作者：Jeremy Cook
电阻式电加热是最简单的电加热方式，即电流通过电阻介质，以热量的形式带走能量。事实上，这种热量散失是电气过程中固有的现象，通常是通过散热器和冷却风扇等设备来避免和/或管理的低效率现象。
在电阻加热作用中，这种低效率（热量）就是产物，使其在能量输出/输入的基础上理论上达到 100% 的效率。
遗憾的是，与燃烧化石燃料相比，100% 的效率还不足以使家庭和建筑电加热成为现实。不过，还有另一种解决方案：电热泵。热泵不是将电能直接转化为热能，而是从一个区域（即室外）吸收并输送热量，然后将热量泵入室内，使热量输出与电能输入成倍增加。与电阻式电加热相比，热泵的效率和成本节约相当诱人。
热泵的性能和运行
热泵的性能以系统的性能系数 (COP) 来衡量，可用公式表示：输入功率 x COP = 输出热量。
电阻式加热盘管的 COP 为 1，而热泵的 COP 可达到 2 或 3（甚至更高，取决于设计和热条件）。将所需的热量输出除以 COP，就得出了所需的能量输入，通常是等效电阻加热输入的一部分。
热泵的能量输送是通过热循环实现的，在热泵回路中使用低沸点流体（制冷剂）。这与冰箱从密闭空间中抽出热量以保持食物冷度的热循环相同，但正好相反。
简化室内加热装置的过程：
1.低沸点导热液体（即制冷剂）以高压、高温的过热蒸汽形式离开压缩机。
2.液体进入室内热交换器。从液体中损失的能量作为热量加入室内空气（通过风扇强制空气流动），使液体冷凝成高压、稍冷的液体。
3.膨胀阀将液体转化为低温、低压的液体/蒸汽混合物。
4.液体进入室外热交换器。从外部（通过风扇强制气流）向液体添加能量，使其蒸发。液体以低压、低温、微过热蒸汽的形式离开热交换器。
5.液体进入压缩机，转化为高温、高压、过热的蒸汽，再次开始循环。
这个循环的关键概念是，能量在第 2 步损失到环境中，加热室内空间，而能量在第 4 步从室外吸收并输送到室内。同样的概念也以空调的形式反向用于冷却室内空间。
制冷剂的沸点通常远低于 0º（华氏度或摄氏度）。例如，R410A 的沸点为 -48.5ºC (-55.3ºF)。这种循环的关键在于，沸腾液体需要输入大量能量，而冷凝时又会释放大量能量。
现代热泵的进步
人们对热泵的一般概念已有大约两个世纪的了解，几十年来，人们一直将其用于温带气候下的家庭和建筑供暖。然而，直到最近，热泵在美国北部和加拿大等寒冷气候地区的应用还不切实际。最近的进步正在改变这一限制。
沸点极低的高性能制冷剂（例如，R410A 的沸点为 -55.3ºC）可实现低温运行，改进的热交换器设计有助于从室外收集更多热量。
使用先进电机驱动器的变速压缩机允许加热设备根据需要升速和降速，而不是完全开启或关闭。
经过改进的 IGBT 栅极驱动器，甚至基于碳化硅的器件，以及可实现闭环控制和先进的预测性热泵维护的电流传感产品，将有助于在未来推动这项技术的发展。其他元件，如先进的磁性元件和电感器，甚至连接器，都能帮助热交换器以最高效率运行，并具有长期的可靠性。
未来热泵的可能性
本文的重点是利用室外空气加热室内空间的热泵，但热泵热水器也可以使用相同的技术。这些概念也可以在地源热泵装置中使用埋入地下的热交换器来实现，利用地球近乎均匀的温度来创造比室外冷空气更容易获得的能源。热泵还可用于工业流程，取代化石燃料或电阻式方案。
鉴于热交换器的优势，以及当前减少化石燃料的推动力，预计不久就会扩大热交换器在供热领域的使用。随着电气和机械设计的改进，我们还可以期待这些设备的更高效率，使其在未来几年成为更具吸引力的选择。
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