GSHP's v ASHP's - 他們是如何比較的？

可持續技術評估計劃 (STEP)在位於安大略省 Kortright的 Living City 校區運行，在那裡您可以找到原型可持續住宅 (ASH)。這兩棟房子充當了一個生活實驗室，配備了 400 多個校準傳感器，用於監控建築物系統的性能。還有一個現場氣象站測量室外氣象條件，提供特定地點的氣候數據。

通過 STEP 計劃進行了大量研究，從低影響開發雨水管理到能源效率和可再生能源研究。Ecohome 將總結並向我們的讀者提供這些有價值的信息。

經常有一個鴻溝將那些進行研究的人與那些將從研究結論中受益匪淺的人分開，我們希望彌合這一差距。第一項研究著眼於兩種形式的熱泵；地源和空氣源。

熱泵技術正在迅速發展，隨著技術的改進和價格的下降，精通能源的建築商開始注意到這一點。如果您不熟悉熱泵的工作原理，想像一下冰箱；它不會「產生」冷氣，它只是在外殼的一側冷凝熱量並將其移動到另一側。熱量通過冰箱背面的線圈釋放，並在此過程中使您的房子稍微變暖，這與坐在您家內外的空氣源熱泵 (ASHP) 發生的過程相同。「熱泵」是這裡名稱的相關部分 - 這些系統基本上將熱量從不需要的地方泵到它所在的地方，或者無關緊要的地方。這就是為什麼存在所謂的分裂系統，

乍一看，使用寒冷的冬季空氣來加熱你的房子似乎違反直覺，但只要溫度高於絕對零（-273°C），就會存在一些熱能。ASHP 不會從內到外進行空氣交換；當內部空氣通過加熱的盤管循環時，熱量只是在外部冷凝並在內部分散。在夏天，系統會反轉以冷卻您的家。

地源熱泵 (GSHP) 在相同的原理下運行，從地下提取熱量，然後用於為家庭供暖。簡而言之，這就是地熱供暖的概念。地源熱泵還反向工作以冷卻您的房屋，這是系統效率的一個重要因素 - 在夏季為您的房屋降溫時，您正在為下一個供暖季節加熱地面。無論您選擇哪種系統 - 空氣或地源，將熱量從一個地方冷凝和轉移到另一個地方比產生熱量更有效，這就是熱泵在性能建築社區中成為熱門話題的原因。

我們將在這裡介紹的是地源熱泵和空氣源熱泵之間的比較結論，在總體成本和性能效率方面，以確定哪個是最好的。

正在測試的機械加熱系統：

房子A

使用 Mitsubishi™ 製造的 10.5 kW（3 噸）高效可變容量空氣對空氣源熱泵加熱，帶有直接膨脹盤管空氣處理單元 (AHU) 和多速風扇，為空調提供冷熱空氣空間加熱和冷卻。

B屋

使用由 WaterFurnace™ 製造的 13.3 kW 高效地源熱泵加熱，該熱泵連接到院子裡的兩個 152.3 m（500 ft）水平迴路。

地源熱泵與空氣源熱泵

從一開始就值得注意的是，在測試過程中，作為獨立裝置的熱泵（即不包括循環泵或鼓風機）實際上都超過了製造商和 EnerGuide 的額定值，其性能係數 (COP) 在 5 以上降溫季節及取暖季節3以上。

暫時不考慮安裝成本，這就是每月水電費帳單的含義——傳統的電阻加熱（踢腳線加熱器、鍋爐、烤麵包機、吹風機等）的 COP 為 1，這意味著一個單位的電力產生一個單位的熱量。

因此，COP 為 3 意味著與普通電加熱器相比，您在熱泵上花費的每一美元所獲得的熱量是普通電加熱器的三倍。空調機組的 COP 通常在 2 到 3 之間，因此如果處於製冷模式的熱泵的 COP 超過 5，那麼與專用空調機組相比，您可以合理地期望將運營成本降低一半。

還有其他因素可能會降低效率，一些系統配置可能會提高效率，但我們將在這裡堅持基本性能。更詳細的信息可以在完整的技術簡介中找到。

氣溫在所有季節的變化都遠大於地面溫度，因此地源地熱系統具有一個明顯的優勢，即運行條件更可預測和更一致。這在測試過程中得到了說明，因為 ASHP 的性能受到冬季氣溫下降的不利影響比 GSHP 更大。然而，ASHP 確實在室外溫度低至 -24°C 的情況下保持室內熱舒適度，而無需補充熱量。地面不會低於地源熱泵的運行溫度，因此，假設系統的尺寸適合其需要加熱的空間，則不需要補充系統。

那麼，關於空氣源熱泵，這就引出了一個問題，即在 -25°C 和更低的溫度下會發生什麼？從歷史上看，ASHP 作為寒冷氣候下的唯一熱源一直是個問題。有一天，當您最需要它時，它可能無法提供熱量。不久前情況更糟，當時它們實際上只能在 -10°C 左右運行。如果考慮使用太陽能電池板和電池運行的離網家庭，或「以防萬一」或長時間停電的備用熱量，也許可以考慮為離網使用而設計的高效無電木質顆粒爐，看這裡。

在這個測試案例中，系統與備用小型鍋爐相結合，在 ASHP 無法提供熱水時為空氣處理單元 (AHU) 的加熱盤管提供熱水。該系統使用鍋爐而不是在其熱泵模式下加熱效率較低（因為 COP 像任何其他電加熱器一樣降至 1），但至少在需要時您有熱量。除了在遙遠的北方之外，寒冷的日子並不常見，因此在加拿大或美國人口最多的地區的絕大多數時間裡，像這樣的混合系統將以其高效模式運行。

值得注意的是，測試僅在系統以熱泵模式運行時進行，而不是在電阻鍋爐上進行。進行測試的 Living City 校區位於大多倫多地區，對加拿大來說是一個中間地帶。加拿大五個主要城市的模型模擬表明，這兩種技術都可以在加拿大氣候中表現良好，並且在美國較冷的州也應該表現良好。如果在寒冷的氣候區，另一件要嘗試的事情是DIY 太陽能空氣加熱器 - 見這裡。

溫度影響熱泵效率

從冷空氣中提取熱量的效率可以與擠壓濕海綿取水的效率相提並論。海綿中的水分越少，你就越用力擠壓。因此，空氣越冷，將熱量排出所需的能量就越多。

空氣源熱泵在採暖季節的平均 COP 為 3，但其實際效率各不相同，隨著冬季室外溫度從 9°C 下降到 -19°C，它的 COP 從 4.9 下降到 1.6。

地下水溫度的一致性意味著 GSHP 的效率波動遠小於 ASHP，並且在測試期間發現 GSHP 的整體效率確實比 ASHP 略高，但不要僅憑這一事實就使您的決定; 還有更多的變量需要考慮。

選擇熱泵

在較冷的環境中，地源熱泵比空氣源更有效地運行，但地面不像空氣那樣容易接近。要麼你需要鑽孔，要麼如果你有一大塊土地，你可以挖一個深溝並安裝一個水平環。但是，這兩種選擇都非常昂貴。因此，在任何一種系統都可以在一年中的大部分時間或全年提供供暖和製冷的氣候條件下，ASHP 具有明顯的成本優勢。

房屋大小是另一個重要變量，尤其是地源。當維修較大的空調空間時，地源熱泵的前期成本變得越來越具有成本效益，因為該成本在總建築預算中所占的百分比較低。此外，將大額帳單減半比將小額帳單減半更省錢，而儲蓄決定了投資回收期。

在優先考慮建築預算的組成部分時，另一個考慮是將資金從產熱轉移到保溫上的想法；這意味著，在保溫材料上花費更多可能會導致需要在供暖基礎設施上花費更少（更不用說顯著的運營節省）。額外的絕緣始終是我們首先建議的路線，這裡介紹了絕緣的類型、數量和使用地點。

更少的熱量損失意味著您需要添加更少的熱量，因此在設計階段有一些遠見，您可能能夠通過更緊湊、更實惠的系統來滿足您的加熱需求。

這個特定的變量只為空氣源得分，而不是地面源。您也許可以縮小到較小的 ASHP，但與鑽孔相關的巨額成本或 GSHP 水平環路的大規模挖掘工作根本無法避免。

一般結論：空氣源熱泵vs地源熱泵

在決定哪種系統對消費者來說更具成本效益時，沒有單一的正確答案。在做出決定時，您需要自己權衡變量。但作為一般規則 - 地源熱泵可能更適合大型住宅和氣候非常寒冷的住宅。在溫帶氣候條件下，小型高效住宅和任何中等大小的住宅中，ASHP 絕對更具成本效益。

ASHP 的資本成本較低，但這裡還有其他重要的考慮因素，這些因素並不總是反映在簡單的投資回報分析中。例如，製造商聲稱地源熱泵的接地迴路可以使用超過 50 年甚至 100 年，並且在其較長的使用壽命期間將提供更好的熱能來源和匯。

此外，在城市環境中，ASHP 在冷卻季節向外部空氣排放熱量，可能使城市熱島惡化，而地源熱泵將熱量排放到地面以儲存下一個供暖季節。在這種情況下，地源熱泵的共享社會利益無疑是真實的，但很難貨幣化。

安裝 ASHP 系統的初始成本可能比電爐或燃氣爐高一點，但您將每月收回部分額外投資。投資回收期很大程度上取決於您所在地區的電費，加拿大和美國各省的電費差異很大。在撰寫本文時，魁北克水電的基本電價為每千瓦時 5.4 美分，安大略省的峰值電價有時可能難以計算，但高達每千瓦時 17.5 美分。

在許多司法管轄區，ASHP 技術最具成本效益的用途是改造現有的電加熱建築物。這將立即將年度供暖成本降低 3 倍，並提供非常有吸引力的回報。

研究表明，使用熱泵而不是天然氣爐或鍋爐為單戶住宅供暖所產生的碳排放量可與普通汽車停在路上相媲美。

逐步過渡到使用熱泵供暖的好處不僅僅是對系統所有者的經濟激勵。隨著各級政府開始更加積極地應對全球氣候變化的威脅，向更高效的熱源過渡是幫助實現碳排放目標同時減少資源開採對環境造成的破壞的一種輕鬆方式。

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