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凜冬將至,讓熱泵成為抵禦寒冷的烈焰,讓熱力學做你荷包的鐵衛─節電宜蘭縣篇

文/廖英凱(泛科學專欄作者)

對於非在地居民來說,講到宜蘭時,絕對不免俗地想到會想到蘭陽的好山好水、美味可口的小吃「等路」、以及舒適放鬆的的溫泉和特色民宿。精緻特色觀光業的蓬勃,絕對是近年來宜蘭發展的重點。當然,觀光產業對於「舒適」的高標準,也帶來了更龐大的能源需求。以宜蘭服務業用電量前50家的業者來看,有26家就是旅館業者。因此,設法導入更好的制度或技術,讓業者能在維持服務品質的狀況下減少能源使用,絕對是一個值得努力的方向。而一個開發已久但仍不普及的「熱泵」技術,將能輕易對全天不間斷的空調與熱水供應來提升能源使用效率,大幅減少電費或瓦斯柴油等營業成本。

source:flickr / Stephen Butler

熱水的熱、冷氣的冷從哪來?

先讓我們來盤點一下熱水和冷氣是從何而來的吧。熱水的供應比較簡單直觀,利用燒瓦斯、天然氣或是柴油等來燒水;或是利用電熱水器裡的高電阻率導體來加熱;生活在陽光普照區域的話,還可以利用太陽的熱能來加熱水,簡單來說,都是把不同形式的化學能或電能,轉換成熱能來使用。

冷氣的由來就比較需要思考一下,因為「冷」是能量較少的狀態,並不是一種可以被轉換來的能量。常見的冷氣機、冰箱應該要說成是一種「移熱」的裝置,將室內或冰箱內的熱量,移到外界,因此冷氣室外機,或是冰箱背面的壓縮機,反而會比較熱。這個機制運用到了熱力學的「絕熱膨脹」與「絕熱壓縮」。「絕熱膨脹」常見的例子是輪胎放氣,或是高壓氣瓶在釋放時,會發現釋放出來的氣體溫度比較涼。此時壓力迅速減少,氣體因膨脹而對外界施加機械能,導致內能減少,表現出來的結果就是溫度降低。相反的「絕熱壓縮」,則是當快速增加氣體壓力時,外界對氣體做功但又沒有熱量散失,而使氣體溫度升高。將這兩個絕熱過程與兩套吸熱散熱系統結合起來的話,就是冷氣機的基本工作原理了。

圖片1

熱泵的運作原理。source:wikipedia

冷氣機的工作機制:

1.冷凝器:將高壓高溫的氣態冷媒,藉由外界的氣流或水流散熱成高壓中溫的液態冷媒。
2.膨脹閥:將高壓中溫的液態冷媒,膨脹成低壓低溫的液態氣態共存冷媒。
3.蒸發器:將低壓低溫的冷媒,透過室內機的風扇吹出「冷氣」,吸收室內熱量後而提高溫度後再送至壓縮機。
4.壓縮機:將低壓低溫的冷媒,壓縮成高溫高壓的氣態冷媒。

在這樣冷氣運作的過程中,室內不必要的熱被移到了室外成為我們無法使用的廢熱,但如果把這些冷氣排出的廢熱給收集儲存起來,例如將排出的熱能來加熱水,並利用有隔熱效果的儲水槽來儲存這些熱水以便後續利用,這正是個提高能源運用效率的好方式,這也就是典型的熱泵熱水器的工作原理:利用冷氣機的熱交換機制,來達到加熱的功效。

然而,冷氣也並非一年四季都要開啟,冷氣的使用需求強度也跟熱水剛好相反。因此,在屋內不用冷氣時,熱泵也可以改從大氣中來取得熱能。如同把冷氣反裝,或是內外機對調,此時的「冷氣機」會不斷從室外吸熱,再透過前述的循環方式,把熱能送回室內。若將這些熱加熱水後儲存,一樣可以有熱水器的效果。此種設計被稱為是「大氣取熱式熱泵熱水器」,有時也被稱作「太陽能熱泵」,利用的就是大氣中的熱能。這些散布在大氣中的熱能本來難以利用,如同我們沒有辦法利用氣溫來加熱水,但透過冷媒壓縮與膨脹時,相態變化的放熱和吸熱機制,就反而可以製造出熱能的流動,達到熱水、冷房,甚至是除溼的功能。

除了從大氣可取得熱能以外,事實上任何有熱源的地方,都可以作為熱泵熱水器的熱源取得途徑。例如像是空調系統、網路機房的熱氣;工業製造環境的高溫冷卻水;以及宜蘭礁溪得天獨厚的地熱與溫泉。近年來,還有將太陽能集熱板整合進熱泵熱水器,達到同時利用太陽熱能與大氣熱能的的「雙熱源型」應用。

圖片2

雙熱源型熱泵示意圖

然而熱泵熱水器的機組價格與安裝成本仍較傳統電熱水器或石化燃料熱水器來得高。但熱泵熱水器使用年限較長,在不同版本的評估中,預計可比傳統瓦斯熱水器省下五成至七成的能源費用。在安裝位置的條件上又如冷氣的壓縮機般,不若太陽熱水器非常仰賴日曬空間而不利於人口稠密區。今年度宜蘭縣政府所推出的智慧節電計畫中,也規劃對宿舍、醫院、旅館與游泳池等業者來推廣熱泵技術,預估可在這一年期間達到540萬度的節電成效。隨著寒冬與新春的旅遊旺季來臨,若能把握好裝設熱泵熱水器的時機,提供公開合理的補助方案,紮紮實實地輔助相關業者汰換設備。在凜冬來臨的時刻,將有機會是宜蘭展現節電成效,打造低碳旅遊的好時機!!

 

參考資料:

 

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