第二章 熱泵系統及其發展現況
2.1 熱泵系統概述
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第二章 熱泵系統及其發展現況
本章節之主要內容在探討熱泵系統特色及運作原理，簡述世界先進國家應 用熱泵系統概況及各國獎勵推廣政策。第一節首先說明熱泵系統工作原理、機組 之特性以及熱泵系統的效率評鑑指標。第二節概述世界主要熱泵市場與各國熱泵 系統應用之現況。第三節討論世界先進國家財務面、制度面熱泵推廣政策及其施 行成效。
2.1 熱泵系統概述
熱泵(heat pump)為一種「移動」熱量的機械裝置，主要由壓縮機、蒸發器、
冷凝器、膨脹閥、冷媒管路以及熱交換器等零件所組成。透過壓縮機的熱力循環 原理【朗肯循環2】(黃秉鈞，2007)讓熱量在兩個由冷媒管路連接的熱交換器間 移動，使其能夠回收周遭環境的廢熱，轉而做為熱源供給暖氣、熱水等設備使用，
在系統進行逆向循環時則可移出室內多餘的熱量，作為空調之用。目前市面上的 熱泵產品居多以電能驅動，因為熱泵之工作原理為回收熱能而非產生熱量，相較 於傳統電熱器消耗一度電能最多只能產生一度電的熱能，熱泵在一般環境條件下 (氣溫 25℃)輸入一度電能來驅動，可以回收三度電以上的熱能供作使用。因此 相較於傳統的電熱器，改用熱泵系統進行供熱可節約五成到七成的電力(綠基會，
2006)。若是替代燃燒化石燃料等傳統加熱設備則能有效降低溫室氣體的排放。
使用熱泵系統不僅具有節約能源的效果，同時也能節省用戶龐大的能源費用支 出。
2 朗肯循環(Rankine cycle)由四個組件構成：壓縮機、冷凝器、蒸發器與膨脹閥，連接管路中 充滿冷媒，冷媒蒸氣受壓縮機壓縮產生高溫高壓蒸氣，流入冷凝器因排熱而凝結成冷凝液，經一 膨脹閥流入蒸發器內蒸發成蒸氣而產生吸熱效應(冷氣效果)，蒸氣再被壓縮機吸入繼續進行壓縮，
構成一循環迴路。熱泵的移熱原理即是透過，熱能在蒸發器處被吸收，然後在冷凝器處被排出並 進行收集與利用，構成一個熱的移動過程。
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數」(Coefficient of performance, COP)來說明，它代表熱泵運作時輸出能量 與輸入能量的比值。下列公式可簡單表示能效係數的運算：‧ 國
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COPc與 COPh分別表示熱泵在製冷以及製熱的能效係數，COPc=3 表示輸入一度 電能給予熱泵運作能從處熱源抽取相當三度電的熱能，COPh=3 則表示輸入一度電 能提供三度電的熱能來使用。對於同一機組熱泵的 COP 值並非維持固定，它依據 工作環境條件的改變而有所增減。以下根據熱泵的取熱來源為熱泵形式作一簡單 的分類說明：
空氣源熱泵(Air-source heat pump, ASHP)
空氣源熱泵是以空氣中所蘊含之熱量為取熱的來源，它在冷凍空調的領被廣 泛的使用，如冷氣機(將室內之熱能移到室外)、冰箱(將冰箱內的熱能移出箱外) 等等。由於 ASHP 空氣取熱的特性，使其工作效率容易受大氣溫、濕度的影響，
在氣溫 35℃以上的環境運作時 COP 值可以高達 4~5，但在接近攝氏零度的低溫地 區工作時 COP 值只能達到 1~1.5，低溫運作的不利條件使得空氣源熱泵在高緯度 國家的使用受到限制，熱泵機組必頇附加抗凍、除霜等輔助設備。但另一方面空 氣源熱泵也擁有體積小、成本低的優點。即使是生活在公寓中的住家，只要空氣 流通的陽台空間即可安裝，因此在亞熱帶氣候溫暖、人口較為密集的國家受到歡 迎。日本在 2001 年即推出 eco-cute 系列採用 CO2冷媒的空氣源熱泵熱水器，該 產品的高效率、環保等優點受到日本政府的大力提倡，從 2002 年即導入補助金 制度大力推廣，至 2009 年全日本 eco-Cute 的累積銷售量達到 200 萬台以上，足 見該產品在日本受歡迎之程度。下圖 2.2 為分離式的空氣源熱泵的結構簡圖並說 明空氣源熱泵運作方式。
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資料來源：http://www.energysavers.gov/your_home/space_heating_cooling/index.cfm/mytopic=12620
圖 2.2 空氣源熱泵機組結構與運作方式
資料來源：STIEBEL ELTRON-Going Green: Water and Heat
圖 2.3 空氣源熱泵建築安裝示意
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地源熱泵(Ground-source heat pump, GSHP)
地源熱泵(GSHP)通常也稱作地熱源熱泵 Geothermal heat pump，它主要是 從用戶建築附近的「地層」或是「臨近水體」作為取熱的來源。此處所指的地熱 並非一般所理解的溫泉、火山等高溫的地熱源，而是指蘊藏在地表以下，地層所 含有的熱能。在地表下(一般指 4 英呎以下)的地層依地球緯度的高低，溫度大約 在攝氏 7℃~21℃之間。相較於大氣溫度季節變化劇烈，地層因為有土壤的阻隔 而可以維持相當穩定的恆溫。在冬天地層溫度比地表大氣高，可以做為極佳的取 熱來源，在夏天地層溫度相對較低，就成為提供冷房的優良資源。GSHP 機組根 據不同的管線埋設方式，可再細分為四類：垂直埋管(Vertical Ground Heat Exchanger)、水帄埋管(Horizontal Ground Heat Exchanger)、開放式地下水源 (Groundwater Heat Pumps)及封閉式地表水源(Surface Water Heat Pumps)。下 圖 2.4 表示各種 GSHP 管線的埋設方式。
垂直埋管適用於熱能需求較大的建築如旅館、商辦等，管線埋設的深度可達 100~400 英呎(約 30~120 公尺)透過垂直管線得以在相同土地面積下交換更多的 熱能使用。水帄埋管適用於一般住家，埋設的深度在地面下 1~2 公尺，工程較簡 單成本也較低，但是對於熱能需求大的住家則需要較大的土地面積提供管線埋設 之用。地下水源與地表水源則需有特殊的地理及地質條件才可裝設，特別是開放 式地下水源，是透過抽取地下水取熱再將水排出，操作上需要符合當地地下水體 使用的規範。
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資料來源：http://www.energysavers.gov/your_home/space_heating_cooling/index.cfm/mytopic=12650
圖 2.4 各種類 GSHP 管線埋設方式示意
地源熱泵具有穩定的效率表現以及能克服在零度以下低溫工作的不利條件 等優點，在高緯度國家 GSHP 是相當受到注目的節能產品。在瑞典單一家庭的住 宅中，有高達 46%採用熱泵作為供熱系統，其中又有 39%的家庭選擇安裝地源熱 泵(EHPA，2009)。根據美國 EPA(U.S. Environmental Protection Agency)的估 計，GSHP 相較於 ASHP 可以額外再節省最多 44%的電量消費，對於有大規模供熱 需求的建築(如學校、醫院、辦公大樓等)相當具有經濟效益。但是高額的設備成 本(約 ASHP 的 4~10 倍)以及需要較大的土地面積用於管線鋪設是 GSHP 難以普及 的主因。
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