无需接入电网：中国团队研究新型氢能热泵。

德国的新建住宅经常会配备热泵。通常，热泵需要接入电网才能运行。德国行业网站Chip.de关注到，中国研究人员正在研究一种不需要电网的系统。

中国研究人员通过模拟计算，提出了一种供暖系统的设计构想。这套系统完全以氢气为能源，不需要接入电网。下面介绍这台氢能热泵的工作原理。

热泵是建筑供暖和热水制备摆脱化石能源的高效途径之一。但它离不开电网，偏远建筑和供电不稳定的地区因此难以使用。

这一局面将来可能会改变。东莞理工学院和中山大学的研究人员模拟了一套只靠氢气运行的供暖系统。据《PV Magazine》报道，该系统由三个核心部件组成，每一个在市场上都已有成熟产品：燃料电池、CO₂热泵和相变材料（PCM）蓄热罐。

燃料电池把氢气变成电，驱动热泵

这个构想其实并不复杂。

质子交换膜（PEM）燃料电池先把氢气转化为电能。电能驱动热泵压缩机，热泵使用CO₂作为制冷剂。热泵把水加热，热水在蓄热罐中循环。罐内装有充满十六烷的管道。十六烷是一种相变材料，在18摄氏度时熔化并吸收热量。储存下来的热量，随后用于制备生活热水。

与传统合成制冷剂相比，CO₂更环保。它不破坏臭氧层，全球变暖潜能值（GWP）只有1。作为对比，R410A等较老的合成制冷剂，GWP超过2000。此外，CO₂热泵能达到的出水温度，比许多传统系统更高。

模拟结果可行，但爱泡澡的人要克制

最大的遗憾是，这套系统尚未建成。目前只是一项计算机模拟，用来检验这一构想是否可行。

研究人员考察了三个温度条件对系统性能的影响：燃料电池周围的环境温度、阳极侧（通入氢气一侧）的入口温度，以及阴极侧（通入氧气一侧）的温度。结果显示，阴极温度的影响最大，远超另外两项。

阴极温度从2摄氏度升到34摄氏度时，“氢制热系数”提高了29.4%。这个系数指的是每公斤氢气能产出的可用热量。但与此同时，COP下降了近20%。

原因在于，阴极温度升高后，燃料电池的产出明显改善，但压缩机需要更高的功率运转，耗电量涨得更多。

模拟设定的热水需求是每天75升，水温提升40摄氏度。在这一条件下，模拟的蓄热罐容量够用。

这意味着，爱洗长澡的人可能要克制一下。据德国联邦环境署统计，2022年德国人均每天用水126升，其中36%用于洗澡或淋浴，约合45升。

整套系统的峰值COP超过4

研究人员表示，这是首次对这一系统组合进行系统性研究。三个部件在市场上都已成熟，但目前还没有把它们整合在一起的成品。

模拟中还做了一些简化。例如，假设PCM蓄热罐完全绝热，也没有考虑热泵内部的压力损失。

因此，系统COP本来就不高，空气源条件下为2.6至3.2。实际运行中，这个数字很可能还会更低。如果以水为热源，整套系统的模拟COP约为3.3至4.2。

这套系统主要适合没有电网的地方，比如山间小屋或其他偏远建筑。

能否实现经济运行，关键取决于氢价走势、氢气供应情况以及具体的供应条件。论文作者也承认，凡是能接入电网的地方，电驱动热泵的成本应该更低。

这项研究题为《热边界条件对氢驱动CO₂热泵（含PCM）的影响》，发表在《Results in Engineering》期刊上。