《Journal of Building Engineering》：A method for climate-based comparison of gas absorption and electric air-source heat pumps based on fuel costs and emissions
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电动空气源热泵（electric ASHP）比气体吸收式热泵（GAHP）具有更高的季节性性能；在所有九个城市中，气体吸收式热泵的供暖燃料成本更低；当电网排放强度（）较高时，气体吸收式热泵的排放更低；本研究提出了一种简单的
电动空气源热泵（electric ASHP）比气体吸收式热泵（GAHP）具有更高的季节性性能；在所有九个城市中，气体吸收式热泵的供暖燃料成本更低；当电网排放强度（）较高时，气体吸收式热泵的排放更低；本研究提出了一种简单的比较气体吸收式热泵与电动热泵的方法；该方法利用供暖度日数（HDD10.0）来寻找成本更低且排放更低的热泵。
**论文解读文章**
**研究背景与意义**
全球建筑领域消耗约40%的总能源并贡献33%的温室气体（GHG，Greenhouse Gas）排放。在加拿大等寒冷气候区，供暖系统是建筑高能耗和高排放的主要来源。传统天然气（NG，Natural Gas）炉虽然成本低廉且供应充足，但即使高效炉仍导致高能耗和高排放。用空气源热泵（ASHP，Air-Source Heat Pump）替代天然气炉有潜力显著降低建筑能耗和GHG排放。空气源热泵主要分为两类：电动空气源热泵（electric ASHP）以电力为驱动源，而气体吸收式热泵（GAHP，Gas Absorption Heat Pump）通常以天然气为驱动源。一般而言，电动ASHP具有更高的性能系数（COP，Coefficient of Performance），但在寒冷气候下因结霜导致性能显著下降，结霜使季节性性能系数（SCOP，Seasonal Coefficient of Performance）降低4%至35%；而GAHP因结霜导致的能耗增加仅为1%至2%。此外，加拿大电价通常是天然气价格的2到8倍，且一些省份（如阿尔伯塔省和萨斯喀彻温省）的电网GHG排放强度极高。因此，在加拿大寒冷城市中，GAHP可能在降低供暖成本和GHG排放方面比电动ASHP更有效。然而，现有对比研究多基于欧洲且未考虑结霜影响。本研究的主要贡献是在寒冷加拿大气候下考虑结霜效应，比较两种热泵，并基于9个涵盖ASHRAE气候区4-7的城市数据，建立简单筛选方法，为全球建筑业主提供决策依据。论文发表在《Journal of Building Engineering》。
**主要关键技术方法**
研究人员以美国能源部小型办公建筑基准模型为背景，使用eQUEST 3.65对一栋单层小型办公建筑进行建筑能耗模拟，获取逐时供暖和制冷负荷。气象数据来源于加拿大能源计算气象年（CWEC, Canadian Weather Year for Energy Calculation）文件，涵盖九座加拿大城市（跨越ASHRAE气候区4-7）。热力学模型采用MATLAB开发：自行建立了GAHP的热力学模型（基于氨水工质对，通过质量、能量平衡及氨水物性关联式计算），并采用Gollamudi等人开发的电动ASHP模型。为考虑结霜对性能的影响，使用Sharma等人提出的经验结霜修正因子（C
f）。燃料成本分析基于加拿大能源监管机构2023年报告中的燃气和电价（采用统一费率），GHG排放强度数据来自加拿大环境部的官方统计数据。最后，定义燃料成本比较指数（FCI, Fuel Cost Comparison Index）和排放比较指数（eCI, Emissions Comparison Index）进行对比，并基于供暖度日数（HDD
10.0）和冷却度日数（CDD
10.0）建立临界UPR（Utility Price Ratio，电价与气价比）和临界电网排放强度趋势线。
**研究结果**
**5.1 季节性性能系数（SCOP）** 通过模拟计算各地GAHP和电动ASHP的供暖季节性能系数（SCOPh,frost，考虑结霜）。结果表明：在各城市中，电动ASHP的SCOPh,frost均高于GAHP。GAHP的SCOPh,frost在不同城市间差异很小，说明GAHP性能受气候条件影响小于电动ASHP。制冷季节，电动ASHP的SCOPc固定为3.5，而GAHP的SCOPc仅为0.48-0.50。
**5.2 年能耗** 对比供暖及供暖+制冷的总年能耗。在所有情景下，GAHP的年能耗均高于电动ASHP。供暖能耗差异源于两者SCOPh,frost的不同；制冷季节由于GAHP的SCOPc远低于电动ASHP，导致总能耗差距更大。年能耗与各地气候密切相关，气候区7（如白马、埃德蒙顿等）供暖能耗最高，气候温和区（如温哥华、多伦多）能耗较低。
**5.3 燃料成本比较指数（FCI）** 采用当前各城市电力与天然气价格比（UPR）计算供暖及供暖+制冷的FCI。负FCI表示GAHP燃料成本更低。当前所有城市供暖期GAHP燃料成本均低于电动ASHP，节约幅度从温哥华的13%到埃德蒙顿的83%。当考虑供暖+制冷联合运行时，因GAHP制冷性能差，FCI增大。在温哥华和蒙特利尔，冷却需求相对较大，导致FCI转为正值，即电动ASHP燃料成本更低。研究还发现，临界UPR（FCI=0时）与HDD10.0呈线性关系：气候越冷，临界UPR越低；供暖+制冷的临界UPR与CDD10.0/HDD10.0呈线性关系：CDD比例越高，临界UPR越高。该趋势线可用于全球其他城市快速判断。
**5.4 排放比较指数（eCI）** 基于各城市当前电网排放强度（
）计算eCI。负eCI表示GAHP排放更低。仅在萨斯喀彻温市和埃德蒙顿市（电网排放强度高）GAHP供暖排放低于电动ASHP；弗雷德里克顿市两者持平；其余六市电动ASHP排放更低。考虑联合供暖+制冷后，仅萨斯喀彻温市和埃德蒙顿市GAHP排放仍低于电动ASHP，但弗雷德里克顿市转为电动ASHP更低。同样，临界与HDD10.0（供暖）和CDD10.0/HDD10.0（供暖+制冷）呈线性关系，可用于全球城市筛选。
**5.5 比较GAHP和电动ASHP的筛选方法** 基于上述临界趋势线，给出了适用于全球其他城市的筛选方法。仅需当地HDD10.0、CDD10.0、UPR和，即可在图中定位。以萨斯喀彻温市（加拿大）、爱丁堡（英国）和汉堡（德国）为例：所有三个城市GAHP供暖燃料成本均更低；排放方面，GAHP在汉堡和萨斯喀彻温市更优，爱丁堡则电动ASHP更优。若城市点远离趋势线，可高度置信选择；若靠近趋势线，则需详细分析。
**5.6 筛选方法的局限性** 临界趋势线基于若干假设：GAHP的吸收器、冷凝器、发生器工作温度分别为40°C、50°C、160°C；电动ASHP的SCOPc固定为3.5；建筑平衡点温度为12°C。改变这些参数（如使用不同热分配系统、不同建筑类型）会导致临界UPR和临界偏移。在寒冷气候下变化不大，但在温和气候下需要谨慎。
**结论总结与讨论**
**翻译研究结论部分（Section 6.0 Conclusion）** ：在本研究中，对覆盖ASHRAE气候区4-7的九座加拿大城市的一栋小型办公建筑供暖和制冷负荷，对GAHP进行了建模。研究人员模拟了GAHP的年性能、能耗、燃料成本和GHG排放，并与电动ASHP进行了比较。年燃料成本和GHG排放比较考虑了当前各城市的公用事业费率和电网排放强度，以及一系列潜在的未来值。通过本研究结果，可以确定在当前和未来，在考虑燃料价格和GHG排放的情况下，这两种热泵中哪一种在每个城市更适用。除所调查的城市外，本研究还提出了一种筛选方法，可用于确定在世界许多其他城市中，哪种类型的热泵具有更低的燃料成本和GHG排放。虽然发现GAHP的SCOP低于电动ASHP，因此每个城市的年能耗更高，但GAHP在年燃料成本和GHG排放方面显示出优势。结果表明，在九个加拿大城市中，当用于空间供暖时，GAHP的年燃料成本低13%-83%。此外，当同时考虑供暖和制冷时，在九个城市中，GAHP在七个城市具有更低的燃料成本。如果未来UPR增加，GAHP在燃料成本方面将更有利。此外，发现临界UPR与城市度日数之间存在线性关系。这种线性关系可用于世界各地的建筑业主，无需进行详细分析即可确定其所在城市中燃料成本更低的热泵类型。在电网排放强度高的城市，如萨斯喀彻温市和埃德蒙顿市，GAHP将产生比电动ASHP更低的GHG排放。尽管随着电网脱碳化，电网排放强度增加不太可能，但如果未来电网排放强度增加，GAHP将具有更低的GHG排放。还发现临界电网排放强度值与度日数之间存在线性关系。这种关系可用于世界各地许多城市的建筑业主，无需进行详细分析即可确定其所在城市中GHG排放更低的热泵类型。该筛选方法可用于确定城市与所呈现趋势线的接近程度。如果城市远离趋势线，如所展示的例子，那么建筑业主可以确信哪种类型的热泵更适合其城市。如果城市靠近趋势线，则需要针对其具体建筑进行更详细的分析，考虑筛选方法中的方法和假设。总的来说，在天然气成本低于电力成本且电网排放强度高的城市，GAHP在空间供暖方面具有巨大潜力。
