2012/05/05
經濟部能源局
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▓撰文：羅國豪
近年，熱泵在國內學術及廠商單位積極推動下，在不同行業，例如：醫院、旅館、學校、溫水游泳池、安養院及住家等用戶已有超過百件應用成功案例。
政府為降低企業對能源的耗用量，除積極開發電源及獎勵再生能源設備外，同時也推動能源用戶選用高能源效率又環保的設備。由熱泵實際應用案例的測試證實，熱泵若在合理規劃運作下，熱泵的加熱性能係數（COP）都可大於3以上；若能積極取代傳統電力、瓦斯、柴油熱水鍋爐等加熱系統，可節省用戶的能源及運轉費用達二分之一以上，成效驚人。
熱泵原理與構造
使用冷氣機可以製造冷氣，亦會往外排出熱氣，由於能量不滅定律，排出熱氣的能量（QH）會等於輸入冷氣機的電能（We）加上從冷氣房所吸取的熱量（QL），即QH=QL+We。
冷氣機為一部移熱裝置，把熱能從一個地方（冷氣房）移到另一個地方（大氣），此移動熱能的作用需要借助電能才會發生，有如家庭裡所用的水泵於通電後，水將會從底樓自來水池送到頂樓水塔上一樣。惟冷氣機所搬動的是看不見的熱能，所以冷氣機的學名又稱為「熱泵」，利用壓縮機的熱力循環原理（朗肯循環）來產生移動熱能的作用。
朗肯循環主要由4個組件構成，包括：壓縮機、冷凝器、膨脹閥與蒸發器。壓縮機內容充滿冷媒，冷媒蒸氣受壓縮機壓縮產生高溫高壓蒸氣，流入冷凝器因排熱而凝結成冷凝液，經一膨脹閥流入蒸發器內蒸發成蒸氣而產生吸熱效應（冷氣效果），蒸氣再被壓縮機吸入繼續進行壓縮，構成一循環迴路。整個現象即熱能在蒸發器處被吸收，然後於冷凝器處被排出並進行收集與利用，構成一個熱的移動過程。
冷氣機（熱泵）如置於室外，從大氣中吸取熱能，排出的熱量將導入水槽中製成熱水供使用，此即「大氣取熱式熱泵熱水器」（詳圖1）。由於大氣熱能來自地球上的大氣層，可持續吸收太陽能，因此「大氣取熱式熱泵熱水器」亦是太陽能應用的一種。排入室內的暖氣能量（QH），約為輸入電能（We）的2～3倍，即輸入1kW電能，可以獲得2～3kW的暖房能力；而市面上暢銷的電暖爐，即使輸入1kW電能，至多也只能獲得1kW的暖房能力，因此，採用熱泵來取暖，可以節省電力約5到7成，是值得大力推廣的綠色環保器具。
另外，依熱源取得的型態，可再分成太陽輻射與大氣雙熱源型熱泵。如圖2所示，利用太陽能集熱板與蒸發器收集熱能至壓縮機，再經由冷凝器與熱虹吸交換器，將熱能儲存至熱水儲槽。此熱源的取得方式除太陽輻射能外，也會同時吸收大氣熱能，因此就形成「雙熱源型」的熱泵。
熱泵節能效益計算
單純以設備製熱的效能而論，熱泵設備優於其他經常使用的傳統熱水設備，這可從製熱COP 值做為省能效果判斷。熱泵機的COP值是所得熱能與輸入電能的比值，亦即COP＝所得熱能（kW）╱輸入電（kW），COP值愈高，表示輸入等量的電所獲得的熱能愈多。但燃油或燃氣鍋爐等不以電能驅動，無法計算COP值，故可先就熱泵與各式熱水器相對能源的熱值做比較（詳表1），再將各類型設備製熱的效率值換算為每產生單位熱能所需消耗的能源成本（詳表2），將各類型設備產生每單位熱水所需的能源成本計算出來，即可瞭解何者的效益較高。
以南投大西洋營業用室內泳池熱泵節能計算
◎每日製造熱水：30,000公升（約600人使用）
◎所需熱量：1,020,000kcal╱天（常溫21℃加熱至55℃）（註：kcal 千卡）
˙空氣對水型熱泵熱值約：860kcal╱度，COP≒3.6（夏季），COP≒2.6（冬季）
→夏季熱值：860×3.6＝3,096kcal╱度，冬季熱值：860×2.6＝2,236kcal╱度
→夏季每天耗電：1,020,000kcal╱天÷3,096kcal╱度＝329.46度╱天
冬季每天耗電：1,020,000kcal╱天÷2,236kcal╱度＝456.17度╱天
→夏季電費：329.46度╱天×3元╱度×182.5天（半年）≒180,378元╱半年
冬季電費：456.17度╱天×3元╱度×182.5天（半年）≒249,753元╱半年
全年總電費：約430,130元
˙電能熱水器熱值約：860kcal╱度，COP≒0.9
→產出熱值：860×0.9＝774kcal╱度
→每天耗電：1,020,000kcal╱天÷774kcal╱度＝1,317.83度╱天
全年總電費約：1,317.83度╱天×3元╱度×365天＝1,443,023元╱年
˙柴油鍋爐熱值約：8,816kcal╱公升，COP≒0.75
→產出熱值：8,816×0.75＝6,612kcal╱公升
→每天耗能：1,020,000kcal╱天÷6,612kcal╱公升＝154.26公升╱天
全年總耗能費約：154.26公升╱天×29元╱公升×365天＝1,632,895元╱年
◎計算結果：每年耗能費用比較評估結果如圖3所示。每年耗能量以熱泵與柴油鍋爐比較，約節省73.7％熱能；與電能熱水器比較，則節省約62.07％熱能，如圖4所示。
熱泵安裝應注意事項
熱泵系統安裝建置完成後，曾有案例情況為熱泵出水溫度可達55～60℃，但是用戶端供水溫度卻只有48℃左右，因此當出水端、使用端與回水端溫度落差太大，勢必造成熱泵持續運轉加熱，加大負載量，並使消耗電量增加，以致於未能達成預期的節能效果。經過追蹤與調整，發現系統的問題與改善如下：
一、廠商評估時忽略循環水造成熱損失
在一般熱水供應系統中，通常有兩種熱水的供應方式，即為有迴水和無迴水裝置。若採用隨時迴水的方式，則用戶開啟水龍頭即有熱水可用，但迴水過程會有熱能損失之情形，因此迴水速度越快，迴水量越大，熱能損失也越大。改善方式為：降低迴水量，並與用戶確認使用端，達到用戶可接受之瞬間出水溫度。
二、熱水管路保溫不良造成熱損失擴大
水槽出水溫度和迴水溫度溫差過大，最主要原因是熱水管路保溫不良，若以瓦斯用量推算用水量，每日耗用熱水量以醫院平均用量150,000公升計算，但實際裝表量測時冷水進流量換算結果，每日最大使用量卻只有72,300公升，其中的差異是將一半的瓦斯熱能，用於加熱因管路保溫不良所造成的熱損失。
改善方式應要求廠商使用較佳之隔熱被覆的材質，在管件表面周圍及管路連接口做良好的被覆隔熱，以減少管路內的熱水與外界環境溫度做熱交換，使得熱水出水端溫度降低。另外，亦可降低水槽供水溫度，使熱泵主機能有更多的停機時間，讓熱泵運轉時更具效率，有效達到減少電費的耗用量。
三、水垢問題的處理
相較於利用燃燒方式產生熱水的設備，熱泵主機藉由冷凝器進行熱交換，熱交換表面溫度較燃燒爐低，相對結垢也較輕微。但除了表面溫度的因素，水質硬度高也會容易造成結垢，影響設備效能。因此，必須定期清潔冷凝器熱交換表面，尤其對採用板式熱交換器之機組。另外，亦可採用物理方式之水質處理設備，以有效防止水垢於熱交換面上形成。
結語
由於傳統電熱水器為直接將電轉換為熱，在COP效率方面最高只能達到1，故開始以高電能轉換效率之熱泵為主要加熱系統即成為節能之重要替代方案。由國內熱泵研究及現場測試案例證實，熱泵產出的冷熱能若符合運作規劃，則節能效益可達60％以上。
另熱泵的應用，尤其以大氣或廢能熱源的熱泵可以節省鉅量能源，如採多功能設計（熱水、冷氣、除濕），以及於施工管線配置時，能確實以隔熱被覆之材質包覆，減少熱損失，節省的能源將更為可觀。相信各行業用戶於加速擴大採用熱泵後，可大幅降低節約能源使用成本，提升經營利潤，加強市場競爭力，對國家整體節約能源目標推動上，亦相對做出貢獻。（作者任職於經濟部標準檢驗局新竹分局）
關鍵字：熱泵,朗肯循環,電能熱水器,柴油鍋爐,能源效率