1、知其道、用其妙论 超高温双效热泵,方煒台灣大學 生物產業機電工程學系教授2008 10. 20 中國農業大學 / 中國農科院2008 10. 23 江西省上饒縣德興市,生物机电之密闭式回路系统我在冷冻空调系统研发上的学思历程,2005/01/25 宁波市，浙江省，中国,冷通、暖通太极拳、血液循环、气机导引,进入二十一世纪之后,我们不断面临各种挑战：油价居高不下、恐怖主义威胁不减、全球暖化持续加温、物价涨声不停、全球人口激增、物种严重灭绝，海啸、洪水、干旱等自然灾难频传，黑心食品、有毒蔬果等内外销纠纷频传，金融失序、世界失控的程度超乎我们的想象与理解，从大自然、宗教、种族、国家、经济及个人生存的
2、每一个面向，都布满危机。,危机就是转机,能源议题环保议题安全议题维护问题其它,能源议题,”据南方日报报道，中国建筑业协会建筑节能专家委员会会长、首席专家涂逢祥曾在一份关于建筑耗能的分析报告中提出，“目前我国已建房屋有近400亿平方米属于高耗能建筑，新建房屋有95以上是高耗能建筑，而且不合乎节能要求的类似建筑在我国的农村和城市遍地都是”。国家建设部科技司副司长武涌认为，“仅到2000年末，我国建筑年消耗商品能源共计3.76亿吨标准煤，占全社会终端能耗总量的27.6。”令武涌感到担忧的是，“根据发达国家的经验，随着城市化进程的加快和人民生活质量的改善，这个比例最终还将上升至35左右。,传统的热水产
3、生系统,瓦斯热水器，锅炉产生二氧化碳(温室气体)产生氧化碳(危害安全)锅炉操作安全顾虑维护费时费工耗能电热水器，电热炉 (统称电热器)高耗电,环保议题,在绿色和平组织的焚毁未来报告中指出，经济合作暨发展组织虽然要求在未来二十五年，每年使用燃媒的生产比例不得超过百分之零点三，但亚洲的中国、南亚与东亚的成长比例都远高于此。而亚洲燃媒最主要的供应国家为中国与澳洲，澳洲是全球第四大燃媒生产国，同时也是全球最大的燃媒出口国，中国则是全球最大的燃媒生产国；而在进口燃媒的国家中，日本、南韩与台湾分别是最主要的燃媒进口国，显见亚洲国家对燃媒的高依赖程度。各国政府目前正在加拿大蒙特娄集会，准备就京都议定书再行讨
4、论，绿色和平组织也呼吁各国政府重视气侯变化问题，减少使用传统能源。,环保议题 -空污,太原市今年（2005）新增700万平方米供热能力，全市实际供热面积达2700多万平方米，集中供热面积列全国“三甲”；全年还拆除208台燃煤锅炉，更新改造锅炉362台，新建成了8平方公里的无燃煤区。,安全议题,北京一家足疗中心的锅炉昨日发生爆炸，造成1人死亡。 内地传媒报道，爆炸的足疗中心位于通州区。报道又引述目击者表示，消防队员赶到时，三十平方米的锅炉房内，锅炉已经破损，流出柴油，火势在扑灭后，锅炉房内发现一具尸体。,安全议题,据一工人介绍，起火大约在昨日下午2时许，当时起火的锅炉正在炼铁，锅炉内燃烧的柴油发
5、生泄漏，遇上高温着火。 南方日报2005/11/22,维护问题,晚8点，王景余与两名工人来到锅炉房检查原因。烧炉工说，他当时按操作程序先放气，打开锅炉填煤铁门。刚准备关上填煤铁门，炉内突然喷出一直径一米多的大火球，三人被火球喷倒在地，爬出锅炉房后发现头发全被烧光。三人立即被送往304医院救治。,维护问题,昨日（2005/11/9）9时30分许，沙河口区星月街4号楼，一名烧锅炉的工人钻进居民楼的烟囱清理烟道时，被上方掉落的煤灰埋住，不幸死亡。新华网2005/11/10,1990年各型加热系统之效能,摘自 Albright, 1990 (Chap7),各种加热系统之比较,1,4,1.8,3.5,2
6、.1,搭配大型保溫熱水槽，使用離峰電力 (0.8NT$/度)，可進一步節能,1,4,5.4,10.5,6.3,環保與安全的熱泵,没有燃燒，不排放二氧化碳與一氧化碳吸取環境熱能，有助於減緩全球暖化不使用燃料，不會有燃料外泄的安全疑慮不使用鍋爐，不擔心氣爆問題,熱泵節能減碳效能大,知其道用其妙,Part 1: 基礎篇,水泵產生位能差將水由低水位送至高水位,熱泵產生温度差將能量由低溫區送至高溫區,水泵與熱泵(Heat Pump)的異同,暖气机就是气源热泵,用電效率遠高於電暖與電熱設備,氣冷的分離式空調,提供冷氣,對環境排放熱氣,室內側,室外側,水冷的分離式空調,提供冷氣,對環境排放熱氣,室內側,室外
7、側,使用水塔/熱排對室外散熱就是熱能的浪費,單效冰水機 水氣型熱泵 製冷水,冷水也可用來提供冷氣與製程所需之預冷,對環境排放熱氣,單效熱水機 水氣型熱泵 製熱水,對環境提供/排放冷氣,熱水提供暖氣、生活/消毒熱水與製程所需之預熱,什麼是雙效熱泵,低溫區溫度夠低溫，允許其他應用高溫區溫度夠高溫，允許其他應用低溫區與高溫區允許同時應用低溫區與高溫區允許儲存兩者或任一者以待後續之應用,-15 oC,0 oC,10 oC,45 oC,80 oC,50 oC,70 oC,超高溫熱泵,一般的熱泵,6065oC為上限,什麼是雙效熱泵,熱泵主機,熱量被熱泵由左側的水中，搬移到右側的水中，左側的水愈來愈冷，右側
8、的水愈來愈熱。,知其道用其妙,Part 1: 在地應用的構想,構想 1,鄱陽湖常溫湖水,低溫湖水提供低溫魚種養殖,高溫湖水提供高溫魚種養殖,雙效熱泵,常溫水流回,能量釋放,構想 2,鄱陽湖深層低溫湖水6 12 oC,換熱器,提供附近城市鄉鎮製冷需求,P,P,密閉式潔淨水蓄水池,P,單效熱泵製冷,7 11 oC,11 17 oC,17 23 oC,1216 oC,1721 oC,12 16 oC,P,高溫湖水提供高溫魚種養殖,常溫水流回,能量採集,能量提升,構想 3,換熱器,提供附近城市鄉鎮製熱需求,P,密閉式潔淨水蓄水池,P,單效熱泵製熱,P,低溫湖水提供低溫魚種養殖,表層常溫湖 / 河水,P
9、,常溫水流回,能量釋放,能量採集,能量提升,構想 4,鄱陽湖常溫湖水,冷水提供鄉鎮市區冷氣,提供鄉鎮市區生活熱水,換熱器+雙效熱泵,常溫水流回,能量採集與提升,P,密閉式潔淨水蓄水池,能量釋放,能量釋放,排放,知其道用其妙,Part 2: 進階篇,熱泵的種類,依熱源分類气源热泵地源热泵水源热泵,暖气机就是气源热泵,环境温度太低会吸不到热量,气源热泵系统,传统气源热泵气温低于15oC以下的地区不适合使用和韋產出的气源热泵气温低于 4 oC以下的地区不适合使用气源热泵不适合的高纬度地区可改用地源或水源热泵系统。,地源热泵系统 冷/熱能來源,表層土壤受到陽光照射 (用於間接製熱)中/深層土壤全年溫度
10、穩定 (用於製熱或散熱)深層岩層溫度高 (用於間接製熱，以水為工作介質)深層地下水溫度低 (用於間接製冷)淺/中層地下水溫度適中 (用於間接製熱或散熱),地埋管地源热泵系统,地下水地源热泵系统,地埋管地源热泵系统,10 100 m或更深,封闭式地源热泵系统 (水平安装),地源热泵系统,地下水地源热泵系統吸热管多采取垂直立管方式深度需达10100 m 或以上施工难度较高，成本较高需选择适当地点垂直式地埋管地源熱泵系統 (傳統方式)水平式地埋管地源熱泵系統 (江西和韦节能科技公司)吸热管采水平方式摆置在大多数地区的安置深度在 2 m以内最低温小于7度C以下的区域均适合使用最低温不小于 7度C以下的
11、区域仍可使用，但气源式热泵即可胜任,水源热泵系统,由水體吸熱或散熱开放式管路由淡水的井、湖与河中抽水水体多需另经过滤管路送水至淡水的井、湖与河中封闭式管路流经大范围水体，进行吸热或散热大范围水体：游泳池、池塘深入地下水层的井湖泊、河川、海洋,封闭式水源热泵系统,湖 / 池 / 河,开放式水源热泵系统 或地下水地源热泵系统,地下水地源热泵系统,需要地底下有高溫岩層,地下取熱以井水為工作介質,地下水地源热泵系统,优点：當具備地下高溫岩层時，可高效能供热 當具備深层低溫井水時，可高效能供冷正確設計的可以在冬季制熱、在 夏季制冷缺点：設計不好的只能制热或制冷不是任何地点的地下都有高温岩层或低溫井水需事
12、先探勘，需花費額外成本凿深层井需要较高技术系统造价高需要较长工期沈水马达供水扬程大，耗能高却被忽略深层井有诱发地震的风险,單效熱泵,德興大酒店,雙效熱泵 水水型 同時產製冷熱水,冷水提供冷氣、冷水與製程所需之預冷,熱水提供暖氣、生活/消毒熱水與製程所需之預熱,冷水與熱水併用提供除濕,知其道用其妙,Part 3: 和韋公司產品的優越性,超高溫熱泵,雙效熱泵合併COP可以高達8以上花費1度電可以獲得相當8度電的熱能(COP_hp4.5)與冷能(COP_ac 3.5) !,台灣某公司引進之韓國單效熱泵,優異性,應用廣同時提供冷熱水 （冷暖氣）提供超高温熱水，可用能高，應用廣節能成效大比傳統單效熱泵節
13、能，減廢高效能：相同壓縮機大小，超額冷卻能力超低啟動電流、較低運轉電流壓縮機使用壽命長、系統運作穩定,節能的雙效熱泵,可穩定地同時供熱及供冷，亦可單側使用當熱水機使用已經非常節能加上能夠有免費冷氣使用，更節能允許彈性設計做多功能之應用可提供冷氣、冷水、暖氣、熱水、除濕或恒溫等,冷排,冷水/冷氣/熱水/暖氣四效系統,超彈性設計: 5效系统,冷水熱水冷氣暖氣除濕,雙效熱泵與傳統熱泵性能比較,啟動電流/運轉電流,其他廠牌,知其道用其妙,Part 2: 雙效熱泵的多目標多層次應用（台灣範例）,雙效熱泵輸出方式#1：熱水冷氣,冷却水塔,冰水送风机,冰水储槽,冰水循环泵,热水循环泵,热水储槽,KHT-WW
14、 水-水型HTU主机,板式换热器,雙效熱泵輸出方式#2：熱水冰水,KHT-WW 水-水型HTU主机,板式换热器,板式换热器,冷却水塔,热水储槽,热水循环泵,冰水循环泵,冰水储槽,雙效熱泵輸出方式#3：暖氣冰水,雙效熱泵輸出方式#4：暖氣冷氣,冷熱水/冷暖氣 應用產業,熱水 洗頭、洗澡冷水 冷氣熱水 三溫暖熱水池冷水 三溫暖冷水池,美髮業飯店/民宿業宿舍溫泉業,SPA業溫水游泳池,族繁不足備載,汐止地區單壓縮機之一對二水-氣型分離式室外主機(-)可提供使用端超過攝氏50度以上之熱水，且能同時以空調內機輸出冷氣外，每月節省45%之用電量。,美髮美容應用,吉野日式精品旅館,熱水供應暨冷氣空調,熱水供
15、應、池水昇溫暨冷氣空調,瑞芳高工,新竹寶兒村月子中心,新光醫院,熱水供應暨冷氣空調,熱水供應暨冷氣空調,新光醫院(洗腎室完工),冷氣/冷水/熱水/溫水,溫泉/SPA/三溫暖應用示意圖,薇閣春天,青磺溫泉水加熱（使用溫泉水熱回收技術）,三芝淺水灣複合式民宿,熱水供應暨冷、暖氣空調（使用游泳池作為冷卻水塔使用）,五堵百福養生會館,熱水供應、冷暖空調暨泳池昇溫,熱水供應、冷暖空調暨泳池昇溫,五堵百福養生會館,亞力山大健身會館,應用範例：製程預熱,製程用水預熱系統,應用上需要滾燙（ 80 度C）的熱水或蒸汽的場合常溫水 80 度C 熱水可以使用本設備提供，熱製程前端之預熱不僅節能且能提供充足之空調冷氣
16、如果已有空調冷氣則預熱等於完全免費,雙營涼麵,熱水供應、暨冷氣空調,農業應用 環控栽培,蝴蝶蘭催花溫室 (25/18 oC)蝴蝶蘭抑梗溫室 (不低於 28 oC),高溫區生長暖房,低溫區開花冷房,冷藏庫,溫湯消毒,500 C,70 C,散熱器,散熱塔,熱交換器,熱交換器,(冷) 儲能槽,(熱) 儲能槽,熱泵 主機,農業環控 節能高效 多源型熱泵系統 構想圖,冬 / 25280 C,夏 / 18250 C,80 USRT (4 x 20 USRT) + 冷、熱水桶,450 坪蝴蝶蘭抑梗(加熱)溫室,300坪蝴蝶蘭催花溫室,荷蘭2008 國際園藝展切花類首獎,木耳栽培設施,使用前本雙效熱泵導入前，
17、溫室內無環境控制。,使用後本雙效熱泵導入後，溫室內溫度控制於25、相對濕度75。,廢熱回收製造高溫熱水,可用於組織培養殺菌釜所需蒸氣之預熱可用於組織培養培養基攪拌器加熱可用於介質殺菌所需之熱水可用於生活所需之熱水,乾燥,水稻產業低溫低濕乾燥中溫乾燥,乾燥 冷藏,菇類產業：香菇、木耳等生鮮產品需要冷藏庫烘乾需要乾燥機,栽培 + 冷藏 + 滅菌,金針菇產業栽培環境：金針菇在出菇生長時需攝氏7度至12度的低溫才能發育良好栽培介質之準備：木屑是栽培金針菇的原料，將木屑、米糠以三比一比例混合，經過100度高溫殺菌以及低溫冷放過程，可進行菌種接種木屑是栽培金針菇的原料，將木屑、米糠以三比一比例混合，經過1
18、00度高溫殺菌以及低溫冷放過程，可進行菌種接種。,冷藏 + 滅菌,酪農產業鮮奶冷藏: 4 度C低溫管路清洗滅菌：75度C高溫,熱冷水併用做殺菌,養殖業者引入不乾淨的海水，造成重大損失解決對策：引入海水先經高溫熱水側滅菌再經低溫冰水側做回溫送入養殖池,應用範例：養殖水溫控制,板式换热器,板式换热器,冷却水塔,热水储槽,热水循环泵,冰水循环泵,KHT-WW 水-水型HTU主机,冰水储槽,冰水送风机,超集约养殖场,热水使用端,養殖水溫控制系統配置圖,海水80度殺菌、恒溫系統,東港水試所,廢熱利用：異業結盟,廢冷利用：異業結盟,應用範例：恒溫控制,恒溫控制系統配置圖,冷却水塔,热水储槽,热水循环泵,冰
19、水循环泵,KHT-WW 水-水型HTU主机,冰水储槽,温控式流量控制阀,異業結盟：溫室 + 養殖,空氣溫度與水溫維持恆定水耕 循環水養殖,俄羅斯小白鯨之原生環境為北冰洋，平均海水溫度為攝氏18度以下。為使海博館小白鯨能安然存活，經過精密之熱能計算，利用攝氏6度之冰水，將每分鐘流量達5000加侖(相當於20噸重)之海水，由攝氏2830度降溫至攝氏13.8度左右。,海博館小白鯨降溫系統案,海水恒溫系統,知其道用其妙,Part 3: 雙效熱泵的多目標多層次應用（中國範例）,水平式 地埋管地源双效热泵,台湾高力公司宁波工厂,地源系統主要配備,KHT-50WW型水水式HTU主機一台(三相，標稱功率6.3
20、kW) 。地源取熱回路：立式管道離心泵2馬力2部(单相)，地源熱導管10组，深度1.5米。冰水回路：立式管道離心泵1馬力1部(单相)。温水回路：卧式管道離心泵0.5馬力1部(单相，供暖氣用)。熱水回路：高温型卧式管道離心泵0.5馬力1部(单相，耐温上限攝氏100度)。暖氣供應：惠康風機盤管2具，總供熱28千瓦。以上電壓規格皆為 220V，50Hz。,開挖及佈管,回填及維修管道基礎施作,復土及維修管道間施作,完工圖,最高温度之狀態圖,水源式双效热泵,江西德兴宾馆,舊系统 机房内设备,吸收式冰水机机房约 432 m2锅炉机房(油槽/木材暫存)约 480 m2冷却水塔占 4.3 m2,4.5 kW,
21、0.75 kW,新系统 机房内设备,主机机房108 m2冷却水塔占 2.5 m2,结论,热泵系统无有毒废气排放(如：CO、CO2、黑烟等)之环保疑虑。 热泵系统节能幅度大，减少废热排放，降低废热对环境之冲击，是极为环保之绿色能源。单独使用单效功能用于制造热水已可大幅度降低能源成本,结论(续),可同时提供80oC以上热水，3035oC温水及515oC冰(冷)水。可产生高有用热之热水特性，使其产业应用广度较一般传统热泵增加许多，并可依需求调整水温。除气源型外，亦有水源型及地源型等三种散热与吸热方式。,结论(续),在相同热量需求下，营运成本比电热水器省70.0%、比燃煤锅炉省22.7%、比煤气炉省64.6%及比燃油锅炉省41.9%。,结论(续),双效热泵的应用正方兴未艾应用范围广，举凡食品/食品加工、SPA/温泉/三温暖、美容美发、工业制程、恒温控制、一般家庭及广义农业应用等。,结论(续),江西和韦公司的产品具有極高的市场竞争力压缩机保固期考虑设定三年主机绝对比由国外进口设备的厂家便宜许多系统造价绝对比地下水地源热泵便宜许多,感謝聆聽敬請指教!,
