大氣熱能的開發──熱泵原理與技術發展概況
分類：熱泵維修專區
■撰文：黃秉鈞
大氣層會吸收太陽能，加上溫室效應，使得大氣層形同一個巨大的太陽能儲存 庫（可稱為「大氣熱能庫」），溫度變化不大，受日夜與天候的影響很小，能量 取之不盡用之不竭。我國位處亞熱帶地區，終年溫暖，大氣熱能資源極為豐 富，是間接擷取太陽能之最佳地點。
台大新能源中心自 1997 年起便投入熱泵研發，2000 年在經濟部能源會的協助 下，進一步結合廠商進行各種熱泵的開發，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、商用空氣對水熱泵與水對水熱泵等。
熱泵原理
每一個人都吹過冷氣，冷氣機主要是由壓縮機及一些熱交換器組成，其內充灌 冷媒。冷氣機通電後從空氣中吸取熱量，使空氣降溫，便產生了冷氣。另外，冷 氣機也會往外排出熱氣，由能量不滅原理來看，這些熱氣的能量將等於輸入冷 氣機的電能，加上從冷氣房所吸取的熱量，而排出的熱氣能量會高於輸入電力 的二到六倍。
從另一個角度來看，冷氣機也可以說是一種移熱裝置，把熱能從一個地方（冷 氣房）移到另一個地方（大氣），當然這個移動熱能的作用需要借助電能才會 發生。就好像家裡使用的水泵，通電後將水從一個地方（一樓自來水池）送到 另一個地方（樓頂水塔）。只是冷氣機所搬動的是熱能，所以冷氣機的學名又 稱為「熱泵」。
熱泵熱水器
如果將冷氣機往外排出的熱氣能量，排入水槽中，製成熱水供各種使用，就可 以回收排放的熱氣，變成有用的資源，既可節省另外裝設製造熱水設備的投資 與能源費用，又有利環保。因此，冷氣機除產生冷氣外，從製造熱水的功能來 看，它也可以變成一部「熱泵熱水器」，冷氣與熱水通通有用。而在製造冷氣過 程中，也會產生除溼作用，因此「熱泵熱水器」兼具熱水、冷氣、除濕的多重功 能。
大氣取熱式熱泵熱水器
如將冷氣機設計成從大氣吸取熱能，其排出的熱能仍然導入水槽製成熱水，這 就是「大氣取熱式熱泵熱水器」。「大氣取熱式熱泵熱水器」直接吸收大氣熱能，
是太陽能應用的一種，可稱為「太陽能熱泵」。
實際上，輸入熱泵 1kW 電能，可以獲得 2～4kW 的熱能，而電熱水器輸入 1k W 電能，至多只能獲得 1kW 的熱能。因此從熱能收集應用的角度來看，熱泵就 好像是一部能量放大器一樣。採用熱泵來取熱，可以節省電力約七成，如與瓦 斯或燃油熱水器相較，熱泵熱水器仍可以節省約五成的能源耗費，如果熱源取 自於冷房，更可節省冷氣耗電，因此熱泵是值得大力推廣的綠色環保設備。
台大新能源中心與國內業者合作開發了家用型的熱泵熱水器，可以置於陽台 上，並自大氣中吸收熱能。儲水量為 120 公升（可以擴充），採用 R134a 壓縮 機，電力 260W，操作氣溫低於 5℃，加熱性能係數（COP）為 2.6（氣溫 25
℃），每公升的熱水耗電量 0.015kWh/L，以一家四口每天使用 120 公升熱水 計算，每月耗電 54 度，約需電費 140 元。
為提高產製熱水能力，同時提供冷房應用需求，台大新能源中心也協助廠商開 發冷熱雙功能熱泵，耗電 1kW，每小時可產製 90 公升熱水，另可提供 2,500 kcal/hr 的冷房冷氣。它也可以連接一擴充水槽，每天（以 15 小時計算）可產 製 1,500 公升熱水，如用於宿舍或飯店餐廳、理容院等場所，冷氣與熱水同時 供應，並可以節省鉅大能源消耗。
台大新能源中心亦協助廠商開發大型商用熱泵，製熱能力 30kW，可提供 300 人的熱水用量，其 COP 高達 3.87。如輔大宿舍熱泵系統運轉記錄，每公升熱水 耗電為 0.015kWh/L，如果熱水負載達設計量（55 立方公尺/天）則耗電可降
至 0.010 kWh/L 以下，與原採用之電熱水器（0.046 kWh/L）相較，節能效 果相當驚人。
透過台大新能源中心結合業者之努力，已完工或正在規劃施工中的熱泵系統有 花蓮慈濟醫院、關山醫院、成大醫院、新光醫院、慈濟新店醫院、奇美柳營分院、
義大醫院等等，皆為學術結合產業的努力推廣成果。
太陽能輔助熱泵熱水器
自 1997 年起，台大新能源中心開始研發太陽能輔助熱泵熱水器（ISAHP）。IS AHP 是一種雙熱源熱泵，為首創之太陽能應用設計，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。
ISAHP 採無風扇設計，壓縮機為唯一動件，機器可靠度大幅提高。ISAHP 採整 體式設計，主機與儲水槽製成一體，容易搬運與安裝。其 COP 值可達 3.0，單
位熱水之耗電為 0.01～0.02 kWh/L，遠比電熱水器的耗電量低，甚至比一般 太陽能熱水器之輔助電熱器還省能。
多功能的顯象未來
應用熱泵可以節省鉅量能源，如採多功能設計（熱水、冷氣、除濕），節省的能 源將更為可觀，是值得大力推廣的綠色用品。然而國內一般社會大眾並不甚瞭 解熱泵的觀念，因此許多人會花費數千元去購買電暖器，在冬天用昂貴的電能 來取暖，而白白耗費許多能源。殊不知，只要在購買冷氣機時，多花些費用選 購附暖氣功能之冷氣機，冬天也可以用來取暖，而且還可以比電暖器省電 50％
以上；例如，「大氣取熱式熱泵」就是太陽能應用的一種，既可突破太陽能熱水 器受限建築結構之困境，又能不受夜晚及陰雨天候之影響，非常值得推廣使 用。（本文作者為台灣大學機械系教授）
資料來源
http://energymonthly.tier.org.tw/outdatecontent.asp?ReportIssue=9208&Page=5&keyw ord=熱泵
