建築熱泵系統之節能改善效益分析與實驗印證

內政部建築研究所

委託研究報告︵一

O

建築熱泵系統之節能改善效益分析

與實驗印證

受 委 託 者 ： 財 團 法 人 台 灣 建 築 中 心

研 究 主 持 人 ：楊冠雄

研

究

員 ：葉琮勤

研 究 助 理 ：蔣鎮宇

內 政 部 建 築 研 究 所 委 託 研 究 報 告

中華民國 103 年 12 月

（本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）

建築熱泵系統之節能改善效益分析

與實驗印證

受 委 託 者 ： 財 團 法 人 台 灣 建 築 中 心

研 究 主 持 人 ：楊冠雄

研

究

員 ：葉琮勤

研 究 助 理 ：蔣鎮宇

內 政 部 建 築 研 究 所 委 託 研 究 報 告

中華民國 103 年 12 月

（本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）

I

目 次

目 次 ...I

表 次 ...III

圖 次 ... VII

摘 要 ...XV

第一章 緒 論... 1

第一節

研究緣起與背景... 1

第二節

研究方法與過程... 8

第二章 不同建築類別之熱泵系統設計應用與冷熱負載之耗能特性

分析 ... 17

第一節

熱泵系統之工作原理與理論分析... 17

第二節

熱泵系統之電腦模擬分析... 21

第三節

應用於各種不同熱源之熱泵系統運轉特性分析... 23

第四節

各種建築類別與使用型態特性之熱泵冷熱負載端

熱負荷分析... 38

第五節

各種建築類別之熱泵系統規畫設計程序之建立... 50

 

第三章 選取運轉中之大型熱泵系統進行實際節能減碳效益之全尺

度實驗印證 ... 63

第一節

熱泵系統之 COP 性能量測程序之建立 ... 63

第二節

氣源式熱泵系統運轉性能全尺度實驗印證與實際

節能減碳效益分析... 68

II

第三節

水源式熱泵系統運轉性能全尺度實驗印證與實際

節能減碳效益分析... 90

第四節

太陽能輔助熱泵系統運轉性能全尺度實驗印證與

實際節能減碳效益分析... 106

第五節

地冷輔助熱泵系統運轉性能全尺度實驗印證與實

際節能減碳效益分析... 121

第四章 熱泵熱水系統之經濟效益分析... 128

第一節

水源式熱泵熱水系統之經濟效益分析 ... 129

第二節

氣源式熱泵熱水系統之經濟效益分析 ... 170

第五章 水源式熱泵熱水系統性能檢測標準之架構擬定與規劃建議...195

第一節

我國 CNS

15466 性能試驗法簡介 ... 195

第二節

歐盟 EN

16147 性能試驗法簡介... 198

第三節

大陸 GB/T

23137 性能試驗法簡介... 201

第四節

日本 JISC

9220 性能試驗法簡介... 204

第五節

我國水源式熱泵熱水系統性能試驗法之建議內容..207

第六章 結論與建議... 209

附錄一：採購評選會議紀錄... 215

附錄二：期中審查意見及廠商回應一覽表... 219

附錄三：期末審查意見及廠商回應一覽表... 225

參考書目...

..233

III

表 次

表 2-1

近期補助建置熱泵熱水系統之型態與種類 ... 38

表 3-1

水對水模式熱泵系統運轉量測記錄之範例 ... 67

表 3-2

GCYD 單位建築改善項目與對策說明一覽表 ... 69

表 3-3

GCYD 單位之熱水系統改善前、後節能效益分析 ... 72

表 3-4

GCYD 單位增設 BEMS 管理系統預估節能效益分析 ... 72

表 3-5

GCYD 單位增設熱泵系統之節能減碳改善效益評估 ... 74

表 3-6

CCYS 單位建築改善項目與對策說明一覽表... 75

表 3-7

CCYS 單位改善前、後之熱水系統節能效益分析... 78

表 3-8

CCYS 單位增設 BEMS 管理系統預估節能效益分析 ... 78

表 3-9

CCYS 單位增設熱泵系統之節能減碳改善效益評估 ... 79

表 3-10

GLKB 單位建築改善項目與對策說明一覽表 ... 81

表 3-11

GLKB 單位改善前、後之熱水系統節能效益分析... 82

表 3-12

GLKB 單位增設 BEMS 管理系統預估節能效益分析... 83

表 3-13

GLKB 單位增設熱泵系統之節能減碳改善效益評估 ... 84

表 3-14

GSB5 單位建築改善項目與對策說明一覽表 ... 85

表 3-15

GSB5 單位改善前、後之熱水系統節能效益分析... 87

表 3-16

GSB5 單位增設 BEMS 管理系統預估節能效益分析... 87

表 3-17

GSB5 單位增設熱泵系統之節能減碳改善效益評估... 89

表 3-18

ZIHG 單位建築改善項目與對策說明一覽表... 90

表 3-19

ZIHG 單位改善前、後之熱水系統節能效益分析... 93

IV

表 3-20

ZIHG 單位增設熱泵系統之節能減碳改善效益評估... 94

表 3-21

KSZM 單位建築改善項目與對策說明一覽表 ... 95

表 3-22

KSZM 單位改善前後之熱水系統節能效益分析 ... 97

表 3-23

KSZM 單位新設能源管理系統預估節能效益分析 ... 98

表 3-24

KSZM 單位增設熱泵系統之節能減碳改善效益評估 ... 99

表 3-25

SCBW 單位建築改善項目與對策說明一覽表 ... 99

表 3-26

SCBW 單位改善前後之熱水系統節能效益分析 ... 104

表 3-27

SCBW 單位新設 BEMS 系統預估節能效益分析 ... 104

表 3-28

SCBW 單位增設熱泵系統之節能減碳改善效益評估 ... 106

表 3-29

PTSG 單位建築改善項目與對策說明一覽表 ... 107

表 3-30

PTSG 單位改善前後之熱水系統節能效益分析... 109

表 3-31

民國 98 年至 99 年 PTSG 單位原設柴油鍋爐使用量紀錄...110

表 3-32

民國 100 年 PTSG 單位原設柴油鍋爐使用量紀錄...111

表 3-33

PTSG 單位增設 BEMS 系統預估節能效益分析...111

表 3-34

PTSG 單位增設熱泵系統之節能減碳改善效益評估...112

表 3-35

GKDS 單位建築改善項目與對策說明一覽表 ...113

表 3-36

GKDS 單位改善前後之熱水系統節能效益分析 ...115

表 3-37

GKDS 單位增設 BEMS 管理系統預估節能效益分析...116

表 3-38

GKDS 單位增設熱泵系統之節能減碳改善效益評估 ...117

表 3-39

CYPH 單位建築改善項目與對策說明一覽表...118

表 3-40

CYPH 單位改善前後之熱水系統節能效益分析... 120

表 3-41

CYPH 增設 BEMS 管理系統預估節能效益分析... 121

V

表 3-42

CYPH 單位增設熱泵系統之節能減碳改善效益評估... 121

表 3-43

HWCS 單位建築改善項目與對策說明一覽表... 122

表 3-44

HWCS 單位改善前後之熱水系統節能效益分析... 125

表 3-45

HWCS 單位建置能源管理系統預估節能效益分析... 126

表 3-46

HWCS 單位增設地源式熱泵系統之節能減碳改善效益評估.127 

表 4-1

國軍高雄總醫院岡山分院民國 99 年能源費用支出資料 ... 165 

表 4-2

國軍高雄總醫院岡山分院民國 100 年能源費用支出資料 ... 165 

表 4-3

國軍高雄總醫院岡山分院民國 101 年能源費用支出資料 ... 166 

表 4-4

國軍高雄總醫院岡山分院民國 102 年能源費用支出資料 ... 166 

表 4-5

國軍高雄總醫院岡山分院民國 103 年能源費用支出資料 ... 167 

表 4-6

國立嘉義大學民雄校區綠園二舍民國 101 年之用電度數與用

電費用統計 ... 192 

表 4-7

國立嘉義大學民雄校區綠園二舍民國 102 年之用電度數與用

電費用統計 ... 193 

表 4-8

國立嘉義大學民雄校區綠園二舍民國 103 年之用電度數與用

電費用統計 ... 193 

VII

圖

次

圖 1-1

熱泵系統運轉性能 COP 評估之實測參數示意圖 ... 10

圖 1-2

太陽能集熱器與熱泵熱水系統整合設計應用之示意圖 ... 12

圖 1-3

新設熱泵與既設柴油鍋爐熱水整合為複合式熱水系統圖 ... 13

圖 1-4

熱泵熱水系統與既設中央空調系統之整合設計應用 ... 14

圖 1-5

建築熱泵系統之節能改善效益分析與實驗印證之研究流程圖15

圖 2-1

水泵與熱泵之泵送機制雷同示意圖... 18

圖 2-2

熱泵主機運轉現場記錄高低壓數據之 COP 數值分析結果圖 . 23

圖 2-3

氣源式熱泵熱水系統示意圖... 24

圖 2-4

氣源式熱泵系統具降低部分空調負荷之系統設計圖 ... 24

圖 2-5

水源式熱泵熱水系統示意圖... 25

圖 2-6

水源式熱泵熱水系統分擔部分冰水主機負荷之系統示意圖 ... 26

圖 2-7

氣水源雙效熱泵熱水系統示意圖... 27

圖 2-8

地源式熱泵與內部元件運作系統圖... 28

圖 2-9

雙熱源型熱泵熱水系統示意圖... 29

圖 2-10

太陽能熱水結合氣源式熱泵系統示意圖... 30

圖 2-11

典型開放式補水之熱泵熱水系統工程圖 ... 33

圖 2-12

典型密閉式補水之熱泵熱水系統工程圖... 34

圖 2-13

多桶槽式儲熱設計之熱泵熱水系統工程圖... 35

圖 2-14

溫度分層式儲熱設計之熱泵系統圖... 37

圖 2-15

嘉大綠園二舍_102

年 12 月 1 日(星期日)流量統計... 39

圖 2-16

嘉大綠園二舍_102 年 12 月 2 日(星期一)流量統計 ... 39

VIII

圖 2-17

嘉大綠園二舍_102 年 12 月 1 日星期日供水與補水溫度關係40

圖 2-18

嘉大綠園二舍_102 年 12 月 2 日星期一供水與補水溫度關係41

圖 2-19

海巡南訓大隊_102 年 5 月 1 日星期三供水與補水溫度關係 42

圖 2-20

海巡南訓大隊_102 年 5 月 3 日星期五供水與補水溫度關係 42

圖 2-21

海巡南訓大隊_102 年 5 月 6 日星期一供水與補水溫度關係 43

圖 2-22

海巡南訓大隊_102 年 12 月 2 日星期一供水與補水溫度關係44

圖 2-23

海巡南訓大隊_102 年 12 月 4 日星期三供水與補水溫度關係44

圖 2-24

海巡南訓大隊_102 年 12 月 6 日星期五供水與補水溫度關係45

圖 2-25

高榮_102 年 5 月 1 日星期三供水與補水溫度關係 ... 46

圖 2-26

高榮_102 年 5 月 1 日星期三當日流量統計... 47

圖 2-27

高榮_102 年 5 月 2 日星期四當日流量統計... 47

圖 2-28

高榮_102 年 12 月 1 日星期日當日流量統計... 48

圖 2-29

高榮_102 年 12 月 2 日星期一當日流量統計... 48

圖 2-30

高榮_102 年 12 月 2 日星期一供水與補水溫度關係 ... 49

圖 2-31 高榮_102 年 12 月 6 日星期五供水與補水溫度關係... 49

圖 2-32

桶槽串聯設計熱泵分段製熱流程示意圖... 54

圖

2-33

使用

R22冷媒之水冷全密冷熱水機規格表...55

圖

2-34

熱泵設備壓縮機運轉之吸入與吐出溫度關係圖...

... 56

圖

2-35

YT同軸離心式渦卷泵浦規格表... 57

圖

2-36

氣源式熱泵設計淋浴使用之工程系統昇位圖...

58

圖

2-37

某大型區域醫院之

BEMS 系統圖(1)...59

圖

2-38

某大型區域醫院之BEMS

系統圖(2)...60

IX

圖 3-7

GCYD 單位增設 BEMS 系統顯示電力單線畫面圖... 73

圖 3-8

GCYD 單位增設 BEMS 系統顯示主機起停排程畫面圖... 74

圖 3-9

CCYS 單位改善前後之熱水系統工程設計圖 ... 76

圖 3-10

CCYS 單位增設 BEMS 系統畫面圖 ... 79

圖 3-11

GLKB 單位改善前後之熱水系統工程設計圖 ... 81

圖 3-12

GKLB 單位增設 BEMS 系統畫面圖... 83

圖 3-13

GSB5 單位改善前後之熱水系統工程設計圖 ... 86

圖 3-14

GSB5 單位之行政大樓熱水系統 BEMS 畫面圖 ... 88

圖 3-15

GSB5 單位之大浴室熱水系統 BEMS 畫面圖 ... 88

圖 3-16

GSB5 單位之第一大隊熱水系統 BEMS 畫面圖 ... 89

圖 3-17

ZIHG 單位改善前之瓦斯鍋爐熱水系統工程設計圖 ... 91

圖 3-18

ZIHG 單位改善後之水源式熱泵熱水系統工程設計圖 ... 92

圖 3-19

ZIHG 單位設置 BEMS 系統監視畫面 ... 94

圖 3-20

KSZM 單位改善後之水源式熱泵熱水系統工程設計圖... 96

圖 3-1

熱泵系統運轉之莫里爾線圖... 64

圖 3-2

以控制表面概念敘述製冷或製熱之性能量測項目之圖解 ... 65

圖 3-3

水對水熱泵主機性能係數量測項目範圍... 66

圖 3-4

GCYD 單位改善前熱水系統配置圖 ... 70

圖 3-5

GCYD 單位改善後熱水系統工程設計圖 ... 71

圖 3-6

GCYD 單位增設 BEMS 系統畫面圖 ... 73

X

圖 3-29

GKDS 單位設置熱泵 BEMS 系統監視畫面 ...116

圖 3-30

CYPH 單位改善前後之氣源式熱泵熱水系統工程設計圖 ...119

圖 3-31

HWCS 單位改善前後之地源式熱泵熱水系統工程設計圖(1)123

圖 3-32

HWCS 單位改善前後之地源式熱泵熱水系統工程設計圖(2)124

圖 3-33

HWCS 單位設置熱泵 BEMS 系統監視畫面 ... 127 

圖 4-1

高雄榮民總醫院既設熱水鍋爐系統現況（1）... 130 

圖 4-2

高雄榮民總醫院既設熱水鍋爐系統現況（2）... 131 

圖 4-3

高雄榮民總醫院整合燃氣、燃油鍋爐、與熱泵之熱水系統圖132 

圖 4-4

高雄榮民總醫院整合燃氣、燃油鍋爐、與熱泵之熱水系統

機房配管圖 ... 133 

圖 4-5

高雄榮民總醫院增設 6 噸熱水桶槽之安裝配管完成相片 ... 134 

圖 4-6

高雄榮民總醫院增設 6 噸冰水桶槽之安裝配管完成相片 ... 134 

圖 4-7

高雄榮民總醫院增設熱水循環泵之安裝配管完成相片 ... 135 

圖 3-23

SCBW 單位改善後之水源式熱泵熱水系統工程設計圖 ... 102

圖 3-24

SCBW 單位設置熱泵 BEMS 系統監視畫面 ... 105

圖 3-25

SCBW

單位熱泵系統應用於空調箱之 BEMS 系統監視畫面106

圖 3-26

PTSG 單位改善前後之氣源式熱泵熱水系統工程設計圖 ... 108

圖 3-27

PTSG 單位設置熱泵 BEMS 系統監視畫面 ...112

圖 3-28

GKDS 單位改善前後之氣源式熱泵熱水系統工程設計圖 ...114

圖 3-21

KSZM 單位設置 BEMS 系統監視畫面... 98

圖 3-22

SCBW 單位改善前之水源式熱泵熱水系統工程設計圖 ... 101

XI

圖 4-14

高雄榮民總醫院自民國 96 年至 103 年間之鍋爐費用與油量

統計圖 ... 139 

圖 4-15

高雄榮民總醫院自 2010 年至 2014 年用電曲線圖 ... 139 

圖 4-16

高雄榮民總醫院改善案之生命週期成本評估... 141 

圖 4-17

行政院衛生福利部朴子醫院外觀... 142 

圖 4-18

朴子醫院整合太陽能集熱系統與水源式熱泵之熱水系統圖144 

圖 4-19

朴子醫院整合太陽能集熱系統與水源式熱泵之冰水機系統圖145 

圖 4-20

朴子醫院整合太陽能集熱系統與水源式熱泵之冰水接管位置145 

圖 4-21

朴子醫院整合太陽能集熱系統與水源式熱泵之冰水主機 ... 146 

圖 4-22

朴子醫院整合太陽能集熱系統與水源式熱泵之冰水泵 ... 146 

圖 4-23

朴子醫院整合太陽能集熱系統與水源式熱泵之冰水主機 ... 147 

圖 4-24

朴子醫院整合太陽能集熱系統與水源式熱泵之鍋爐 ... 147 

圖 4-25

朴子醫院整合太陽能集熱系統與水源式熱泵之太陽能集熱版148 

圖 4-26

朴子醫院民國 102 年至 103 年每月用電度數與費用之統計圖149 

圖 4-27

朴子醫院民國 98 年至 102 年用電度數之統計圖 ...149 

圖 4-28

朴子醫院改善案之生命週期成本評估... 151 

圖 4-9

增設 A 區營養室之空調箱冰水迴路電動閥安裝配管完成相片136 

圖 4-10 增設 A 區營養室之空調箱冰水迴路電動閥安裝配管完成相片136 

圖 4-11

高雄榮民總醫院自民國 96 年至 103 年間之瓦斯度數與鍋爐油

量比較圖 ... 137 

圖 4-12

高雄榮民總醫院自民國 96 年至 103 年間之瓦斯費用與鍋爐油

費用比較圖 ... 138 

圖 4-13

高雄榮民總醫院自民國 96 年至 103 年間之瓦斯費用與度數統

計圖 ... 138 

XII

圖 4-35

空軍航空技術學院勤務連熱泵系統之 BEMS 流程圖 ... 156 

圖 4-36

改善前空軍航空技術學院之鍋爐燃料費用支出資料 ... 156 

圖 4-37

改善後空軍航空技術學院之鍋爐燃料費用支出資料 ... 157 

圖 4-38

空軍航空技術學院改善案之生命週期成本評估... 160 

圖 4-39

國軍高雄總醫院岡山分院外觀... 161 

圖 4-40

國軍岡山分院既設中央空調系統 300

RT 空調主機加以汰換162 

圖 4-41

國軍岡山分院整合新設與既設儲熱水槽... 162 

圖 4-42

國軍岡山分院新增之水源式熱泵系統... 163 

圖 4-43

國軍岡山分院熱泵系統產製之冰水併入既設中央空調系統163 

圖 4-44

國軍岡山分院之既設中央空調主機... 164 

圖 4-45

國軍岡山分院改善案之生命週期成本評估... 169 

圖 4-46

南部地區巡防局第六二岸巡大隊加祿營區... 171 

圖 4-47

南部地區巡防局第六二岸巡大隊加祿營區之浴室 ... 171 

圖 4-48

第六二岸巡大隊加祿營區之改善前系統現場概要 ... 173 

圖 4-49

第六二岸巡大隊加祿營區之改善後系統現場概要 ... 173

圖 4-50

加祿營區之熱水保溫桶系統安裝後現場概要... 174 

圖 4-29 空軍航空技術學院整合燃氣鍋爐與水源式熱泵之熱水系統圖153 

圖 4-30 空軍航空技術學院整合燃氣鍋爐與水源式熱泵之平面配置圖153 

圖 4-31

空軍航空技術學院勤務連寢室內原設置之窗型冷氣機 ... 154 

圖 4-32

空軍航空技術學院勤務連熱泵與既有系統之整合與管線配置154 

圖 4-33

空軍航空技術學院既設之瓦斯鍋爐與新設之熱泵系統整合155 

圖 4-34 空軍航空技術學院熱泵產製之冰水回水管路之配置情形.... 155 

XIII

圖 4-57

雲林榮譽國民之家增設氣源式熱泵熱水系統之系統昇位圖178 

圖 4-58

雲林榮譽國民之家增設氣源式熱泵熱水系統之平面圖 ... 179 

圖 4-59

雲林榮譽國民之家增設 BEMS 畫面圖 ... 179 

圖 4-60

國立高雄大學第一學生宿舍外觀... 182 

圖 4-61

國立高雄大學第一學生宿舍增設熱泵系統之系統昇位圖 ... 183 

圖 4-62

國立高雄大學第一學生宿舍增設熱泵系統之平面圖 ... 184 

圖 4-63

國立高雄大學第一學生宿舍增設熱泵系統 BEMS 畫面圖 .. 184 

圖 4-64

國立嘉義大學民雄校區綠園二舍建築外觀... 186 

圖 4-65

國立嘉義大學民雄校區綠園二舍浴室內部... 186 

圖 4-66

國立嘉義大學民雄校區綠園二舍浴室所設置之電熱水爐 ... 187 

圖 4-67

國立嘉義大學民雄校區綠園二舍所增設之熱泵與保溫桶 ... 188 

圖 4-68

國立嘉義大學民雄校區綠園二舍之熱泵系統圖... 188 

圖 4-69

國立嘉義大學民雄校區綠園二舍之熱泵系統配管示意圖 ... 189 

圖 4-70

綠園二舍民國 99 年至 103 年之熱水系統用電量分析 ... 190 

圖 4-71

綠園二舍民國 99 年至 103 年之東西側用電度數統計 ... 190 

圖 4-72

綠園二舍民國 99 年至 103 年之東西側用電費用統計 ... 191 

圖 4-51

加祿營區之熱水保溫桶系統安裝後現場概要... 174 

圖 4-52

加祿營區之氣源熱泵熱水系統整合安裝後現場概要 ... 174 

圖 4-53

加祿營區之 RF 水管配置圖... 175 

圖 4-54

加祿營區之能源費用統計... 176 

圖 4-55

加祿營區之 100 年 1 月~103 年 3 月鍋爐油料消耗統計圖.. 176 

圖 4-56

國軍退除役官兵輔導委員會雲林榮譽國民之家... 177 

XIV

圖 4-73

綠園二舍年度用電熱泵與電熱器耗電統計圖... 191 

圖 4-74

綠園二舍之年度熱泵用電替代率... 192 

XV 關鍵詞：熱泵系統、空調系統與熱泵系統之整合、全尺度實驗印證 目前我國大型醫院、觀光旅館與學校等建築物，由於同時具有冷房與熱水需求， 傳統式之作法為個別設置中央空調與鍋爐系統，分別供冷與供熱，常造成龐大之運轉 費用支出。以南臺灣之某大型區域綜合醫院為例，光是鍋爐系統一年之運轉燃料費 用，即高達一億兩千萬元之譜；且其燃氣之排放，常造成環境之巨大負荷。若能改以 設置熱泵系統，不但具有極大之節能減排空間，且具備極高之經濟效益。 本研究揚棄傳統式侷限於分析熱泵主機之方式，轉而以較宏觀之角度，著眼於熱 泵系統設計之理念與運轉特性之比對分析。就節約能源之角度而言，尤其是節能改善 設計案，由於熱泵主機等設備皆已存在，除非進行設備汰換，否則只有良好之節能系 統設計手法與調適，才能獲得良好之節能效益。 此種系統設計技術，由於須累積許多之設計案例與經驗，因此於坊間一般教科書 中，不易獲得。而內政部建築研究所自 2003 年開始，進行之「中央廳舍與院校空調節 能改善補助計畫（Building Energy Efficiency Upgrade Program，簡稱 BeeUp 計畫）」對 於中央政府所屬之辦公大樓、醫療院所等，進行之系統化節能改善工作，歷年來已完 成 300 個以上之節能改善案例；總投資金額已達新台幣 12 億元，每年實際節約運轉電 費達新台幣 2 億 2 千萬元，成果斐然。其中熱泵系統之設計施工，已超過 80 個以上， 不但為國內首創，且於國際間亦取得領先地位；並對於本計畫之設計手法分析與全尺 度實驗印證，提供了堅實的基礎。 本研究主要進行建築熱泵系統之系統設計技術與程序之建立及節能改善效益分析 與全尺度實驗印證。經由系統化之分析，逐步建立不同建築類別與使用型態特性之熱 泵系統容量規劃設計原則，大型中央空調系統與熱泵系統之整合與並聯運轉技術，並 具體評估其節能減碳與經濟效益，以做為後續大規模推廣應用之重要參考依據。

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第一章 緒 論

第一節

研究緣起與背景

壹、研究緣起

臺灣能源目前 97 % 必須仰賴進口，為因應國際能源價格上漲及配合降低全球溫 室效應氣體排放量之環境壓力下，如何推動能源用戶選用高能源效率又環保的設備， 為政府節能政策重點項目之一，熱泵熱水系統即為其中重要選項之一。 歐美、日本等溫寒帶國家，為熱泵熱水系統產品推廣最有成效的地區。尤其是瑞 典，熱泵熱水系統已經佔有其國內全部熱水系統市場的 75 %，其餘歐盟各國亦皆積極 推動。從 2000 年開始，日本利用政府補助策略進行推廣，成效良好，已經成為全球矚 目的生產大國；中國也興起一股熱泵熱水系統的使用風潮。 熱泵熱水系統近年在國內積極推動下，在不同行業醫院、旅館、學校、溫水游泳 池、安養院及住家等用戶已有大量應用成功案例。由熱泵熱水系統實際應用案例之測 試結果證實，在合理規劃運作下，熱泵熱水系統性能係數 COP 皆大於 3 以上。可積極 取代部分傳統電力、瓦斯、柴油熱水鍋爐加熱系統，不但能削減尖峰用電需量，且可 節省用戶可觀的能源及運轉費用達 50 % 以上，極具發展潛力。 本計畫之主旨與目標即為針對不同之建築類別與使用型態特性，配合選取正常運 轉中之熱泵系統進行分析，並對於其實際之運轉節能效益進行實驗印證，以作為大量 推廣應用之重要參考依據。

貳、研究背景

回顧國內外有關熱泵系統之研究與應用發展情形如下：

義大利 Luca Cecch, Marco Corradi, Ezio Fornasieri, Lorenzo Zamboni 等人，於 2005 年研究比較 HFC-134a 和 CO2的氣冷水熱式熱泵性能。結果顯示 CO2和 HFC-134a 相

2 較，缺點是臨界溫度過低、臨界壓力過高，所以熱力上的效率較低；但其優點為不可 燃、低環境衝擊、單位體積的能量密度高、壓縮容易製熱、無毒。 氣冷水熱式熱泵將水加熱後儲存於水槽，當水溫達到設定值時即可流出。由水槽 的溫度變化調整熱泵系統的功率調節，若是水槽的水充分混合，溫度將會均勻，沒有 層狀化現象。通常水槽的輸出熱水溫度約 40-45 ℃，通過冷凝器的水溫度約上升 4-5 ℃，所以不易產生層狀化現象。其優點是水溫穩定但熱效率不是最高。如果進入冷凝 器預備加熱的水不是水槽的水，而是水龍頭進來較低溫的水(15-20 ℃)，效率將會提高 (溫度可上升約 25-30 ℃)，流進冷凝器水的流率只需六分之一，並且水槽的溫度呈層 狀分佈。冷凝器的冷媒和水溫差較大的情形下，要維持較佳的熱傳效率，冷媒必須單 相(沒有相變化)，冷媒的流動阻力較小。在水槽溫度層狀分佈的設計，適當的高壓壓 力值情況下，CO2的熱泵性能較 HFC-134a 高。 2006 年日本 Okamoto 先生則以日本島根縣水族館為例，以熱泵系統得到海水之熱 量，供應室內達到恆定溫度和濕度，並且也說明，以夜間時段來均衡電力負載之應用。 其結果發現以海水為取熱源的熱泵系統與以空氣為取熱源的熱泵系統和燃油系統之生 成熱能成本較小。且由模擬數據可顯示，此系統與燃油系統相比，耗能量減少 19 ％， 具有節能效益的表現。 日本早在 1986 年即成立日本熱泵技術中心（HPTCJ），推展熱泵技術與應用，政府 亦提供補助以加速推廣家用熱泵熱水系統。自 2001 年時發展第一套使用 CO2的氣源式 熱泵熱水器或氣對水熱泵系統，至 2004 年期間銷售快速成長。家庭用中央熱水器的市 場每年約 350 萬台，以 2001 年日本會計年度為例，大部分是以氣燃式系統為主（液態 天然氣 LNG 佔 46 %、液態石油氣 LPG 佔 34 %），電力系統佔約 6 % (大約 200,000 台)， 燃煤系統佔 14%。然而，2002 年時熱泵熱水器的銷售量已達到 37,000 台，並漸漸擴增 到 75,000~78,000 台，按市場保有量計算，2008 年家用二氧化碳熱泵熱水器在日本市 場累計售出約 180 萬台；估計至 2013 年累計銷售量達 520 萬台的數目，目前其產能已 經超過歐洲任一國家，儼然成為熱泵熱水系統的生產大國。這樣的改變主要是由於日本

3 的文化所造成的，日本人不習慣以淋浴的方式盥洗，而是採浸泡的盥洗方式。“ECO CUTE”的市場開始熱絡，這反應了全部使用電力家庭改用節省電力裝置的情形，以及 對環境保護意識的成長等等。 2007 年韓國首爾大學之研究顯示，隨著電子式膨脹閥與中間熱交換器，改變二氧 化碳循環之運轉速度，由於過去研究顯示，二氧化碳冷媒效能較低的原因為膨脹過程 的能量損失較大、氣體冷卻過程的高度不可逆；另外，二氧化碳冷媒系統對於氣體冷 卻器壓力及外界(氣體冷卻器外部)溫度的高度敏感。此研究使用變轉速渦卷壓縮機； 蒸發器及氣體冷卻器使用鰭管式熱交換器，其中銅管內外徑為 4、5mm；膨脹閥為步 進馬達驅動的電子式膨脹閥；中間熱交換器為內徑 6.32、12.7 mm 的同軸管。結果為 壓縮機轉速增加或是膨脹閥開啟幅度增加，均會增加冷媒流率。當高壓值由 7.55 MPa 逐漸提升到 9.2 MPa，效率(COP)也逐漸增加；但繼續上升到 10.35 MPa 的過程，效率 (COP)反而逐漸下降。類似結果，膨脹閥的開啟幅度也有其最佳值，過大或過小，效 率反而降低。沒有裝中間熱交換器的最高效率為 2.1，其高壓為 9.2 MPa；裝中間熱交 換器則降低高壓為 8.7MPa。2011 年韓國 Hanba 大學 Rin Yun 等人發表有關生水源熱 泵空調系統之研究，研究利用經水處理設備之生水為驅動熱泵所需熱能之供熱與供冷 性能。此熱泵系統可供 65.2 kW 熱能需求，以生水流經銅銲型板式熱交換器與滷水進 行能量交換，提供熱泵系統之蒸發器吸收熱量以利製熱；另一方面，生水成為冰水也 可用於供冷季節需求。研究獲得若與純粹用來供熱的氣源式熱泵系統性能比較，以生 水源熱泵系統之性能為佳。實驗數據顯示供熱季節之熱泵設備平均性能為 3.3，而供冷 季節之熱泵設備平均性能為 7.2。不過，在春秋時節，由於加熱與冷卻負載非常低，將 造成生水源熱泵系統性能也相對地差。 2009 年中國西安交大 Wang Kai 等人，實驗研究利用地熱水之高溫熱泵單元熱回 收供給建築物之性能。該熱泵運轉實驗系統由雙螺旋壓縮機、蒸發器、冷凝器及由冷 卻系統組成，實驗研究油溫冷卻溫度對熱泵系統單元之性能影響。研究結果顯示控制 最佳油溫可使熱泵系統產生穩定的出水溫度約 85 ℃，在一個廣泛為的高溫條件下，

4 達成良好的高能源效率。這個結果也指示著高溫熱泵設備的性能提升與適當的冷卻油 溫有關。當冷凝溫度在 70 ℃以上時，最佳冷卻油溫為 50–65 ℃，在此溫度範圍之冷 凍油冷卻系統能夠使熱泵能源效率比增加 6.3 %。 中國建築科學研究，於 2012 年 6 月發表中國地源熱泵的應用與發展之內容，提到 有關地源熱泵持續努力的研發工作，主要標題為地源熱泵技術適宜性之研究、高效節 能地源熱泵設計方法研究、地源熱泵測試技術的發展、地源熱泵應用技術研究等，其 中提到地源熱泵測試技術的發展研究項目，包含地源熱泵系統 COP 現場測試技術研 究。2013 年西華大學王睿等人研究水源熱泵空調系統的經濟分析與應用，從水源熱泵 的節能環保性和經濟性特點出發，結合國內外應用水源熱泵空調系統的現狀和發展趨 勢，以廣西桂林的某一四星級綠園大酒店的空調工程設計為研究對象，該建築物層高 為 3.6 m，樓層總高度為 81.9 m，總建築面積 30,148 m2_{。樓層數為 21 層，地下兩層，} 地上 19 層。利用經濟評價方法，對採用傳統空調系統和水源熱泵空調系統兩種方案進 行了分析與比較。研究表示雖然水源熱泵技術在初期投資中資金規模較大，但是長期 的經濟性效果顯著。 中國約在 90 年代開始出現熱泵產品，雖然熱泵技術與應用起步較晚，但隨著中國 建設發展，熱泵成長快速，也逐漸形成完整的熱泵工業體系。目前在中國長江以南地 區氣候溫暖，主要使用空氣源熱泵產品，廣東、廣西等地區銷量非常可觀，而長江以 北地區受制於年平均氣溫較低，較不適用空氣源熱泵，北京地區已有不少商用、民用 住宅都開始使用地源熱泵機型，但由於地源熱泵需要有足夠空曠的場地來埋設地下管 道，因此目前還是以學校、企業、旅館、醫院等為主要市場。中國大陸的熱泵市場每 年約有 29 億美金，熱水加熱系統佔 90 %，而室內暖氣供熱系統則佔 10 %。2007 年， 中國能源局計畫熱泵補助，由財政部下達 2006 年可再生能源建築應用專項資金人民幣 10,368 萬元，其中包含熱泵系統項目也可以申請補助，地源熱泵每平方米補助人民幣 50 元，水源熱泵每平方米補助人民幣 35 元。

5 國內對於熱泵系統之基礎研究，由台大新能源中心黃秉鈞教授自 1997 年起便開始 投入，2000 年獲得經濟部能源局的支持，開始與廠商（如：善騰、承研科技、江陵機 電等公司）合作進行各種熱泵產品的開發，包括雙熱源型太陽能輔助熱泵熱水器、單 熱源型家用熱泵熱水器、商用空氣對水熱泵系統，以及水對水熱泵系統。 該太陽能熱泵熱水器，晴天時可以同時從大氣與太陽取熱，陰雨天與夜晚則全由 大氣取熱，其運轉不受陰晴及日夜變化影響，不僅限裝置於屋頂，一般公寓低樓層陽 台也可以安裝，使得太陽能的開發可以突破建築物的條件限制。再者，2009 年臺灣大 學研究不同冷媒量與毛細管長度下熱泵性能係數之探討，獲得熱泵系統各個元件的匹 配及本身的規格都會影響其系統性能，而系統參數的改變，往往也是牽一髮而動全身。 其研究使用 R22 冷媒作為工作流體，以冷媒填充量 1.75 kg、1.5 kg、1.25 kg 及 1 kg 以及毛細管長度 65 cm、45 cm 及 30 cm 作為兩種系統參數及其變量，並以這兩種參數 變量的搭配組合觀察其系統及主機的製熱、製冷以及整體性能係數的差異。實驗結果 顯示毛細管長度為 45 cm，冷媒量為 1.5 kg 時在製熱、製冷以及總性能係數上有較好 的表現。但是冷媒量超過 1.75 kg 會使冰水製冷性能下降，冷媒量低於 1.25 kg 會使熱 水製熱性能下降。然而，較長毛細管搭配較少冷媒量性能較佳，較短毛細管搭配較多 冷媒量性能較佳。 2004 年國立臺北科技大學能源與冷凍空調工程系研究以「空氣熱源式熱泵之醫院 節能應用」為主題，以臺北市某醫學中心實際能源消耗情形與熱泵節能規劃為案例， 將蒸氣供熱系統與生活熱水系統耗能情形分析。並應用空氣熱源式熱泵取熱自空氣中 的特性，將外氣引入並吸取其熱量提供與空氣熱源式熱泵，而熱泵所獲取的熱量，製 熱供應醫院熱水使用，熱量被吸收的外氣，則作預冷空調使用。2007 年針對「醫療機 構供熱水系統能源效益評估」研究利用熱經濟與能級分析之觀念，針對國內某大型醫 院內十個供熱水系統：燃油鍋爐、天然氣鍋爐、電氣鍋爐、六種不同熱泵機組等設計 案例進行分析與探討。研究發展大型醫療機構供熱水系統的能源效率理論模式及評估 指標，經過以總投資成本、能源過程合理性、對環境衝擊性等評估指標之評比分析。

6 2009 年工研院能環所節能技術組開發商用二氧化碳熱泵熱水器，研究以一個 R22 冷媒的熱泵熱水器為雛型，開發商用二氧化碳熱泵熱水器。藉由挪威科學暨工業基金 會(SINTEF)的幫助，完成二氧化碳冷媒的氣體冷卻器、鰭管式蒸發器與中間熱交換器 的元件模擬設計；壓縮機則採購自義大利 Dorin；組裝及製作由永崧精密完成；系統監 控以 Lab-vie 建構。根據 JAR4050 的測試標準，所開發的二氧化碳熱泵熱水器在額定 條件及冬天高溫加熱條件的加熱性能指數(heating COP)分別達 3.26 及 2.55。 2011 年研究以地源熱泵在臺灣地區旅館建築之應用為主題，由於地源熱泵的能量 來源皆取自於溫度均勻的地質土壤，冬季時可提供熱源供熱給空間，比較電鍋爐加熱 可節省三分之二以上的電能；但夏季冷房，地源熱泵比冰水主機系統之能耗高。研究 結果顯示，以旅館建築而言，若地源熱泵僅應用於臺灣地區之空調(冷房與暖房)較不 適合。但是地源熱泵之特性屬於可再生能源，地能溫度穩定使得熱泵機組運行更可靠、 穩定，更提高了在其他加熱應用之效率與經濟性。 國內熱泵熱水器之發展早在 1970 年代末期開始出現太陽能熱水器，然而當時太陽 熱能市場不穩健，因此有些太陽能廠商引進美國的熱泵產品，開始推廣大型商用熱泵 熱水系統，期間也有一些失敗的案子。將近二十餘年的發展，技術與經驗相對累積， 同時也有更多的廠商投入。以往臺灣廠商主要在推廣大型商用系統，使用的機組都是 國外進口，後來國內廠商也開始生產，近年來一些廠商開始發展家用型空氣源熱泵熱 水器產品，但目前機組價格太高，加上民眾認識不足等因素，因此市場仍然不易推動。 國內之熱泵熱水器製造廠商，大抵偏向中小型。近年來，如承研、鴻茂、永續先 進能源，以及巨陽能源科技公司等廠商，才開始邁向中央化與大型商用化。對於大型 熱泵熱水系統之設計應用與全尺度實驗比對分析，較少見諸論文發表。一方面，乃由 於大型熱泵熱水系統於設置後，即開始進行持續之商業運轉。除非另行設定目標，進 行詳細之電腦模擬與全尺度實驗印證，否則，極難自其中發掘其系統設計運轉之良劣， 並從中吸取經驗，以做為進一步推廣應用之重要參考與依據。此亦為本計畫採取電腦 模擬與全尺度實驗印證並重並行之執行方式之主因。

7 本計畫揚棄傳統式侷限於分析熱泵主機之方式，轉而以較宏觀之角度，著眼於熱 泵系統設計之理念與運轉特性之比對分析。就節約能源之角度而言，尤其是節能改善 設計案，由於熱泵主機等設備皆已存在，除非進行設備汰換，否則只有良好之節能系 統設計手法與調適，才能獲得良好之節能效益。 此種系統設計技術，由於須累積許多之設計案例與經驗，因此於坊間一般教科書 中，不易獲得。而內政部建築研究所自 2003 年開始，進行之「中央廳舍與院校空調節 能改善補助計畫(Building Energy Efficiency Upgrade Program, 簡稱 BeeUp 計畫)」 對於 中央政府所屬之辦公大樓、醫療院所等，進行之系統化節能改善工作，歷年來已完成 300 個以上之節能改善案例；總投資金額已達新台幣 12 億元，每年實際節約運轉電費 達新台幣 2 億 2 千萬元，成果斐然。其中熱泵系統之設計施工，已超過 80 個以上，不 但為國內首創，且於國際間亦取得領先地位；並對於本計畫之設計手法分析與全尺度 實驗印證，提供了堅實的基礎。

8

第二節

研究方法與過程

本研究採取設計應用分析與全尺度實驗印證並重並行之方式進行。其主要研究工 作方法之內容共分為五大項目： 1. 不同之建築類別與使用型態特性冷熱負載端熱負荷分析 熱泵系統應用大致可分為三種類型，分別為空調(暖房)、淋浴或洗滌用水(熱水) 以及泳池加溫，各類型建物因其用途不同可能涉及的熱泵應用方式也不同，如宿舍用 熱泵系統提供住宿人員洗浴用熱水，大型醫院類包含暖房空調、熱水洗滌，旅館飯店 類型則可能包含三者。熱水負荷量估算是一項複雜的工作，不同的場合有不同的熱水 負荷需求，以下依宿舍、醫院、飯店類型作為敘述。 宿舍類型 宿舍一般僅供應淋浴用熱水(不考慮盆浴的狀況)，熱水提供溫度約 50~55℃，採用 空氣對水熱泵，原因為宿舍類型建物空調系統大多不是中央式系統，再者即便為中央 式系統，冬季多數停止運轉，若規劃為水對水系統則回收熱源受到限制。因此，規劃 前應先就使用單位之冷熱負載端熱負荷進行分析。 醫院類型 依照供應洗浴用熱水及暖房的條件、醫院類型、建物規模及空調使用模式來設計， 如係 24 小時營運且空調亦整年供應的條件下，可考慮規劃採用水對水熱泵系統，其原 因為： (1)設備利用率最高，產製熱水的熱源來自冰水回水廢熱，即空調系統的排熱，因此在 熱泵機運轉時，回水溫度會降低，冰水機負荷亦減輕； (2)熱水的使用隨季節有用量變化，冬季熱水用量較大，水源式熱泵應考慮冬季空調系 統排熱量是否足夠產製所需熱水。

9 同樣地，規劃前也應先就使用單位之冷熱負載端熱負荷進行分析。調查項目大致 上與宿舍類型相同，唯需多了空調暖房負荷項目，以了解熱水管排設計容量，進水溫 度及水量等條件。 飯店類型 除供應洗浴、暖房的可能外，泳池或 SPA 池加溫及恆溫亦可應用熱泵系統。飯店 類型的使用場合，多有中央空調冰水系統，負載亦為 24 小時有載，可採用水對水熱泵 系統，考慮其供應洗浴用水時之熱水負荷，有盆浴狀況時，每人日使用水量較淋浴狀 況為多。 對於規劃設備容量前，應先就改建標的之冷熱負載端熱負荷進行分析。調查項目 與上述醫院類型相同，唯若設有溫水游泳池，則應調查其幾何尺寸，壁面材質，使用 溫度，環境溫度等。 2. 大型醫院、學校與軍方單位等之建築物熱泵系統規劃容量與產生熱水單位耗能特性分析 由於各類建築之熱水需求與負載型態互異，因此其熱泵系統規劃容量與產生熱水 單位耗能將各具特性，必須進一步分析。尤其，其間有些建築已具備既設之熱水系統， 因此必須研析其相互整合之方式。本項工作將以大型醫院、觀光旅館與學校或軍方單 位等作為對象，進行分析，以求取系統最佳化之潛力。 3. 選取運轉中之大型熱泵系統進行實際節能減碳效益之全尺度實驗印證 本研究方法針對選取運轉中之大型熱泵系統，參考根據 1975 年 W.F Stoecker 於 ASHRAE 提出一套針對製冷系統之模擬程序。藉以視大型空調冰水或熱泵主機為一個 控制容積(Control Volume)之觀念，掌握影響製造能源之重要參數如:熱水供水溫度、冷 卻水進水溫度，以及主機運轉部分負載計算而得之實際耗電量，可獲得主機運轉性能 之評估。

10 然而，實際量測工作應加入其他量測的溫度與雙側之流量，此乃數值分析法上允 許的鬆弛因子(relaxed factor )，工程誤差為 10 %以內。以熱泵熱水系統而言，主機實 測需要擷取的參數，如圖 1-1 所示。分別為冰水熱水溫度差、冰水熱水流量、實際耗 電量，及運轉部分負載率等，以進行熱泵主機運轉性能 COP 量測。 上述量測參數也作為 COP 節能驗證的條件依據。此外，必須注意能量有否達到熱 平衡，可由熱力學第一定律能量守恆關係式=> Qh = Wp + Qe，工程誤差為 5 % 以內， 以進行重複確認。上述 COP 量測方式於系統改善前後皆適用。 圖 1-1.熱泵系統運轉性能 COP 評估之實測參數示意圖 資料來源：本研究計畫整理 4. 新設熱泵系統與既設之建築物空調系統與熱水系統之整合設計應用分析 本項工作對於某些建築物熱水供應之需求與特性不盡相同時，如:某些旅館於旅行 團瞬間進住或軍隊等訓練單位於收操後固定於指定之時段內，要求所有人員集中而快 速之完成洗浴；然而，此時熱泵系統於供應熱水之際，其所產生之冰水可加以回收， 整合至空調系統中，供應部分冷房以減少空調用電，達到雙重節能效果。

11 上述設置熱泵熱水系統與既設建築物空調系統、既設熱水系統之整合設計應用方 法與節能效益分析，乃為本項研究重點。 4.1. 太陽能熱水系統與熱泵系統之整合設計應用 太陽能熱水系統的構造主要是由集熱器、儲水桶和控制系統等三部份構成：  集熱器：集熱器的主要功能是將太陽能輻射能轉換成熱能，再傳給循環工作流體。  儲水桶：因太陽光並非隨時穩定照射，由集熱器流出之熱水需暫時儲存，以供使用 需要。一般儲水槽多用不銹鋼桶加一層或數層絕熱材料而成，在正常情況 下，可保持水溫一天下降 3 ℃以內。  控制系統：控制系統包括溫度控制及時間控制，可依所選定時間控制儲水槽內水溫。 大部分家用太陽能熱水器如單獨使用時，都裝有輔助電熱器，可在日射 量不足時，輔助加熱達到所需溫度。在大型強制式熱水系統之儲水桶與 集熱器間裝有溫差控制器，如果溫度差達到一定值，將自動啟動泵浦將 儲水桶內較冷之水打至集熱器吸收太陽輻射能加熱。 太陽能熱水系統會因為白天日照不足而需使用到電熱輔助加熱器，若能與熱泵熱 水系統進行耦合並相互整合之設計應用，則具顯著節能效果，如圖 1-2 所示。

12 圖 1-2.太陽能集熱器與熱泵熱水系統整合設計應用之示意圖 資料來源：本研究計畫整理 4.2. 新設熱泵與既設鍋爐熱水整合為複合式熱水系統之設計應用 本系統之整合設計應用較為常見，與上述例子相互間之整合設計應用構想大致相 同，只不過是將既設電熱水器置換成燃柴油鍋爐熱水系統。經新設熱泵主機系統與既 設柴油鍋爐熱水系統，如圖 1-3 所示。

13 圖 1-3 新設熱泵與既設柴油鍋爐熱水整合為複合式熱水系統圖 資料來源：本研究計畫整理 4.3. 熱泵熱水系統與既設中央空調系統之整合設計應用 以某大型醫院為例，既設之熱水系統為瓦斯蒸氣鍋爐系統 2 套。因瓦斯蒸氣鍋爐 系統建置年限已久，運轉性能效率不佳，造成能源之浪費。改以增設熱泵系統與瓦斯 蒸汽鍋爐系統合併使用，以減少能源消耗。 整合方式以熱泵及內建水泵及板式熱交換器，合併既有熱水系統之及迴水泵，並 搭配溫度控制，控制熱泵及水泵運轉時間，不僅製熱能力上升，且經 TAB 量測調整後， 其耗電量將明顯降低，使系統運轉較既有穩定。同時，新設熱泵系統運轉供應製冷部 份，也併入既設中央空調系統之整合設計應用，如圖 1-4 所示。

14 圖 1-4 熱泵熱水系統與既設中央空調系統之整合設計應用 資料來源：本研究計畫整理 5. 建立建築能源效率之節能策略最佳化並提供未來推動建築節能改善之修正建議 承上述第 4 項工作所舉應用方式，進行實際運轉之經濟效益評估。本方法將以簡 易投資回收年限法（Simple Payback），即實際設置成本（包含：設計、工程費）與系 統改善前後之節能費用相除獲得。並對於投入設置熱泵熱水系統之推廣應用方式進行 分析。 本研究重要量測儀器為超音波水流量計、溫度及熱泵主機、冰熱水泵群耗電量之 量測工具。於量測工作進行時，由於熱泵熱水系統之製熱側溫度約為 50~55 ℃，可能 影響溫度及流量探測頭上所塗的介質乾化，導致量測精確度，必須反覆更換。

15 由於本計畫以進行全尺度實驗印證，在量測上涉及冷熱水側之流量量測，必須在容許 的 5 % 誤差範圍，且流量偵測訊號及流量穩定變化都應特別注意。當遇以上情況，通常可 視現場管路分布，擷取遠離彎管位置之靠近主機有效之長直管路且進出口處，拆除保溫材， 以進行量測工作。 本研究進行之步驟流程，如下圖 1-5 所示： 圖 1-5 建築熱泵系統之節能改善效益分析與實驗印證之研究流程圖

17

第二章 不同建築類別之熱泵系統設計應用與冷熱負載之耗能特性分析

坊間對於冷凍空調與熱泵系統之著述甚多。然而，由於大抵係依教科書之方式編 寫，因此，過於偏重理論計算與及其相關熱泵機器本體與元件製造之熱傳分析；反而 忽略了其於實際系統設計應用所須之總體宏觀概念。 有鑑於此，本研究跳脫此種傳統思考方式之桎梏，改由整體系統設計之方向進行。 製造廠所須之機器與元件製造熱傳分析知識固然重要，如何以熱泵成品進行良好之系 統新設設計或既有系統改善設計，具有更為廣泛之市場需求，為本研究之主旨與目標 所在。 因此，本研究自熱泵系統設計之角度切入，進行其相關之設計手法分析，並建立 熱泵系統規畫設計程序。於下一章節，再行配合大規模之運轉中熱泵系統全尺度實驗 印證，如此可一氣呵成，道一以貫之。 熱泵系統之工作原理與理論分析，亦以融會貫通與深入淺出之方式進行，呈現完 全不同之宏觀風貌。對於一般性之熱泵工作原理簡介，讀者可自行參閱冷凍空調專業 之教科書或 ASHRAE Handbook 即可。

第一節

熱泵系統之工作原理與理論分析

1. 何謂熱泵？為何取名為熱泵？ 熱泵之工作原理與冷氣機採用之蒸氣壓縮式冷凍循環（Vapor Compression Refrigeration Cycle，簡稱 VCR 循環）相同；只不過冷氣機係採取其蒸發器端之製冷能 力 Qe 運用提供冷氣，而熱泵則採取其冷凝器端之製熱能力 Qc 進行運用提供熱水，如 此而已。 VCR 系統經由冷媒自低溫之蒸發器端取熱，再於高溫之冷凝器端排熱；此過程極 類似於水泵系統自低位階處，將水泵送至於高位階處之過程。只不過熱泵搬運的是熱

18 能，克服的是自低溫到高溫之溫度差；而水泵搬運的是水，克服的是自低位階到高位 階之位能差，但其泵送機制類似，因此一謂「熱」泵，一謂「水」泵，請參如圖 2-1 所示。 圖 2-1 水泵與熱泵之泵送機制雷同示意圖 (資料來源: 本研究計畫自行整理)

2.熱力學第二定律（The Second Law of Thermodynamics）之真諦

於此自低溫之蒸發器端取熱再排放於高溫之過程，或自低位階處將水泵送至於高 位階處之過程，皆無法自然發生，而必須藉由電能 P 之輸入，此即為熱力學第二定律 之真諦。 熱力學第二定律最常見的兩個說法；分別為克勞修斯表述與凱爾文表述： 克勞修斯表述（Clausius Statement） 1850 年克勞修斯將這一規律總結為：「不可能把熱量從低溫物體傳遞到高溫物 體，而不產生其他影響」，此為其文字之直譯。克勞修斯表述，是以熱量傳遞的不可 逆性作為出發點。亦即，熱量總是自發地從高溫熱源流向低溫熱源。若要將此程序逆 轉，則必須有外界功量，亦即電能之輸入，冷氣機或熱泵即為最典型之應用。 克勞修斯表述在強調，若違反自然，將熱量自低溫搬運到高溫，是必須付出代價 的！因此，冷氣機及熱泵皆須耗電。

19 那麼應須耗多少電呢？如此即導引出定義熱機效率之必要性。 3. 熱機效率定義之重要性 當熱量自發性地從高溫熱源流向低溫熱源之過程中，即可對外界輸出功量或發 電。此過程即為通稱之卡諾循環（Carnot Cycle）或其延伸之變種。 一般的摩托車、汽車等引擎或發電廠，藉由燃燒石化燃料：如煤或汽油、天然氣 以提昇至高溫，在熱量流向低溫時，對外界輸出功量或發電，為此種「熱機」典型之 應用。

反之，熱泵系統則根據逆卡諾循環原理 （Reverse Carnot Cycle）；採用電能驅動 壓縮機做功，通過蒸發器將大氣或水或地源中的熱能吸收，經冷媒壓縮轉化成高溫熱 能，再通過冷凝器把所攜帶的熱量，傳遞給供應熱水系統進行供熱。 如此熱泵系統可提供熱量之大小，及其運轉效率如何定義，即更形重要了！ 凱爾文表述（Kelvin Statement） 前述之熱力學第二定律凱爾文將這一規律總結為： 「不可能從單一熱源吸收能量，使之完全變為有用功而不產生其他影響」，此為 其文字之直譯。 換言之，發電廠或任何工廠皆不可能達 100%熱效率，一定會排放一些廢熱；否則， 工廠或輪船火車皆不用設煙囪了！摩托車或汽車也就不必設排氣管了！

4. 熱力學第一定律（The First Law of Thermodynamics）之真諦

於上述卡諾循環從高溫熱源流向低溫熱源之過程中，總輸入之熱量 Q1 將等於對 外界輸出之有用功量或電能 P，加上對外界放之廢熱 Q2 之總和，因為總能量不滅，此 即為熱力學第一定律之真諦，亦即：

20 5.「熱機」效率之定義 於上述卡諾循環過程中，對外界輸出之有用功量或電能 P 愈大，表示熱效率愈高； 此狀況下，亦表示對外界排放之廢熱 Q2 愈小。 因此「熱機」效率即定義為：P 與 Q1 之比值；此比值愈大，表示熱效率愈高；於 此過程中 Q1 可視為代價，亦即輸入值；P 可視為成果或效益，亦即輸出值。 6.「熱泵」效率 COP 定義之概念 反之，對於運用逆卡諾循環原理之冷氣機或熱泵而言，輸入電量 P 為代價亦即輸 入值; 而成果或效益則分為兩種： 對於冷氣機而言，成果為製冷能力；即上述之 Q2 或其蒸發器端之製冷能力 Qe， 亦即輸出值。 對於熱泵而言成果為製熱能力；即上述之 Q1 或其冷凝器端之製熱能力 Qc，亦即 輸出值。 藉助冷氣機或熱泵使熱量從低溫熱源流向高溫熱源，這過程是藉助外界對冷氣機 或熱泵輸入電做功實現的，即這過程除了有熱量的傳遞，還有功轉化為熱的其他影響。 此充份印證了克勞修斯規律，亦即藉助冷氣機或熱泵，使熱量從低溫熱源流向高 溫排放，必須付出代價，也就是必須耗電 ，此即為克勞修斯所言的「不可能不產生其 他影響」之意。 也充份印證了凱爾文規律，亦即任何熱力過程皆不可能達 100 %熱效率，亦即 Q1 不可能等於 P，也因此 Q2 不可能等於零。此即為凱爾文所言的「不可能使之完全變為 有用功而不產生其他影響」之意。 功量可 100 %轉換為熱能，但依凱爾文所言，熱能卻無法 100 %轉換為功量。因 此，同樣 100 kwh 之電能與 100 kwh 之熱能，所代表之價值完全不同。電能是已經轉 換效率「打折」後的，真正可對外界做功的寶貴成果，其價值較高。

21 7.「熱泵」效率 如何定義？---- 代價與成果之槪念

若能在輸入很小的耗電量 P 下（代價），可以獲得很大的製冷能力 Qe（冷氣機成 果），或很大的製熱能力 Qc（熱泵成果），則可視為此冷氣機或熱泵效率較高；因此， 定義其性能係數（Coefficient of Performance，簡稱 COP）如下：

對於冷氣機而言： COP = Qe / P 因為冷氣機提供的成果是製冷能力 Qe。 對於熱泵而言： COP = Qc / P 因為熱泵提供的成果是供熱能力 Qc。 且由於 Qc = Qe + P，因此熱泵之 COP 等於冷氣機之 COP + 1。 顯然，此 Qc 值一定大於 P 或 Qe 之單項值。目前市面上之商用熱泵 COP 值，大 抵皆達 3 以上；亦即，Qc 為 P 的 3 倍以上；因為連壓縮機輸入之電能，也一併被轉換 為提供一部份之供熱熱能了。 反之，一般以電熱器或電熱鍋爐燒熱水的系統，只單純的將電能全部 100% 轉換 為熱能，其最高理論效率，亦即 COP 只能達到 1（100%）。也因此以熱泵系統來改善 既有之電熱系統大抵皆能獲得 50%以上之改善效率，投資回收年限接近 2 年以內；有 些系統甚至短至數月而已。此即為其基本之理論根據所在！

22

第二節

熱泵系統之電腦模擬分析

電腦模擬分析為重要的系統分析工具。一般以為，此必然太偏重理論，於實際設 計之工程應用上，並無直接的顯著助益。事實不然。 本節內容採用 Solkane 電腦模擬程式，配合現場量測數據進行熱泵主機之 COP 數 值分析。可同時與所設計選定之熱泵主機性能進行比對分析；同時，於施工工程完成 後，進行 TAB 調適時，進行實驗印證為極重要之程序。 熱泵主機之 COP Mollier 線圖理論分析 承上節所述，熱泵主機乃依據 VCR 循環運行。因此，其 COP 於 Mollier 線圖上， 主要由壓縮機之吸入端與吐出端之壓力與溫度所決定。 於工作現場之管線系統上，此處一般皆設置有溫度壓力錶，為主機之 COP 性能量 測，提供了良好的條件。 今以實例說明如下： 南部某國立大學設置熱泵主機，使用冷媒為 R-134A，進水溫度 50℃，出水溫度 55℃，水流量 200 LPM，額定製熱能力為 44,710 kcal/hr，額定消耗功率為 15 kW，COP 性能係數為 3.47。經裝設運轉時日，至現場檢視熱泵主機運轉工作狀態，運轉冷媒高 低壓值，如下圖 2-2 所示，其對應於 Solkane 電腦模擬程式繪製出 Mollier 線圖。計算 求得此熱泵主機於 COP 為 3.3。 此即表示經設計選定之熱泵主機廠測性能值，與施工裝設完成，並進行 TAB 調適 後。於運轉時日至現場以熱泵壓縮機之吸入端與吐出端之壓力之顯示數據，模擬獲得 主機性能係數相差 4.9 %。對此分析認為並非性能衰減之情事，而是未達到比較之基準 條件。原因兩者當時的運轉負載及冷熱側運轉參數狀態，而造成任一項無法固定之比 較基準因素。因此，使用本軟體程式工具對於熱泵主機進行性能比對與實驗印證，仍 為一重要之程序。

23 圖 2-2 熱泵主機運轉現場記錄高低壓數據之之 COP 數值分析結果圖 (資料來源: 本研究計畫自行整理)

第三節

應用於各種不同熱源之熱泵系統運轉特性分析

1.熱泵熱水系統依熱源形式分類 依熱源之型態，可分成空氣源、水源、地熱源及太陽輻射源等四種熱泵系統。

，

主要以其取熱之來源加以區分。 氣源式熱泵系統之特性分析 空氣源熱泵熱水系統於蒸發器自大氣中取熱，經壓縮轉化成高溫熱能，再通過冷 凝器把所攜帶的熱量傳遞給水中，對生活用水加熱的供熱系統，如圖 2-3 所示。

24 圖 2-3 氣源式熱泵熱水系統示意圖 (資料來源：Google 網站搜尋圖片，https://www.google.com.tw/search?newwindow) 由於熱泵系統之蒸發器經吸取大氣熱能，而大氣成為冷風排出，若以風管設施導 引至室內可降低部分空調負荷，充分發揮熱泵系統之節能效益，如圖2-4所示。 圖 2-4 氣源式熱泵系統具降低部分空調負荷之系統設計圖 (資料來源：Google網站搜尋圖片，www.themegallery.com) 上述熱泵系統，亦可直接將排出的熱能（QH）導入屋內成為暖氣，此為市面上銷 售的冷暖氣機，即兼具暖氣功能的冷氣機。

25 水源式熱泵系統之特性分析 水源式熱泵熱水系統可由河川、泉水、工業廢水、地下水、空調系統的回水或冷 卻廢水取得熱能，這種熱泵稱為「水源熱泵」。若將產生的熱能用來製造熱水，也稱為 「水對水熱泵」，如圖 2-5 所示。 圖 2-5 水源式熱泵熱水系統示意圖 (資料來源：Google網站搜尋圖片，https://www.google.com.tw/search?newwindow) 水是一種優良的熱源，具有冬季能維持比大氣溫度相對高溫的特質，使於外氣溫 度極低之時，取得相對高溫之熱能而增高熱泵熱效率。小型熱泵可使用湖沼、河流及 地下水為熱源，但一般須經當地水權機構批准。 水源式熱泵熱水系統，若能與既設之空調系統整合，則系統除供應熱能外，更能 提供部分冷能，分擔部分冰水主機負荷，如圖 2-6 所示。 此時熱泵之製冷側，形同一小型之製冷空調機，與既設之空調系統並聯運轉。

26 圖 2-6 水源式熱泵熱水系統提供部分冷能，分擔部分冰水主機負荷之系統示意圖 (資料來源：承研能源科技公司) 但此種設計方式必須考量空調主機長時間運轉之可能性；否則，於某些季節，中 央空調系統負載需求低，甚或關機之情況下，熱泵之製冷側冰水無去處，有時將使得 熱泵主機無法正常運轉。 為因應此種情況，主要可採取兩種設計對策： 1. 當熱泵系統產生之冰水量，遠不及空調冰水主機供應之冰水量時，可將熱泵系 統冰水側之出水管路，直接連接空調冰水系統之回水管形成串聯，或直接輸送至冷卻 水塔處排掉。或者， 2. 選用氣水源兩用之「冷熱雙效熱泵系統」商用機種。 如此，熱泵系統可因應季節性的冷熱需求，來切換製冷側蒸發器的熱源；當冷能 需求極低之時，可切換變成氣源式熱泵，將廢冷直接排放到大氣，如圖 2-7 所示。

27 圖 2-7 氣水源雙效熱泵熱水系統示意圖 (資料來源：本研究計畫自行整理) 地冷式熱泵系統之特性分析 地冷式熱泵系統是一種利用地底土壤溫度穩定的特性，透過建築物周遭埋設的管 路系統將建築內部空間與地底的熱作交換。通常由管路系統、熱交換器、控制系統搭 配空調系統、熱泵模組以提供空間冷暖房的需求。 在夏季，地底溫度較低，地冷熱泵系統將建築物內部多餘的熱量取出藉由熱交換 器中的媒介(空氣或水)將熱排入地底作熱交換使室內達到冷卻的效果；在冬季則是相 反的運作方式，熱交換器將地底較多的熱量藉由空調機組導入室內以提供供暖的效 果，如圖 2-8 所示。

28 目前雖然地冷熱泵技術已被發展，但仍有一些工程上的問題必須被克服，尤其在 建造成本上，較適合於高緯度地區應用等之因素。 圖 2-8 地冷式熱泵與內部元件運作系統圖 (資料來源：潔淨能源專案分析，RETScreen 工程與案例教課書) 太陽能輔助熱泵 如圖 2-9 所示，利用太陽能集熱板與蒸發器收集太陽能，至熱泵壓縮機透過冷凝/熱虹 吸交換器，將熱能儲存至熱水儲槽。雙熱源型熱泵熱水系統可以同時利用空氣源和太陽能 輻射能作為熱泵熱源，穩定性較高，晴天可同時從大氣與太陽取熱，而陰雨天與夜晚則全 由大氣取熱，其運轉不受天氣變化影響。

29 圖 2-9 雙熱源型熱泵熱水系統示意圖 (資料來源：熱泵熱水系統 Q&A 節能技術手冊) 傳統方式上，既設太陽能熱水系統，於遇到陰雨天時，大抵皆輔以電熱輔助以產 生所需熱水量及溫度；因此另一種設計方式，則為將此電熱輔助系統改為熱泵主機， 成為太陽能輔助熱泵系統。如圖 2-10 所示。 當白天日照充足時段，太陽能熱水系統運轉製熱，儲存於儲存水槽，由太陽能系 統提供部份甚或全部之所需熱源。至傍晚開始使用熱水後，可能很快地將太陽能所製 熱水量用盡。此時，除了補充水源外，同時感測儲存水槽內水溫已低於設定值，啟動 熱泵主機投入運轉製熱，以迅速提供熱水之所需，節省傳統輔助電熱之能源。

30 圖 2-10 太陽能熱水結合氣源式熱泵系統示意圖 (資料來源: Google 網站搜尋圖片，https://www.google.com.tw/search?newwindow) 1. 依加熱方式分類之熱泵熱水系統 本節就熱泵運轉加熱方式進行分類，可分為直熱式與迴圈式加熱兩種方式，說明 如下： 直熱式加熱方式 此種設計方式

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直接將來自外界的冷水進入熱泵機組後，直接供應 55℃的熱水， 而且設備內部沒有小水箱。由於保溫水箱與設備之間沒有循環水泵，設備的開啟與停 止完全按照水箱的高低水位控制器來控制。通常使用於熱泵主機的冷媒，皆以高壓冷 媒為主，如：CO2、R410A、R134A、 R407C。 直熱式熱泵的優勢呈現在以下幾個方面： a. 不需要循環水泵，減少能耗與故障機率。 b. 開機後就獲得源源不斷的 55℃左右熱水，不需要等待，補水速度比迴圈式快，遇到 客戶用量大的情況，安全係數更高。不加任何輔助加熱設備情況下，出水溫度可達 到 65℃。