【蘇同叔專欄】「電熱」熱泵可以改變空調

如果一種新型熱泵能夠兌現其承諾，那麼空調和冰箱中使用對環境有害的氣體可能會變得多餘。上週在Science 1上發表的一項研究描述了一種原型，它使用電場和特殊陶瓷，而不是交替蒸發冷媒流體並用壓縮機冷凝它來加熱或冷卻空氣。達維德‧卡斯泰爾維奇Davide Castelvecchi發表在最新一期《自然》(Nature)的<「電熱」熱泵可以改變空調>(‘Electrocaloric’ heat pump could transform air conditioning)說，熱泵以空調的形式無處不在。科學家剛發明了一種可以避免有害冷媒氣體的產品。(Heat pumps are ubiquitous in the form of air conditioners. Scientists just invented one that avoids harmful refrigerant gases.)
英國劍橋大學材料科學家尼爾馬圖爾 (Neil Mathur) 表示，該技術結合了多種現有技術，具有「卓越的性能」。位於貝爾沃的盧森堡科學技術研究所的材料科學家 Emmanuel Defay 和他的合作者用具有強烈電熱效應的陶瓷建造了他們的實驗裝置。表現出這種效應的材料在暴露於電場時會升溫。
在電熱材料中，原子具有電極化——電子分佈的輕微不平衡，這使得這些原子具有「正」極和「負」極。當材料不受干擾時，這些原子的極化會不斷地沿著隨機方向旋轉。但當材料暴露在電場中時，所有靜電極會突然對齊，就像朝一個方向梳理的頭髮一樣。德費解釋說，這種從無序到有序的轉變意味著電子的熵（物理學家測量無序的方式）突然下降。
但熱力學定律表明，系統的總熵永遠不會下降，因此，如果它落在某個地方，它就一定會在其他地方增加。他說，「材料擺脫這種額外混亂的唯一可能性是將其倒入晶體結構的晶格中」。這種額外的無序意味著原子本身開始更快地振動，導致溫度升高。
然後，研究人員透過在電熱材料板之間流動流體來去除熱量，同時保持電場開啟。結果是板坯回到原來的環境溫度，但具有較低的極化熵。如果研究人員隨後關閉電場，就會產生相反的效果：極化再次變得混亂，熵從陶瓷的原子晶格中湧出，帶走熱量。結果是晶格變得比環境溫度更冷，並且它可以冷卻在板之間泵送的流體。然後循環再次開始。
在冰箱或空調中，來自加熱流體的熱量將散發到環境中，而冷卻流體將用於保持內部或房間寒冷。為了供暖，熱泵會冷卻外部環境，從中提取熱量並泵入建築物。
Defay 表示，儘管該技術尚未準備好商業化，但透過進一步完善，他的團隊的電熱熱泵的效率可能與現有熱泵的效率具有競爭力。這是一個很難滿足的標準，因為基於壓縮機的熱泵已經非常有效率：例如，當用於建築物供暖時，在消耗相同電量的情況下，它們產生的熱量是空間加熱器的三倍或更多倍。但與標準熱泵不同的是，電熱熱泵不需要氫氟碳化合物或氨等對環境有潛在危害的冷媒。Defay 補充道，由於它不再需要壓縮機，因此有可能適合更小、更簡單的設備。