2003/08/05
經濟部能源局
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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