摘要：对节能供暖系统的需求不断增长 而空调市场的蓬勃发展催生了对新 经济高效的加热和冷却解决方案。目前，蒸汽压缩 热泵主导着这个市场。然而，这些传统系统存在 一些限制。基于不同热量效应的新型创新系统， 例如磁热效应，有可能克服这些 局限性。近年来，磁热热的几个原型

在大多数发达国家， 建筑行业是最大的能源最终用户。在欧洲，它占 40% 的总能源需求。此外，室内空间供暖占 75% 寒冷冬季地区的建筑能源需求。

另一方面，冷却是最快的 建筑物中能源的使用越来越多。由于全球变暖，热岛效应 对城市地区致密化的影响，增加购买力，增加 室内热舒适标准，各地的制冷需求蒸蒸日上。 世界，尤其是在夏季温暖的人口稠密国家，如中国、印度或 印度尼西亚。国际能源署 （IEA） 估计，空气 调节器占 Far S Al Man 总用电量的近 20% 今天的建筑。到 2050 年，冷却的能源需求可能会增加两倍，其中 2/3 世界上的家庭都配备了空调。

因此，开发 节能供暖和制冷系统对于大幅减少至关重要 满足整体能源需求并应对环境挑战 社会正面临。

热泵是一种将热量从热源转移到温度更高的散热器的设备。这在降温时非常方便（如冰箱或空调），但也可以用于加热建筑物或生活热水。热泵的主要优点是它们具有较高的性能系数（COP）。目前的热泵通常具有3到5的COP，这意味着输入1千瓦时的电能可以产生3到5千瓦时的有用加热或冷却能量，而燃气、燃油或电锅炉只能产生0.8到1千瓦时的有用加热能量。因此，热泵使用的能量比燃气、燃油或电锅炉少3到5倍。

为了进行传热，常规热量 泵使用蒸汽压缩热力学循环：流体 （ 制冷剂）被压缩或膨胀（增加或减少其 temperature） 并在热源和散热器之间循环。这 技术是目前为 建筑物。然而，用于 这些蒸汽压缩热泵存在一些环境问题：它们是 易燃、易爆、有毒或具有较大的温室效应。

多项创新技术 目前被认为是传统蒸汽压缩的可行替代方案 系统提供加热和冷却。其中，利用 某些固体制冷剂材料中的热量效应正在大幅增加 注意力。热量效应是特定 导致温度变化（加热或冷却）的材料 后者当周围环境的参数发生变化时：

· 电热效应：温度变化 电场的变化。

· 压力热效应：温度变化 压力的变化。

· 弹性热量效应：温度变化 机械应力的变化（拉伸或挤压）。

· 磁热效应：温度变化 磁场的变化。

就像蒸汽压缩热力学一样 循环中，这些热量效应可用于传递热能和 从而产生有用的加热或冷却功率。但是，基于 caloric 的设备 与传统热泵相比，效应有可能达到更高的 COP。 此外，它们不需要任何有害的流体制冷剂，并且具有低 噪音水平作。

这些技术具有非常不同的 成熟度。目前，大多数研究都集中在 磁热装置。然而，近年来，许多研究小组 现在正在研究 Elastocaloric 热泵原型。

热力学循环是 目前的磁热热泵技术是主动磁蓄热器 （AMR） 循环。它由 John A. Barclay 于1982 年开发并获得专利。 William A. Steyert 的 S Thoyert 和采用磁热材料（材料 体验磁热效应）作为固体制冷剂和热 再生。磁热材料（如钆）以 再生器中的多孔介质（填充球床或平行板基质） 允许冷却液通过它的双向循环的外壳。 这种液体通常是水基盐水。它保证了热能 从系统的冷侧（热源）转移到热侧（热） sink） 的 Sink 中磁热效应的交替激活和停用 在固体制冷剂中是通过磁化和退磁来实现的 带有外部磁场源（如电磁铁）的再生器或 旋转永磁体。

图 1 详细说明了这种热力学的不同步骤 AMR 循环。图 1 （a）：在 循环，再生器内部有温度梯度，没有磁性 字段。图 1 （b）：周期开始 磁热材料的磁化作用导致 再生器中的温度升高。加热磁热材料 然后将热能转移到热载流中。图 1 （c）： 这种流体从系统的冷侧被推到热侧 （冷到热的打击）。较热的流体循环到散热器中，然后 排斥一些热量。来自热源的较冷液体会冷却 再生。图 1 （d）：磁场被移除， 导致磁热材料退磁，从而 温度降低。因此，再生器中的冷流体被冷却 再往下走。图 1 （e）：在周期结束时， 流体从系统的热侧被推回到冷侧 （热吹到冷吹）。较冷的流体循环到热源中，然后 从中提取一些热量。来自散热器的较热液体会重新加热 （热再生） 再生器内部的磁热材料。图 1（f）： 一旦流体流动停止，设备就会恢复到 AMR 循环。

主动式磁电再生器 配置被认为会产生最节能的热力学 磁加热和冷却设备的循环。它还支持作 热源和散热器之间的温度跨度要显著 大于仅由磁热效应引起的温度变化。

图 1.主动磁再生器热力学循环 磁热热泵。

自 1980 年代以来，一些实验室已经 开发利用磁热效应进行的创新热泵 加热和冷却。这些原型的性能令人鼓舞，其中 他们的 COP 逐渐提高（现在与传统的 COP 相当 蒸汽压缩系统）和标称功率。研究表明， 磁热热泵可以集成到建筑物中，并提供其 空间供暖和生活热水需求。

虽然这是一项很有前途的技术和不错的 的工程设计中，磁热热泵尚未证明其 与蒸汽压缩系统的成熟技术相比具有竞争力。 主要挑战在于开发更便宜的磁热 材料，以及一些关键部件的优化，例如旋转 磁铁组件和热交换器。

图 2.“MagQueen”：原型 磁热热泵旨在为低能耗提供空间供暖 丹麦的独栋别墅（ENOVHEAT 项目）。

This article is based on two peer-reviewed scientific papers published in international scientific journals:

H. Johra, K. Filonenko, P. Heiselberg, C. Veje, T. Lei, S. Dall’Olio, K. Engelbrecht, C. Bahl. Integration of a magnetocaloric heat pump in a low-energy residential building. Building Simulation 11 (2018) 753-763. https://doi.org/10.1007/s12273-018-0428-x

H. Johra, K. Filonenko, P. Heiselberg, C. Veje, S. Dall’Olio, K. Engelbrecht, C. Bahl. Integration of a magnetocaloric heat pump in an energy flexible residential building. Renewable Energy 136 (2019) 115-126. https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.12.102

来源：陈讲运清洁能源