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大氣熱能的開發──熱泵原理與技術發展概況

2003/08/05 經濟部能源局 點閱人次: 848

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■撰文:黃秉鈞

大氣層會吸收太陽能,加上溫室效應,使得大氣層形同一個巨大的太陽能儲存庫(可稱為「大氣熱能庫」),溫度變化不大,受日夜與天候的影響很小,能量取之不盡用之不竭。我國位處亞熱帶地區,終年溫暖,大氣熱能資源極為豐富,是間接擷取太陽能之最佳地點。

台大新能源中心自1997年起便投入熱泵研發,2000年在經濟部能源會的協助下,進一步結合廠商進行各種熱泵的開發,包括雙熱源型太陽能輔助熱泵熱水器、單熱源型家用熱泵熱水器、商用空氣對水熱泵與水對水熱泵等。

熱泵原理

每一個人都吹過冷氣,冷氣機主要是由壓縮機及一些熱交換器組成,其內充灌冷媒。冷氣機通電後從空氣中吸取熱量,使空氣降溫,便產生了冷氣。另外,冷氣機也會往外排出熱氣,由能量不滅原理來看,這些熱氣的能量將等於輸入冷氣機的電能,加上從冷氣房所吸取的熱量,而排出的熱氣能量會高於輸入電力的二到六倍。

從另一個角度來看,冷氣機也可以說是一種移熱裝置,把熱能從一個地方(冷氣房)移到另一個地方(大氣),當然這個移動熱能的作用需要借助電能才會發生。就好像家裡使用的水泵,通電後將水從一個地方(一樓自來水池)送到另一個地方(樓頂水塔)。只是冷氣機所搬動的是熱能,所以冷氣機的學名又稱為「熱泵」。

熱泵熱水器

如果將冷氣機往外排出的熱氣能量,排入水槽中,製成熱水供各種使用,就可以回收排放的熱氣,變成有用的資源,既可節省另外裝設製造熱水設備的投資與能源費用,又有利環保。因此,冷氣機除產生冷氣外,從製造熱水的功能來看,它也可以變成一部「熱泵熱水器」,冷氣與熱水通通有用。而在製造冷氣過程中,也會產生除溼作用,因此「熱泵熱水器」兼具熱水、冷氣、除濕的多重功能。

大氣取熱式熱泵熱水器

如將冷氣機設計成從大氣吸取熱能,其排出的熱能仍然導入水槽製成熱水,這就是「大氣取熱式熱泵熱水器」。「大氣取熱式熱泵熱水器」直接吸收大氣熱能,是太陽能應用的一種,可稱為「太陽能熱泵」。

實際上,輸入熱泵1kW電能,可以獲得2~4kW的熱能,而電熱水器輸入1kW電能,至多只能獲得1kW的熱能。因此從熱能收集應用的角度來看,熱泵就好像是一部能量放大器一樣。採用熱泵來取熱,可以節省電力約七成,如與瓦斯或燃油熱水器相較,熱泵熱水器仍可以節省約五成的能源耗費,如果熱源取自於冷房,更可節省冷氣耗電,因此熱泵是值得大力推廣的綠色環保設備。

台大新能源中心與國內業者合作開發了家用型的熱泵熱水器,可以置於陽台上,並自大氣中吸收熱能。儲水量為120公升(可以擴充),採用R134a壓縮機,電力260W,操作氣溫低於5℃,加熱性能係數(COP)為2.6(氣溫25℃),每公升的熱水耗電量0.015kWh/L,以一家四口每天使用120公升熱水計算,每月耗電54度,約需電費140元。

為提高產製熱水能力,同時提供冷房應用需求,台大新能源中心也協助廠商開發冷熱雙功能熱泵,耗電1kW,每小時可產製90公升熱水,另可提供2,500 kcal/hr的冷房冷氣。它也可以連接一擴充水槽,每天(以15小時計算)可產製1,500公升熱水,如用於宿舍或飯店餐廳、理容院等場所,冷氣與熱水同時供應,並可以節省鉅大能源消耗。

台大新能源中心亦協助廠商開發大型商用熱泵,製熱能力30kW,可提供300人的熱水用量,其COP高達3.87。如輔大宿舍熱泵系統運轉記錄,每公升熱水耗電為0.015kWh/L,如果熱水負載達設計量(55立方公尺/天)則耗電可降至0.010 kWh/L以下,與原採用之電熱水器(0.046 kWh/L)相較,節能效果相當驚人。

透過台大新能源中心結合業者之努力,已完工或正在規劃施工中的熱泵系統有花蓮慈濟醫院、關山醫院、成大醫院、新光醫院、慈濟新店醫院、奇美柳營分院、義大醫院等等,皆為學術結合產業的努力推廣成果。

太陽能輔助熱泵熱水器

自1997年起,台大新能源中心開始研發太陽能輔助熱泵熱水器(ISAHP)。ISAHP是一種雙熱源熱泵,為首創之太陽能應用設計,晴天時可以同時從大氣與太陽取熱,陰雨天與夜晚則全由大氣取熱,其運轉不受陰晴及日夜變化影響,不僅限裝置於屋頂,一般公寓低樓層陽台也可以安裝,使得太陽能的開發可以突破建築物的條件限制。

ISAHP採無風扇設計,壓縮機為唯一動件,機器可靠度大幅提高。ISAHP採整體式設計,主機與儲水槽製成一體,容易搬運與安裝。其COP值可達3.0,單位熱水之耗電為0.01~0.02 kWh/L,遠比電熱水器的耗電量低,甚至比一般太陽能熱水器之輔助電熱器還省能。

多功能的顯象未來

應用熱泵可以節省鉅量能源,如採多功能設計(熱水、冷氣、除濕),節省的能源將更為可觀,是值得大力推廣的綠色用品。然而國內一般社會大眾並不甚瞭解熱泵的觀念,因此許多人會花費數千元去購買電暖器,在冬天用昂貴的電能來取暖,而白白耗費許多能源。殊不知,只要在購買冷氣機時,多花些費用選購附暖氣功能之冷氣機,冬天也可以用來取暖,而且還可以比電暖器省電50%以上;例如,「大氣取熱式熱泵」就是太陽能應用的一種,既可突破太陽能熱水器受限建築結構之困境,又能不受夜晚及陰雨天候之影響,非常值得推廣使用。(本文作者為台灣大學機械系教授)

<圖說>圖1:熱泵原理圖


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