可持续技术评估计划 (STEP)在位于安大略省 Kortright的 Living City 校区运行，在那里您可以找到原型可持续住宅 (ASH)。这两栋房子充当了一个生活实验室，配备了 400 多个校准传感器，用于监控建筑物系统的性能。还有一个现场气象站测量室外气象条件，提供特定地点的气候数据。
通过 STEP 计划进行了大量研究，从低影响开发雨水管理到能源效率和可再生能源研究。Ecohome 将总结并向我们的读者提供这些有价值的信息。
经常有一个鸿沟将那些进行研究的人与那些将从研究结论中受益匪浅的人分开，我们希望弥合这一差距。第一项研究着眼于两种形式的热泵；地源和空气源。
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Zuba 中央空气源热泵 © 可持续技术评估计划 |
热泵技术正在迅速发展，随着技术的改进和价格的下降，精通能源的建筑商开始注意到这一点。如果您不熟悉热泵的工作原理，想象一下冰箱；它不会“产生”冷气，它只是在外壳的一侧冷凝热量并将其移动到另一侧。热量通过冰箱背面的线圈释放，并在此过程中使您的房子稍微变暖，这与坐在您家内外的空气源热泵 (ASHP) 发生的过程相同。“热泵”是这里名称的相关部分 - 这些系统基本上将热量从不需要的地方泵到它所在的地方，或者无关紧要的地方。这就是为什么存在所谓的分裂系统，
乍一看，使用寒冷的冬季空气来加热你的房子似乎违反直觉，但只要温度高于绝对零（-273°C），就会存在一些热能。ASHP 不会从内到外进行空气交换；当内部空气通过加热的盘管循环时，热量只是在外部冷凝并在内部分散。在夏天，系统会反转以冷却您的家。
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WaterFurnace 地源热泵 © 可持续技术评估计划 |
地源热泵 (GSHP) 在相同的原理下运行，从地下提取热量，然后用于为家庭供暖。简而言之，这就是地热供暖的概念。地源热泵还反向工作以冷却您的房屋，这是系统效率的一个重要因素 - 在夏季为您的房屋降温时，您正在为下一个供暖季节加热地面。无论您选择哪种系统 - 空气或地源，将热量从一个地方冷凝和转移到另一个地方比产生热量更有效，这就是热泵在性能建筑社区中成为热门话题的原因。
我们将在这里介绍的是地源热泵和空气源热泵之间的比较结论，在总体成本和性能效率方面，以确定哪个是最好的。
正在测试的机械加热系统：房子A
使用 Mitsubishi™ 制造的 10.5 kW（3 吨）高效可变容量空气对空气源热泵加热，带有直接膨胀盘管空气处理单元 (AHU) 和多速风扇，为空调提供冷热空气空间加热和冷却。
B屋
使用由 WaterFurnace™ 制造的 13.3 kW 高效地源热泵加热，该热泵连接到院子里的两个 152.3 m（500 ft）水平回路。
地源热泵与空气源热泵从一开始就值得注意的是，在测试过程中，作为独立装置的热泵（即不包括循环泵或鼓风机）实际上都超过了制造商和 EnerGuide 的额定值，其性能系数 (COP) 在 5 以上降温季节及取暖季节3以上。
暂时不考虑安装成本，这就是每月水电费账单的含义——传统的电阻加热（踢脚线加热器、锅炉、烤面包机、吹风机等）的 COP 为 1，这意味着一个单位的电力产生一个单位的热量。
因此，COP 为 3 意味着与普通电加热器相比，您在热泵上花费的每一美元所获得的热量是普通电加热器的三倍。空调机组的 COP 通常在 2 到 3 之间，因此如果处于制冷模式的热泵的 COP 超过 5，那么与专用空调机组相比，您可以合理地期望将运营成本降低一半。
还有其他因素可能会降低效率，一些系统配置可能会提高效率，但我们将在这里坚持基本性能。更详细的信息可以在完整的技术简介中找到。
气温在所有季节的变化都远大于地面温度，因此地源地热系统具有一个明显的优势，即运行条件更可预测和更一致。这在测试过程中得到了说明，因为 ASHP 的性能受到冬季气温下降的不利影响比 GSHP 更大。然而，ASHP 确实在室外温度低至 -24°C 的情况下保持室内热舒适度，而无需补充热量。地面不会低于地源热泵的运行温度，因此，假设系统的尺寸适合其需要加热的空间，则不需要补充系统。
那么，关于空气源热泵，这就引出了一个问题，即在 -25°C 和更低的温度下会发生什么？从历史上看，ASHP 作为寒冷气候下的唯一热源一直是个问题。有一天，当您最需要它时，它可能无法提供热量。不久前情况更糟，当时它们实际上只能在 -10°C 左右运行。如果考虑使用太阳能电池板和电池运行的离网家庭，或“以防万一”或长时间停电的备用热量，也许可以考虑为离网使用而设计的高效无电木质颗粒炉，看这里。
在这个测试案例中，系统与备用小型锅炉相结合，在 ASHP 无法提供热水时为空气处理单元 (AHU) 的加热盘管提供热水。该系统使用锅炉而不是在其热泵模式下加热效率较低（因为 COP 像任何其他电加热器一样降至 1），但至少在需要时您有热量。除了在遥远的北方之外，寒冷的日子并不常见，因此在加拿大或美国人口最多的地区的绝大多数时间里，像这样的混合系统将以其高效模式运行。
值得注意的是，测试仅在系统以热泵模式运行时进行，而不是在电阻锅炉上进行。进行测试的 Living City 校区位于大多伦多地区，对加拿大来说是一个中间地带。加拿大五个主要城市的模型模拟表明，这两种技术都可以在加拿大气候中表现良好，并且在美国较冷的州也应该表现良好。如果在寒冷的气候区，另一件要尝试的事情是DIY 太阳能空气加热器 - 见这里。
温度影响热泵效率从冷空气中提取热量的效率可以与挤压湿海绵取水的效率相提并论。海绵中的水分越少，你就越用力挤压。因此，空气越冷，将热量排出所需的能量就越多。
空气源热泵在采暖季节的平均 COP 为 3，但其实际效率各不相同，随着冬季室外温度从 9°C 下降到 -19°C，它的 COP 从 4.9 下降到 1.6。
地下水温度的一致性意味着 GSHP 的效率波动远小于 ASHP，并且在测试期间发现 GSHP 的整体效率确实比 ASHP 略高，但不要仅凭这一事实就使您的决定; 还有更多的变量需要考虑。
选择热泵在较冷的环境中，地源热泵比空气源更有效地运行，但地面不像空气那样容易接近。要么你需要钻孔，要么如果你有一大块土地，你可以挖一个深沟并安装一个水平环。但是，这两种选择都非常昂贵。因此，在任何一种系统都可以在一年中的大部分时间或全年提供供暖和制冷的气候条件下，ASHP 具有明显的成本优势。
房屋大小是另一个重要变量，尤其是地源。当维修较大的空调空间时，地源热泵的前期成本变得越来越具有成本效益，因为该成本在总建筑预算中所占的百分比较低。此外，将大额账单减半比将小额账单减半更省钱，而储蓄决定了投资回收期。
在优先考虑建筑预算的组成部分时，另一个考虑是将资金从产热转移到保温上的想法；这意味着，在保温材料上花费更多可能会导致需要在供暖基础设施上花费更少（更不用说显着的运营节省）。额外的绝缘始终是我们首先建议的路线，这里介绍了绝缘的类型、数量和使用地点。
更少的热量损失意味着您需要添加更少的热量，因此在设计阶段有一些远见，您可能能够通过更紧凑、更实惠的系统来满足您的加热需求。
这个特定的变量只为空气源得分，而不是地面源。您也许可以缩小到较小的 ASHP，但与钻孔相关的巨额成本或 GSHP 水平环路的大规模挖掘工作根本无法避免。
一般结论：空气源热泵vs地源热泵在决定哪种系统对消费者来说更具成本效益时，没有单一的正确答案。在做出决定时，您需要自己权衡变量。但作为一般规则 - 地源热泵可能更适合大型住宅和气候非常寒冷的住宅。在温带气候条件下，小型高效住宅和任何中等大小的住宅中，ASHP 绝对更具成本效益。
ASHP 的资本成本较低，但这里还有其他重要的考虑因素，这些因素并不总是反映在简单的投资回报分析中。例如，制造商声称地源热泵的接地回路可以使用超过 50 年甚至 100 年，并且在其较长的使用寿命期间将提供更好的热能来源和汇。
此外，在城市环境中，ASHP 在冷却季节向外部空气排放热量，可能使城市热岛恶化，而地源热泵将热量排放到地面以储存下一个供暖季节。在这种情况下，地源热泵的共享社会利益无疑是真实的，但很难货币化。
安装 ASHP 系统的初始成本可能比电炉或燃气炉高一点，但您将每月收回部分额外投资。投资回收期很大程度上取决于您所在地区的电费，加拿大和美国各省的电费差异很大。在撰写本文时，魁北克水电的基本电价为每千瓦时 5.4 美分，安大略省的峰值电价有时可能难以计算，但高达每千瓦时 17.5 美分。
在许多司法管辖区，ASHP 技术最具成本效益的用途是改造现有的电加热建筑物。这将立即将年度供暖成本降低 3 倍，并提供非常有吸引力的回报。
研究表明，使用热泵而不是天然气炉或锅炉为单户住宅供暖所产生的碳排放量可与普通汽车停在路上相媲美。
逐步过渡到使用热泵供暖的好处不仅仅是对系统所有者的经济激励。随着各级政府开始更加积极地应对全球气候变化的威胁，向更高效的热源过渡是帮助实现碳排放目标同时减少资源开采对环境造成的破坏的一种轻松方式。
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