3.2.1 溫差發電系統
針對以有機朗肯循環做為深層海水與溫泉水溫差發電系統之基礎，除了 輸水管線迴路配合多目標利用之設計外，主要密閉循環運作的核心分別為：
通稱冷媒的有機工作流體(Organic Working Fluid)、耦合發電機的渦輪膨脹器 (Turbine) 、 工 作 流 體 循 環 進 給 泵 浦 (Feed Pump) ， 以 及 一 組 包 含 冷 凝 器 (Condenser)與蒸發器(Evaporator)的熱交換器(Heat Exchanger)。
圖 3.15、利用深層海水及溫泉水之封閉式溫差動力
圖 3.16、整合異種資源驅動有機朗肯循環之 T-S 圖示
如圖 3.15 所示為有機朗肯循環的動力原理圖，其中 1, 2, 3, 4 及 5 表示五
𝑊̇𝑖𝑖 = q0+ 𝑚̇𝑊𝑊∙ ν1(𝑃2− 𝑃1) = 𝑚̇𝑊𝑊(ℎ2 − ℎ1) (3.1)
Pnet：淨發電功率，kw
PTG：渦輪發電機產生的發電功率，kw
PWF：驅動工作流體循環泵浦所消耗的電功率，kw PDS：抽取深層海水泵浦所消耗的電功率，kw PHS：抽取溫泉水泵浦所消耗的電功率，kw Step 2：系統運作與水資源汲取功耗
𝑃𝑇𝐺 = 𝑚̇𝑊𝑊𝜂𝑇𝜂𝐺(ℎ4− ℎ5) (3.7) 𝜂𝑇：渦輪機運作效率
𝜂𝐺：發電機運作效率
𝑃𝑊𝑊= 𝑚̇𝑊𝑊(∆𝑃𝑊𝑊𝜂 +𝑃𝑃(𝑊𝑊))g
𝑊𝑊 (3.8)
𝜂𝑊𝑊：工作流體泵浦的運作效率 g：重力加速度，9.80665 m / s2
∆𝑃𝑊𝑊：工作流體在蒸發器與冷凝器之間的飽和壓力差，m
𝑃𝑃(𝑊𝑊)：工作流體在管道間的壓損，m
𝑃𝐷𝐷 =𝑚̇𝐷𝐷(𝑃𝑃(𝐷𝐷)𝜂 +∆𝑃𝑐𝑜𝑛𝑛)g
𝐷𝐷 (3.9)
𝜂𝐷𝐷：深層海水泵浦的運作效率 𝑚̇𝐷𝐷：深層海水的質量流率，kg/s
𝑃𝑃(𝐷𝐷)：深層海水在管道間的壓損，m
∆𝑃𝑐𝑜𝑖𝑐：深層海水在冷凝器入出口的壓力差，m
𝑃𝐻𝐷= 𝑚̇𝐻𝐷(𝑃𝑃(𝐻𝐷)𝜂 +∆𝑃𝑒𝑒𝑒)g
𝐻𝐷 (3.10)
𝜂𝐻𝐷：溫泉水泵浦的運作效率 𝑚̇𝐻𝐷：溫泉水的質量流率，kg/s
𝑃𝑃(𝐻𝐷)：溫泉水在管道間的壓損，m
∆𝑃𝑒𝑒𝑒：溫泉水在蒸發器入出口的壓力差，m
(3)系統熱傳量：
Step 1：水資源溫差所帶來之熱傳量
𝑄̇𝐶 = 𝑄̇𝑜𝑜𝑜 = 𝑚̇𝐷𝐷𝐶𝑝(𝐷𝐷)(𝑇𝐷𝐷𝑂 − 𝑇𝐷𝐷𝑆) (3.11) 𝑄̇𝐸 = 𝑄̇𝑖𝑖= 𝑚̇𝐻𝐷𝐶𝑝(𝐻𝐷)(𝑇𝐻𝐷𝑆− 𝑇𝐻𝐷𝑂) (3.12) 𝑄̇𝐶：工作流體在冷凝器獲得深層海水所帶來之熱傳率，kJ/s 𝑄̇𝐸：工作流體在蒸發器獲得溫泉水所帶來之熱傳率，kJ/s 𝐶𝑝(𝐷𝐷)：深層海水的比熱值，kJ/kg·K
𝐶𝑝(𝐻𝐷)：溫泉水的比熱值，kJ/kg·K TDSI：深層海水入口溫度，K TDSO：深層海水出口溫度，K THSI：溫泉水入口溫度，K THSO：溫泉水出口溫度，K Step 2：熱交換器之熱傳遞面積
𝐴𝐶𝑜𝑖𝑐 =𝑚̇𝐷𝐷𝐶𝑈𝑝(𝐷𝐷)(𝑇𝐷𝐷𝐷−𝑇𝐷𝐷𝐷)
𝐶Δ𝑇𝑚(𝑐𝑜𝑛𝑛) (3.13)
𝐴𝐸𝑒𝑒 = 𝑚̇𝐻𝐷𝐶𝑝(𝐻𝐷)𝑈 (𝑇𝐻𝐷𝐷−𝑇𝐻𝐷𝐷)
𝐸Δ𝑇𝑚(𝑒𝑒𝑒) (3.14)
𝐴𝐶𝑜𝑖𝑐：冷凝器之熱傳遞面積，m2 𝐴𝐸𝑒𝑒：蒸發器之熱傳遞面積，m2
U𝐶 = 𝑘𝑥𝐶 (3.15) U𝐸 =𝑘𝑥𝐸 (3.16)
𝑈𝐶：冷凝器的總體熱傳遞係數，W/m2K 𝑈𝐸：蒸發器的總體熱傳遞係數，W/m2K
Δ𝑇𝑚(𝑐𝑜𝑖𝑐) = ln[(𝑇(𝑇𝐶−𝑇𝐷𝐷𝐷)−(𝑇𝐶−𝑇𝐷𝐷𝐷)
𝐶−𝑇𝐷𝐷𝐷)/(𝑇𝐶−𝑇𝐷𝐷𝐷)] (3.17) Δ𝑇𝑚(𝑒𝑒𝑒) =ln[(𝑇(𝑇𝐻𝐷𝐷−𝑇𝐸)−(𝑇𝐻𝐷𝐷−𝑇𝐸)
𝐻𝐷𝐷−𝑇𝐸)/(𝑇𝐻𝐷𝐷−𝑇𝐸)] (3.18)
Δ𝑇𝑚(𝑐𝑜𝑖𝑐)：冷凝器的對數平均溫度差
(Logarithmic Mean Temperature Difference, LMTD)
Δ𝑇𝑚(𝑒𝑒𝑒)：蒸發器的對數平均溫度差
3.2.2 海水空調系統
針對以深層海水做為建築室內空調輔助節能之系統基礎，除了保留建築 既有的空調冰水機組之系統迴路外，另外增加深層海水回收冷能之迴路，並 配合後端多目標利用的設計。深層海水密閉迴路的運作核心分別為：第一階 段吸收室內排熱的熱交換器，稱為「空調排熱器」；第二階段冷卻空調冰水機 組的熱交換器，稱為「主機冷卻器」。
圖 3.17、回收深層海水冷能以輔助空調節能之分段利用
圖 3.18、熱交換器之熱傳過程示意圖
①
③ ② ④
如圖 3.17 所示為海水空調之工作原理圖，其中 1, 2, 3 及 4，表示四個工
𝐴𝐻𝐸：空調排熱器總面積，m2
𝐴𝐶𝑇 =𝑉̇𝐷𝑊ρ𝐷𝑊𝐶𝑝(𝐷𝑊)𝑄̇�𝑇𝐷𝑊𝐷−𝑇𝐷𝑊2𝑛𝑛�
𝐶𝐶 (3.27)
𝑈𝐶𝑇：冰水機組冷卻器的總體熱傳遞係數，W/m2K 𝑇𝐶𝑇：冰水機組冷卻水的參考溫度，K
𝑇𝑏𝑏：生物結垢層表面溫度，K 𝑇𝑐𝑜：防蝕層表面溫度，K
𝑇𝑚𝑜：熱交換器外部金屬表面溫度，K 𝑇𝑚𝑖：熱交換器內部金屬表面溫度，K
ℎ𝐷𝑊、ℎ𝑏𝑏、ℎ𝑐𝑜、ℎ𝐶𝑇：各層之熱傳係數，W/m2K k：熱交換器的金屬熱導率，W/mK
x：熱交換器的金屬壁厚，m
(2)汲取海水功耗：
Ẇ𝑝𝑜𝑚𝑝 =𝑉̇𝐷𝑊𝜂ρ𝐷𝑊gH
𝑝𝑜𝑚𝑝 (3.28)
Ẇ𝑝𝑜𝑚𝑝：泵浦抽取海水消耗的電功率，kW g：重力加速度，9.80665 m / s2
H：泵浦抽取海水的揚程(Head)，m 𝜂𝑝𝑜𝑚𝑝：泵浦抽取海水的工作效率
(3)空調性能係數：
COP =𝑊̇𝑄̇𝐴𝐶+𝑄̇𝐷𝑊𝐴𝐶
𝑐ℎ𝑖𝑖𝑖𝑒𝑖+Ẇ𝑝𝑜𝑚𝑝 (3.29)
COP：性能係數(Coefficient Of Performance)，依法規限定數值 𝑄̇𝑆𝐶：傳統機電式建築空調的製冷率，kW
𝑊̇𝑐ℎ𝑖𝑖𝑖𝑒𝑖：機電式冰水機所消耗的電功率，kW
Q̇AC = 4.9Ẇchiller= 0.176AAC (3.30) 𝐴𝑆𝐶：建築室內空間的地坪面積，m2 (*以容積式壓縮機 150~500RT 為基準)
第肆章 能源效益分析與討論
本研究假設位於台東深層海水產業發展園區內，利用深層海水與溫泉水 二者不同溫度分層特性，依前述公式進行複合型「溫差發電」與單一型「海 水空調」之線性參數分析，以估計產業的營運效益。
如圖 4.1、圖 4.2、圖 4.3、圖 4.4 以及圖 4.5 所示，為慎求參數測試接近 真實狀況，本研究同步進行建置一套 3kw 採用有機朗肯循環技術之溫差發電 系統 (如見附件五簡介)，於國立臺東大學應用科學系尖端能源材料實驗室作 為試驗評估基準，以期後續研究能為在地產業完成創新育成之示範功能。
圖 4.1、渦輪磁性耦合溫差發電設備之系統設計
圖 4.2、溫差發電系統機組本體 圖 4.3、溫差發電試驗之控制電盤
圖 4.4、模擬深層海水冷能之冰水機 圖 4.5、模擬溫泉水熱能之熱水器