熱泵熱水系統生命週期評估與淨能源分析之整合研究 - 政大學術集成

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(1)國立政治大學國家發展研究所碩士論文. 指導教授:許志義博士. 立. 政治大. ‧ 國. 學 ‧. 熱泵熱水系統生命週期評估與淨能源分析之整合研究. n. al. er. io. sit. y. Nat. Integrated Studies on Life Cycle Assessment and Net Energy Analysis of the Heat Pump Water Heater System. Ch. engchi. i n U. v. 研究生：郭乃頊. 中華民國一○一年六月.

(2) 謝. 誌. 這篇論文得以完成，首先要感謝指導老師許志義教授，還記得是因緣際會下許老師的一通電話，我才有機會一窺資源與環境經濟學的奧妙殿堂，老師在課業與論文方面展現的專業，讓修習課業的學生獲益良多。另在論文寫作期間，老師也親自帶著我們拜訪業界與熱泵協會，並在研究上詳加指導，讓本研究得以順利進展；平時老師也親切地關心學生的生活，尤其在遇到研究或課業上的瓶頸與挫折時，老師的鼓勵是支持完成學業與論文的重要動力，謹此向許志義老師致上最誠摯的感謝與敬意。此外，也要感謝童振源老師、林師模老師、黃奕儒老師在百忙之中撥冗參與學生的口試，並細心給予指導與提供許多寶貴的建議，讓學生在進行研究與撰寫論文. 政治大. 上受益良多，並使論文更加充實與完善。. 感謝台灣熱泵協會林江財理事長、台灣熱泵協會陳建方秘書長、永續先進能源. 立. 公司黃瑞湄特助、金弘利公司張鑫龍總裁，在研究過程中熱心給予協助，並提供熱. ‧ 國. 學. 泵熱水系統之相關實證資料以及熱泵技術指導，因為有您們的體諒及幫忙，使本研究能夠順利進行，且更完整而嚴謹，特此表達由衷感謝之意。謝謝我的好友們，感謝家安在我低潮的時候，不時邀我出去散散心，聽我訴說. ‧. 煩惱，給我的關心與支持；感謝涵柔在我迷惘時，告訴我不要放棄，還給了我很多. y. Nat. 有用的建議；感謝燕婷在我不知道怎麼面對下一步時，開導我、給我信心與勇氣；. sit. 感謝宛臻總是在關鍵的時候，對我的貼心加油與問候；感謝鎧安在一起值班期間，. er. io. 讓我對人生有不一樣的思考與啟發。很高興認識你們這群好友，一起出去玩、一起. al. n. v i n Ch 另外，感謝同門好友圃漢與嘉豪，互相切磋討論與鼓勵，在你們的幫助下研究 engchi U 路上一點也不孤單；感謝志景學長提點出論文中的小缺失，讓論文能更加嚴謹；感分享生活的甘苦，你們的陪伴讓我碩士生活更顯得絢麗多彩。. 謝婉如總是不厭其煩的幫我校稿，不時給我意見與關心；感謝青春熱血籃球團的大家，週末的球聚總是特別開心，暫時拋開惱人的煩憂；也感謝每一個曾幫助與鼓勵我的朋友們，因為你們讓我能夠好好地完成論文。最後，感謝爸爸和媽媽因為你們對家庭的付出，無條件的支持與關心，讓我無憂無慮的完成論文與學業；感謝妹妹明明不是自己的領域，卻總是被我逼著了解論文的內容，並要求你跟我討論、給我意見；感謝公公和阿嬤，平時對我的照顧和關心，總是讓我備感窩心。真的很感謝我最親愛的家人們，我愛你們！郭乃頊. 謹誌. 中華民國一○一年六月 i.

(3) 摘要根據歐盟 2009 年發布之再生能源指令，定義熱泵系統所擷取之大氣熱能、水熱能以及地熱能為再生能源之選項，熱泵技術不受日夜與天候影響，且具安全、有低耗能、低排碳的優點，可應用在空調、暖氣、熱水等設備，備受歐美日本等先進國家重視，也是歐美各國政府極力推廣的項目之一。本研究針對台灣地區家戶住宅所使用小型空氣源熱泵熱水機組，透過環境資源及能源效率的角度，來探討熱泵熱水系統對於台灣住宅部門的適用性。在研究方法上，針對國內熱泵個案廠商進行系統盤查分析，並且估算使用運轉過程中所需之能源投入，以計算熱水系統在製造過程與運轉使用過程中之環境影響。. 政治大兩種衝擊評估模式，來以生命週期評估探討熱泵熱水系統對環境之影響。並輔以淨立能源分析法中能源投資報酬率與能源回收期，以及估算熱泵熱水系統生命週期 CO2 選擇生命週期評估軟體 SimaPro 7.3 做為評估工具，使用 Eco-Indicator 95、EPS 2000. ‧ 國. 學. 排放量，來衡量熱泵熱水系統之能源效率是否具有其效益。並進一步針對不同的再生能源發電比例與提升熱泵能源效率比例，探討不同方案的敏感度分析。. ‧. 根據本研究分析結果顯示，熱泵熱水系統不管從 Eco-indicator 95 或 EPS 2000. y. Nat. sit. 衝擊評估模式下，運轉使用階段對環境衝擊較大，主要的衝擊項目為重金屬汙染，. er. io. 是因為熱泵熱水系統運轉所使用的電力消耗所致。使用熱泵熱水系統對環境衝擊程. al. v i n Ch 統較熱泵熱水系統環境衝擊程度較小，但以 U 衝擊評估模式下，熱泵熱水 e n g c EPS h i 2000 n. 度遠較電熱水系統來得小，雖在 Eco-indicator 95 之衝擊評估模式下，瓦斯熱水系. 系統對環境是最為友善的熱水系統。以淨效益估算熱泵熱水系統源投資報酬率. （EROI）值為 1.45～5.55，能源回收期約為 0.22 年至 2.16 年，表示熱泵熱水系統從生命週期的角度來檢視能源效率是具有效益的。由於目前熱泵熱水系統對環境最大的負擔來源是電力的使用，若未來能提高再生能源發電比例、降低臺灣電能含碳濃度，或者提高熱泵能源生產效率，均能降低熱泵熱水系統對環境的負面影響。. 關鍵字：熱泵系統、生命週期評估、淨能源分析、SimaPro、能源投資報酬、能源回收期. ii.

(4) Abstract The purpose of this study is to apply life cycle assessment (LCA) and net energy analysis to explore the environmental impacts of the heat pump water heater in Taiwan. In order to achieve this objective, domestic data inventory was gathered from local heat pump industry in Taiwan through questionnaires including input of energy, product output and waste, etc. The SimaPro7.3 program and two impact assessment methods including Eco-Indicator 95, EPS 2000 were utilized to evaluate the environmental impact of the heat pump water heater. Also, we used net energy analysis such as energy return on investment and energy payback time, and estimated the life-cycle CO2 emissions to see whether if the heat pump water heater has its energy efficiency. In. 政治大 portfolio and the heat pump energy efficiency ratio. 立. addition, the sensitivity analysis was performed by varying renewable energy generation. ‧ 國. 學. Emprical results of two impact assessment methods (Eco-indicator 95 and EPS 2000) show that the main impact on environment of heat pump water heater is from operation phase. When operating the heat pump water heater, it needs to consume. ‧. electricity which is generated from fossil fuel and caused the environmental impact.. y. Nat. Compared with the electric water heater, the environmental impact degree of heat pump. sit. water heater is much smaller. In Eco-indicator 95 method, gas water heater has less. er. io. influence on the environment than heat pump water heater; however, heat pump water. al. v i n gas is a kind of nonrenewableCresource. From the U h e n g c h i viewpoint of resource stock, gas indeed influence “Depletion of reserves” of environmental impact. By utilizing net n. heater is the most environment-friendly system in EPS 2000 method. That is because. energy analysis, the estimated energy return on investment (EROI) of heat pump water heater is 1.45～5.55, and energy payback time is 0.22~2.16 years. It indicates that heat pump water heater has significant benefit from life-cycle perspective. The main impact to environment by heat pump water heater is essentially derived from electricity input. To mitigation this environmental issue, one can reduce environmental impact by increase the proportion of renewable energy generation, and reducing the electricity CO2 emission. Furthermore, improving the energy efficiency of the heat pump would also helpful. Key words: Heat pump water heater, Life-cycle assessment, Net energy analysis, SimaPro, Energy return on investment, Energy payback time. iii.

(5) 目錄第一章緒論…………………………………………………………… 1 第一節. 研究動機與目的………………………………………………………1. 第二節. 研究步驟與流程………………………………………………………3. 第三節. 研究架構…………………………………………………………………5. 第四節. 研究範圍與假設…………………………………………………………6. 第二章. 文獻探討………………………………………………………8. 第一節. 熱泵熱水系統………………………………………………………8. 第二節. 各國熱泵系統發展概況……………………………………………13. 第四節. 研究方法與工具……………………………………………23. 學. 第三章. 政治大淨能源分析相關研究………………………………………………21 立生命週期評估相關研究……………………………………………17. ‧ 國. 第三節. 生命週期評估架構…………………………………………………23. 第二節. SimaPro 生命週期評估軟體…………………………………………27. 第三節. 衝擊評估模式………………………………………………………29. 第四節. 淨能源分析…………………………………………………………38. ‧. 第一節. sit. y. Nat. n. al. er. io. 第四章研究結果與討論………………………………………………42. i n U. v. 第一節. 系統範圍與資料盤查………………………………………………42. 第二節. 熱泵熱水系統生命週期評估………………………………………44. 第三節. 熱水系統生命週期評估之比較分析………………………………54. 第四節. 熱泵熱水系統之淨能源分析與 CO2 排放……………………………63. 第五節. 熱泵熱水系統生命週期評估之敏感度分析………………………70. Ch. engchi. 第五章結論與建議……………………………………………………84 第一節結論…………………………………………………………………84 第二節建議…………………………………………………………………88. 參考文獻………………………………………………………………90 附錄……………………………………………………………………93 iv.

(6) 表目錄表 3-1 生命週期衝擊評估之方法特色……………………………………………… 30 表3-2 Eco-Indicator 95 環境衝擊類別…………………………………………… 32 Eco-Indicator 95常態化效應因子…………………………………………… 33 Eco-Indicator 95加權權重因子………………………………………………33 EPS 2000 環境衝擊類別…………………………………………………… 35 EPS 2000 環境範疇對應表………………………………………………… 36 EPS 2000 評價加權因子……………………………………………………37 本研究使用之衝擊評估模式與衝擊類別……………………………………37 各能源技術之能源投資報酬率（EROI）估計值…………………………41 每台熱泵熱水系統生產過程之主要盤查資料結果…………………………44 熱泵熱水系統之Eco-Indicator 95 特徵化結果………………………………45 熱泵熱水系統之Eco-Indicator 95 常態化結果………………………………46 熱泵熱水系統之Eco-Indicator 95 評價加權與單一得點結果………………48 熱泵熱水系統之EPS 2000 特徵化結果……………………………………50 熱泵熱水系統之EPS 2000 損害評估結果………………………………… 51 熱泵熱水系統之EPS 2000 評價加權與單一得點結果……………………53 不同熱水系統之Eco-Indicator 95 特徵化比較結果…………………………55. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. 表3-3 表3-4 表3-5 表3-6 表3-7 表3-8 表3-9 表4-1 表4-2 表4-3 表4-4 表4-5 表4-6 表4-7 表4-8. n. al. er. io. sit. y. Nat. 表4-9 不同熱水系統之Eco-Indicator 95 常態化結果……………………… 56 表4-10 不同熱水系統之Eco-Indicator 95 評價加權與單一得點結果…………57 表4-11 不同熱水系統之EPS 2000 特徵化比較結果………………………………59 表4-12 不同熱水系統之EPS 2000損害評估比較結果………………………………60 表4-13 熱水系統之EPS 2000 評價加權以及單一得點比較結果………………… 61 表4-14 每台熱泵機組主要投入原料及能源之總生產耗能…………………………65 表4-15 熱泵熱水系統之能效係數（COP）………………………………………65 表4-16 熱泵熱水系統使用15年總熱產量………………………………………66 表4-17 熱泵熱水系統EROI……………………………………………………66 表4-18 每台熱泵系統製造階段主要投入原料及能源之CO2排放量……………68 表4-19 不同熱水系統之生命週期CO2排放量………………………………………69 表4-20 台灣近五年發電量表………………………………………………………… 70 表4-21 使用不同比例再生能源發電來源之Eco-indicator 95單一得點比較結果 …73 表4-22 使用不同比例再生能源發電來源對環境之影響（Eco-indicator 95）………73 表4-23 使用不同比例再生能源發電來源之EPS 2000單一得點比較結果…………76 表4-22 使用不同比例再生能源發電來源對環境之影響（EPS 2000）………………76. Ch. engchi. i n U. v. 表4-25 熱泵系統之能源效率提升Eco-indicator 95評價加權與單一得點結果……79 表4-26 熱泵系統之能源效率提升對環境之影響（Eco-indicator 95）……………80. v.

(7) 表4-27 熱泵系統之能源效率提升EPS 2000評價加權及單一得點結果……………82 表4-28 熱泵系統之能源效率提升對環境的影響（EPS 2000）…………………… 82. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. vi. i n U. v.

(8) 圖目錄圖1-1 研究流程圖………………………………………………………………… 4 圖1-2 研究架構圖………………………………………………………………… 5 圖2-1 圖2-2 圖2-3 圖2-4 圖2-5 圖2-6 圖2-7 圖2-8. 熱泵熱水系統原理 ……………………………………………………………9 水對水熱泵系統……………………………………………………………11 家庭用地熱型熱泵…………………………………………………………12 雙熱源太陽能熱泵原理……………………………………………………12 歐洲熱泵系統銷售情形 ……………………………………………………14 歐洲熱泵系統各國銷售情形 ………………………………………………15 歐洲市場各類熱泵系統銷售市占率（2008）……………………………15 日本ECO CUTE熱泵熱水系統銷售量統計 …………………………………16. 圖3-1 圖3-2 圖3-3 圖3-4 圖4-1 圖4-2 圖4-3. 生命週期評估階段 …………………………………………………………23 生命週期評估步驟 ………………………………………………………24 Eco-indicator 95衝擊評估模式之圖示…………………………………… 31 能源回收期概念……………………………………………………………39 熱泵熱水系統之Eco-Indicator 95 特徵化結果………………………………46 熱泵熱水系統之Eco-Indicator 95 常態化結果………………………………47 熱泵熱水系統之Eco-Indicator 95 評價加權結果……………………………47. 圖4-4. 熱泵熱水系統之Eco-Indicator 95 單一得點結果……………………………49 熱泵熱水系統之EPS 2000 特徵化結果……………………………………51 熱泵熱水系統之EPS 2000 損害評估結果…………………………………52 熱泵熱水系統之EPS 2000 評價加權結果…………………………………52 熱泵熱水系統之EPS 2000 單一得點結果…………………………………53 不同熱水系統之Eco-Indicator 95 特徵化結果…………………………55 不同熱水系統之Eco-Indicator 95 常態化結果…………………………56 不同熱水系統之Eco-Indicator 95 評價加權結果………………………57 不同熱水系統之Eco-indicator 95 單一得點比較結果…………………57 不同熱水系統之EPS 2000 特徵化比較結果……………………………60 不同熱水系統之EPS 2000 損害評估比較結果…………………………60 不同熱水系統之EPS 2000 評價加權比較結果…………………………61 不同熱水系統之EPS 2000單一得點分數比較結果………………………62 台灣2010年發電來源比例圖………………………………………………71 使用不同比例再生能源發電來源之Eco-indicator 95特徵化比較結果… 72 使用不同比例再生能源發電來源之Eco-indicator 95常態化比較結果…72. ‧. ‧ 國. 學. n. al. er. io. sit. y. Nat. 圖4-5 圖4-6 圖4-7 圖4-8 圖4-9 圖4-10 圖4-11 圖4-12 圖4-13 圖4-14 圖4-15 圖4-16 圖4-17 圖4-18 圖4-19. 立. 政治大. Ch. engchi. i n U. v. 圖4-20 使用不同比例再生能源發電來源之Eco-indicator 95評價加權比較結果…72 圖4-21 使用不同比例再生能源發電來源之Eco-indicator 95單一得點比較結果…72 圖4-22 使用不同比例再生能源發電來源之EPS 2000特徵化比較結果……… 75 vii.

(9) 圖4-23 使用不同比例再生能源發電來源之EPS 2000損害評估比較結果 ……75 圖4-24 使用不同比例再生能源發電來源之EPS 2000評價加權比較結果 ……75 圖4-25 使用不同比例再生能源發電來源之EPS 2000單一得點比較結果 ……75 圖4-26 熱泵系統之能源效率提升Eco-indicator 95特徵化比較結果 ……………77 熱泵系統之能源效率提升Eco-indicator 95常態化比較結果 ……………77 熱泵系統之能源效率提升Eco-indicator 95評價加權比較結果 …………78 熱泵系統之能源效率提升Eco-indicator 95單一得點比較結果 …………78 熱泵系統之能源效率提升EPS 2000特徵化比較結果……………………81 熱泵系統之能源效率提升EPS 2000損害評估比較結果 …………………81 熱泵系統之能源效率提升EPS 2000評價加權比較結果 ………………81 熱泵系統之能源效率提升EPS 2000單一得點比較結果 ………………81. 立. 政治大. 學 ‧. ‧ 國 io. sit. y. Nat. n. al. er. 圖4-27 圖4-28 圖4-29 圖4-30 圖4-31 圖4-32 圖4-33. Ch. engchi. viii. i n U. v.

(10) 第一章. 緒論. 第一節研究動機與目的工業革命後，化石能源大量的使用帶動了經濟快速成長，而化石能源的使用導致溫室效應氣體快速累積，加速地球的暖化；尤其近年來氣候劇變、天災不斷，讓人不禁擔憂是否真如電影「2012」般世界將走向滅亡？是故，一個國家的發展除了關注在政治、社會、經濟等面向外，更應著重在兼顧能源、環境與經濟並重的永續發展；若沒有可永續生活的環境，談何其它的發展呢？而隨著經濟發展越趨穩定，在一定的生活品質下，人們開始追求更好的生活環境；環保意識的抬頭、. 政治大復至以往的樣貌。因此，永續經營將是未來最重要的課題。立. 綠色思維的崛起，更是希望能透過節能減碳的構想，讓賴以維生的地球，逐漸恢. ‧ 國. 學. 此外人類的社會發展與能源使用有密不可分的關係，我們都知道能源是推動國家發展的原動力－它提供產業所需之燃料、原料及動力來源，是現代社會提高. ‧. 人民生活水準之必需品；又能源的使用是影響環境的主要因素，為了達到永續能源發展目標，提高能源使用效率，並落實節約能源將是最根本有效的策略。但台. y. Nat. sit. 灣自有能源有限，99％以上依賴進口，使得台灣能源價格隨著國際能源市場價格. er. io. 波動，間接影響我國人民生活水準以及產業發展；因此，我國的能源政策除了積. al. 極開發無碳之再生能源外，穩定能源供應、提高自主能源比例、提高終端能源使. n. v i n Ch 用效率等，皆是我國能源政策重點發展項目（經濟部，2009）。 engchi U. 地球外的大氣層能夠吸收太陽能，加上溫室效應的影響，地表上充滿許多熱能，也可以說整個大氣中就是一個源源不絕的「熱源庫」；而根據熱力學第二定律，每種能量在轉換時，將使得有一些能量轉變成沒有用處的能源，以燈泡來說，我們將電能轉換成有用的光能，可是同時它也產生了沒有利用到的熱能；又例如，我們燃燒化石燃料讓汽車發動產生動能，卻同時也有大量的熱能散失，我們甚至還要使用散熱器等裝置來防止馬達燒毀（Hussen，2004）。生活中這些散失的能量通常沒辦法被利用，但若我們能將地球上到處充滿的熱能收集起來，並加以利用，即能大幅減少能量無謂的損失。此外台灣位處於亞熱帶地區，終年氣候溫暖，若能善用豐富的熱能資源，必定能改善我國能源使用的效率。. 1.

(11) 熱泵（heat pump）可以吸收大自然中之熱能或廢熱，進而使用這些熱能。它為一種「移熱」的裝置，就如同抽水馬達一樣，只不過抽水馬達抽得是水，而熱泵抽得是熱，根據歐盟 2009 年發布之再生能源指令，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。且熱泵技術不受日夜與天候影響，具有低耗能、低排碳的優點，可應用在空調、暖氣、熱水等設備，備受歐美先進國家重視，也是歐美各國政府極力推廣的項目之一。然而，縱使熱泵發展在國外已相對成熟，目前國外也已有許多熱泵系統相關文獻探討熱泵系統之經濟與環境效益，但我國之熱泵系統仍尚在發展階段。國內熱泵熱水系統全面推廣至今，已有數百件大型熱泵熱水系統案例，大都應用在學. 政治大少（綠基會，1996）。且國內對於熱泵系統相關研究，多數為探討熱泵熱水系統立. 校、游泳池、醫院、旅館飯店等地，一般住宅用戶也有熱泵熱水系統，但案例較. ‧ 國. 學. 節能效益以及如何提升熱泵系統的能源效率；因此，本研究針對台灣地區家戶住宅所使用熱泵熱水系統，透過環境資源及能源效率的角度，來探討熱泵熱水系統對於台灣住宅部門的適用性。. ‧. 生命週期評估（Life Cycle Assessment, LCA）是一項受到國際重視的環境管. y. Nat. sit. 理工具，國際標準組織（ISO）也將生命週期評估列入國際環境標準 ISO 14040. er. io. 中，其概念為產品自原料取得，經過製造、成品使用階段，直至最終廢棄處置各. al. v i n Ch 出改善的機會與建議。由於此觀念的引入，產品對環境影響有了不同的思維，因 engchi U n. 階段的對整體環境生態之潛在衝擊，強調由科學方法盤查而得到量化結果，並提. 其全面性的考量，更受到國際間重視，歐盟各國也已開始要求某些電子電機產品進行生命週期評估，以達成環境永續發展的目標（黃信凱，2003）。. 國家的永續發展應重視多面向之選擇，減少不必要的社會成本損失，且為了避免鼓勵無效率的粗能源產出高，而卻無淨能源產出之技術，導致資源的加速耗竭，以及其他對環境之負面影響（廖卿惠，2010），本研究希望以生命週期評估之研究方法，來探討熱泵熱水系統生命週期中對環境之影響，並輔以淨能源分析法來計算熱泵熱水系統之淨能源產出，分別從環境面以及能源效益面來瞭解熱泵熱水系統對於我國是否具有相對優勢。基於上述，本研究之目的如下： 2.

(12) 1. 建立系統化之熱泵熱水系統環境評估整合分析方法：參考國內外對環境評估之方法，以生命週期評估及淨能源分析之整合模式探討熱泵系統，建立適當的環境評估分析法，作為本研究分析之用。 2. 比較熱泵熱水系統之環境評估分析結果：建立熱泵熱水系統本土性案例之環境分析，了解熱泵熱水系統對環境之衝擊，並與一般家庭常使用的電熱水系統以及瓦斯熱水系統相互比較，以探討熱泵熱水系統之相對環境影響效果。 3. 評估熱泵熱水系統之節能減碳淨效益：以淨能源分析方法中的能源投資報酬率與能源回收期，檢驗熱泵熱水系統之能源投入是否是具有淨效益。 4. 評估台灣地區應用熱泵熱水系統之適宜性：根據本研究分析結果，針對. 政治大. 台灣地區未來發展熱泵熱水系統提出相關建議。. 立. 研究步驟與流程. 學. ‧ 國. 第二節. 本研究之流程如圖 1-1 所示。研究步驟首先確立研究目標及界定熱泵熱水系. ‧. 統產品生命週期之範圍；其次收集並整理國內外相關文獻，了解熱水系統發展現. y. Nat. 況、製程及其特性應用，同時使用生命週期評估軟體 SimaPro 7.3，以分析熱水. io. sit. 系統之生命週期評估。製作問卷並發放至相關廠商，蒐集產品在製造過程中所需. n. al. er. 投入的原料及能源清單；待問卷資料蒐集後，利用 SimaPro 7.3 軟體，以生命週. i n U. v. 期評估分析熱泵熱水系統在製造與運轉過程中對環境造成的影響，並整合生命週. Ch. engchi. 期評估的資料進行熱泵熱水系統之淨能源分析。最後根據上述之分析結果，做出結論，並提出建議。. 3.

(13) 研究目的與範疇界定. 文獻蒐集與整理. 瞭解熱泵系統發展現況及應用. 問卷發放與結果整理. 了解 SimaPro 生命週期評估軟體應用. 資料彙整. 政治大. 立. 實證研究. 淨能源分析. Nat. n. Ch. engchi. 結論與建議. 圖1-1 研究流程圖. 4. er. io. al. 實證分析結果. sit. y. ‧. ‧ 國. 學. 生命週期評估. i n U. v.

(14) 第三節. 研究架構. 本研究之架構依上述研究流程分為五章，研究架構圖如圖 1-2，其各章主要內容分別說明如下：第一章 2. 研究步驟與流程. 1.研究動機與目的. 3. 研究架構. 4. 研究範圍與假設. 第二章文獻回顧 2. 各國熱泵系統發 3. 生命週期評估相關研究展概況. 立. 政治大第三章研究方法與工具. 2. SimaPro生命週期評估軟體. 3. 衝擊評估模式. 4. 淨能源分析. 學. 第四章. 4. 熱泵熱水系統之淨能源分析與 CO2排放. 3. 熱水系統生命週期評估之比較分析. 2. 熱泵熱水系統之生命週期評估. 5. 熱泵熱水系統之敏感度分析. io. sit. y. Nat. n. al 1. 結論. 研究結果與討論. ‧. ‧ 國. 1. 生命週期評估架構. 4. 淨能源分析相關研究. 第五章. Ch. 結論與建議. engchi. er. 1. 熱泵熱水器系統. 1. 系統範圍與資料盤查. 緒論. i n U. v. 2. 建議. 圖1-2 研究架構圖第三章研究方法與工具：本章旨在闡述研究方法、分析工具，說明生命週期評估與淨能源分析之發展概況、定義及架構，並探討生命週期評估軟體 SimaPro 7.3，以及生命週期衝擊評估模式 Eco-indicator 95 和 EPS 2000。第四章研究結果與討論：本章首先界定研究的目標及範疇，說明整體研究所可能涉及的內容及範圍；第二節使用生命週期評估軟體衡量熱泵熱水系統，在製造以及使用過程中對環境所造成的衝擊，並探討與比較不同模式的差異；第三節針對目前台灣地區之熱泵熱水系統、電熱水系統以及瓦斯熱水系統進行生命週期評估，估算其材料使用、能源投入與相關排放，以探討熱水系統在生產與運轉 5.

(15) 的過程中，對環境造成的影響；第四節是利用生命週期評估結合淨能源分析，估算熱水系統之能源投資報酬以及能源回收期，也會估算不同熱水系統之生命週期 CO2 排放量，以探討熱泵熱水系統之節能減碳淨效益與環境衝擊；最後以敏感度分析探討兩種情境，包含將再生能源電力使用比例提高，以及熱泵能源技術效率改善對環境改善之程度。第五章. 結論與建議：本章將彙整研究結論各章之研究結果，進行政策研析，. 並針對未來研究方向提出建議。. 第四節. 研究範圍與假設. 治政本研究以生命週期評估技術及淨能源分析探討不同熱水系統對環境造成的大立衝擊，藉由問卷發放與廠商訪談的方式，以 99 年度的統計資料為主，並以個案 ‧ 國. 學. 廠商為主要研究對象。盤查範圍為熱水系統在製程中相關之原物料投入（包含原料開採）、能源資源消費及廢棄物排放狀況，並且估算使用運轉過程中所需之能. ‧. 源投入，以計算熱水系統在製造過程與運轉使用過程中之環境影響。此外因熱泵設備主機主要是由金屬組成（如鋼鐵及銅），90%以上可以回收，而本研究最主. y. Nat. sit. 要的能源投入量皆由使用階段產生，此退役回收階段之能源投入量相對微小，故. n. al. er. io. 不列入本研究之能源投入及排放。. i n U. v. 在研究對象上，由於本研究擬探討熱泵熱水系統對於台灣住宅部門的適用性，. Ch. engchi. 因此選用適合家庭所使用的小型空氣源熱泵機組做為主要探討對象。系統盤查範圍為熱水系統在製程中相關之原物料投入（包含原料開採）、能源資源消費及廢棄物排放狀況，並且估算使用運轉使用過程中所需之能源投入，以計算熱水系統在製造過程與運轉使用過程中之環境影響。由於本研究針對國內熱泵熱水系統以生命週期評估之方式，探討熱泵熱水系統對環境之影響，故對國內熱泵廠商在產品製造階段進行系統盤查分析。在民國 100 年 5 月至 100 年 7 月間，對台灣地區熱泵熱水系統製造進行製程問卷發放，問卷時程為民國 99 年各廠商製造某特定熱泵熱水系統之全年資料，問卷回收後，比較各家廠商回收問卷的差異性，並選擇資料充分之個案廠商進一步以生命週期軟體模擬分析。 6.

(16) 熱泵系統機組之評估過程必須建立許多條件或是數據估算之假設，例如：材料來源地點、運輸模式、處置過程及回收利用等。以下說明各項研究之範圍與假設： 1. 熱泵熱水系統可分為主要的熱泵主機及其他管線，本研究主要聚焦在熱泵機組的生命週期評估上，管線部分暫不列入研究範圍。 2. 熱泵系統製造所需材料經由國外進口至台灣，製造後運輸至運轉使用地點之過程，其能源投入及相關排放資料難以取得，故此部分之能源投入與相關排放也不予以記錄。. 治政大研究有時間及空間上的限制，因此在使用後之維護以及管理相關部分，亦不在本立研究的範疇。. 3. 熱泵系統機組之維修、保養及管理方面之資料，因需要長期追蹤，礙於本. ‧ 國. 學. 4. 由於我國尚未建立各種原物料、能源及相關物品生命週期評估之資料庫1，. ‧. 本研究所採用的部分資料來源係取自 SimaPro 生命週期評估軟體中的資料庫，其中大部分屬於歐洲地區的盤查資料。因此，本文個案研究除了透過問卷調查取得. Nat. sit. y. 第一手資料外，部分不足的資料（如：鋼鐵原料資源投入、鋼鐵之各種空氣水汙. n. al. er. io. 染物排放等），選取 SimaPro 資料庫的數據，補足實證研究之參數來源。. Ch. engchi. 1. i n U. v. 此資料庫包含各種原物料、能源及相關物品生命週期評估，可分別為方法資料庫、製程資料庫、處置百分比資料庫。方法資料庫儲存不同環境衝擊分類之相對指數，例如：各種污染物的溫室效應因子（GWP）、臭氧破壞潛能（ODP）之評估權重；製程資料庫包括物質、能源、運輸、製程、使用、廢棄物處理及處置等資料；處置百分比資料庫是包含產品使用後廢棄之焚化、資源回收及掩埋百分比。 7.

(17) 第二章. 文獻探討. 本章主要內容為熱泵系統運轉原理，以及熱泵熱水系統的種類，包括空氣對水熱泵、水對水熱泵、地源熱泵和兼具太陽輻射源與大氣熱源之雙熱源型熱泵，並簡述目前世界各國應用熱泵系統之概況與發展情形，最後針對本研究所採用之研究方法「生命週期評估法」與「淨能源分析法」進行國內外相關文獻探討。. 第一節. 熱泵熱水系統. 一、熱泵概述. 政治大 Refrigeration）」定義為「以冷凝器放出熱量以供應熱的制冷系統」，從低溫熱源立熱泵（heat pump）依「新國際制冷詞典（ New International Dictionary of. ‧ 國. 學. 環境吸熱後放熱至高溫熱源（陳鈞華等，2009）。而黃秉鈞（2007）將熱泵解釋為「一種可以吸收大自然中的熱能或人為排放的廢熱，產生熱水或暖氣的高效能科技產品」。. ‧. 簡單地說，熱泵是一種利用冷熱交換，將熱能從一個地方搬移到另外一個地. y. Nat. sit. 方的系統，就如同家裡常用的水泵一樣，把水從地下室自來水池抽到頂樓水塔，. al. er. io. 而熱泵則是藉由電力吸取自然界的熱能，讓冷熱能源互換，使用這樣的系統裝置. v. n. 不需要透過燃燒，也不會產生多餘的廢熱以及二氧化碳。. Ch. engchi. i n U. 其實我們經常使用的冷氣機和冰箱也是屬於熱泵，熱泵熱水系統原理與冷氣機相同，它們都是屬於一種移熱裝置，從低溫吸收熱能，並將熱能排入高溫環境，也就是說將熱能從冷氣房或冰箱裡移到大氣中，只是冷氣機與冰箱的需求端是冷能，利用凝結器排出熱到大氣之中；相反地，熱泵的需求端是熱能，它並非將熱能排到大氣之中，而是將這些熱能加以運用，如將往外排出的熱能排入一個水槽中，就可以製成熱水、而排入室內也可當作暖氣空調系統等，這些原本要排放的廢熱回收，就變成有用的能源。由於熱泵熱水系統是使用「壓縮原理」吸收空氣中，有別於鍋爐與瓦斯熱水系統，不需要柴油、瓦斯或是天然氣做為燃料使用，熱泵機組運行時無燃燒現象，可避免桶裝瓦斯一氧化碳中毒與氣爆危險，這種相對外部效益是許多飯店、旅館、學校宿舍等，都將原本高溫危險之鍋爐，陸續汰換成使用上較安全的熱泵設備。 8.

(18) 我們消耗少量的不可再生能源，並應用熱泵轉換自然的熱能，可達到大量冷熱交換以供使用；其具有節能的優點，並同時具備環保與安全的特性，因此近年來普受各國重視，進而節約能源、減少碳排放，來實現環境永續發展之目的。二、熱泵原理「熱泵」利用壓縮機的熱力循環原理（朗肯循環，Rankine cycle）來產生移動熱能的作用，它主要由四個組件構成分別為壓縮機、冷凝器、節流閥或膨脹閥、蒸發器，另外還包括二氧化碳、氨或鹵化物之類的冷凍劑等。圖 2-1 所示，整體零件內部充滿冷媒，冷媒以低溫低壓蒸氣的狀態進入壓縮機，藉由壓縮機輸入能量，轉換成高溫高壓蒸氣流入冷凝器。在冷凝器中冷媒蒸. 政治大氣）會因為吸收冷媒排放出的熱而增溫，使其溫度增高，如果為空氣並散發於室立. 氣因排放熱量而液化成中溫、高壓液態冷媒，而其他欲加熱之物質（如：水或空. 內就成為暖氣。當冷媒以高壓液態離開冷凝器後，被導入膨脹閥，在此過程中冷. ‧ 國. 學. 媒降低其本身壓力，以至於部分冷媒發生氣化現象，最後以低溫低壓液氣共存的狀態離開膨脹裝置，膨脹閥的功用則是藉蒸發器熱負荷的大小控制系統中冷媒的. ‧. 流量，使冷媒得到最佳的蒸發效果。液氣共存的冷媒經膨脹閥流入蒸發器後吸收. sit. y. Nat. 外界熱量，轉化成低壓低溫飽和氣態，此蒸氣再被壓縮機吸入繼續進行壓縮，構. io. 器處被排出，由此構成一個熱的移動過程。. n. al. Ch. engchi. i n U. 資料來源:本研究整理繪製圖 2-1 熱泵熱水系統原理 9. er. 成一循環迴路。簡而言之，整個循環的過程，熱能從蒸發器被吸收，然後在冷凝. v.

(19) 根據能量不滅原理，排出熱能（QH）會等於吸收的熱能（QL）加上輸入的電能（We），即 QH = QL + We。而熱泵最後被排出並收集應用的熱能（QH）會高於輸入電能（We），因此可以達到節約能源的目的。目前市面上的熱泵產品大多以電能驅動，熱泵空調排入室內的暖氣能量（QH），約為輸入電能（We）的二到三倍左右，而傳統的電暖爐，輸入 1 度電，頂多也只能獲得 1 度電的暖房能力。因此，採用熱泵來取暖，可以節省電力約五到七成，是值得大力推廣的綠色環保器具，而以熱泵熱水系統為例，其製造熱水的能源效率相較於瓦斯與電熱熱水系統，能源效率也高（綠基會，1996）。熱泵熱水系統的不利因素為價格較高，大型系統的節能與經濟效益較為顯著，. 政治大. 因此已往主要應用於溫水游泳池、宿舍、旅館與醫院等，但是受到油價持續上漲與環保意識抬頭的影響，家用型熱泵熱水系統逐漸打入家用住宅市場（鄭耀宗，. 立. 學. ‧ 國. 2008）。. 三、熱泵熱水系統之種類. ‧. 熱泵熱水系統與傳統冷媒冷氣機的運轉原理相同，只是運轉方向與使用功能相反。傳統冷氣機利用冷媒吸收室內空氣的熱量，並將此種熱量經由冷媒排到室. Nat. sit. y. 外的空氣，至於冷媒的循環則使用壓縮機與膨脹閥形成迴路；熱泵熱水系統係利. er. io. 用冷媒吸收室外空氣的熱量，並將此種熱量經由冷媒傳遞製造熱水，且將熱水儲. al. 存於保溫型桶槽中，以供洗浴等用途。室外空氣也可改為自來水或地下水，因此. n. v i n Ch 熱泵熱水系統依據熱源之型態，可分成空氣源、水源、地熱源及太陽輻射源等四 engchi U 種熱泵系統（綠基會，1996）。（一）空氣對水熱泵（Air-to-water heat pump）. 「空氣對水熱泵」也稱為「大氣取熱式熱泵熱水系統」是一種空氣源熱泵，其熱源是取自空氣中的熱（例如：一般室內、室外空氣、製程燃燒廢熱、大氣熱源等），熱能在蒸發器被冷媒吸取後，此時原有悶濕空氣被吸取熱量後，即轉變成乾冷之空氣，這就是日常生活中的冷氣，所吸取的熱能經壓縮機傳輸到冷凝器，在此排出熱能來提升水的溫度，產製溫熱水，以達到我們對熱水的需求，又因為冷氣和熱水都有很廣泛的應用，這類熱泵相當普遍。. 10.

(20) （二）水對水熱泵（Water-to-water heat pump）這類型的熱泵都以水做為熱傳遞媒介，其熱源取自於大自然的水（自來水、海水、山水、溪水、地下水井水或工業排放水等），一般常見的熱回收雙效式，不但產製冰水，供應冷氣空調使用，同時也將原本排到大氣中的熱能回收製造熱水，大自然的水資源熱能被吸取後，原常溫的水即變成 7℃~12℃的冰水，原有被吸收的熱能經壓縮機傳輸轉換成溫熱水，此為水對水熱泵，其原理如圖 2-2 所示。. 立. 政治大. al. sit. io. （三）地熱源熱泵（Geothermal heat pump）. er. Nat. 圖 2-2 水對水熱泵系統. y. ‧. ‧ 國. 學. 資料來源：承研能源科技. n. v i n 地球蘊藏無限的地熱能源，除一般人所熟知的地熱（如溫泉）外，在離地表 Ch i U e h n c g 20 公尺以下的地底層，終年溫度變化很小，約維持在 20℃左右，也是一座巨大無比的蓄能庫，而地熱源熱泵主要是利用「地層」做為熱能的主要來源，在冬季時，可利用熱泵取得地底層的熱源製熱以供使用；夏季時，地表溫度高於地底，此時熱泵可用於冷氣空調，因此一年四季都可以使用熱泵，來達到調節室內溫度之目的。（四）太陽輻射源與大氣熱源型（雙熱源型）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，晴天時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（黃秉鈞，2007）。 11.

(21) 立. 政治大. ‧ 國. 學. 資料來源：鄭耀宗，2008. ‧. 圖 2-3 家庭用地熱型熱泵. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 資料來源：黃秉鈞，1996 圖 2-4 雙熱源太陽能熱泵原理. 12.

(22) 第二節. 各國熱泵系統發展概況. 熱泵作為供熱系統的使用在歐美地區較為普及，由其是在緯度高的國家，例如北歐、加拿大等，其居民的室內暖房需求也相對較高，熱泵空調主要作為室內暖氣供應的設備。由於熱泵的使用技術受限於國家地理與氣候環境之影響，南歐早期以發展熱泵熱水系統為主，而在瑞典與德國更發展出海水熱源熱泵系統，其他歐盟各國也都在積極推動熱泵熱水系統；從 2000 年開始，日本利用政府推廣熱泵熱水系統，熱泵熱水系統使用也逐漸普及，成為全球矚目的生產大國；至於中國大陸則從 2004 年起興起一股熱泵熱水系統的使用風潮。各國受到油價持續上漲與 CO2 減量要求的衝擊，熱泵的使用已成為這些地. 政治大採用熱泵系統來取代較舊或低效率的鍋爐是減少燃油使用的優先選擇，因此熱泵立區節能減碳的方案之一，由於熱泵可避免傳統鍋爐燃燒所帶來的二氧化碳排放，. ‧ 國. 學. 的市場前景顯得相當亮麗。而各國也會因應其地理與氣候環境之不同，以最容易取得熱源的方式發展熱泵應用產品，使熱泵技術在各國呈現多元的發展。. ‧. 一、美國. sit. y. Nat. 熱泵設備在北美洲是一成熟的技術而且增長的市場。70 年代起，房地產市場增加也給了熱泵銷售一個大助力，從此這類產品的銷售量平穩地增加成長。美. io. n. al. er. 國的熱泵市場每年約有 63 億美金，其中熱水加熱系統和室內暖氣供熱系統各佔. i n U. v. 有一半市場。目前美國熱泵發展的焦點主要集中在地源熱泵，官方估計全美國已. Ch. engchi. 安裝 60 萬台的地源熱泵，2008 年銷售數量為 12 萬 1 千台機組；產業界估計地源熱泵自 20~30 年前開始，目前累積已安裝 100 萬台（林育堯、翁黃燦，2009），但由於地源熱泵仍有些許市場障礙（施工難度與初期費用較高、大眾對熱泵技術的認知與信賴度、良好訓練的施工人員缺乏等）若能針對這些市場障礙加以克服，地源熱泵的運用比例將可大幅增加（李依霓，2010）。在過去，電力業者很普遍會對安裝高效率的空調機或熱泵以替換其它燃料或替換較低效率的系統的顧客提供折扣，但政府減少電業管制干預的趨勢下，使得許多電力業者減少提供相關折扣，而美國政府透過能源之星計劃，促進對高效率設備的使用，以淘汰市面上較低效率的產品設備（鄭維嶽、韋宗楒，2008）。. 13.

(23) 二、歐洲雖然美國一直都是熱泵技術領先的國家，但實際上熱泵在歐洲的銷量高出美國許多，由於東京議定書和歐盟禁止氟氣（F-gases）的規定，再加上能源價格不斷飆漲，促使歐洲地區熱泵空調機的發展，利用空調的室外機取代鍋爐，而室內則仍然使用地板加熱系統，這樣的系統近年來在歐洲越來越受歡迎，現今歐洲已成為全球熱泵空調機的重要地區（林育堯、翁黃燦，2009）。根據歐洲熱泵協會（EHPA）的統計資料圖 2-5、圖 2-6 歐洲熱泵系統銷售情形顯示，2005 年歐洲熱泵銷售總量（以奧地利、芬蘭、法國、德國、義大利、挪威、瑞典、瑞士與英國等九國銷售量）約為 25 萬台，2008 年就增加至 58 萬. 政治大. 台，其中以法國 15.7 萬台最多，其次是瑞典、挪威，但 2009 年後受到金融海嘯之影響，熱泵銷售數目下跌，不過 2010 年市場下跌的狀況已經停止，預估未來. 立. 市場前景更佳樂觀。. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 資料來源：EHPA Outlook 2010 圖2-5 歐洲熱泵系統銷售情形圖 2-7 為歐洲市場各類熱泵系統銷售市占率，以熱泵類型來看，空氣源熱泵仍是市場的大宗，主要以溫暖的南歐、中歐較普遍，但實際上北歐地區空氣源熱泵市場成長快速，瑞典主要利用熱泵熱水系統供應暖氣，同為斯堪地納維亞半島國家的芬蘭與挪威，也遵循同樣的發展型態（鄭耀宗，2008）。. 14.

(24) 資料來源：EHPA Outlook 2010. 政治大. 圖 2-6 歐洲熱泵系統各國銷售情形. 立. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 資料來源：EHPA Outlook 2009 圖 2-7. 歐洲市場各類熱泵系統銷售市占率（2008）. 三、日本相較於歐美地區，當我們談論人口密集又溫暖氣候亞洲熱泵市場，會以冷藏除濕的空調和熱水系統為主，日本早在 1986 年即成立日本熱泵技術中心 15.

(25) （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，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。日本熱泵市場每年約 30 億美金，熱水加熱系統佔 75%，而室內暖氣供熱系統則佔 25%。日本熱泵熱水系統市場的主要產品為使用 CO2 冷媒的機種，稱為「ECO Cute」，原是關西電力公司的註冊商標，目前已經有 9 家日本電力公司同意將它作為統一的品牌名稱。該產品是使用天然冷媒 CO2 ，對全球溫室效應的衝擊很少，而且比過去使用氟碳化物冷媒的熱泵具有更佳的能力，另外它利用深夜低價的離峰電力，運轉費用低廉，但影響熱泵熱水系統普及化的主要原因是價格太貴，日本政府自 2002 年起開始實施補助金措施方案，以期將熱泵熱水系統平順地導入商業市場。受此措施的影響，銷售量也逐漸增加（林育堯、翁黃燦， 2009）。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 資料來源：JARN, December 25, 2009 圖 2-8 日本 ECO CUTE 熱泵熱水系統銷售量統計四、中國大陸中國約在 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。美國能源部和中國科技部更於 1997 年 11 月簽署了中美能源效率及可再生能源合作議定書，其中主要內容之一是「地源熱泵」，擬在中國的北京、杭州和廣州 3 個城市各建立一座採用地源熱泵供暖空調的商業建築，以緩解中國對煤炭和石油的依賴程度， 16.

(26) 進而達到能源資源多元化的目的。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（鄭耀宗，2008）。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 10368 萬元，其中包含熱泵系統項目也可. 政治大. 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（李依霓，2010）。. 立. 五、臺灣. ‧ 國. 學. 熱泵技術在臺灣地區主要是應用在於大型的熱泵熱水系統，像是醫院、飯店、. ‧. 學校宿舍、安養院和游泳池等，超過百件安裝案例，目前年產值已超過十二億元。近年廠商也開始推廣家用熱泵熱水系統，但因為其正處於萌芽階段，市場能見度. Nat. sit. y. 不高，再加上熱泵機組價格較其他熱水系統高，且一般民眾不了解此類產品等因. n. al. er. io. 素，市場仍然不易推動。. i n U. v. 政府也在鼓勵推廣熱泵熱水系統，對能源用戶裝置「熱泵熱水設備」之相關. Ch. engchi. 獎勵補助政策有「投資抵減辦法」及「節能設備優惠貸款」，但這些政策並不適用於一般民眾，而國內針對熱泵系統也沒有統一的能源效率規範或安全檢驗標準，造成市場產品良莠不齊，使得熱泵產品推廣更為不利（綠基會，1996）。. 第三節. 生命週期評估相關研究. 近幾十年來，各國政府與學者越來越關注環保議題，企業主在面對這樣的趨勢下，更應該要做好環境評估的工作，而每項產品從生產到實際運轉，至最後廢棄的過程中，所消耗的能源和所生產的廢棄物對生態環境有多少影響？生命週期評估（Life Cycle Assessment, LCA）屬於系統分析方法之一，是用於評估與某一產品（或服務）相關的環境因素和潛在影響的方法，其為「對產品 17.

(27) 系統自原物料的取得到最終處置的生命週期中，投入和產出及潛在環境衝擊之彙整與評估。」（ISO14040, 2006）。意即從產品的原料開採、能源使用、製造與運輸、運轉使用到最終棄置回收等各個階段對環境衝擊影響的程度，即為「從搖籃到搖籃」（Cradle to Grave）的整個生命週期中，評估對環境潛在衝擊。它是通過編製某一系統相關投入與產出的存量記錄，評估與這些投入、產出有關的潛在環境影響，根據生命周期評估研究的目標解釋存量記錄和環境影響的分析結果來進行的。生命週期評估之概念應用，始於 1960 年代末期至 1907 年代初期，最早可追溯至 1969 年美國可口可樂公司，為了找出適合產品企劃又能兼顧環境處理成本的需求，委託中西部研究所（Midwest research institute, MRI）對其飲料容器材質. 政治大段之能源投入，以及污染排放對環境衝擊的詳細資料等環境因素，來評估是否要立. 之考量各項經濟因素，並估計不同材質容器在原料取得、製造過程和使用等各階. ‧ 國. 學. 運用寶特瓶飲料容器來替代原本的玻璃瓶。這個案例被視為生命週期評估商業應用之首例，此後生命週期評估的概念逐漸受到重視，這項評估技術持續的運用在飲料容器、尿布、毛巾等日常用品上。. ‧. 環境毒理化學協會（Society of Environmental Toxicology and Chemistry,. y. Nat. sit. SETAC），在 1990 年提出 LCA 的定義與架構，而後國際標準組織（International. er. io. organization for standardization, ISO）於 1996 年公布 ISO 14040 系列標準，訂定. al. v i n Ch 2002 年，世界高峰會所提出的促進永續消費及生產模式，聯合國環境規劃總署 engchi U n. 生命週期評估架構及步驟，提供給業界在環境管理上一套相關作業的依循標準。. （UNEP）與環境毒理化學協會共同合作，推行為期十年的生命週期計畫（Life Cycle Initiative），使生命週期評估與生命週期思考（Life Cycle Thinking）能實際應用至產業生產及政府決策之中。近年來，由於環保意識抬頭，再加上政府部門以及相關產業的支持，使國內外諸多研究單位和專家學者陸續將生命週期評估技術廣泛地應用在各項消費性產品、家電產品、汽車、廢棄物、再生能源等項目，以期能達到產品能真正達到與環境相容的目標。以下列舉國內外近年來，對生命週期評估的相關研究論文及其概況。劉書宏（2010）使用生命週期評估探討建築物地源熱泵系統，以現實建築物之能源使用統計資料為參考值，針對其所需之空調及熱水能力進行換算，分析 7 18.

(28) 種情境，其中包括標的使用中央空調和鍋爐之原始統計資料，和其他假設情境，評估結果為全部空調皆替換為地源熱泵空調在能源投入、CO2 減少排放量及使用階段能源費用等項目表現最佳，而所需的熱水量由 GSHP 空調系統提供再與原來中央空調以一定比例搭配，這樣的情況則在各假設情境中表現最差，但相對使用中央空調和鍋爐於而言，在 CO2 減少排放量、能源投入及使用階段能源費用等亦有相當程度之優勢。與原始統計資料相比較，使用階段之能源投入減少量約在 69,747~123,082GJ 之間；使用階段之 CO2 減少排放量則在 2,429~ 11,662Mt 之間；使用階段能源費用節省量為 5,260~8,680 萬之間，而地源熱泵空調機組之能源償付期分別為 0.10 至 0.16 年；排放償付期則為 0.10~ 0.12 年。李雲婷（2009）使用生命週期評估軟體 SimaPro 7.1 中 Eco-indicator95 做為. 政治大 Pt 值為塑膠水塔的 3 倍左右。整體結果顯示，單就製程部分，不銹鋼水塔之總立. 評估模式，量化雨水供水系統中之貯蓄系統於製程階段所產生的環境衝擊。研究. ‧ 國. 學. 而言，不銹鋼及塑膠水塔的環境衝擊頗為一致，皆是以溫室效應、酸化、煙霧危害等衝擊類別為主。使用階段部分，不鏽鋼水塔及塑膠水塔在使用 20 年後，在節水節能上均有很大的貢獻，且對環境之衝擊影響均為友善的，而桶容量越大其. ‧. 環境正面效益亦會隨之增大。. y. Nat. sit. 王景玟（2005）以鋼鐵業為實例，探討生命週期評估之技術應用，利用 SimaPro. er. io. 5.1 中兩種評估模式，包括 Eco-indicator 95 及 Eco-indicator 99，分析鋼鐵產品在. al. v i n C h89 年至 92 年期之生態效益。研究結果顯示，擊之差異，以及比較個案廠商在 engchi U n. 其製程階段所衍生之潛在環境衝擊，並進一步比較施行不同節能措施時對環境衝. 因鋼鐵產品製程之衝擊，主要反映在溫室效應、能源耗用、酸化/優養化、煙霧. 等項目，兩家鋼鐵業個案廠商之生態效益比較值，在 89 年至 92 年期間，並無大幅之增、減趨勢。劉家豪（2004）利用生命週期軟體 SimaPro 5.1 與 GaBi 4，量化 IC 產品於製造階段所衍生的環境衝擊大小。研究結果發現，DRAM 在製造過程因為使用大量能源及資源，增加環境負擔，其所排放之污染物可能造成夏季煙霧危害、重金屬污染及酸化潛勢等衝擊。若考量環境化設計之概念，可從蝕刻與薄膜步驟著手，減低設備耗電量及用水量，並控制化學品的使用量及污染物之種類數目。黃瓊儀（2003）以生命週期評估技術探討不同人造纖維產品之環境衝擊。使用 SimaPro 5.0，應用三種評估模式，包括 Eco-Indicator 99、EPS 2000 及 CML2， 19.

(29) 並進一步針對不同的人纖業產品作產能及燃料結構之更換，探討不同方案的敏感度分析。研究結果顯示兩種人纖產品其衝擊來源主要為燃料（燃料煤）使用，其他來源則為聚酯纖維之主原料純對苯二甲酸；在模式分析中，主要衝擊為造成資源的耗損，其次衝擊為人體健康。在敏感度分析之結果顯示，藉由減少聚酯纖維產品的生產，可因原料純對苯二甲酸的使用減少而有效降低各項之環境衝擊，而若改變燃料結構，則人體健康及生態系統品質之衝擊將因燃料煤使用的配比減少而降低。 Rey et al.（2004）透過生命週期評估建築物空調空氣對空氣熱泵，採用 Eco-Indicator 99 和 EPS 2000 兩種衝擊評估模式，並且與燃氣鍋爐做比較。結果顯示，在 Eco-Indicator 99 主要的影響是可吸入性無機物、致癌物以及氣候變. 政治大熱泵相較於鍋爐則有更好的長期營利能力，就使用壽命及經濟收益比較熱泵也優立化，而 EPS 2000 則是資源削減、壽命減損的類別。另外如考慮外部環境成本，. ‧ 國. 此在夏季製冷上並不需要額外的投資需求。. 學. 於鍋爐，主要是因為鍋爐只能製造熱源，而熱泵在製造熱源同時也製造冷源，因. ‧. Shah et al. （2007）針對美國境內四個不同之地區（Minnesota、Oregon、 Pennsylvania 及 Texas）各進行了三種不同空調系統（暖氣爐、熱水爐及空氣源. y. Nat. sit. 熱泵）的生命週期評估，此研究使用了評估軟體 SimaPro 5.0 以及衝擊評估模式. er. io. Impact2002+來進行，研究結果發現在三種空調系統中以熱水爐在製造上對於環. al. v i n Ch 資源使用。由於熱泵是使用電力，四個地區中唯獨 e n g c h i UOregon 採取再生能源發電， n. 境帶來的衝擊是最有關連的，衝擊分為四項，人體健康、環境品質、氣候變遷及. 熱泵在此區的環境衝擊最低，其餘區域都是暖氣爐表現較好。. Blum et al.（2009）針對了德國西南部熱泵空調系統的二氧化碳排放量與傳統供熱做比較分析，其結果發現依照電力結構來源的不同，使用熱泵系統大約可節省 35%或 72%之 CO2 排放量，與傳統空調系統比起來平均每年最少可節省 2000 噸的 CO2 排放量。若可增加安裝熱泵機組的數量，並增加再生能源發電比例，是將可大大避免加熱過程的二氧化碳排放。 Rey et al. （2010）使用生命週期評估軟體 SimaPro 7.1 評估半間接陶瓷蒸發冷卻器（semi-indirect ceramic evaporative cooler, SIEC）和熱泵比較兩者環保特性，兩者主要對環境的衝擊在於非生物資源，其次是人體健康。研究並指出熱泵系統生命週期中，電是主要的環境負擔，其次是熱泵組件，包括壓縮機，外接 20.

(30) 電池，外部風扇等具有最高的影響。半間接陶瓷蒸發冷卻器在內陸乾旱的地區在環保與經濟上較熱泵具效益，另外，研究也顯示熱泵比較適合氣候潮濕的城市。以上討論可得知，生命週期評估所要探討的不僅包括實體產品，亦包括服務系統，因此需考量之環境衝擊通常包括資源使用、人體健康及生態影響等，以較多元的角度來分析熱泵熱水系統。由於本研究以環境面之角度來探討熱泵熱水系統對環境之影響，故使用生命週期評估為本研究之研究方法。. 第四節. 淨能源分析相關研究. 在消費一項最終資源前，這項資源一定經過開採、運輸、使用等過程，因此. 政治大考量其生產過程、運輸、建造過程的間接能源投入，直接與間接投入之和是否大立於其能源產出，來判斷此能源生產是不是符合效益。在 1970 年代能源危機以後，在評估能源是否可以永續性發展，除了考量直接性的能源投入外，我們必須同時. ‧ 國. 學. 各國積極尋找可以替代化石能源的新能源，淨能源（Net Energy）之概念也同時被提出。. ‧. 由於尚未有熱泵系統淨能源分析之相關文獻，以下回顧以淨能源分析方法以. sit. y. Nat. 及熱水系統淨能源分析之相關文獻。. er. io. Bailey（1981）使用淨能源分析探討八種將能源轉換成家用熱水的方法，包. al. n. v i n Ch 氣、石化燃料、太陽能集熱器等。結果顯示電熱水系統的能源投資報酬率較太陽 engchi U 括使用電力（發電來源分別有煤炭、核能、太陽能衛星、太陽能發電塔）、天然. 能集熱熱水系統高，因為同時考慮了成本、能源的品質以及金屬的消耗，但若只考慮了能源因素，化石燃料是最不被鼓勵使用於家用熱水，因為這些燃料應該保留給需要效能更高的能源需求上。從淨能源觀點來看，使用電力熱水系統還是比太陽能熱水系統來得有吸引力，但就整體經濟因素以及使用能源效率來考量作者還是鼓勵大家使用太陽能熱水系統。 Crawford et al.（2004）利用淨能源分析比較澳洲墨爾本的太陽能熱水系統與傳統的熱水系統，作者選用了五組系統包括電力輔助太陽能熱水系統、瓦斯輔助太陽能熱水系統、貯備型電熱水系統、貯備型瓦斯熱水系統和瓦斯即熱型熱水系統，皆可提供一家四口家庭所使用；結果顯示太陽能熱水系統與傳統的電熱水系統、瓦斯熱水系統在機組耗能表現上沒有明顯的差異，且電力驅動太陽能熱水系 21.

(31) 統與電熱水系統相比能源回收期為 0.5 年，而瓦斯驅動太陽能熱水系統與瓦斯熱水系統相比能源回收期為 2 年。廖卿惠（2010）認為在重點發展能源的選擇上，淨能源與環境成本分析亦應並重，以避免不必要之社會成本損失，作者以臺灣之風力能源為例，進行其生命週期中之淨能源指標能源報酬 EROI 與二氧化碳排放分析臺灣三個地方的風力機組。結果顯示，臺灣風力發電之能源投資報酬（EROI）分別為麥寮 13.74、中屯 22.24、春風 19.74，表示臺灣風力發電系統發電能源效率為其投入之 13 倍以上，與國際水準相較之下並不遜色，但作者仍建議可改善過低之發電效率以提升臺灣風能之淨能源投資報酬，並且將淨能源作為能源政策之基礎以更接近永續能源發展之目標。. 政治大. 本研究針對台灣地區家戶住宅所使用熱泵熱水系統，透過環境資源及能源效. 立. 率的角度，來探討熱泵熱水系統對於台灣住宅部門的適用性，為評估熱泵熱水系. ‧ 國. 學. 統是否可以在台灣永續性發展，必須考量直接與間接投入之和是否大於其能源產出，故本研究使用淨能源分析來探討熱泵熱水系統之能源效率是否具有其效益。. ‧. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 22. i n U. v.

(32) 第三章. 研究方法與工具. 本章旨在闡述研究方法、分析工具，以生命週期評估與淨能源分析為主要研究方法研究熱泵熱水系統生命週期中對環境造成的衝擊大小，透過生命週期評估軟體 SimaPro 7.3將盤查資料進行分析，以衝擊評估模式Eco-indicator 95和EPS 2000為衡量指標，以了解此產品的對環境負荷大小。. 第一節. 生命週期評估架構. 政治大. 根據國際標準組織（International Organization for Standardization, ISO）之國際標準ISO14040生命週期評估標準之原則性規範，內容闡述評估階段間相互的關. 立. 連架構及名詞定義，其流程主要包含四個部分：目的與範疇界定、盤查分析、衝擊. ‧. ‧ 國. 學. 評估及結果之闡釋，如圖3-1及圖3-2所示。. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. 資料來源：ISO 14040:2006, 2006 圖3-1. 生命週期評估階段. 23. v.

(33) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學生命週期評估步驟. io. er. 圖3-2. sit. y. Nat. 資料來源：江玄政等，2001. n. al. i n Ch 以下詳細說明生命週期評估流程步驟： engchi U. v. （一）目標與範疇界定（Goal Definition Scoping）執行生命週期評估，目標與範疇的界定是首要的工作，此階段須先釐清生命週期評估的目的和理由，以及要評估的對象，在明確定義跟描述所要評估的產品，即可進行相關產品生產過程與其使用狀況，原料的取得、能源的投入、及廢棄後處置之盤查，以建立起評估系統可能影響的範圍及環境影響。在目的與範疇界定中，有一個重要的元素是功能單位，所謂的功能單位，是武斷賦予的一標準化參數，且必須是最後產出的實用單位。定義功能單位後，各項環境負荷環境衝擊才有計算標準的基礎，且當比較不同產品，也有一項客觀比較的基. 24.

(34) 準。（丁執宇，1997）事實上，整體生命週期評估研究是一項反覆的過程，隨著蒐集的資料與資訊增加，為符合最初的研究目的，評估範疇得視情況修改，認定的研究範圍也可能有所改變。（二）盤查分析（Inventory Analysis）在完成目的與範疇界定後，就是進行盤查分析的階段，此階段要依照研究者所定義的目的與範疇，進行產品相關資料的收集，包括各個生產階段的能源材料投入、廢棄物汙染物排放等資料清單和數量值，以及將這些投入與排放量化成可使用的數. 政治大 SOx）、廢水、固體廢棄物的排放量等。此外在此階段中所有之投入、產出數據需立依功能單位進行標準化（normalization），以利後續生命週期衝擊評估、闡釋之應據，例如：電力、石油和原物料（鋼、鐵、木材）的投入量，廢氣（CO2、NOx、. ‧ 國. 學. 用。. 由於生命週期盤查清單所需資料太多、太細，且數據來源需求龐大，為了減少. ‧. 複雜及龐大人力、時間、經費投入，可將盤查範圍細分成一系列的階段過程，針對. y. Nat. 單個或多個階段進行盤查，以簡化程序。而盤查分析相關的資料來源可從已公布的. n. al. Ch. （三）衝擊評估（Impact Assessment）. engchi. er. io. 關產業，請業者填寫，以取得資料（劉家豪，2004）。. sit. 資源或商業資料庫中，搜尋所需的資料；並實地訪問相關產業廠商或發放問卷至相. i n U. v. 根據前一步的盤查分析的數據，在此階段就使用分析得到的資料進行衝擊評估，所謂的衝擊評估，簡單的說，是運用盤查所得的數據結果，來評估潛在的環境衝擊程度，它是依據盤查項目對環境影響參考因子所佔的比例，進一步量化轉換成實際或可能形成對環境影響的指數。進行衝擊評估的目的主要有兩個，其一，盤查的資料轉換成潛在環境衝擊資訊後，會更加明確；另外，透過衝擊評估轉換後的資訊，對於決策者而言，更容易納入決策管理中（丁執宇，1997）。評估過程通常包括分類（Classification）、特徵化（Characterization）、常態化（Normalization）、評價（Evaluation）與標示指數（Indicator），以下分別對五項生命週期衝擊評估過程作簡要說明。. 25.