熱泵:變頻節能新科技

文/張裕成 和泰興業股份有限公司技術總監

從京都議定書簽訂以來,二氧化碳等溫室氣體排放的減量與管制開始受到世界各國以及各大企業所重視。面對全球暖化的問題越來越嚴重,在所居住的住宅進行節能和減少碳排放也變得急迫而且重要。特別是在同時需要空調設備與熱水需求的領域,例如:醫院、旅館、學校、溫水游泳池、安養院及住家等,而在各類建築物中,空調系統耗電大約佔總耗電的40~50%,如圖1所示。

圖1 建築物分類大用戶之電能設備分布統計圖
圖1 建築物分類大用戶之電能設備分布統計圖
圖2 熱移動過程示意圖
圖2 熱移動過程示意圖
而熱水供應來源主要來自於瓦斯和油等礦石化燃料進行燃燒或供電驅動。為了配合國際節能減碳趨勢,以及降低全球溫室效應氣體排放量之環境壓力下,應該選擇高能源效率而且又環保的空調與製造熱水設備。
冷氣機可以在室內製造冷空氣,也會往室外排出熱空氣,由於能量不滅原理,排出的熱空氣能量會等於輸入冷氣機的電能(We)加上從室內所吸取的熱量, 即QH=QL+We。冷氣機可以說是一個移熱裝置,把熱從室內(冷氣房)移到室外(大氣),而這個移動熱能動作需要插電(電能)才會發生(如圖2)。就好像是家中所使用的水泵(如圖3),通電後,將水從一個地方(低樓層)送到另一個地方(頂樓水塔),水泵是移動水的裝置。只是冷氣機所移動的是看不見的熱能而已,對人體而言,只能感受到室內由溫度高變為舒適溫度。冷氣機的學名又稱為「熱泵」(如圖4),熱泵是移動熱的裝置,利用輸入的電能使壓縮機動作產生移動熱能的作用。熱泵在移出熱能的過程中,最後被排出並收集應用的熱能會高於輸入電能(We)的好幾倍(約三到六倍),因此,可以達到節約能源的目的。除此之外,空調系統中「變頻」也是另一項節能技術,使得原先的定頻空調有了很大的改善。由於變頻技術的加入,從圖5可以很明顯的看到室內可以維持在一個穩定而且舒適的環境,而不是忽冷忽熱。也因為定頻技術在室內達到設定溫度即停機,等室內溫度上升後再啟動,開開關關的瞬間啟動電流加大耗電量,變頻技術則維持在穩定的運轉,更凸顯了節能效力,也提供使用者一個理想的使用空間。就像是騎腳踏車,定頻停下來後要再出發,一開始都需要用力踩踏板;變頻一直都是以平穩的速度往前騎,一樣的時間,相較之下,走走停停的定頻,花費的力氣就比較多。熱泵系統主要利用內含物「冷媒」,它能夠將熱源從室內移除,產生吸熱效應(冷氣效果)。冷媒形式大致可分為碳氟化合物與自然冷媒,前者易造成臭氧層破壞,造成溫室效應。如果考慮到保護環境則採用自然冷媒CO2,其原因為:臭氧層破壞係數=0(其值越低越好)、地球溫暖化係數=1(其值越低越好)、燃點低。
圖3 水泵示意圖 圖4 熱泵示意圖
圖3 水泵示意圖 圖4 熱泵示意圖
圖5 變頻技術之優勢
圖5 變頻技術之優勢

製造熱水方式大致可分為:燃料以及電熱為加熱方式,但是燃燒過程容易產生大量CO2、SO2、NOx以及粉塵等有害物,嚴重污染空氣品質,對人類的身體健康造成了危害。然而儘管電加熱過程不會直接造成環境污染,但使用效率不高,輸入1kW的電能,大約只能產生1kW之熱能,例如電湯匙。熱泵系統與電熱加熱方式一樣不需要經過燃燒產生熱源,不會直接造成環境污染,加上效率為電加熱的三到六倍。採用熱泵做為熱水加熱的熱源設備(如圖6),具有無污染、高安全性、及高能源效率等特性。因此,廣泛被用來作為產生熱水的高效能產品。依熱源取得之不同,可分成地熱源熱泵熱水器、水源熱泵熱水器、空氣圖6 熱泵熱水系統示意圖圖7 空氣源熱泵系統示意圖源熱泵熱水器三種,簡單介紹如下:
1.地熱源熱泵熱水器:運用地球蘊藏無限的地熱能源,如溫泉區。
2.水源熱泵熱水器:從河水、地下水、工業廢熱水或空調系統的回水或冷卻廢水取得熱能。
3.空氣源熱泵熱水器:於環境中吸取熱能,如太陽、廢熱、空調排出的熱氣。(如圖7)同時需要空調與熱水的場所,不只有醫院、游泳池、飯店等公共場合,甚至是一般住宅,若能使用空氣源熱泵系統,不僅可以同時在室內產生冷氣,更能收集冷氣產生之廢熱藉以製造熱水(如圖8),搭配熱泵的高效率,可以節省電力約五到七成,更能達到節能減碳之效果。因此,熱泵作為同時供應空調與熱水需求之場合,是值得大力推廣的綠色環保產品。

圖6 熱泵熱水系統示意圖 圖7 空氣源熱泵系統示意圖
圖6 熱泵熱水系統示意圖 圖7 空氣源熱泵系統示意圖
參考文獻
[ 1 ] 台灣經濟部能源局,”2008年非製造業能源查核年 報”,台灣綠色生產力基金會,2008。
[ 2 ] 台灣經濟部能源局,”熱泵熱水系統Q&A節能技術手 冊”,台灣綠色生產力基金會節約能源中心。
[ 3] 鄭維嶽,”日本使用 CO2 冷媒的住宅用熱泵熱水器的 現況和展望”,工研院能環所,2007。