PDF《热泵技术的应用》

热泵技术的应用 黄秉钧 主持人 台湾大学 新能源中心 壹、热泵原理 相信每一个人在夏天都吹过冷气 , 那冷气又是怎麽产生的呢? 冷气机主要是由 压缩机及一些热交换器组成,其内充灌冷媒,如图

1 所示.

冷气机通电后会从空 气吸取热量(在蒸发器中利用冷媒蒸发吸热的原理),使空气降温,这便产生了冷 气.冷气机也会往外面排出热气(在冷凝器中利用冷媒冷凝释热原理),由能量不灭 原理,这些热气的能量(QH)会等於输入冷媒蒸气压缩机的电能(We)加上从冷气房所 吸取的热量(QL),即QH=QL+We. 冷气机 图1冷气机可以说是一部「移热装置」 ,把热能从一个地方 (冷气房)移到另一个地方(大气) 从另一个角度来看,冷气机也可以说是一部移热装置,把热能从一个地方(冷 气房)移到另一个地方(大气),当然这个移动热能的作用需要借助电能才会发生(见图1说明).就好像是我们家里所用的水泵,一通电后,会将水从一个地方(一楼自 来水池)送到另一个地方(楼顶水塔)一样.只是冷气机所搬动的是热能而已,所以 冷气机的学名又称为「热泵」-利用压缩机的热力循环原理来产生移动热能的作

1 用. 冷气机在制造冷气的过程中,往外面排出的热气能量(QH)会高於输入电力(We) 的好几倍(约三到六倍),因此也就造成环境污染,这就好像「把自己的舒适建立在 路人的痛苦上」一样. 贰、热泵热水器 如果将冷气机制造冷气过程中,往外面排出的热能(QH),排入一个水槽中, 制成热水供使用,这样就可回收原本要排放到屋外的热气,变成有用的资源.可 节省另外制造热水的设备投资与能源费用.因此,冷气机除产生冷气外,从制造 热水的功能来看,它也可变成一部「热泵热水器」(图2),冷气与热水通通有用. 而在制造冷气过程中,也会产生除湿作用,因此「热泵热水器」兼具热水、冷气、 除湿的多重功能,是典型的绿色环保器具. 图2「热泵热水器」兼具热水、冷气、除湿的多重功能,是 典型的绿色器具 参、大气取热式热泵热水器(太阳能热泵) 在天气凉爽,屋内不用冷气时,冷气机也可以设计成从大气吸取热能,排出 的热气能量(QH),仍然导入水槽中,制成热水,这就是「大气取热式热泵热水器」

2 (图3).那大气的热能又从哪儿来呢? 这很简单,地球上的大气层时时在吸收太阳 能,取之不尽用之不竭.所以这种「大气取热式热泵热水器」是太阳能应用的一 种,称为「太阳能热泵」也可以. 有些人可能使用过冷暖气机(附暖气功能的冷气机),它是从大气吸取热能,然 后排入屋内取暖,这是大气取热式热泵的一种.排入室内的暖气能量(QH),约为输 入电能(We)的二到三倍左右,也就是说输入 1kW 电能,可以获得 2kW 到3kW 的 暖房能力! 而市面上畅销的电暖炉,输入 1kW 电能,顶多也只能获得 1kW 的暖房 能力.因此,采用热泵来取暖,可以节省电力约五到七成,是值得大力推广的绿 色环保器具.一样的道理,热泵热水器也可以节省电力约五到七成,如表

1 所列. 太阳能被大气层吸收,热泵再吸 收大气热能,将它搬移到热水槽 中,这就是 太阳能?大气层? ?热水槽 「太阳能热泵」 热泵 能源设备种类 (效率) 热量需求 单位能源之加热量 耗能 能源单价 费用 电热水器(0.9) 37,000 仟卡 ÷

731 仟卡/度=50.6 度*2.6 元/度=132 元 液化瓦斯热水器 (0.75) 37,000 仟卡 ÷ 9,000 仟卡/公斤 = 4.11 公斤 *

25 元/公斤 =

103 元 柴油锅炉(0.75) 37,000 仟卡 ÷ 6,612 仟卡/公升 = 5.60 公升 *

11 元/公升 = 61.6 元 天然瓦斯热水器 (0.75) 37,000 仟卡 ÷ 6,707 仟卡/度=5.52 度*12.8 元/度=70.7 元 热泵热水器(COP 2.6) 37,000 仟卡 ÷ 2,236 仟卡/度=16.55 度*2.6 元/度=43 元 热泵热水器(COP 3.0) 37,000 仟卡 ÷ 2,580 仟卡/度=14.34 度*2.6 元/度=37 元 热泵热水器(COP3.6) 37,000 仟卡 ÷ 3,096 仟卡/度=11.95 度*2.6 元/度=31 元图3「大气取热式热泵热水器」 (「太阳能热泵」) 表

1、各种能源设备燃料费用 (以1,000 公升冷水由 21o C 加热至 58?C 需热量 37,000 仟卡为例)

3 肆、小型热泵热水器应用例 台大新能源中心与国内一家业者合作开发了一台家用型的热泵热水器(如图 4),可以置於室外,自大气中吸收热能.此台热泵热水器储水量为

120 公升,使用 电力 260W (AC110V),其性能测试结果如图 5,COP 可达 2.6 以上(气温 25o C),每 公升热水耗电量为 0.015 kWh/L,比起电热水器(>

0.05 kWh/L)省电约六成.此台热 泵热水器(NC120)可外加一至二个

120 公升扩充水槽,使总容量达

360 公升,每天 可供应约八人的洗澡用水,每月耗电约

200 度(约500 元电费),是极为省能、环保、 又安全的产品.此台热泵热水器如采用多台并联方式,供应宿舍用水,还可节省 锅炉操作人员的费用(约30 万元/年),经济效益很高,如表 2. 图4小型热泵热水器(NC120)

4 NC120-8M-280G Performance Test

0 0.5

1 1.5

2 2.5

3 0

5 10

15 20

25 30

35 40 Ta, o C COP 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 单位热水 (57oC) 耗电 , kWh/L NC120-8M-410G 水温设定 57o C 图5NC120 热泵热水器性能测试结果 表2NC120 热泵热水器之效益

100 人用水量 5,000 L/day (55o C) NC120 热泵

14 台 电费

43 元/吨35 吨/天330 天/月= 6,450 元/月 (表一) 省能 相较於电热水器: (132-43)元/吨35 吨/天330 天/月= 13,350 元/月(160,200 元/年) 相较於液化瓦斯热水器: (103-43)元/吨35 吨/天330 天/月= 9,000 元/月(108,000 元/年) 相较於柴油锅炉热水器: (62-43)元/吨35 吨/天330 天/月= 2,850 元/月( 34,200 元/年) 相较於天然瓦斯热水器: (71-43)元/吨35 吨/天330 天/月= 4,200 元/月( 50,400 元/年) 热泵系统装置成本50 万元 (含扩充槽) 伍、冷热双功能热泵热水器应用例 台大新能源中心协助国内一家业者开发了一台小型冷热双功能热泵热水器(如图6),主机置於室外,可以自大气或冷房中吸收热能产生热水,其附有自动切换 装置, 不受冷气负载变化之影响. 此台热泵热水器(HP-1000AC)储水量为

100 公升, 使用电力 1000W (AC220V),其稳态性能测试结果如图 7,COP 可达 3.0 以上(气温 25o C),每小时可以供应温升 30o C 的热水

90 公升,每公升热水耗电量为 0.012kWh/L,冷气量为 3kW.

5 图6冷热双功能热泵热水 HP-1000AC 回复率 @进水温23o C

0 50

100 150

200 250

300 0

5 10

15 20

25 30

35 40

45 50 入出水温升, o C 水流量, L/hr 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 COPh 2002.10.20-10.22 Ta=22o C Ta=22o C Ta=26o C 气温Ta=26o C 室内机 OFF 图七 HP-1000AC 热泵热水器性能 此台热泵热水器(HP-1000AC)可外加一个 1,500 公升扩充槽,每天运转

15 小时,可供应约

30 人的洗澡用水,每月耗电

540 度(约1,400 元电费),是极为省能、 环保、又安全的产品.此台热泵热水器供应宿舍用水,还可节省锅炉操作人员的 费用(约30 万元/年),又可使用冷气,经济效益很高,如表 2.

6 表2HP-1000AC 冷热双功能热泵热水器之效益

100 人用水量 5,000 L/day (55o C) HP-1000AC 热泵

3 台 电费

37 元/吨35 吨/天330 天/月= 5,500 元/月 (表一) 省能 相较於电热水器: (132-37)元/吨35 吨/天330 天/月= 14,250 元/月(171,000 元/年) 相较於液化瓦斯热水器: (103-37)元/吨35 吨/天330 天/月= 9,900 元/月(118,800 元/年) 相较於柴油锅炉热水器: (62-37)元/吨35 吨/天330 天/月= 3,750 元/月( 45,000 元/年) 相较於天然瓦斯热水器: (71-37)元/吨35 吨/天330 天/月= 5,100 元/月( 61,200 元/年) 冷气机

3 台操作电费 : 1.2kW/台33 台315 小时/天330 天/月= 4,200 元/月 热泵系统装置成本

30 万元 (含扩充槽) 节省

3 台冷气机装设成本

6 万元 陆、大型空气对水热泵热水器应用例 台大新能源中心也协助国内另一家业者开发了一台空气对水热泵热水器(如图 8).此台热泵热水器(AW-90V),使用电力 8kW (AC380V),制热能力 30kW,其性 能测试结果如图 9,COP 可达 3.87(气温 25o C),每小时可以供应温升 40o C 的热水 约600 公升,每公升热水耗电量为 0.01kWh/L.即使在寒流天气(气温 10o C),COP 也可达 2.69,每小时可以供应温升 40o C 的热水约

380 公升. 图

8、空气对水热泵热水器(AW-90V)

7 初始水温 25o C 2.28 2.69 2.58 3.16 3.87 3.63

0 0.5

1 1.5

2 2.5

3 3.5

4 4.5

0 20

40 60

80 100

120 140 水流量, L/min COP Ta= 10°C Ta= 25°C AW-90V 图

9、空气对水热泵热水器(AW-90V)测试结果 此台热泵热水器(AW-90V)可外加一个 9,000 公升扩充槽,每天运转

15 小时, 可供应约

300 人的洗澡用水,每月耗电约 2,700 度(约7,000 元电费),是极为省能、 环保、又安全的产品.此台热泵热水器供应宿舍用水,还可节省锅炉操作人员的 费用(约30 万元/年),经济效益很高,如表 3. 表3AW-90V 热泵之效益

300 人用水量 9,000 L/day (60o C) AW-90V 热泵

1 台 电费

31 元/吨39 吨/天330 天/月= 8,370 元/月 (表一) 省能 相较於电热水器: (132-31)元/吨39 吨/天330 天/月= 27,270 元/月(327,240 元/年) 相较於液化瓦斯热水器: (103-31)元/吨39 吨/天330 天/月= 19,440 元/月(233,280 元/年) 相较於柴油锅炉热水器: (62-31)元/吨39 吨/天330 天/月= 8,370 元/月( 100,440 元/年) 相较於天然瓦斯热水器: (71-31)元/吨39 吨/天330 天/月= 10,800 元/月(129,600 元/年) 热泵系统装置成本 60-80 万元 (含扩充槽)

8 初始水温

25 o C

362 627

379 363

586 591

0 100

200 300

400 500

600 700

0 20

40 60

80 100

120 140 水流量, L/min 回复率, L/h Ta=

10 o C (80-85%RH) Ta=

25 o C (53-63%RH) AW-90V 图

10、空气对水热泵热水器(AW-90V)测试结果 柒、热泵现场应用成功例

一、家用型热泵(NC120) 热泵应用於住家除可省能外,并可提供安全舒适的居家环境,不必担心瓦 斯的危险,因此将逐渐被民众所接受.为证明家用型热泵的性能,台大新能源 中心特在台北市安装一台,进行实地使用测试.此台热泵热水器储水量为

240 公升(120 公升主机另加一

120 公升扩........