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熱泵熱水器——利用熱泵吸收來自太陽的大氣熱能

2006/05/05 經濟部能源局 點閱人次: 856

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█撰文:黃秉鈞

地球外表的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,而我國位處亞熱帶地區,終年暖和,大氣熱能資源極為豐富,是間接擷取太陽能之最佳地點。熱泵的應用可以節省鉅量能源,使用上不受日夜與天候的影響,並採多功能設計,可以做為熱水、冷氣、除濕功能,節省的能源更為可觀,是值得大力推廣的綠色產品。

太陽能熱水器是直接吸收太陽輻射能,會受天候影響,陰雨天必須用電熱器來加熱。在北部地區,陰雨較多,使得太陽能熱水器普及程度遠比中南部為低。因此,開發一種不分陰晴晝夜可以間接吸收太陽能的熱水器,是非常需要的,熱泵熱水器因而誕生。

利用熱泵原理可以擷取大氣熱能

熱泵熱水器原理與冷氣機相同,只是將冷氣機製造冷氣過程中,往外面排出的熱氣能量,排入一個水槽中,製成熱水,可回收原本要排放的熱氣,變成有用的資源。而在製造冷氣過程中,也會產生除濕作用,因此熱泵熱水器具一機三用(熱水、冷氣、除濕)功能。冷氣機如設計成放置在室外,從大氣中吸取熱能,排出的熱量,仍然導入水槽中製成熱水,這就是「大氣取熱式熱泵熱水器」。而大氣熱能來自地球上的大氣層,時時在吸收太陽能,取之不盡用之不竭,所以「大氣取熱式熱泵熱水器」也是太陽能應用的一種。

有些人可能使用過冷暖氣機(附暖氣功能的冷氣機),它是從大氣吸取熱能,然後排入屋內取暖,這是大氣取熱式熱泵的一種。排入室內的暖氣能量,約為輸入電能的2~3倍左右,也就是說輸入1kW電能,可以獲得2~3kW的暖房能力,而市面上暢銷的電暖爐,輸入1kW電能,頂多也只能獲得1kW的暖房能力。因此,採用熱泵來取暖,可以節省電力約5至7成,是值得大力推廣的綠色環保器具。一樣的道理,熱泵熱水器也可以節省電力約5至7成。

熱泵熱水器之研究開發

台大新能源中心數年前開發了1台家用型熱泵熱水器,可以置於室外,自大氣擷取熱能。此台熱泵熱水器儲水量為120公升,可以擴充。主機消耗電力260W(AC110V),每台可以擴充3至4個擴充槽,合計總儲水量最高可達480公升。壓縮機係採一般除濕機用之機型(R134a),耗電量低(平均耗電258W)。另外,熱泵運轉時間與氣溫有關,在25℃時需6小時(1台主機120公升)。如外加2台擴充槽時(合計360公升)需18小時,然因運轉時間拉長,使得除濕能力可以達到每天6~8公升左右,相當於1台除濕機,且這是附帶效益。

此熱泵熱水器的性能測試結果,在氣溫25℃時,COP(熱水吸熱量╱耗電量)可達2.6,與電熱水器比較相當於可減少約65%耗電量(假設電熱水器效率90%)。與瓦斯熱水器比較時,將耗能全轉換成初級能源,較易得知能源節約效果。COP為2.6,表示每輸入1kW電能,熱水可以獲得2.6kW之加熱量。

以瓦斯熱水器而言,熱水欲獲得2.6kW之加熱量,瓦斯之燃燒熱為3.25kW(假設能源效率80%),而發電1kW時發電廠必須燃燒能源2.8kW(台電電網發電效率0.36),因此,熱泵熱水器比瓦斯或燃油式熱水器可以節省16%的初級能源。也就是說,使用熱泵熱水器確實可以節約許多能源,尤其是與電熱器相較(省65%)。如果熱泵熱水器的COP可以提高至3.0以上(較大型機組),則可以比瓦斯熱水器節省25%以上的能源。

熱泵熱水器之長期使用範例

為實地瞭解熱泵熱水器的長期運轉性能,筆者在自家安裝一套進行實際試用。此熱泵熱水器採1主機另加1擴充槽,合計儲水量為240公升,使用電力260W(AC110V),裝設在台北市區,主要為1家4口之沐浴與洗滌用水。此套熱水器已連續使用超過5年,經記錄用水用電量,顯示每公升熱水(55℃)之耗電量平均為0.02kWh╱公升。而另1台太陽能熱水器(採150公升太陽能熱水器另串聯1台150公升電熱水器)的實際使用記錄(在台北市區)為每公升熱水耗電0.046kWh,證明熱泵熱水器更為省能(達30%)。如與一般電熱水器相比(0.061kWh╱公升),省電更達一半左右。

台大新能源中心在經濟部能源局的支持下,現正開發太陽能輔助熱泵熱水器,這是結合熱泵熱水器與太陽能集熱器的新產品,可以使單位熱水耗電量更小(<0.02kWh╱公升),遠低於傳統太陽能熱水器(含輔助電熱器)。

研發適合國人使用之熱泵熱水器

歐美日等先進國家早在20年前便已開始推廣使用熱泵,然而這些國家大多位於寒帶地區,大氣熱能資源並不豐富,因此普及率並不高。只有少數地區如夏威夷、佛羅里達州等,由於地理環境優越(濕、熱),熱泵使用非常普遍,夏威夷觀光飯店大多(約8成)採用熱泵來供應熱水(大型熱泵系統),電力公司甚至補助用戶購置。國內也有數家廠商自國外引進大型熱泵系統,主要用於溫水游泳池、飯店、宿舍、餐廳等處所,使用者大多非常滿意(省能、安全、乾淨、自動化操作)。

惟因熱泵之觀念較新,一般人較不易瞭解,因此國內尚未能普及。本文特別介紹家用型的熱泵熱水器的開發,主要有鑑於國外類似產品在國內會有「水土不服」的技術問題,必須針對我國特殊地理環境、人民生活習性、建築特性等,開發出適合我國使用之產品,才能推廣應用。(作者為台大機械系教授暨新能源中心主持人)


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