2012年7月1日 星期日

熱泵是什麼?

冷氣的作用是將熱經由機械及物理的作用往外移動,所以最後必須達成熱平衡,簡單的講,移動熱量必須作功,功就是一種能量的表現.

所以今天假設要把室內或是製程的熱往外搬,必如說要把室內的空氣從33度降到26度,那麼空氣從33度降到26度,這個溫差就是壓縮機必須做的功,當然降溫不只是乾球溫度變而已,它還包含溼度的變化,降溫的同時溼度也會變化,所以空調不會只看乾球溫度的變化,它還必須包含溼度的變化,簡單講,把空氣中的熱往外搬到設定的條件,假設一小時總共搬了10千卡的熱到外面,那麼這些熱最後就是靠冷凝器丟到空氣中,水冷的則是透過水塔丟到大氣中.

因為題目是熱泵,所以不去考慮壓縮機的壓縮熱及熱損失,這些從室內或製程來的熱,因為溫度還滿高,丟掉算是滿浪費的,所以可以拿來預冷低溫的自來水或製程水,這樣子原本必如說要用鍋爐或是電熱還是瓦斯來做這些工作的能源就可以省下來了.所以熱泵算是一種熱量收集器,而這些熱看是從室內空氣來還是製程來都可以,以製熱為目的,製冷則是附屬,不像冷氣是製冷為目的,熱泵剛好顛倒.

一般的冷氣排熱最後就是到大氣中,因為熱是從高溫處往低溫處移動,所以機器設計的時候,不會刻意把冷凝溫度設計太高,因為冷凝溫度越高機器效率越差,只要冷凝溫度高於大氣的溫度,機器就可以排熱,所以一般的機器排熱溫度大概都在40度以下,可是熱泵因為排熱溫度要夠高才有實用價值,必如說我們洗澡要有50度C,那麼冷凝溫度一定要高於50度C以上,不然就做不出50度C的水,所以熱泵機器的設計跟一般冷氣是不一樣的.

前面講過,熱泵是以製熱為主要目標,製冷為副產品,但是熱泵的熱來源是從低溫處來的,所以一定要有足夠的熱可以收,不然熱就做不出來.講一個最常碰到的狀況,冬天大家都喜歡洗個舒服的熱水澡,所以熱水需求量大,可是因為冬天氣溫低,氣溫低就代表空氣裡面的熱量低,如果沒有概念的話舉一個數字說明,夏天的時候假設空氣溫度是33度,相對溼度75%好了,那麼一立方米裡面的空氣含有20Kcal的熱量,但是如果是冬天,同樣一立方米的空氣熱量只有6.4Kcal,差了快3倍.

所以假設是選氣對水的熱泵,冬天最需要熱的時候空氣的熱剛好是少的,那麼機器的蒸發溫度就要更低才能從空氣中收到熱,因此熱泵主機的COP值比單純製冷的機器都會來的差.所以設計的因素很重要,也就是說如果一定要收到那麼多的熱來做熱水,需要考慮的是機器的特性適不適合這樣做,不然冬天的時候就慘了,需要很多熱但是機器的蒸發溫度不夠低,那麼熱就會做不出來,節能的目標就失敗了.

熱的單位可以用千卡或千瓦來表示,做同樣的熱需要多少能源費用就是各種製熱方式的比較處,跟燒油或是電熱還是瓦斯來比,用熱泵來做熱要省的多,所以現在非常流行熱泵,簡單舉一個例子,1KW的電假設能量完全沒有損失,可以把這些能量讓1噸的水溫度上升0.86度.但是假設用熱泵來做,假設熱泵的COP值是3,也就是說做3KW的熱需要1KW的電,那麼讓同樣重量的水上昇0.86度C,用熱泵來做同樣的熱只要333W的電力,省了6成多,這個就是熱泵節能可怕的地方.

如果是燒重油或柴油,那麼同樣製造那麼多的熱所需要的能源費用再跟熱泵比就是差異的地方.
以中油的柴油熱值來講,1公斤的柴油熱值為11000千卡,假設鍋爐效率100%,1公斤的柴油是1.19公升,一公升假設28塊,則產生11000千卡的熱要花33.3塊.

11000千卡等於12.8KW,COP值3的話用熱泵做只要用4.26KW的電,一度電4塊的話只要17塊,大概還是省了一半的能源費用.所以拿熱泵來燒熱水是非常划的來的.能這麼省主要就是這些熱的源頭就是從空氣中收進來的,機器只是把這些熱從低溫側拿來高溫側,不像其他的石化材料,是靠化學能產生熱量,而用電加熱通常也是靠燃燒石化材料來的.例如油跟媒等.所以當然省.

熱泵的應用上比較麻煩的就是因為熱是從空氣中收,(或是間接從水裡面收),排熱是需求端,如果需求少這些熱就要想辦法甩掉,因為是製熱為需求,所以吸熱端沒辦法控溫,不能說室內溫度到了壓縮機停止運轉,壓縮機一停就做沒有熱,所以熱泵的應用最好是搭配其他的系統,必如說汽車旅館好了,冬天根本不太需要空調降溫,如果設計了一台水對水的機器,那麼因為沒有熱可以收,熱泵就做不出熱,等於就白搞,還是要用鍋爐或電來燒.

熱泵是節能減碳的一大利器,不過要用的順還是要看設計及選機,之前聽過一個笑話,工程公司以為熱泵就是把冰水主機的冷凝器高溫水拉到50度,於是就用一般的空調壓縮機去改,把高壓開關換掉,改成更高的壓力設定,電流設定改過,結果一個禮拜壓縮機就燒了,什麼原因我不要講,但是壓縮機的運轉壓力,冷凝溫度跟蒸發溫度設計不同很多條件就不一樣,熱泵有熱泵的條件,不是隨便亂改就可以,所以弄之前還是要多研究一下才動手,才能真正收到節能的最大效果.不然設計及選機錯誤的話,失敗的機率還是滿高的.