热泵为什么能产出比耗电更多的热量？

凭空造热？

这个箱子似乎能凭空造出热。输入一份电能，另一边就输出大约三份热能。但这里没有凭空产生能量，多出的热就来自眼前的室外冷空气。跟着流体循环一圈，经过四个部件，多出来的热就不再神秘。

自己发热的取暖器

先从大多数人熟悉的取暖器说起。电暖器让电流通过电阻丝，电阻丝把电能变成热。输入一份电能，输出一份热能，光靠电阻丝不可能得到更多。燃气锅炉则烧燃料，送出的热绝不超过燃料里储存的能量。

这两种机器都在制造热。热泵主要是搬运已经存在的热。

冷空气里也有热

从物理上讲，任何高于绝对零度的东西都含有热能。绝对零度约是零下二百七十三摄氏度。所以零摄氏度的空气，虽然冻手，却仍远高于绝对零度。问题是，热只会自己从热的地方流向冷的地方。

要把冷的室外空气里的热搬进暖和的房间，得有东西把它往上推。消耗电能，正是为了完成这一步。

零度以下就沸腾的液体

热泵里的工作流体叫制冷剂。选用它，是因为它在水的冰点以下就能沸腾。一种常见制冷剂R三十二，在常压下约零下五十二摄氏度沸腾。沸腾会吸热，就像沸水不断吸收炉子的能量，温度却不再升高。

所以室外盘管里的制冷剂比室外空气冷时，它就沸腾，从空气里抽走热。风扇把室外空气吹过盘管，让热不断送来。

压缩机

现在制冷剂变成了低温低压的蒸气，携带着吸收的热量。电能在压缩机里派上用场。它把蒸气压进更小的体积，做的功让蒸气压力和温度升高。离开压缩机的蒸气，现在比要加热的房间更热。

这就是用电做功，把热推向更高的温度。

热量流进室内

热蒸气流到室内盘管。蒸气比室内空气热，热量就会自然流向空气。制冷剂放出热，又凝结成液体。风扇或循环水将热量经风口、暖气片或地板送入房间。

膨胀阀

液体仍是高压，还要过最后一道关。膨胀阀让它从窄口流进低压一侧。压力骤降，制冷剂变得冷得多。再次变冷后，它流回室外盘管，比周围空气更冷。

只要系统运行，这个循环就一直重复。

那3份热从哪来

现在，能量的收支就对上了。在这个例子里，送进室内的每三份热能中，一份来自压缩机消耗的电能。另外两份由低温盘管从室外空气中吸收。工程师把送出的热与电功之比叫性能系数，简称COP。

我们例子的COP是三。国际能源署说，典型家用热泵的COP约为四。能量并没有被创造出来。电能用来搬运热，搬运比直接产热更省能。

比值为什么有上限

但这个比值不能无限增长。物理规律决定了上限，取决于热源和接收热量处的温度。对完美的可逆热泵，上限是热端温度除以温差，温度从绝对零度算起。

教科书例子里，室外零度、室内二十度，理想上限约是十四点七。室外暖到十度，上限大约翻倍，约二十九。实际COP远低于这个上限，因为盘管要有额外温差才能快速传热，压缩机和风扇也有损耗。公式揭示的关系才是关键。

机器要把热搬过的温差越大，上限就越低。

最冷的日子

而温差恰在家里最需要热时最大。室外越冷，空气源热泵要跨越的温差越大，COP越低。二零二三年《焦耳》期刊一篇评论，汇集了约二千七百个测量值，来自欧洲、北美和中国七项实地研究的约五百五十台热泵。

五度到零下十度之间，这些系统的平均COP为二点七四。每项研究在此区间的平均值都不低于二点四。两款寒冷地区机型在芬兰零下三十度下测试过。每份电能，一款仍能换来一点五到两份热，另一款一到一点五份。

冬天还有一项成本。零度左右，室外盘管可能结霜，化霜要额外耗能。许多空气源热泵有备用加热器，应对最冷时段，而电加热器就像开头的电阻丝，一份电只换一份热。

有备用加热的研究里，它通常在室外低于约零下十度才启动。

寒冷国家早已在用

寒冷气候本身并没挡住普及。国际能源署报告，挪威约百分之六十的建筑装有热泵。在瑞典和芬兰，比例超过百分之四十。那些地方，冬季供暖可不是可有可无。

室内温度也很重要

温差的另一端在室内。许多老式供暖系统用六十到七十摄氏度的热水循环供暖。热泵要提供这么热的水，就要跨越更大温差，效率也会下降。所以安装工有时会加大暖气片、加装地暖或改善保温。

保温好的房子，用更低的供热温度就能保暖，从内侧缩小温差。

效率不等于账单

COP高，不一定意味着供暖费更低。供暖费取决于房子需要多少热量、整个供暖季的COP，以及电价与所替代燃料价格的比值。看美国能源部的一个算例。

供暖季COP为三的热泵，若替代能把百分之八十的燃料能量变成热的燃气炉，效率就是后者的三点七五倍。所以只要同等能量的电价低于燃气的约三点七五倍，运行就更便宜。电价比这更高的地方，热泵虽用能少得多，运行费却可能更高。

安装是另一道门槛。国际能源署发现，就连最便宜的空气源水暖热泵，在多数主要供暖市场，补贴前价格也是燃气锅炉的两到四倍。制冷剂泄漏也要紧，有些是强效温室气体。

但该机构估计，用现有制冷剂，热泵的温室气体排放比燃气锅炉至少低百分之二十，电力更清洁的地方最多低百分之八十。

两个例外

并非所有热泵都从室外空气取热。地源和水源热泵从土壤、地下水或附近河流取热，这些在冬天通常比空气暖。温差更小，COP更高，也永远不用给室外盘管化霜。代价是成本，因为地下换热系统需要深钻孔或大面积的埋地管网。

同一台机器还能反着运行。四通阀交换两个盘管的角色，夏天室内盘管收集热，室外盘管把热散掉，就像空调。

要检查的四个条件

所以这个箱子并没违反物理定律。它消耗一份电能，把热量从低温处搬到高温处。这一份电能搬多少热，取决于你能核实的四件事。你住的地方室外有多冷。

家里的水或空气要多热。房子保温有多好。以及电价和它所替代燃料的价格相比如何。缩小温差，每一份电就能把更多热搬进屋里。