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太陽能空調示範系統之建構/研究
國立勤益科技大學 冷凍空調與能源系:
張俊民 陸紀文
周宗霖 呂學科
國立臺灣大學機械工程系:
黃秉鈞 林佑星 吳佳鴻
報告人：
張俊民
2008. 09
12
一、摘要
二、能源局計畫—前言
三、系統設計及製作
四、結果
五、能源局計畫擴展至沙烏地阿拉伯國際計畫
六、結論
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一、摘要
能源局計畫太陽能製冷供熱示範系統:
利用94~96年度開發的1 RT (3.5 kW)噴射式製冷系統搭 配太陽能集熱系統將太陽熱能轉換為冷氣與市售1RT變頻 空調機並聯節能使用，主要架構如下： 噴射式冷氣主機設計與組裝— 1RT(冷凍噸)。 太陽能集熱系統—採用直流式真空管集熱器共48組、 以六組並聯八組串聯架設。 中央自動控制系統—(a)太陽能集熱系統控制(b)噴射 式製冷系統控制(c)冷房操作控制(d)熱水供應控制。 冷氣主機性能(COP)0.3，集熱系統性能0.44，整體性 能0.132，節能整體性能+8.5。 能源局計畫擴展至沙烏地阿拉伯國際計畫
適應沙漠地區高冷凝溫度之3RT(10.5kW)太陽能空調 系統開發進行中。 34
此太陽能製冷供熱示範系統主要是利用
94-96年度開發的1RT (3.5kW)實驗型噴射
式製冷系統(
圖2-1)
加以商業產品化，並搭
配太陽能集熱系統，將太陽熱能轉換為冷
氣，與市售1RT變頻空調機並聯使用；此
種並聯運作模式可以穩定的提供3.5kW的
冷 氣 能 力 ， 滿 足 全 年 空 調 需 求 。
太陽能用來驅動噴射式冷氣系統，供應冷
氣 負 載 ， 降 低 變 頻 空 調 機 的 耗 電 。
4二、前言(續)
圖2.1 1RT噴射式製冷實驗系統圖 熱交換器 採 殼 管 式 熱 交 換 器 ， 並 加 裝 液 位 控 制 器 。 (a)噴射式製冷實驗系統 (b)商業化噴射式製冷主機6 6 太陽能 集熱器 Pump A Pump B 膨脹閥 緩衝槽 產生器 噴射器 C 熱水槽 蒸發器 冷房 電磁閥 C Pump C 電磁閥 B 電磁閥 A Pump D 噴射器 B 噴射器 A 冷卻水塔 電磁閥 Qjt Qp 變頻 空調機 （IAC） 風扇 供熱 Qh Pump E 冷房負載QL=Qjt+Qp 電磁閥 電磁閥 電磁閥 太陽能 Qs 太陽能集熱系統 噴射式製冷系統(JT) 壓縮機系統(熱泵) 輸入電能 Wcomp 冷凝器 T 溫度量測點 T T T T T T T 每年只有六個月(從 5月至 10月 )有冷房 負載(1RT)需求，其 他月份(11月至4月) 則 只 供 應 熱 水
市售1RT變頻空調機並聯使用，如
圖3.1
所示。
3.1
太陽能空調噴射式主機
—1-D分析理論系統設計
系統設計點:產生器飽和溫度100℃、蒸發器飽和溫度
8℃、冷凝器飽和溫度32℃， 約1RT的製冷量。
8 抽吸比ω 0.388 蒸發器熱交換量Ｑe(kw) 3.510 冷凝器熱交換量Ｑc(kw) 15.641 回熱器熱交換量Ｑ subc(kw) 1.409 產生器熱交換量Ｑg(kw) 12.131 泵浦功W (kw) 0.201 性能係數C.O.P. 0.33
3.1
太陽能空調噴射式主機
—噴射式冷氣系統設計
如圖 3.1.1、系統設計規格如表3.1.1。
表3.1.1 1RT空調系統設計規格 圖3.1.1 噴射式冷氣系統示意圖9
3.1
太陽能空調噴射式主機
—
噴射器之設計與製造
如
圖3.1.2
所示。
(a)噴射器製造 噴射器性能曲線 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 60 62 64 66 68 70 72 74 Pc kPa w 抽吸比 噴射器性能曲線 圖3.1.2 噴射器之製造與性能測詴 (b)噴射器性能測詴 三.系統設計及製作(a)上視圖 (b)側視圖
3.1
太陽能空調噴射式主機
—
系統製作如
圖3.1.3
所示。
噴射器 產生器 冷凝器 蒸發器 回熱器 冷排風扇3.1 太陽能空調噴射式主機
—滿液式蒸發器與產生器
系統產生器 與蒸發器設 計採滿液式 殼管熱交換 器，如圖 3.1.4和圖 3.1.5。 圖3.1.4 滿液式蒸發器 圖3.1.5 滿液式產生器 三.系統設計及製作3.1 太陽能空調噴射式主機
—
冷凝器
將 冷 凝 器 為 殼 管 式 ， 如 圖 3.1.6所示，並 以 增 設 之 冷 卻 水 塔(圖3.1. 7) 冷 卻 ， 以 維 持 冷 凝 溫 度 。 圖3.1.6 冷凝器-殼 管式熱交換器實 體圖 圖3.1.7 冷卻水塔3.1 太陽能空調噴射式主機
—
冷卻水塔節能
於冷卻水塔散熱風扇加裝 變頻控制器如圖3.1.8，由 冷卻水溫度控制其風扇轉 速 以 降 低 風 扇 的 耗 電 。 圖3.1.8 冷卻水塔之風扇變頻控制器 三.系統設計及製作3.2 太陽能集熱系統
—
太陽能集熱系統設計圖
15 表 3.2.1 、 利 用 逐 時 氣 象 資 料 的 冷 房 負 載 供 應 配 比 分 析 結 果 (50m2集 熱 面 積 ) 15 地區 年份 月份 地區 年份 月份 噴射器提供 平均製冷量 (RT) 空調機提供平 均負載 (RT) 太陽能 提供 冷房負 載比重 (%) 空調機 提供 冷房負 載比重 (%) 台北 2002 6 0.41 0.59 41 59 7 0.43 0.57 43 57 8 0.49 0.51 49 51 2003 6 0.51 0.49 51 49 7 0.65 0.35 65 35 8 0.65 0.35 65 35 2004 6 0.54 0.46 54 46 7 0.61 0.39 61 39 8 0.60 0.40 60 40 台南 2004 6 0.64 0.36 64 36 7 0.59 0.41 59 41 8 0.60 0.40 60 40
16 圖3.2.2 集熱器面積與太陽能 冷氣供應冷房負載之配比 製冷目的：表3.2.1係利用 96年度完成的系統設計分 析程式輸入逐時氣象資料 所分析的結果，估計約為 50%的冷房負載將由變頻 空調機供應，亦即變頻空 調機可以節省約一半左右 的耗電量。實際情況可能 更高，因此處採較保守的 估算(系統損失20%)，此 結果與圖3.2.2所示相同。 16
3.2 太陽能集熱系統
—太陽能熱量需求設計
17 圖3.2.3 集熱器面積與每天 供熱水量之關係(溫升40℃) 供熱目的：假設太陽能 集熱器效率0.615、管 路損失20%，並假設每 年只有六個月(從5月至 10月)有冷房負載(1RT) 需求，其他月份(11月 至4月)則只供應熱水， 圖3.2.3是以台南2004年 氣象資料的熱水供應分 析結果，顯示集熱器面 積50m2時，每天可以供 應2,000公升左右之熱 水 ( 溫 升 4 0 ℃ ) 。 17
3.2 太陽能集熱系統
—太陽能熱量需求設計(續)
三.系統設計及製作18 18 表3.2.2 太陽能集熱系統設計條件 A
m
a T 瞬時日射 量 單位面積集熱器 水量 水比熱 大氣平均溫 度 集熱板入口 水溫初始值 It Cp Ti 800 W/m2 0.02 kg/s·m2 4186 J/kg·℃ 33.5℃ 28℃3.2 太陽能集熱系統
—太陽能熱量需求設計(續)
19
集熱器組數計算:
Qg,tot=12×103W/0.857=14,000 W 真空管太陽能集熱器效率：ηc= 0.615 (@Ti=100℃) 台中地區平均瞬時日射量：It=800 W/m2， 太陽能集熱器至發生器輸送管路熱損失因子：Fp,loss=0.8， 太陽能集熱器設計安全係數Fc,saf=1.4， 則所需真空管太陽能集熱器總面積： 所需集熱器組數： 19 2 2 3 , , , 36 m 615 0 W/m 800 8 W/0 10 14 / . . c t loss p tot g tot c I F Q A 片 7 46 4 1 m 08 1 m 36 2 2 , , , . . . c saf s c tot c F A A N 取48片偶數組太 陽能集熱器以利 串並聯設計3.2 太陽能集熱系統
—太陽能熱量需求設計(續)
三.系統設計及製作20 集熱器串並聯設計: 產生器須提供100℃，即為太陽能集熱器出口水溫。 系 統 啟 動 前 太 陽 能 集 熱 器 可 能 最 低 入 口 溫 度 取 28℃。 為 了 在 最 短 時 間 內 達 到 此 溫 升， 需 將 集 熱 器 串 聯 後再加以並聯。 並可借由暫時關斷進入產生器流路，只經過小的緩衝 儲熱槽進行熱能之累積。 過去所累積設計經驗，48組集熱板採8組相串聯構成 一單元後，再將6個單元相並聯 。 20
3.2 太陽能集熱系統
—太陽能熱量需求設計(續)
21 為 了 配 合 噴 射 式 製 冷 系 統 之 產 生 器 所 需 溫 度 ， 採 用 真 空 管 集 熱 器 ， 其 出 口 流 體 溫 度 可 達 1 0 0 ~ 1 4 0 ℃ ， 市 售 E10 0 - 6真空 管太陽 能 集 熱 器 滿 足 此 能 力 ， 詳 細 規 格 請 參 考 表 3 . 2 . 3 。 21 產品型號 EZL 100-6 集熱面積 1.08 m2 集熱管數量 6支 集熱管規格 Φ100 × 2000 mm 集管口徑 DN 25 耐壓能力 6 kgf/cm2 集熱效率 0.615 放射率 0.05 表3.2.3 E100-6真空管太陽能集 熱器規格
3.2 太陽能集熱系統
—太陽能熱量需求設計(續)
三.系統設計及製作22 此真空 管 太 陽 能集 熱 器集熱效率為0.615， 依據原1RT噴射式實驗 系統的經驗，開動14 kW電熱量可提供噴射 器正常 運轉 ，由此可 以估算 不 同 太 陽輻 射 強度下 所需 的太陽能 集熱器面積(假設管線 熱損20%)如表3.2.4。 22 太陽輻射強度 (W/m2) 太陽能集熱器面 積 (m2) 500 57 600 47 700 41 800 36 900 32 1000 28 表3.2.4 太陽能集熱器面積估算
3.2 太陽能集熱系統
—太陽能熱量需求設計(續)
每組太陽能集熱器外觀與架設
3.2 太陽能集熱系統
—太陽能熱量需求設計(續)
圖3.2.4 太陽能集熱器外觀與架設: (a)上視圖及(b)側視圖
溫升計算驗證: 能量守恆原理，集熱器收集的太陽能等於水通過後的溫升熱能： 7179 0 684 1. . t a i I T T 97.4.22直流 = -1.6848X + 0.7179 R2 = 0.9313 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 97.04.22 線性 (97.04.22) T C A m T T C m A It c s p i A c s p , ( ) , 72 83 6 573 ) 5 33 ( 684 1 717 0 ) ( 684 1 . . . . . . i p A t a i p A t T C m I T T C m I T 實驗測得之真空管太 陽能集熱器效率曲線 圖3.2.5 太陽能集熱器性能實測
表3.2.5 串聯各排集熱板溫升與出口溫度
集熱器串 聯號 第一循環 第二循環 溫升,℃ 出口溫度,℃ 溫升,℃ 出口溫度,℃ Δt To(=Ti+Δt) Δt,℃ To,℃ 1 6.96 34.96 5.92 85.80 2 6.82 41.78 5.80 91.60 3 6.68 48.46 5.68 97.28 4 6.55 55.01 5.57 102.84 5 6.42 61.43 5.46 108.30 6 6.29 67.70 5.35 113.65 7 6.16 73.86 5.24 118.90 8 6.04 79.90 5.13 124.00 第二循環之第四片3.2 太陽能集熱系統
—太陽能熱量需求設計(續)
三.系統設計及製作26
3.2 太陽能集熱系統
—太陽能熱量需求設計(續)
27
中央自動控制系統設計1
為了可以穩定提供1RT的冷氣能力，必須依靠中央控制 系統，以調整順應運轉狀況、氣象及負載變化 主要分為兩大模式分別為製冷和供熱模式 當日照量逐漸充足時，噴射式製冷系統可以滿載運轉製 冷，變頻空調機即可關閉，以節省耗電 在供熱模式中，噴射式製冷系統無須提供冷氣，利用中 央自動控制系統的切換，直接由太陽能集熱器吸收熱能 製作熱水，如同一般之太陽能熱水器 273.3 中央自動控制系統—
設計
三.系統設計及製作28 判斷溫度 是否過大 量測產生器溫度 80℃<判斷產生 器溫度>89℃ 判斷1.室內溫度-噴射器蒸 發器出口溫度大於某值 2.室溫就溫速率大於某值 冷凝溫度量測 判斷冷凝溫度<<臨界點 溫度 噴射器製冷最佳 運轉狀態 Yes, IAC變頻啟動
Yes, 開Pump C及IAC OFF
Yes, 開冷卻水塔變頻 Yes, 開Pump A 量測太陽能集熱器溫 度及緩衝水箱溫度 判斷集熱器溫度-緩衝水箱溫度 >10℃ 90℃<判斷產生 器溫度>99℃ 100℃<判斷產 生器溫度 No No 量測室內溫度、噴射器蒸發器 出口溫度和室溫降溫速率 Yes, 開冷卻水塔、pump B及操作溫度90℃之JT No No No 量測熱水槽溫度 判斷熱水槽 >90℃ 量測太陽能集熱器溫 度及緩衝水槽溫度 判斷太陽能集熱器溫 度>緩衝箱水槽溫度 再量測緩衝箱 及熱水槽溫度 判斷緩衝箱溫度 >熱水槽溫度 供熱系統最佳化 No No Yes, 開Pump A Yes, 開Pump C No No Yes, 開冷卻水塔、pump B及操作溫度100℃之JT Yes, 開冷卻水塔、pump B及操作溫度80℃之JT No 28 圖3.3.1 中央自動控制 系統控制邏輯
3.3 中央自動控制
系統
—
設計(續)
29 中央自動控制 系統控制流程： 係是利用系統各 處溫度量測，透 過電腦控制系統 運算，進行各次 系 統 之 切 換 on/off，以使全 系統順利自動運 轉，如圖3.3.2。 29 PC ` Fluke 繼電器 控制盒 電磁閥 1RT 太陽能製冷供熱系統 T-type Thermocouple Temperature RS232 LPT1
3.3 中央自動控制
系統
—
設計(續)
三.系統設計及製作表3.3.1 1RT中央控制系統電路所需硬體 硬體名稱 用途 數量 Fluke 量測溫度 1 Relay 控制電磁閥 10 IC：2003A 控制Relay 2 Print port傳輸線 傳出控制資訊 1 Print port接頭 1 RS232傳輸線 傳輸Fluke資料 1 RS232接頭 1 端子台 轉接頭 11 LED燈 監測Relay動作 10 P.S. 控制軟體介面：Visual Basic
3.3 中央自動控制系統—
設計(續)
中央自動控制系統主要是 藉由各溫度點的反應進而 利 用 電 腦 之 V B ( Vi s u a l Basic)程式跟繼電器溝通 以控制1RT太陽能製冷供 熱系統各次系統之on/off， 如 圖 3 . 3 . 3 。
3.3 中央自動控制系統—
設計(續)
圖3.3.3中央自動控制系統監 控螢幕 三.系統設計及製作1. 集熱系統詴機
2. 集熱系統改良
3. 空調系統詴車
4. 冷氣主機性能(COP)0.3，集熱系統
性能0.44，整體性能0.132，節能整體
性能+8.5。
Tc*=28℃
Figure 3 1RT test rig of ejector with R365mfc: (a) 1RT test rig (b) ejector performance curve.
(b) (a)
Indoor 1 RT air-conditioning device with frequency conversion
Cooling tower 1 RT ejector cooling system
Solar vacuum-tube collector system
Ti:集熱器入口溫度＝95.4℃；
To：集熱器入口溫
度＝110℃
Ta:大氣溫度＝35℃
It:日射量
07 . 0 868 ) 35 4 . 95 ( ) ( t a i I T T X 444 . 0 8 . 52 ) 1000 / 868 ( 6 . 14 186 . 4 333 . 0 ) ( , s c t i p A I T T C m 集熱效率：0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 70 75 80 85 90 95 100 COPo SC TG, o C COPHDCM TG OPT COPo MAX COP's, hSC
四、結果
— (4)
系統整合效率
冷 氣 主 機 性 能
( CO P) 0 .3， 集
熱系統
性能
0.44，整體性能
0.132，節能整
體 性 能 + 8 . 5 。
KAUST Center-in-Development
project outline
Solar Energy Research Center
(SERC)
Proposal theme:
Solar Building Technology
B.J.Huang
Jan 25, 2008
5.1 沙烏地阿拉伯國際計畫—簡介
肇始—該國於2007年8月向挑選出的全球60所著名大學發 出邀請函，徵求研究中心籌畫構想書，台大為臺灣唯一獲 邀的大學。 徵求計畫—共有41 個全球知名大學及研究機構提出計畫構 想書，由來自八個國家的45位國際知名專家學者組成的審 查委員會進行嚴格評審。 評選—2007年底經第一輪初審淘汰後，有20個計畫獲准提 送正式計畫書進入決選。於2008年3月完成書面與現場評 審作業，4月初評定最後獲獎的7個研究中心計畫，涵蓋領 域包括永續資源與環境、材料科學與工程、生物科學與工 程、應用數學與計算等。 計畫內容—幫沙烏地阿拉伯國王大學建立能源研發中心， 工作內容包含中心運作模式、交換學生與研發技術移轉。 五、能源局計畫擴展至沙烏地阿拉伯國際計畫5.2 沙烏地阿拉伯國際計畫—大綱
A. Solar-assisted cooling/heating for building (SACH)
A1) Solar cooling/heating
。Ejector cooling & Heat pump [IP]
A1-1: Ejector design study with a 3RT test rig [Y1-Y3] A1-2: Study of SACH systems for dessert area
。Solar collector for SACH and SAMD
A1-3: Building-integrated solar collector [Y1-Y3]
A2) Solar membrane desalination
A2-1: Desalination membrane research
A2-2: Desalination system development (SAMD)
B. Solar LED lighting
B1)Solar PV LED lighting system research [Y1-Y3] B2)Dye-sensitized solar cell
A. Solar-assisted cooling/heating for building (SACH)
背壓
背壓
(a)
(b)
圖 CFD三維速度場比較：（a)冷凝溫度25℃；（b)冷
Ejector design study for dessert area
圖 CFD三維溫度場比較：（a)冷凝溫度25℃；（b)冷凝溫度28℃。
(a)
(b)
46 (1)太陽能集熱系統設計與詴車； (2)新1RT噴射式冷氣主機設計與組裝； (3)太陽能製冷供熱中央自動控制系統設計與製作。 (4)中央自動控制系統設計與製作，包括四個控制： (5)冷氣主機性能 (COP)0.3，集熱系統 性能0.44，整 體性能0.132，節能整體性能+8.5。
