本。
您能解释一下“额定输出”的概念，以及它与寒冷天气性能的关系吗?我查看了NEEP数据库中的一些设备，我看到的是47度时的额定输出通常远低于47度时的最大输出。如果你把一个4吨的单位称为2吨的单位，那么你当然可以声称在5度时没有输出损失。但这是一种营销解决方案，而不是技术解决方案。新标准解决了这个问题吗?也许这是一种有效的方法，只要47度的折射率足够大，这样它就可以连续运行，避免短循环?
你好亚当,
三菱应用说明1013(在mylinkdrive.com上)给出了额定容量与最大容量的很好的解释:
“额定容量”是在标准AHRI额定测试中观察到的系统输出容量
条件(47°F，室外加热17°F)。AHRI测试，执行AHRI-210/240;
由于测试限制，要求压缩机以恒速(60Hz)运行。变速设备所获得的任何优势都没有在测试结果中显示出来……”
“最大容量”是指从相对负载条件(当前室温)达到设定值条件(选定室温)时机组将产生的实际输出容量。负荷要求越大，容量越大，直到达到机组的最大容量。在引入变频驱动变速压缩机系统之前，最大容量等于额定容量……”
我认为你是正确的，额定容量低估了设备在47华氏度时的全部能力，这使得在温度下降时更容易保持这种输出。不同温度下的最大容量(NEEP站点上的图表)是真实性能的更好指标。
感谢你详细的回答，以及这篇优秀的文章。对我来说，这听起来像是:
1) AHRI需要更新检测方法。任何关心性能和长期经济效益的人都会只关注变速设备，所以在他们目前的测试中不考虑这一点似乎很疯狂。
2)在确定机组的尺寸时，真正重要的是它在局部加热设计温度下的输出，以及它可以在47度调节到多低，而不是多高，以避免短循环。制造商的吨位声明或额定输出是一个模糊的起点，如果没有NEEP图或详细规格，您就没有真正必要的数据来做出最佳选择。
冷气候热泵能否在海拔11000英尺，加热度10500天，99%设计温度-14的情况下作为主要热源工作?
j·沃尔夫,
是的，只要设计师进行热损失计算，并选择已知热输出在-14华氏度的设备。这种设备是存在的。
编辑:我想回复的是jwolfe1，而不是Martin。
这里有一个关于减少海拔的小分裂的问题://www.elsporta.com/question/how-much-are-mini-splits-really-affected-by-altitude
帖子#4有一个富士通幻灯片的链接，显示了降额系数:https://s3.amazonaws.com/greenbuildingadvisor.s3.tauntoncloud.com/app/uploads/2016/09/25014433/001%20Altitude%20Capacity%20Correction.pdf
在11000英尺的高度，你必须进行一些推断，但对于那个特定的热泵来说，0.67似乎是个不错的估计。你可能会问制造商你正在考虑的任何设备的降额系数是多少，但这可以让你对降额是如何工作的有一些了解。
一般来说，寒冷气候热泵与地源热泵相比如何?油井的费用是否合理?
地源热泵可以实现更高的效率，因为它们是从更温和的地面提取热量。在特定情况下，费用是否合理取决于几个因素，包括电价、建筑负荷、气候、垂直与水平环路现场设计以及退税/税收抵免资格。一般来说，我想说的是，对于小而绝缘良好的房子来说，这笔费用很少是合理的。
好文章，乔恩。我喜欢深潜。你似乎对三菱的生产线很熟悉。您是否碰巧知道为什么只有少数壁挂式无管道装置(如MSZ-FS)具有-5 F的btu/hr额定值，尽管一些管道装置(SVZ和PEAD)也保证了-13 F的最低工作温度?在接下来的几年里，我将着手一个新的建筑项目，设计温度为-9华氏度，GBA的建议倾向于说，管道系统比无管道系统更舒适。似乎知道温度低于5华氏度时的英热单位/小时输出是相关的。谢谢。
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