热泵
宅在暖气房里，
都不知道外面正经历十年一遇的冷。
出门以前还在写“智能维护”的续篇，
出门以后半分钟就给冻透了，
感慨暖气让“北方的寒夜里四季如春”。
回来以后脑袋里冒出来两个字：
——“热泵”。
先整理一下这个神奇的技术，
希望被我们更多同行了解，
并且推动它在轨道车辆行业的应用。
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（↑↑↑ 放上一行太阳）
热泵是个不符合常理的技术。
举个电水壶的例子：
把10升15℃的自来水烧开，
需要消耗几度电？
可以口算一下，
水的比热容是4.2kJ/kgK，
10升的水从15℃加热到100℃，
需要热量4.2×85×10=3570kJ，
也就是3570/3600=大约1度的热量，
假如水壶没有热量损失，
就是需要1度电；
一份电，换来一份热量，
热力学第一定律，
没毛病。
那对于一辆高铁车厢，
现在从北京开往哈尔滨，
外面零下10℃，
没有暖气也早冻透了……
为了把车厢维持在我们舒适的温度，
比如22℃，
需要每个车厢持续的投入30kW的热量，
如果使用座椅/侧墙电加热器的话，
电功率也同样是30kW，
即1个小时30度电；
同样是一份电换来一份热量。
车厢内、外温度平衡的原理：
热量=温差×换热能力。
画个草图解释，
车厢内外的温差是32℃，
维持这个温差所需的热量是：
32×2.4×车厢表面积= 30kW，
（当然了还有加热新风的那部分）。
第2个问题是，
车厢的温度22℃，
座椅加热器表面的温度要高于22℃，
才能把热量传递给空气；
这里适用同样的传热原理，
电热管表面积越大，温差越小，
这里假设电热管表面温度120℃。
第3个问题，电能向热能的转化，
这是通过电阻丝完成的，
电加热工作时，电流转化为热量，
电阻丝温度200℃，
通过绝缘的氧化镁粉末传递给管表面。
于是，整个传递热量的链条就完整了：
电能 → 电流，
电流 → 电阻丝200℃，
电阻丝200℃ → 电热管表面120℃，
电热管表面120℃ → 车厢空气22℃，
车厢空气22℃ → 外界空气零下10℃。
这个链条里最高温和最低温的差是210℃，
大脑惦记一下这个数据~
看出来没？
热量的传递过程是从高温向低温传递的，
用高(Meng)深(Ren)的专业术语说：
我们利用的是“高品位热源”。
这个热量传递过程的最高效率是1，
就是100%，
一份电最多产生一份热量。
热泵是从“低位热源”取热的，
就是从“零下10℃”的环境取出热量，
传递给“22℃”的车厢。
而且这个过程的效率是可以高于1的~
你就说神奇不神奇吧？！
Heat Pump是它的英文名字。
Pump是泵，加压的意思；
那热泵表面看就是“加温”的意思了。
上面是一个北美习惯使用的热泵室外机，
（国内的产品找不到这么好看的图）
最左面有四根铜管的阀件是四通阀，
是实现空调制冷、制热切换的东东；
除此之外还有风扇、压缩机、管路系统，
以及有关的电控组件构成。
车辆上的热泵产品大同小异，
子组件功能上也没有区别。
它是什么原理呢？
再画一个小图：
热量只能从高温向低温直接传递，
这个原理没法改变，
那我们就增加一种间接的传递媒介：
——冷媒；
把上图中的白色线条看做是铜管，
冷媒就是铜管内流动的介质。
我们在车厢放一个换热器A（图中黄色），
保持它里面的冷媒温度是32℃，
这样的冷媒可以向车厢（22℃）传热；
然后在外界也放个换热器B（图中深蓝色），
保持它里面的冷媒温度是零下20℃，
于是冷媒可以从-10℃的空气吸热了。
现在热量的传递链变成了这样子：
冷媒A32℃ → 车厢空气22℃，
车厢空气22℃ → 外界环境零下10℃，
外界环境-10℃ → 冷媒B零下20℃。
还记得前面电加热器的最大温差吗？
——答对了，210℃；
现在的热泵呢？
——这个温差变成了52℃。
然后一步，
就是如何维持冷媒A和B的温度？
我们小时候就学过了：
蒸发吸热、冷凝放热，
冷媒A所在的换热器看成冷凝器，
冷媒B所在的换热器是蒸发器；
可近似认为蒸发、冷凝是等温过程。
然后在冷媒A和冷媒B中间的铜管上，
增加一段毛细管（图中白实线位置），
冷媒在降压的同时会实现降温；
然后在冷媒B和A中间的铜管上，
增加一个压缩机（图中白虚线位置），
保证冷媒的加压、升温。
压缩机的耗电是主要的电能输入。
上面说的这个过程运转起来，
就是热泵循环了。
热泵循环的效率，
我们行业通常叫“能效比”——COP，
就是产出的热量和输入电能的比值，
COP越大，我们越喜欢。
它受环境因素影响较大，
主要取决的因素是环境和车厢温度，
特别是前面说到的那个“最大温差”。
在上图所示的温度下，
实际的热泵产品的COP在2左右。
即：一个车厢30kW的热量需求，
使用热泵时只需要输入15kW的电能，
每个小时少用15度电哦！
神奇不！
这热泵循环不是我发明的
1824年，
法国青年工程师卡诺Carnot，
（卡诺同学生于1796年，只活了36岁，
死于1832年巴黎的疫情...）
研究了一种理想热机的效率，
这种热机的循环过程叫做“卡诺循环”。
这是一种特殊的，
又是非常重要的循环，
采用这种循环的热机效率最大。
↑↑↑ 逆卡诺循环的温-熵图
而逆卡诺循环，
是与卡诺循环相反的循环，
正是热泵和制冷理论的基础。
在完全理想的情况下，
就是设备机械效率100%、
换热器的换热温差无穷小、
等等等等…时，
车厢22℃，外界-10℃的温度点，
逆卡诺循环的制热COP大约是9。
向聪明的工程师们致敬！
【本文完】