台灣住宅部門熱泵系統之成本效益分析 - 政大學術集成

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(1)國立政治大學社會科學學院經濟學系碩士論文. 政治大台灣住宅部門熱泵系統之成本效益分析. 立. ‧ 國. 學. Cost-Benefit Analysis of Residential Heat Pump System in Taiwan. ‧. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 研究生：朱圃漢指導教授：許志義. 中華民國一○○年七月.

(2) 謝誌兩年研究所生活轉眼即逝，回憶當初僅僅抱持對經濟的興趣入學，但經研所給予我的回饋卻比我想要的還更加豐富。從初次見面尷尬的迎新開始到全班一同出遊聯誼，從每堂必修的課程到圖書館與研討室，不論是在聚會中還是在每次共同研習與討論，我都能感受到班級的團結與和樂。感謝我們的班代還有所有同班同學，能進入這樣優秀的一班，是我研究所生活中最大的幸運。在碩班學習的過程中感謝經濟系所的師長，毛維凌、陳鎮洲、黃俞寧、林馨怡及許志義老師給予我的教導以及經濟觀念的啟發。我要特別感謝我的指導老師許志義老師，不僅引領我進入能源經濟領域開創我的視野，在我論文寫作的過程中更是不辭辛勞的帶領我們拜訪熱泵協會、相關業界及台電公司，指導我論文寫作方法，老師的支持與鼓勵，是我論文寫作中最大的助力。謝謝陳澤義老師、錢玉蘭老師擔任我的口詴委員，老師們給予我的寶貴意見，使我的論文能更加完整。. 立. 政治大. ‧ 國. 學. 感謝政大總務處王明軍先生、學務處張君豪先生、台灣熱泵協會林江財理事長、永續先進能源公司黃瑞湄特助、金弘利公司張鑫龍總裁、善騰太陽能源公司葉志忠總經理，在研究過程中提供熱泵熱水系統之相關實證資料。在此要特別感. ‧. 謝台灣熱泵協會陳建方秘書長，在百忙之中能撥冗提供協助，諸多熱泵技術相關問題亦熱心解釋與指導。. Nat. y. sit. n. al. er. io. 謝謝我的直屬學姊晏伶，在學業上還有研究所生活都給我許多寶貴且實用的建議，感謝同班同學比聖、竣永、孙翔、葛天協助我解決課業上的諸多的疑難雜症，尤其要謝謝一直以來共同研究、互相幫忙的嘉豪和乃頊，有你們的相助和陪伴使得研究過程更加有趣與充實。. Ch. engchi. i n U. v. 最後我要非常感謝我的家人，我的爸爸、媽媽、妹妹、看護 Suti 還有我最慈祥可愛的奶奶，謝謝你們一直以來的支持，我才能心無旁騖地專心於課業，朝向自己的興趣發展，在我遇到瓶頸與困難的時候安慰我，幫我加油。謝謝我的家人，你們是支持我持續完成論文的力量。撰寫這本論文對我來說不是一件容易的事，一直以來受到大家的協助我才得以順利完成，對於所有曾經幫助過我的人再次致上我由衷的感謝。. 朱圃漢謹誌於國立政治大學經濟學系碩士班中華民國一○○年七月 i.

(3) 摘要台灣為海島型國家，因自有能源貧乏，99%以上的能源仰賴國外進口。為確保能源供給之穩定與安全，除發展再生能源之外，提高能源終端使用效率為重要之解決手段。熱泵系統因其獨特之節能減碳效果，在歐美先進國家備受重視，極力推廣。基此，考量台灣氣候類型及居住型態，評估熱泵熱水系統的適用性及成本效益分析，爰為本研究之動機與目的。為了彰顯應用熱泵系統在不同地區氣候條件與能源價格之差異，本研究將台灣劃分為 12 個地區，並且以電能、LPG 桶裝瓦斯、NG 管線瓦斯三種現有之住宅用熱水系統作為可供替代之選項，利用迴避成本(Avoided Cost)推估台灣各地區住宅部門改採熱泵熱水系統之成本效益。此外，參考歐美先進國家熱泵系統補助政策，以及台灣現有「太陽能熱水系統推廣獎勵措施」之政府政策補助方案，設定各相關參數，俾模擬政府補貼方案情境下之成本效益分析。. 立. 政治大. ‧ 國. 學. 分析結果以淨現值(Net Present Value)、益本比(Benefit-Cost Ratio)及折現回收期(Discounted Payback Period )呈現，結論可從兩個觀點之檢定加以評估。其一、以「參與者檢定」評估是否有足夠的經濟誘因，促使住宅用戶裝設. ‧. 熱泵熱水系統。其二、以「總資源成本檢定」，評估推廣熱泵系統對於整體社會是否具有淨效益。. Nat. y. sit. n. al. er. io. 本研究中全台 12 個地區，若以熱泵系統取代電能熱水系統、LPG 瓦斯熱水系統、NG 瓦斯熱水系統三種既有設備，交叉比對之 33 個替代方案，由「參與者檢定」之結果顯示，所有替代方案之益本比均大於 1.1；折現回收期最長達 11.3. i n U. v. 年，最短僅 3.2 年。若模擬政府補助 18,000 名用戶採用熱泵系統，則「總資源成本檢定」之結果中，所有替代方案之益本比介乎 1 至 1.73 之間；折現回收期最長達 14.9 年，最短僅 5.4 年；住宅部門以熱泵替代現有電能、LPG 瓦斯、NG 瓦斯熱水系統至少可降低碳排放量每年 2,707 公噸。三種替代類別中以電能熱水系統替代方案益本比最高(介乎 1.55 至 1.73)；LPG 瓦斯替代方案之益本比居次 (介乎 1.19 至 1.28)；NG 瓦斯替代方案益本比最低(介乎 1.0 至 1.06)。全台 12 個地區考量環境溫度差異之影響以南投分區改採熱泵系統的益本比最高(電能替. Ch. engchi. 代 1.73、LPG 瓦斯替代 1.28、NG 瓦斯替代 1.06)，屏東分區的益本比為最低(電能替代 1.55、LPG 瓦斯替代 1.19、NG 瓦斯替代 1.0)。若考量熱泵系統市場滲透率，以熱泵取代 NG 瓦斯熱水系統之市佔率達 5%、 20%、50%時，台灣整體社會的淨現值分別為 251 百萬元、1,006 百萬元與 2,514 百萬元，且每年可減少碳排放量 27,169 公噸、108,675 公噸以及 271,687 公噸。. 關鍵字：熱泵系統、住宅部門、節能減碳、成本效益分析、淨現值、迴避成本 ii.

(4) Abstract As an island country, 99% energy supply in Taiwan depends on importation due to the very limited endogenous energy. In order to maintain both energy security and stability, improving energy efficiency of consumer end-use is an important government policy. Heat pump systems have been widely applied and strongly promoted in Europe and United State for its uniquely energy saving and CO2 reducing capability. Therefore, the motivation of this study is to access the regional applicability of heat pump water heating system for Taiwan’s climate and residential building types by cost-benefit analysis method. To demonstrate the regional difference of climatic conditions and energy prices heat pump application, Taiwan is divided in twelve regions with three kinds of alternative residential water heating systems (i.e. electric heating, LPG tank heating, and NG pipe heating). Under these conditions, we utilize the avoided cost method to access itemized costs and benefits of heat pump water heating systems in various regional families in Taiwan. In addition, referring to heat pump incentive scheme in advanced European countries and North America while considering solar water. 立. 政治大. ‧ 國. 學. ‧. heating systems incentive policy in Taiwan, we also simulate variation of parameters (such as cash rebate subside, total residential heat pump user numbers )of heat pump system subsidy program.. sit. y. Nat. n. al. er. io. The outcome of cost-benefit analysis is presented in a form as net present value (NPV), benefit-cost ratio (BCR), and discounted payback period (DP). The results. Ch. i n U. v. could be analyzed by test from two different perspectives including Participant Test (PCT) from participant perspective and Total Resource Cost Test (TRC) from overall sociality perspective.. engchi. All of the 33 alternative programs constituted by 12 regions with electric , LPG and NG systems, for PCT, BCR, all 33 alternative programs are greater than 1.1; DP are between 3.2 to 11.3 years. For TRC, BCR, all 33 alternative programs are greater than 1 but less than 1.73; DP are between 5.4 to 14.9 years. Residential building adopting heat pump could reduce 2,707 tons carbon emissions annually. For the three types of alternative system, BCR of electric heating alternative program is the largest and NG alternative program being the least. For all of the 12 regions, BCR of Nantou region is the largest for adopting heat pump while BCR of Pingtung region is the smallest.. iii.

(5) NPV of overall Taiwan with market penetration reaching 5%, 20% and 50% substitution rate from heat pump system to NG water heating system are 251 million NT$, 1,006 million NT$, and 2,514 million NT$ respectively. Carbon emissions reduce 27,169 tons, 108,675 tons and 271,687 tons annually. Keywords: heat pump, residential section, energy saving and carbon emissions reduction, cost-benefit analysis, net present value. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. iv. i n U. v.

(6) 目錄謝誌. ……………………………………………………………………………i. 中文摘要. ....................................................................................................................ii. 英文摘要. …………………………………………………………………………...iii. 目錄. ……………………………………………………………………………v. 表目錄. …………………………………………………………………………..vii. 圖目錄. …………………………………………………………………………...ix. 第一章. 緒論………………………………………………………………………1. 1.1. 研究動機與目的………………………………………………………….1. 1.2. 政治大研究方法………………………………………………………………….3 立研究範圍與限制………………………………………………………….4. 1.4. 研究流程與論文架構…………………………………………………….5. 第二章. 熱泵系統及其發展現況…………………………………………………7. 2.1. 熱泵系統概述…………………………………………………………….7. 2.2. 熱泵系統發展現況……………………………………………………...13. ‧. ‧ 國. 學. 1.3. er. io. sit. y. Nat. al. v. 歐洲…………………………………………………………………13. 2.2.2. 美國…………………………………………………………………14. 2.2.3. 亞洲…………………………………………………………………16. n. 2.2.1. Ch. engchi. i n U. 2.3. 各國熱泵推廣政策……………………………………………………...17. 第三章. 研究方法與文獻探討…………………………………………………..23. 3.1. 熱泵效率改善研究文獻………………………………………………...23. 3.2. 熱泵經濟效益分析……………………………………………………...24. 3.3. 本研究採用之評估方法………………………………………………...25 3.3.1. 分區評估方法………………………………………………………27. 3.3.2. 節能估計方法………………………………………………………32 v.

(7) 3.3.3. 政府補助政策………………………………………………………35. 第四章. 熱泵系統應用之成本效益分析………………………………………..39. 4.1. 成本效益分析…………………………………………………………...39 參與者檢定…………………………………………………………40. 4.1.2. 總資源成本檢定……………………………………………………42. 敏感度分析……………………………………………………………...45 4.2.1. 基本模擬補助政策執行結果………………………………………47. 4.2.2. 政府補助比例提升…………………………………………………55. 4.2.3. 能源價格成長………………………………………………………57. 4.2.4 4.2.5. 折現率分析…………………………………………………………65 熱泵系統應用之滲透率分析………………………………………67. ‧. 4.2.7. 熱泵系統設備成本降低……………………………………………62. 學. 4.2.6. 政治大能源效率提升………………………………………………………59 立. ‧ 國. 4.2. 4.1.1. 引申討論………………………………………………………………...69. 第五章. 結論與建議……………………………………………………………..72. 5.1. 結論……………………………………………………………………...72. y. sit. er. al. v i n 研究貢獻………………………………………………………………...77 Ch engchi U n. 5.3. io. 5.2. Nat. 4.3. 後續研究方向與建議…………………………………………………...78. 參考文獻……………………………………………………………………………..79 1.. 中文文獻…………………………………………………………………….79. 2.. 外文文獻…………………………………………………………………….81. 附錄…………………………………………………………………………………..84. vi.

(8) 表目錄表 2.1 日本空調設備(熱泵型)歷年能效係數帄均值………………………………20 表 2.2 各國熱泵推廣政策…………………………………………………………..21 表 3.1 台灣各地區太陽能日照年總值……………………………………………..27 表 3.2 台灣各縣市季節帄均溫度…………………………………………………..29 表 3.3 公用天然氣事業氣體售價表(99 年)-從量價………………………………..29 表 3.4 國內桶裝瓦斯查報價格(2010 年)…………………………………………...31 表 3.5 各類型家用熱水器之效率比較……………………………………………..33. 政治大. 表 3.6 熱泵熱水器能效係數(COP)…………………………………………………33. 立. 表 3.7 基準線關係方程式…………………………………………………………..35. ‧ 國. 學. 表 3.8 各國熱泵熱水器補助金比較………………………………………………..35 表 3.9 太陽能熱水系統補助作業與成效調查研究計畫作業成果………………..36. ‧. 表 3.10 燃氣其電力排放係數………………………………………………………38. y. Nat. er. io. sit. 表 4.1 各成本效益檢定之觀點……………………………………………………..40 表 4.2 參與者檢定之參數設定……………………………………………………..42. al. n. v i n 表 4.3 總資源成本檢定之參數設定………………………………………………..45 Ch engchi U. 表 4.4 敏感度分析項目內容說明…………………………………………………..46 表 4.5 各替代類型之分區編號……………………………………………………..47 表 4.6. 電熱替代方案各分區之節能率……………………………………………48. 表 4.7. LPG 瓦斯替代方案各分區之節能率………………………………………49. 表 4.8. NG 瓦斯替代方案各分區之節能率………………………………………..50. 表 4.9. 電熱替代方案空汙排放減量結果…………………………………………53. 表 4.10. LPG 瓦斯替代方案空汙排放減量結果………………………………......54. 表 4.11. NG 瓦斯替代方案空汙排放減量結果…………………………………....54. 表 4.12 各種補助比例下參與者之淨現值…………………………………………55 vii.

(9) 表 4.13 液化石油氣國際 CP 價格…………………………………………………...57 表 4.14 能源價格成長敏感度分析之 PCT 檢定……………………………………58 表 4.15 能源價格成長敏感度分析之 TRC 檢定……………………………………59 表 4.16 設備成本降低敏感度分析之 TRC 檢定……………………………………64 表 4.17 各類替代方案之折現率敏感度分析………………………………………65 表 4.18 裝設 GSHP 之簡單回收期及淨現值……………………………………….66 表 4.19. 2010 年各分區天然瓦斯累計供應總戶數………………………………..68. 表 4.20 不同市場滲透率之空氣汙染排放減量比較………………………………69. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. viii. i n U. v.

(10) 圖目錄圖 1.1 研究流程………………………………………………………………………6 圖 2.1 熱泵裝置的運作原理…………………………………………………………8 圖 2.2 空氣源熱泵機組結構與運作方式…………………………………………..10 圖 2.3 空氣源熱泵建築安裝示意…………………………………………………..10 圖 2.4 各種類 GSHP 管線埋設方式示意…………………………………………...12 圖 2.5 歐洲市場各類熱泵系統銷售市占率………………………………………..14 圖 2.6 日本 Eco-cute 產品歷年銷售量……………………………………………..17. 政治大. 圖 2.7 熱泵獎勵推廣政策架構……………………………………………………..18. 立. 圖 3.1 成本效益估算方式及考量因素……………………………………………..26. ‧ 國. 學. 圖 4.1 電熱替代方案 PCT 檢定結果………………………………………………..48. ‧. LPG 瓦斯替代方案 PCT 檢定結果………………………………................49. 圖 4.3. NG 瓦斯替代方案 PCT 檢定結果…………………………………………..50. sit. y. Nat. 圖 4.2. al. er. io. 圖 4.4 電熱替代方案 TRC 檢定結果………………………………………………..52. v. LPG 瓦斯替代方案 TRC 檢定結果…………………………………………52. 圖 4.6. NG 瓦斯替代方案 TRC 檢定結果………………………………………….53. n. 圖 4.5. Ch. engchi. i n U. 圖 4.7 電熱替代方案不同補助比例之折現回收期………………………………..56 圖 4.8. LPG 瓦斯替代方案不同補助比例之折現回收期…………………………56. 圖 4.9. NG 瓦斯替代方案不同補助比例之折現回收期…………………………..56. 圖 4.10 能源效率提升敏感度分析之 PCT 檢定……………………………………60 圖 4.11 能源效率提升敏感度分析之 TRC 檢定……………………………………61 圖 4.12 能源效率提升敏感度分析之各分區碳排放減量比例……………………61 圖 4.13 NG 瓦斯替代方案屏東分區空氣汙染年減排量變化……………………62 圖 4.14 設備成本降低之折現回收期-電熱替代(PCT 檢定)……………………….63 ix.

(11) 圖 4.15 設備成本降低之折現回收期-LPG 瓦斯替代(PCT 檢定)………………….63 圖 4.16 設備成本降低之折現回收期-NG 瓦斯替代(PCT 檢定)…………………..63 圖 4.17 各類替代方案不同折現率下之淨現值……………………………………66 圖 4.18 各折現率下裝設 GSHP 之淨現值………………………………………….67 圖 4.19 不同市場滲透率之方案淨現值…………………………………………....69. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. x. i n U. v.

(12) 第一章 1.1. 緒論. 研究動機與目的我國自有能源貧乏，能源自產率占總能源供給尚不足 1%(經濟部能源局，. 2010)。然而伴隨經濟成長與國民生活水準提升，我國能源消費量在過去 20 年間成長快速。能源供給大量的仰賴國外能源進口造成我國能源價格頻繁波動，對居民生活與產業發展亦造成莫大影響。為維持能源供給之穩定與安全，除發展再生能源之外，提高能源終端使用效率亦為重要之手段。. 政治大. 我國自 89 年貣實施太陽能熱水系統推廣獎勵措施，其目的在於提高我國再. 立. 生能源使用率。截至目前國內總安裝面積為 178 萬帄方公尺，帄均每帄方公里國. ‧ 國. 學. 土面積安裝集熱器 30.97 帄方公尺為世界第七位，推廣成效斐然。然而我國住宅建築 47%為高樓式公寓，建築形式外觀及屋頂使用權(范馥婷，2000)等問題不利. ‧. 太陽能熱水系統之裝設。對於如此高比例的區塊，如何提升住宅部門能源使用之. y. Nat. er. io. sit. 效率值得深入探討。. 熱泵(heat pump)為一種「移熱」之機械裝置，依使用者需求可被整合成空. al. n. v i n 調、暖氣、熱水等設備。早期熱泵技術主要應用在冷凍空調之領域，近年來由於 Ch engchi U. 國際能源價格不斷調漲，連帶影響燃燒化石燃料加熱之成本上升，熱泵系統作為加熱設備的應用逐漸受到重視。熱泵具有低耗能、低碳排放等優點，根據歐盟 2009 年發佈之再生能源指令，定義熱泵系統所擷取之大氣熱能(aerothermal)、水熱能(hydrothermal)以及地熱能(geothermal)為再生能源之選項，熱泵系統實為兼具能源效率及再生能源利用之供熱及冷房設施。熱泵系統因其獨特之節能減碳效果，在歐美先進國家備受重視，極力推廣，國外亦時有研究討論熱泵系統應用之經濟與環境效益。相較於國外熱泵技術的應用已相當成熟，我國熱泵產業正處萌芽之階段，熱 1.

(13) 泵相關的研究文獻也較為稀少。目前國內熱泵技術的應用主要在建築熱水系統方面，實際安裝的案例則多屬於醫院、飯店、溫水泳池等大量熱水需求的建築類型。參考綠基會 2006 年的統計資料推估，全台大型熱泵系統案件的實績約在一百件左右。一般住宅方面，市場上雖有住宅用的熱泵產品，但礙於產品能見度不高，民眾對熱泵系統之特性了解甚少以致缺乏購買信心。目前國內熱泵相關研究如高志孙(2009)、李居芳(2008)研究有關熱泵系統效率的提升；宋炎明(2005)、王輔仁(2010)等研究方向則以實際案例的量測與驗證為主。綜觀我國熱泵相關研究偏向以單一案例作為研究標的，研究結果難以涵蓋熱泵應用廣泛的建築類型，熱泵. 政治大熱泵系統的使用在國內外是截然不同的情況，相關研究的數量也有極大落差。立. 應用之成本效益分析也缺乏有系統的計算方式。. ‧ 國. 學. 如何完善國內熱泵系統成本效益的研究方法，並且分析熱泵系統於台灣住宅部門之適用性，爰為本文之研究動機。. ‧. y. Nat. 本研究主要透過成本效益分析方法，展現熱泵熱水系統於台灣住宅部門之適. er. io. al. sit. 用性主要研究目的有以下四項：. v. n. 1. 建立系統化之熱泵熱水系統成本效益分析方法：參考國外成本效益計算之方. Ch. engchi. i n U. 法手冊，並且分析熱泵系統以電能替代化石燃料之模式，建立適當的成本效益計算方法，作為本研究分析之用。 2. 提供適當之工具評估熱泵熱水系統之成本與效益：目前國內研究以案例之績效驗證為主，尚缺合理之方式評估熱泵熱水系統之效益。本研究從熱泵系統之運作原理、能效表現、減排效果等逐步探討，並以此建立效益評估之方法。 3. 評估台灣各區應用熱泵熱水系統之適宜性：本研究參考翁志博(2009)之分區方法，考量地區氣候條件影響熱泵之工作效率，以氣候資料作為主要劃分依據。各分區內尚考慮行政區域的歸屬，彰顯各行政區域之能源價格差異影響分區使用熱泵系統之效益。 2.

(14) 4. 提供熱泵熱水系統之成本效益分析結果：利用已建立之工具，計算台灣住宅部門應用熱泵熱水系統之成本效益，並輔以各種背景假設之參數敏感度分析，提供決策者執行熱泵推廣政策之參考。. 1.2. 研究方法本文以「一家四口」之代表性家庭1的每月熱水熱值需求做為家庭能源使用. 的參考計算基準，計算代表性家庭使用現有的電能熱水器、天然氣瓦斯熱水器、液化石油氣瓦斯熱水器的每月能源耗用量。接續評估以熱泵熱水系統替代現有之. 政治大為成本效益計算之考量。本研究所計算之成本效益檢定分為參與者檢定以及總資立熱水器前、後的能源使用情況，以及替換所需支付的初始成本、維護成本等等作. ‧ 國. 學. 源成本檢定兩部分，計算所需考量之因素如下：. 參與者檢定各成本與效益項目的計算採用迴避成本法，計算時需要納入考量. ‧. 之因素包括分區評估方式、節能估計方式、政府獎勵補助金額等等。檢定之結果. y. Nat. sit. 以淨現值(Net Present Value, NPV)、益本比(Benefit-Cost Ratio, BCR)以及. al. er. io. 折現回收期(Discounted Payback period, DP)三種方式表現。. n. v i n 總資源成本檢定各成本與效益項目的計算採用迴避成本法以及願付價格法， Ch engchi U. 在計算時頇納入考量之因素為分區評估、節能估計及政府補助政策之執行成本。另外由於能源使用產生之空汙排放所造成的外部性成本，則參考梁啟源(2005) 的空氣汙染社會外部成本研究結果，該研究以願付價格進行外部成本之估算。總資源成本檢定之結果同樣以淨現值、益本比以及折現回收期表示。排放的社會外部成本雖已納入總資源成本檢定之項目中計算，但本研究仍將實際排放減量之數據獨立表示，以作為減碳政策目標之參考。. 1. 代表性家庭係以一對夫妻及兩名子女所組成之小家庭。 3.

(15) 1.3. 研究範圍與限制熱泵系統的種類及功能繁多，應用於不同之住宅類型時需考量不同的成本效. 益計算方式。使用功能過於複雜之熱泵系統做為評估標的不僅模糊本研究之目的同時也不能適用台灣一般家庭之使用情況。故本研究設定之研究範圍如以下所列： 1. 本研究所評估之熱泵系統，為適用於一般公寓住宅家庭之空氣源式熱泵熱水系統。 2. 本研究所評估之代表性家庭類型係指一家四口之小家庭。. 政治大. 3. 本研究以熱泵系統所替代之家庭現有熱水設備為電能熱水器、天然瓦斯熱水. 立. 器、液化石油氣瓦斯熱水器三類。. ‧ 國. 學. 4. 本研究考量之政府獎勵補助方式均為直接獎勵金制度。. 5. 總資源成本檢定之成本效益計算，係以一萬八千名受補助改採熱泵熱水系統. ‧. 之家庭其效益項與成本項之總和作為計算依據，唯敏感度分析之項目七以市. y. Nat. sit. 場滲透率作為補助名額設定之參考。. n. al. er. io. 6. 市場滲透率之敏感度分析不考慮因為產量或生產規模擴大而使熱泵設備生產成本降低之效果。. Ch. engchi. i n U. v. 由於目前資料取得之障礙，本研究之限制如下:. 1. 本研究之電力使用數據以年帄均、月帄均資料作為計算依據，未能反映熱泵系統每小時之電力使用情況。台電的資料部分亦未能統計至每小時之發電成本，使得本研究計算之成本項目未能納入熱泵應用對電力負載之影響。 2. 本研究可取得之能源供給成本，未能反映各分區能源供給之不同成本，以致 TRC 檢定之結果未能精確反映各分區能源使用之差異性。 3. 由於外島區域尚缺乏廠商設立之服務據點，系統維護成本與本島地區差異較大，故未納入外島區域於分區選項中。 4.

(16) 4. 熱泵系統能源效率數據係由業界廠商提供，唯本研究所蒐集之廠商數據份數不足，用以計算之能源效率可能偏離市場產品之帄均表現。 5. 未能取得現有家用電熱水器、液化石油氣瓦斯熱水器的實際安裝使用數量等資料，故市場滲透率之敏感度分析僅計算天然瓦斯熱水器替代部分。以上研究之範圍及限制留待後續相關研究資料之取得，得以持續完善及補充。. 1.4. 研究流程與論文架構. 政治大. 本研究主要探討住宅熱泵系統之應用對於消費者、整體社會之經濟效益，以. 立. 及降低台灣空氣污染排放之效果。並使用各種情境背景假設下的敏感度分析，探. ‧ 國. 學. 討熱泵系統獎勵補助政策之施行手段。研究流程可參見圖 1.1。. ‧. 第一章為緒論，第一節先確立研究動機與目的，第二節簡述研究方法，第三. sit. y. Nat. 節說明研究範圍及研究限制，第四節為研究流程及論文架構。. al. er. io. 第二章介紹熱泵系統及其發展現況，作為本研究之基礎背景知識。第一節概. v. n. 述熱泵系統運作之原理、能源效率指標以及熱泵系統之應用類型，第二節簡介各. Ch. engchi. i n U. 國熱泵系統發展之現況，第三節整理各先進國家熱泵推廣獎勵政策之措施以做參考借鑒。第三章為研究方法與文獻探討，以先前之研究為基礎作為本文研究之擴展方向。第一節回顧熱泵系統效率改善之研究，第二節討論熱泵成本效益分析之研究，第三節參考分區方式、節能計算公式、政府補助措施以及空氣汙染排放的資訊，建構本研究之成本效益評估方法。第四章為熱泵系統應用之成本效益分析，第一節詳述成本效益分析參與者檢定、總資源成本檢定的計算方式，第二節介紹各敏感度分析之情境背景及參數設定方式，以及敏感度分析之結果。第三節為熱泵應用之引申討論。 5.

(17) 第五章為結論與建議，第一節為結論，第二節為本研究之貢獻，第三節為後續研究之方向與建議。. 研究動機與目的. 研究範圍與研究限制. 資料蒐集與整理. 熱泵系統及其應用. 政治大研究方法. 文獻探討. 學. ‧ 國. 立. 實證模型. ‧ 總資源成本檢定. 經濟引申. n. al. Ch. engchi. 結論與建議. 資料來源：本研究繪製. 圖 1.1 研究流程. 6. er. io. sit. y. Nat. 參與者檢定. i n U. v.

(18) 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. 政治大熱泵(heat pump)為一種「移動」熱量的機械裝置，主要由壓縮機、蒸發器、立. 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. ‧ 國. 學. 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，. y. Nat. 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. er. io. sit. 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. al. n. v i n (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 Ch engchi U. 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。 7.

(19) 壓縮機吸收環境熱量. 蒸發器冷媒蒸發為氣體. 立. 蒸氣凝結為冷媒. 冷凝器. 政治大. 學. 膨脹閥. ‧ 國. 排出可用熱能. 資料來源：本研究繪製. ‧. 圖 2.1 熱泵裝置的運作原理. sit. y. Nat. al. er. io. 熱泵的工作效率視其產品技術、工作條件而有所不同，通常我們以「能效係. v. n. 數」(Coefficient of performance, COP)來說明，它代表熱泵運作時輸出能量. Ch. engchi. i n U. 與輸入能量的比值。下列公式可簡單表示能效係數的運算：. 製冷 𝐶𝑂𝑃𝑐 = Qc：製冷量. 製熱 𝐶𝑂𝑃ℎ = Qh：製熱量. 𝑄𝐶 𝑊𝑒 We：壓縮機耗能. 𝑄ℎ = 1 + 𝐶𝑂𝑃𝑐 (假設耗能完全轉變為熱量) 𝑊𝑒 We：壓縮機耗能. 8.

(20) 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. 政治大等等。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，立. 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). ‧ 國. 學. 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. sit. y. Nat. 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. al. er. io. 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. v. n. 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. Ch. engchi. i n U. 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。. 9.

(21) 資料來源：http://www.energysavers.gov/your_home/space_heating_cooling/index.cfm/mytopic=12620. 政治大. 圖 2.2 空氣源熱泵機組結構與運作方式. 立. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 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 10.

(22) 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. 政治大 Exchanger)、水帄埋管(Horizontal Ground Heat Exchanger)、開放式地下水源立據不同的管線埋設方式，可再細分為四類：垂直埋管(Vertical Ground Heat. ‧ 國. 學. (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. y. Nat. sit. 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. n. al. er. io. 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. i n U. v. 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. Ch. engchi. 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。. 11.

(23) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學 sit. y. Nat. io. er. 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. n. al. Ch. engchi. i n U. v. 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。 12.

(24) 2.2. 熱泵系統發展現況應用熱泵技術作為供熱設備在歐美國家的使用相當普及，在緯度較高的國家. 如北歐、加拿大等國，居民的室內暖房需求也相對較高，熱泵系統主要作為室內暖氣供應的設備。在氣候條件相對溫暖的南歐國家，同時具有暖氣及空調的複合式熱泵機組在市場上較受歡迎。然而在亞州的中國和日本，在溫暖的氣候區域造成居民對室內暖房的需求較為薄弱，熱泵熱水系統是在亞洲地區主要的應用範圍。. 2.2.1 歐洲：. 立. 政治大. ‧ 國. 學. 歐洲是全球使用熱泵技術最密集的地區，根據 2008 年的統計資料，每萬人 3. 的熱泵銷售數字在挪威是 185 台、在瑞典則是 140 台。另外在歐盟八國 2008 年. ‧. 的熱泵合計銷售數字是 57.6 萬台相較 2007 年提高了 46%(EHPA，2009)。根據. sit. y. Nat. BSRIA(Building Services Research and Information Association)的市場研. al. er. io. 究報告中指出：歐洲熱泵市場的發展歸因於歐洲地區及歐洲國家的立法支持促進. v. n. 再生能源使用，再加上建築能源效率的規範以及財政獎勵措施等，是熱泵在歐洲. Ch. engchi. 市場得以持續快速發展的主因(HPC，2009)。. i n U. 下圖 2.5 統計 2008 年歐洲市場各類型熱泵的銷售市占率。以熱泵類型來看，空氣源熱泵仍是市場的大宗，成長速度也最快。ASHP 機種成本低廉，同時在老舊建築改裝的條件較為寬鬆，可以避免複雜的管線配接、地面鑽井等工程，諸多優點使得 ASHP 成為翻修住宅的用戶最具成本效益的選擇。地源熱泵方面則呈現緩步成長的趨勢，目前在歐洲 GSHP 使用比率最高的兩個國家為瑞典及德國，在 2005~2008 年間分別銷售 10.2 萬台與 5.3 萬台。GSHP 市場在瑞典與德國兩國擴. 3. 歐盟八國統計數據為奧地利、芬蘭、法國、德國、義大利、挪威、瑞典、瑞士等八國銷售量、由歐洲熱泵協會統計 13.

(25) 展相對快速，主要原因為政府補貼措施特別有利於 GSHP 的裝設。瑞典政府補貼熱泵安裝施工費用(Labour costs)的 50%，對於需要龐大施工程序的 GSHP 較為有利，德國則是依照熱泵形式的不同給予不同補助額度。然而真正影響 GSHP 無法普及的障礙在於缺乏訓練良好的鑽井人員、自然條件的限制如不適合鑽井的岩層以及土地使用權歸屬的法律問題(鄭維嶽、林師培，2009)。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. io. sit. y. Nat. er. 資料來源：EHPA Outlook 2009. al. n. v i n Ch 圖 2.5 歐洲市場各類熱泵系統銷售市占率(2008) engchi U 2.2.2 美國熱泵設備在北美洲是一個技術成熟且持續成長的市場。自 2000 年貣美國房地產市場的榮景帶動熱泵系統銷售量的持續攀升，在金融海嘯之前 2001~2005 年美國的熱泵銷售量帄均每年成長 9.8%，銷售量最高的 2005 年有近 220 萬台的熱泵出貨量。2006 年美國次貸風暴爆發之後，熱泵設備在美國的銷量也應聲下跌，2009 年全美熱泵銷售量約在 176 萬台，其中 93%是 ASHP，GSHP 只佔 7%(資料來源 AHRI and EIA 網站)。 14.

(26) 美國 GSHP 設備的銷售量是全球最高，但是在人均使用的比例卻遠低於歐洲國家。ORNL(Oak Ridge National Laboratory)在 2008 年曾進行一份研究，主要在比較各個國家使用 GSHP 的情況，並且分析美國 GSHP 的使用無法快速成長的原因，文章中歸納出幾點美國拓展 GSHP 市場的主要障礙(順序優先者越重要)：. 1.對消費者而言過高的 GSHP 初始成本。 2.消費者缺乏對 GSHP 系統效益的認知與信心。 3.政策或法規制定者缺乏對 GSHP 效益的認知與信心。. 政治大 5.GSHP 安裝相關基礎建設的限制。立 4.GSHP 設計與業務規劃基礎佈署的限制。. ‧. ‧ 國. 學. 6.缺乏新的技術與工藝來降低 GSHP 成本以及提升能效表現。. y. Nat. 針對目前 GSHP 的主要障礙，在文中也提出建議，包括：進行有效的數據統. er. io. sit. 計建立 GSHP 成本效益的硬體資料、評估積極佈署熱泵系統的國家效益、開發及提供 GSHP 普及化基礎建設的方案等(Hughes，2008)。. n. al. Ch. engchi. i n U. v. 過去美國的電力業者普遍會提供優惠折扣獎勵電力用戶安裝高效率的空調設備與熱泵來替換使用其他燃料或較不效率的舊設備。而在最近的調查中發現電力業者已較少提供相關折扣，這歸因於政府逐漸減少電業管制的趨勢。美國政府透過能源之星計畫促進高效率設備的使用，能源之星認可設備符合一定的能效標準(鄭維嶽、韋宗楒，2008)。目前，為符合能源之星要求分離式熱泵機組 SEER4不得小於 15，HSPF5不得小於 8.5。為獎勵消費者，在 2009 年 12 月以後購買符合能源之星認證的熱泵產品得享有租稅扣抵的優惠。藉由能源之星計畫的執行將有 4. SEER(Seasonal energy efficiency rario)：用以計算熱泵系統的冷房效率指標，它是由供冷季節” 空間總移出熱量(Btu)”除以供冷季節”總電能消費(watt-hours)”計算所得。 5 HSPF(Heating season performance factor)：用以計算熱泵系統的暖氣效率指標，它是由供暖季節” 總空間暖氣需求(Btu)”除以供暖季節”總電能消費(watt-hours)”計算所得。 15.

(27) 助淘汰市面上能源效率較低的熱泵產品。. 2.2.3 亞洲氣候相對溫暖的亞洲地區，熱泵技術主要應用在於冷凍空調方面的領域。尤其在人口密集的都市地區空調市場的增長相當快速。2003 年亞洲地區的窗型冷氣機/箱型冷氣機總市場大約 2,800 萬台，其中以中國 1,800 萬台和日本 720 萬台為最大市場。值得關注的是 2,800 萬台中有 60%為冷暖氣複合式的可逆式熱泵，. 政治大地區的各個國家有不同的滲透率，例如在日本窗型冷氣的滲透率達 90%，而在開立顯示在氣候相對溫暖的亞洲地區仍然有季節性的暖氣需求。冷氣機的市場在這個. 發中國家如印度則不到 10%，亞洲國家間的差異成為明顯的對比，但也顯示這個. ‧ 國. 學. 區域仍有極大的市場潛力(鄭維嶽、廖建順，2008)。. ‧. 使用 CO2 作為冷媒的氣源熱泵熱水器「Eco-cute6」是在亞洲地區相當特殊的. sit. y. Nat. 熱泵產品，自 2001 年問世以來，僅有短短數年的發展成長卻相當快速。由於 CO2. al. er. io. 冷媒的工作特性，Eco-cute 可以產生攝氏 90 度的高溫熱水，相較於一般熱泵熱. v. n. 水器 65 度 C 左右的出水溫度，Eco-cut 更具有工業應用的潛力。在形式上. Ch. engchi. i n U. Eco-cute 採用儲備式的熱水桶，可以使用深夜離峰較低電費的時段運轉，運轉成本僅有一般瓦斯熱水器的 1/4~1/5(廖建順、韋宗楒，2009)。Eco-cute 產品優異的節能表現受到日本政府的重視，2002 年即訂定補助方案推廣產品的使用。下圖 2.6 為 Eco-cute 產品的歷年銷售量，截至 2009 年 Eco-cute 產品的市場累積銷售量就達到 200 萬台，足見該產品受歡迎的程度。 GSHP 在亞洲地區的發展非常緩慢，近年來卻逐漸受到關注。中國廣泛的使用地下水做為熱源以及散熱，發展水對水的熱泵系統。日本與韓國則對地熱源系. 6. Eco-cute 為 2001 年日本 Denso 公司率先開發的 CO2 冷媒熱泵熱水器，爾後日本各家熱泵廠商相繼推出該類產品，並協議以 Eco-cute 作為該產品的統一名稱。 16.

(28) 統較感興趣，主要是受到歐美 GSHP 發展成熟的市場所影響。然而複雜的地質結構以及國家地震本質仍然是 GSHP 在這個區域發展的主要障礙(鄭維嶽、廖建順， 2008)。. 年銷售量 600 349.8. 千 400 台 200. 37.2. 3.4. 80.8 130.8. 413.1. 500.2 508.1. 225.6. 0 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009. 政治大年度. 立. 資料來源：JRAIA 網站. ‧ 國. ‧. 2.3. 學. 圖 2.6 日本 Eco-cute 產品歷年銷售量. 各國熱泵推廣政策. sit. y. Nat. al. er. io. 「京都議定書」之後，溫室氣體的排放始有國際公約的限制。締約國中的已. v. n. 開發國家必頇依照協議內容，控制溫室氣體的排放。根據 IEA 熱泵中心(heat pump. Ch. engchi. i n U. centre)的估計，熱泵技術的推廣應用將能減少每年 8%的 CO2 排放量。熱泵優異的能源效率表現以及減碳效益，成為各先進國家的減碳政策目標下首要推廣的節能技術。各國針對熱泵系統的獎勵推廣政策主要分為"制度支持"以及"財務支持"兩方面，其中制度面支持主要目的為提升民眾對熱泵技術的認知、擴張熱泵產品的市場能見度、建構熱泵產業交流帄台以及完善熱泵設置的相關基礎建設。財務支持方面則利用各種租稅、費率、補貼等手段，提高民眾設置熱泵的經濟誘因，藉此協助熱泵產業發展。下圖 2.7 將各國的誘因政策分類列舉，供作參考：. 17.

(29) 熱泵推廣獎勵政策. 制度面支持. 財務面支持. 市場行銷與資訊交流. 熱泵優惠電價費率. 現金補助. 優惠貸款. 租稅誘因. 基礎建設的提供與支援. 饋入價格. 稅賦減免. 政府預算. VAT. non-RES. 所得稅減免資料來源：Nowak(2010). 立. 政治大. 圖 2.7 熱泵獎勵推廣政策架構. ‧ 國. 學. 這些推廣政策則視各國國情不同而被參酌採用，以下僅就幾個國家的熱泵推廣政. ‧. 策進行介紹：. n. al. er. io. sit. y. Nat. 德國. i n U. v. 德國作為世界再生能源使用之先進國家，對於推廣熱泵系統的安裝使用有全. Ch. engchi. 面性的政策配合，包括：熱泵資訊帄台的建立、境內地質調查、電價費率優惠、以及安裝獎勵金等。2008 年德國政府實施「市場激勵計畫」(Markt anreiz program, MAP)提供熱泵用戶直接獎勵金，該年度熱泵市場銷售量成長 47%。根據 EHPA 預測，德國新成屋使用熱泵的比例可望達到 15%。. 瑞典瑞典為熱泵系統發展相當成熟的市場，在單一家庭或是雙家庭的住宅型式中有超過 50%的家庭選擇使用熱泵作為供熱系統，在公寓住宅中也有將近 8%(HPC ， 18.

(30) 2011)。由於熱泵系統的普及，與其相關的配套措施也相當完善。包括：熱泵標章制度、消費者申訴委員會以及安裝補助政策。其中較為特殊的消費者申訴委員會是由熱泵廠商及安裝業者的代表所組成，負責提供熱泵消費問題的諮詢。該委員會自 1989 年成立至目前總共處理了 490 件消費糾紛。. 法國在 2004 年以前法國的熱泵市場並不受到額外的注目，但自 2005 年貣法國政府實施熱泵的補助政策，法國熱泵的銷售量急遽的成長。優厚的熱泵補助方案使. 政治大. 得 2008 年法國熱泵的出貨量達到全歐洲第一，迅速發展成為熱絡的市場。法國. 立. 的實行的相關推廣措施包括：熱泵標章制度、安裝技術認證計畫以及熱泵補助政. ‧ 國. ‧ sit. y. Nat. 英國. 學. 策。. al. er. io. 英國並未針對鼓勵熱泵系統提出單一的推廣政策，而是將熱泵系統納入再生. v. n. 能源計畫中進行推廣。2011 年 3 月英國「能源與氣候變遷部」(DECC7)公佈了「再. Ch. engchi. i n U. 生能源供熱獎勵計畫」(Renewable Heat Incentive, RHI)。該計畫的補助主要分為兩類：一.提供裝設再生能源供熱設備的住家直接獎勵金，二.採用類似於再生能源饋網電價(feed-in tariff)的制度，給予生產再生熱能的廠商 20 年的優惠收購價格。根據 DECC 自行評估方案成本效益的報告，在最佳預測的情況下淨現值為-42 億英鎊，但是方案的執行將有助於提升英國的再生能源供熱比例從現有的 1.5%到 2020 年的 12%。 7. DECC：英國能源與氣候變遷部(Department of Energy and Climate Change, DECC)成立於 2008 年 10 月，他整合原有”商業企業監管改革部” (Department for Business, Enterprise and Regulatory Reform, BERR)的能源監管以及”環境、食物和農業事務部(Department for Environment, Food and Rural Affairs, Defra)的氣候變遷事務而成新的部會。DECC 的主要職責在於 1.執行綠色新政節約能源並支持弱勢消費者，2.保證能源安全以達到未來低碳能源的目標，3.在國內外採取積極行動因應氣候變遷問題，4.忠實管理能源遺產及成本效益。 19.

(31) 日本日本的將熱泵技術應用在冷供空調的領域相當成熟，但自 2001 年 Eco-cute 產品問世後，採用熱泵供熱的產品在市場上迅速成長，使日本一舉躍升為應用熱泵系統的主要國家。與其他國家稍有不同的是，日本的熱泵廠商致力於熱泵產品能源效率的提升。在日本主要的推廣政策為獎勵金與產品能效提升計畫。其中產品能效提升計畫「Top Runner Program」的實行，在短短五年讓日本熱泵產品的帄均效率提升 68%，成效斐然。. 政治大. 表 2.1 日本空調設備(熱泵型)歷年能效係數帄均值. 立. 2000 年. 2001 年. 2002 年. 2003 年. 2004 年. 目標值. ≦2.5kW. 3.17. 3.24. 3.37. 3.49. 3.75. 5.33. 5.27. ＞2.5kW,≦3.2kW. 3.47. 3.63. 3.83. 4.00. 4.18. 5.14. 4.90. ＞3.2kW,≦4.0kW. 3.07. 3.37. 3.57. 3.92. 3.99. 4.10. 3.65. ‧. ‧ 國. 1999 年. 學. 能力等級. 資料來源：廖建順、韋宗楒(2009). n. al. er. io. sit. y. Nat. 台灣：. Ch. i n U. v. 目前台灣採用熱泵系統主要為大型用戶，依使用場所可分為學校、游泳池、. engchi. 飯店、醫院等 13 類。根據綠基會 2006 年的資料顯示，國內採用熱泵供熱的大型用戶可能不到百家。一般民眾則以冷暖氣複合的冷氣機為主，熱泵熱水器的使用比例較低。目前國內尚未有統一規範要求熱泵產品頇符合最小的能源效率標準，以致於市場產品品質良莠不齊。台灣現行的推廣政策為節能標章以及補助政策。補助政策方面有「投資抵減辦法」及「節能設備優惠貸款」，但均不適用一般民眾。. 20.

(32) 表 2.2 各國熱泵推廣政策. 國別. 各國推廣政策及現況. 德國. 1. 交流帄台：政府與熱泵產業合資建立熱泵資訊交流帄台，提供廠商與消費者市場調查資訊、熱泵安裝指南、住宅產業資訊與決策參考文件。 2. 地質調查：北萊茵-威斯特法倫州政府進行境內的鑽孔地質調查，目的在調查全州土地使用 GSHP 之潛力，該調查最後繪製成「地熱潛能地圖」提供民眾與廠商下載使用。 3. 建築能效規範：2009 年德國公佈「EEWarmeG」指令，規定新建築必頇使用一定量的再生能源作為暖房熱水使用。符合指令的熱泵系統必頇通過 VDI4650 檢測標準的最小 SPF 規範。 4. 獎勵金：2008 年實施「市場激勵計畫」(Marktanreizprogramm)對. 政治大於年份不同的住宅提供有差別的熱泵裝設獎勵金，在 2009 年後新成立屋的部分提供 637.5~1,500 歐元的補助，舊屋翻修換裝熱泵的部分. ‧ 國. 學. 則提供 1,500~3,000 的補助金。瑞典. 1. 標章制度：瑞典熱泵協會(Swedish Heat Pump Association, SVEP). ‧. 是 EHPA 品質標章計畫的正式會員，同時也是“國際品質委員會”的主持機構。 2. 消費者申訴：瑞典熱泵廠商與安裝業者的代表組成“消費者申訴委員會”，且由地方法院主持並且負責裁決。SVEP 負責提供必要文件與諮詢無裁決之權利。 3. 補助政策：2008 年底瑞典政府針對建築翻修及擴充的熱泵消費者，. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. i n U. v. 給予所得稅的減免。折抵幅度為安裝施工費用的 50%，最多不超過 50,000 瑞士克朗(當時約 4,500 歐元) 法國. engchi. 1. 標章制度：2007 年法國熱泵協會(French heat pump Association) 公佈 NF-PAC 熱泵標章，欲獲得標章的產品必頇通過 EN14511 檢驗規範的最小 COP 標準，同時標章上也註明產品的 COP 值提供消費者比較。 2. 安裝技術認證：2007 年 AFPAC 執行安裝技術認證計畫「QualiPAC」，欲獲得認證的安裝技師必頇符合兩項標準：(1)取得法國知名認證或通過 EUCERT 測驗，(2)每年有安裝實績被隨機抽檢，必頇符合 AFPAC 訂定之施工標準。 3. 補助政策：自 2005 年法國政府補助熱泵安裝，對於安裝空氣對水以及 GSHP 機種的家庭得扣抵所得稅，扣抵幅度為熱泵設置(包括設備、施工)成本的 40%，最多不超過 8,000 歐元。由於優厚的補助政策 2008 年法國成為全歐最大的熱泵市場。 21.

(33) 英國. 1. 目前供熱佔英國所有能源消費的 47%，因供熱而產生的二氧化碳排放則佔全國碳排放的 46%。 2. 有鑑於此 DECC 在 2011 年公佈 RHI 計畫，該計畫核心目標在於提升英國再生能源供熱率、減少二氧化碳排放以及提高能源自給率。 3. RHI 計畫類分成兩部門：非住宅部門安裝再生能源供熱設備生產熱能，政府提供 FITs(Feed-in Tariffs)機制的長期供熱回售價格，保證 20 年的熱能收購。住宅部門得享有安裝再生能源熱設備的補助金，該補助金細節目前尚未公佈，目前規劃在第二階段讓住宅部門也可加入 FITs。 4. 根據 DECC 評估報告「Renewable Heat Incentive Impact Assessment」，該方案在最佳預測的情況下 NPV 為-42 億英鎊，最好的情況 NPV 可達 105 億英鎊，最差可能為-137 億英鎊。 5. 該計畫預測可將英國現有的再生能源供熱率由現在的 1.5%，提高到 2020 年的 12%。. 學. ‧ 國. 日本. 政治大 1. 日本家用熱水器市場每年約 350 萬台，其中燃氣型及燃煤型的總和立就佔 94%，用電型僅佔 6%。 2. 因應人口老化所產生的高齡人口居家安全問題，防止燃燒式家用設備可能引發火災和一氧化碳中毒等公共安全災害，日本政策傾向推. ‧. 廣「全電力化家庭」之觀念。 3. 補助政策：2002 年 9 月日本政府立法實施全國性補助方案補助 Eco-cute 產品消費者，該補助方案經逐年調整，目前補助金額為每台 41,000 日圓，約佔產品市價的 7%。 4. 能源效率提升：1998 年執行「Top Runner Program」(TRP)來規範家電產品的能源效率。該計畫召集所有家電設備製造商與進口商，. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. i n U. v. 以當時市場已經存在的最高能源效率產品做為標準，約定在未來某一時點市場上所有產品都必頇達到標準。該計畫也頒布能效標章標示產品已達 Top Runner 目標進度如 80%、110%，刺激業者加速研發提升提升產品效能。 5. 成效：TRP 自 1998 實施貣至目標年 2004 年為止，市場上所有空調業者均達到 TRP 標準，產品帄均的能源效率表現提高 68%。. engchi. 資料來源：Nowak(2010)、EHPA Outlook(2009)、DECC(2011)、綠基會(2006)、張鈺炯等(2006)、廖建順等(2010). 22.

(34) 第三章. 研究方法與文獻探討. 本章節回顧國內外熱泵效率改善之文獻以及熱泵系統濟效益分析文獻，設計合理的熱泵熱水器效益評估方法。第一節首先探討提升熱泵運作效率之相關文獻。第二節探討國內外應用熱泵系統之成本效益分析。第三節根據台灣地區氣候條件及居住型態，設計合理的熱泵熱水器效益評估方法。包括建立分區評估方法、熱泵熱水器效益計算方法、排放外部成本估計方式以及參考國內外熱泵熱水器之補助金制度及台灣再生能源熱利用獎勵辦法，設定熱泵熱水系統可資模擬之政府政策補助比例。. 立. 熱泵效率改善研究文獻. 學. ‧ 國. 3.1. 政治大. Baylon 等(2005)透過帳單分析、實地考察、實驗室量測以及訪談等方法了. ‧. 解美國西北各州熱泵系統安裝者的使用現況，進而評估最佳的管理方案來降低用. sit. y. Nat. 戶使用的電量。在帳單分析中發現參與優惠方案裝設熱泵的用戶比沒有裝設熱泵. al. er. io. 的用戶，每年可多節約 4,149 度的電。若執行全面性的用戶熱泵機組維護方案，. v. n. 對於降低用電的效益不大，原因是熱泵安裝不良的比例偏低導致效益不彰。在實. Ch. engchi. i n U. 地考察方面，有 10%用戶的熱泵機組冷媒填充不足，約有 25%的用戶室內機設置在通風不良之處，顯示裝設位置的通風是否良好可能是影響熱泵系統效率的因素。李居芳(2008)利用實驗室模擬不同溫度、濕度之工作環境，測詴家用 ASHP 熱水器在台灣各種氣候型態下的性能表現。並且藉由蒐集實驗數據分析最佳的熱泵運作條件。其結果發現：1.環境溫、濕度的增加將影響熱泵系統的高壓壓力，壓力越高加熱時間越快；2.環境溫度越高，熱泵系統的運作效率也增加，氣溫每升高攝氏 10 度，COP 約上升 50% ；3.冷媒冷凝溫度隨儲水桶熱水溫度提高而上升，將提高熱泵效率；4.工作環境的濕度高則會使盤管結露，影響熱泵效率。 23.

(35) 高志孙(2009)以溫水游泳池的應用為例，分析太陽能集熱面板結合熱泵熱水器與傳統鍋爐的多熱源系統。藉由比較不同組合系統之生命週期總成本，評估最佳的組合模式。研究結果在外氣比例為 0.27 和太陽能集熱板片數為 150 片，以及儲水桶容量與太陽能集熱板總面積比值為 100 時，系統運轉 10 年最符合經濟效益。而實際多熱源合併系統的效率仍需要參考各設備之使用年限以控制策略的使用。王輔仁等(2009)以中部某醫學中心熱水系統的最佳化案例，探討如何提升既有熱水鍋爐的運作效率，並將其轉作備援系統。以水對水熱泵系統搭配熱水儲槽. 政治大配評估系統之能效係數以測詴熱泵熱水系統的運作效率。該研究分析熱泵的替代立為主，與舊有熱水鍋爐並聯而成恆溫熱水系統。透過實測系統的能源消耗並且搭. ‧ 國. 熱泵經濟效益分析. ‧. 3.2. 學. 結果每年可節省 119 萬的能源費用，抑制二氧化碳的排放量 162 公噸。. y. Nat. sit. 宋炎明(2005)用成本效益方法評估室內溫水游泳池的熱能回收系統，以五種. n. al. er. io. 不同功率的壓縮機(CaseA~CaseE)組合而成的熱泵系統應用於溫水游泳池的節能. i n U. v. 效果，比較不同機組運作的生命週期總成本，做為經濟效益之參考。研究結果顯. Ch. engchi. 示以 10 年生命週期成本比較分析，CaseE(功率最大)為最符合經濟效益之方案。而初始成本則以 CaseA(功率最小)最為經濟。生命週期總成本之計算方式，僅納入設備之初設成本以及未來每年之運轉能源成本。 Hackel(2009)更新 Wisconsin Energy Center 在 2009 年的研究，該研究的主題在評估應用 GSHP 的經濟效益以及減排效果。研究中修正了設備成本、能源成本以及電力生產所產生的排放等數據，分析五種不同型式建築的能源使用情況，包括大型學校、小型學校、商業大樓、社區以及住宅部門，並且套用在三種不同氣候區域。其中學校以及商業大樓類型使用 DOE-2 軟體進行模擬，社區類型以 TRNSYS 軟體模擬，住家類型則採用過去的能源使用資料進行分析。分析結果除 24.

(36) 了住家類型之外其他的建築使用 GSHP 的 ROR(Rate of Return)都大於 10%(住宅類型為 8%~9%)。排放評估方面，學校以及商業大樓的類型都能有效降低 6%~15% 的 CO2 排放量，而在社區以及住家類型 CO2 排放量則是維持現有的水準或是少量的上升。 Liu(2010)使用 DOE-2 軟體模擬一個代表性的家庭住宅的能源使用狀況，用成本效益方法評估以 GSHP 替代家中現有的暖氣、空調、熱水設備的潛在國家利益(National Benefits)。在計算上先詳列代表性住宅使用現有暖氣、空調及熱水設備的能源使用量以及 GSHP 系統的能源使用量，然後比較兩者得到以 GSHP. 政治大初級能源消費(相對於全國單一家庭住宅中暖氣、空調、熱水所消費初級能源總立. 取代現有設備之效益。結果發現當 GSHP 的市場滲透率達到 20%時，可節約 9%的. ‧ 國. 學. 量)，減少 9.1%的 CO2 排放，降低 11.2%的夏日尖峰負載並節省 9.6%的能源費用支出。但由於 GSHP 系統之初設成本較高，該研究中並未討論達到某市場滲透率. ‧. 時社會需投入的總成本做為參考。. y. Nat. sit. 王輔仁等(2010)針對北部某大學之宿舍電熱水器替換為熱泵加熱系統之實. n. al. er. io. 例，依照宿舍熱水使用的實際情形，以及現場量測之結果進行評估。該研究以符. i n U. v. 合經濟效益為考量，比較電熱水系統與熱泵加熱系統能源使用量及能源花費。評. Ch. engchi. 估結果發現以熱泵熱水系統取代電熱之後，每季約可節省 32 萬元的電費，節能率達 72.53%，然而該研究在成本的計算上未考量設置熱泵系統的初始成本及維護成本，無法體現整體投資的實際效益。. 3.3. 本研究採用之評估方法本研究主要目的在評估適用於台灣家庭住宅之熱泵系統，在系統的選擇上，. 需考量各類型熱泵系統在台灣的氣候及居住型態下的適宜性。氣候方面，台灣位於亞熱帶與熱帶交界處，終年氣候溫暖，全台(除山區以外)冬季均溫都在攝氏 10 度以上(中央氣象局網站)，對於 ASHP 是極佳的運作條件。在居住型態方面， 25.

(37) 台灣有 47%以上家庭居住在集合式住宅(4 層樓以上房屋)，居住於帄房的家庭僅佔百分之十(主計處，2009 年)。集合式住宅土地使用權等問題難以解決，不利地源熱泵的設置。另外台灣市場上現有之熱泵產品主要以熱水系統為主，雖然也有結合熱水與空調功能之雙生熱泵產品，但用作空調之能源效率尚不如現有之分離式冷氣。分析以上條件，空氣源熱泵熱水系統較適用於台灣家庭住宅，故本研究以家用 ASHP 熱水系統做為評估標的，進行家庭住宅更替熱泵熱水系統成本效益的比較分析。本研究之成本效益分析從消費者觀點進行「參與者檢定」，同時從整體社會. 政治大成本法(Avoided Costs)進行估算，估算時需要納入考量之因素例如：台灣各地立. 之觀點進行「總資源成本檢定」。參與者檢定之各成本項及效益項數值透過迴避. ‧ 國. 學. 區家庭住宅裝設熱泵系統條件之優劣；使用合理的能源節約效益估計方式；政府補助額度對參與者之影響。總資源成本檢定各成本項及效益項則透過迴避成本法. ‧. 以及願付價格法(Willingness to Pay)進行估算，參考因素包括：地區條件之影. sit. y. Nat. 響；節能效益之計算方式；補助方案之執行管理成本；排放之外部性成本。其中. al. n. 部成本之估算。. er. io. 排放之外部成本參考梁啟源(2005)的研究結果，該研究以願付價格法進行排放外. Ch. 成本效益分析. 參與者檢定. engchi. i n U. v. 迴避成本法. 分區評估節能估計政府補助政策分區評估. 迴避成本法總資源成本檢定. 政策執行成本願付價格法. 資料來源：本研究繪製. 圖 3.1. 節能估計. 成本效益估算方法及考量因素. 26. 排放外部成本.