地源熱泵性能評估
地源熱泵（GSHP）是一種利用地表穩定溫度作為熱源和/或冷源的建築供暖和製冷技術。與傳統的燃燒式系統或傳統空調相比，地源熱泵通常具有更高的能源效率、更低的運作成本和更少的溫室氣體排放。然而，這些優勢高度依賴設計、安裝品質、當地地質條件和運作方式。因此，評估地源熱泵的性能對於確保系統按預期運作、及早發現問題以及在其整個使用壽命期間優化效率至關重要。
工作原理及主要部件
一般來說，地源熱泵利用冷凍循環將熱量從一個地方轉移到另一個地方。在製熱模式下，熱量透過裝有流體（水或水-防凍液混合物）的地埋管從地下提取。然後，壓縮機將溫度升高，並將冷熱空氣輸送到建築物的加熱系統。在冷卻模式下，過程則相反：室內的熱量被轉移到地下。
決定性能的主要部件包括：（1）熱泵機組（壓縮機、蒸發器、冷凝器、膨脹閥），（2）地源熱交換器（GHE），可以是水平迴路、垂直（鑽孔）或開放式系統（例如抽取地下水並返回），（3）地源迴路流體循環泵，（4）建築物內的分配系統（例如輻射機、水盤）。
為什麼需要績效評估？
儘管理論上效率很高，但實際上許多因素都會降低性能：鑽孔尺寸不足、灌漿品質差導致傳熱效果不佳、流體流速不合適、管道內存在空氣、熱交換器結垢或控制策略不當。性能評估旨在回答以下關鍵問題：產生一定供暖/製冷能力需要消耗多少電能、土壤溫度是否存在長期下降/上升（熱漂移）以及系統在整個季節內是否穩定運作。
關鍵績效指標：能源效率比 (COP) 和能源效率比 (EER)。
最常用的參數是暖氣性能係數 (COP) 和冷氣能效比 (EER)。 COP 定義為輸送至負載的熱能 (kW_th) 與系統消耗的電功率 (kW_e) 之比。 COP 值越高，系統效率越高。 EER 的概念與此類似，通常以 Btu/Wh 表示，但也可以轉換為比值。
評估時，區分機組能源效率比（僅包括壓縮機和內部熱泵組件）和系統能源效率比（包括地源循環泵、空氣處理風扇及其他組件）至關重要。很多情況下，機組能效比看似很高，但如果循環泵過載或控制系統效率低下，系統能效比則會顯著下降。
測量方法和所需數據
績效評估需要足夠全面的測量數據，以避免產生誤導性結果。理想的最低數據量應包括：
1. 電能：測量壓縮機、循環幫浦、風扇和整個系統的千瓦時 (kWh) 電量。使用單獨的電錶（分錶計量）有助於識別耗能過高的零件。
2. 地迴路側和負載側（加熱/冷卻水或空氣）的入口/出口溫度（T_in/T_out），用於計算傳熱。
3. 接地迴路和負載迴路中的流體流量。流量測量誤差會導致容量計算錯誤。
4. 運轉條件：恆溫器設定點、工作模式、運轉持續時間、開/關循環和天氣資料（室外空氣溫度、濕度）。
5. 土壤參數（如有）：導熱係數、體積熱容、地下水深度及鑽孔配置。
迴路中熱容的計算通常使用以下基本公式：
Q = ṁ × c_p × (T_out − T_in) ,
其中，Q 為傳熱速率（kW），ṁ 為流體的質量流量，c_p 為流體的比熱容。由此，系統的性能係數（COP）可計算為 Q 除以總電功率。
熱響應測試
對於垂直環路系統，通常在安裝前後進行熱響應測試 (TRT)，以評估土壤和鑽孔的傳熱能力。 TRT 以特定速率向鑽孔內注入熱量，並觀察流體溫度隨時間的變化。測試結果可以估算出土壤的有效導熱係數和鑽孔的熱阻。如果鑽孔熱阻較高，可能是由於灌漿不良、管道安裝不當或有空隙造成的。這些資訊對於驗證鑽孔長度設計至關重要，可以避免鑽孔尺寸過小，從而防止在高峰季節性能下降。
季節性評估和長期績效
地源熱泵的性能並非僅憑一次測量就能確定。必須對系統進行足夠長時間的評估，才能捕捉到負荷和土壤條件的變化。當冬季供暖（四季分明地區）或冷氣（熱帶/城市地區）占主導地位時，就會出現熱交換不平衡。這種不平衡會導致土壤溫度發生變化；例如，冷卻占主導地位時，土壤中會積聚熱量，從而提高地源熱泵進水溫度，並隨著時間的推移降低能源效率比（EER）。
一項重要的長期指標是熱泵進水溫度（EWT）的變化趨勢。在以製冷為主的系統中，EWT持續升高；在以製熱為主的系統中，EWT持續降低，都顯示地源熱泵系統可能存在容量不足或地埋管負載不平衡的問題。解決方案可能包括增加鑽孔、採用混合系統（例如冷卻水塔或小型鍋爐）或採取控制策略來降低尖峰負載。
通常會降低績效的營運因素
評估過程中發現的一些導致績效低下的常見原因包括：
– 流量不合適：流量太小會降低熱傳遞並增加溫差，而流量太大則會導致循環泵浪費電力。
– 迴路中滯留的空氣：會導致空化、噪音、流量波動和性能下降。
– 設定點和控制不正確：頻繁啟動停止會降低效率並加速壓縮機磨損。
– 防凍液混合不當：濃度過高會增加黏度和幫浦功率；濃度過低則有冬季結冰的風險。
– 建築物內的分配性能：如果分配系統（例如，髒污的風機盤管、堵塞的過濾器或不平衡的水力系統）較差，則熱泵將被迫在不太理想的條件下工作。
評估方法：從審計到最佳化
良好的性能評估通常包含多個階段。首先，進行文件和設計審核：檢查設計容量、鑽孔長度、幫浦規格和控制策略。其次，進行現場檢查：檢查物理狀況、洩漏情況、管線保溫狀況和安裝品質。第三，在各種負載條件下，進行數天至數週的儀器測量。第四，進行數據分析，以獲得系統的性能係數（COP）/能效比（EER）、單位能耗（kWh/m²），並識別與基準值的偏差。最後，實施行動計畫：控制變更、流量調整、熱交換器維護或系統改造。
優化通常無需大量投資即可顯著節省成本。例如，用變頻驅動（VFD）泵取代傳統循環泵，根據供水溫度調整控製曲線，或透過在水力系統中增加緩衝水箱來減少頻繁啟動和停止。
結論
地源熱泵性能評估是一個綜合技術流程，它結合了能量測量、熱分析以及對土壤動力學和建築負荷的理解。性能指標如能效比（COP）和能效比（EER）固然重要，但更關鍵的是系統整體能效比和地埋管溫度的長期穩定性。透過合理的尺寸設計、熱響應測試（必要時）以及季節性評估，業主和營運商可以確保技術真正達到預期的效率。最終，經過適當評估和優化的地源熱泵系統可以成為降低能耗、提升熱舒適度並支持建築業脫碳目標的可靠解決方案。
