冷凍空調(diào)與熱泵

1、知其道、用其妙論 超高溫雙效熱泵,方煒臺灣大學(xué) 生物產(chǎn)業(yè)機電工程學(xué)系教授2008 10. 20 中國農(nóng)業(yè)大學(xué) / 中國農(nóng)科院2008 10. 23 江西省上饒縣德興市,,生物機電之密閉式回路系統(tǒng)我在冷凍空調(diào)系統(tǒng)研發(fā)上的學(xué)思歷程,2005/01/25 寧波市，浙江省，中國,冷通、暖通太極拳、血液循環(huán)、氣機導(dǎo)引,進入二十一世紀(jì)之后,我們不斷面臨各種挑戰(zhàn)：油價居高不下、恐怖主義威脅不減、全球暖化持續(xù)加溫、物價漲聲不停、

2、全球人口激增、物種嚴(yán)重滅絕，海嘯、洪水、干旱等自然災(zāi)難頻傳，黑心食品、有毒蔬果等內(nèi)外銷糾紛頻傳，金融失序、世界失控的程度超乎我們的想象與理解，從大自然、宗教、種族、國家、經(jīng)濟及個人生存的每一個面向，都布滿危機。,危機就是轉(zhuǎn)機,能源議題環(huán)保議題安全議題維護問題其它,能源議題,”據(jù)南方日報報道，中國建筑業(yè)協(xié)會建筑節(jié)能專家委員會會長、首席專家涂逢祥曾在一份關(guān)于建筑耗能的分析報告中提出，“目前我國已建房屋有近400億平方米屬于

3、高耗能建筑，新建房屋有95％以上是高耗能建筑，而且不合乎節(jié)能要求的類似建筑在我國的農(nóng)村和城市遍地都是”。國家建設(shè)部科技司副司長武涌認(rèn)為，“僅到2000年末，我國建筑年消耗商品能源共計3.76億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占全社會終端能耗總量的27.6％?！绷钗溆扛械綋?dān)憂的是，“根據(jù)發(fā)達國家的經(jīng)驗，隨著城市化進程的加快和人民生活質(zhì)量的改善，這個比例最終還將上升至35％左右。,傳統(tǒng)的熱水產(chǎn)生系統(tǒng),瓦斯熱水器，鍋爐產(chǎn)生二氧化碳(溫室氣體)產(chǎn)生ㄧ氧化碳(危

4、害安全)鍋爐操作安全顧慮維護費時費工耗能電熱水器，電熱爐 (統(tǒng)稱電熱器)高耗電,環(huán)保議題,在綠色和平組織的「焚毀未來」報告中指出，經(jīng)濟合作暨發(fā)展組織雖然要求在未來二十五年，每年使用燃媒的生產(chǎn)比例不得超過百分之零點三，但亞洲的中國、南亞與東亞的成長比例都遠高于此。而亞洲燃媒最主要的供應(yīng)國家為中國與澳洲，澳洲是全球第四大燃媒生產(chǎn)國，同時也是全球最大的燃媒出口國，中國則是全球最大的燃媒生產(chǎn)國；而在進口燃媒的國家中，日本、南韓與臺

5、灣分別是最主要的燃媒進口國，顯見亞洲國家對燃媒的高依賴程度。各國政府目前正在加拿大蒙特婁集會，準(zhǔn)備就京都議定書再行討論，綠色和平組織也呼吁各國政府重視氣侯變化問題，減少使用傳統(tǒng)能源。,環(huán)保議題 --空污,太原市今年（2005）新增700萬平方米供熱能力，全市實際供熱面積達2700多萬平方米，集中供熱面積列全國“三甲”；全年還拆除208臺燃煤鍋爐，更新改造鍋爐362臺，新建成了8平方公里的無燃煤區(qū)。,安全議題,北京一家足療中心的鍋爐昨日

6、發(fā)生爆炸，造成1人死亡。 內(nèi)地傳媒報道，爆炸的足療中心位于通州區(qū)。報道又引述目擊者表示，消防隊員趕到時，三十平方米的鍋爐房內(nèi)，鍋爐已經(jīng)破損，流出柴油，火勢在撲滅后，鍋爐房內(nèi)發(fā)現(xiàn)一具尸體。,安全議題,據(jù)一工人介紹，起火大約在昨日下午2時許，當(dāng)時起火的鍋爐正在煉鐵，鍋爐內(nèi)燃燒的柴油發(fā)生泄漏，遇上高溫著火。 南方日報2005/11/22,維護問題,晚8點，王景余與兩名工人來到鍋爐房檢查原因。燒爐工說，他當(dāng)時按操作程序先放氣，打開鍋爐填煤鐵

7、門。剛準(zhǔn)備關(guān)上填煤鐵門，爐內(nèi)突然噴出一直徑一米多的大火球，三人被火球噴倒在地，爬出鍋爐房后發(fā)現(xiàn)頭發(fā)全被燒光。三人立即被送往304醫(yī)院救治。,維護問題,昨日（2005/11/9）9時30分許，沙河口區(qū)星月街4號樓，一名燒鍋爐的工人鉆進居民樓的煙囪清理煙道時，被上方掉落的煤灰埋住，不幸死亡。新華網(wǎng)2005/11/10,1990年各型加熱系統(tǒng)之效能,摘自 Albright, 1990 (Chap7),,,各種加熱系統(tǒng)之比較,,1,4,1.8

8、,3.5,2.1,,搭配大型保溫?zé)崴?，使用離峰電力 (0.8NT$/度)，可進一步節(jié)能,1,4,5.4,10.5,6.3,環(huán)保與安全的熱泵,沒有燃燒，不排放二氧化碳與一氧化碳吸取環(huán)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(dān)心氣爆問題,,熱泵節(jié)能減碳效能大,,知其道用其妙,Part 1: 基礎(chǔ)篇,水泵產(chǎn)生?位能差將水由低水位送至高水位,熱泵產(chǎn)生?溫度差將能量由低溫區(qū)送至高溫區(qū),水泵與熱泵

9、(Heat Pump)的異同,,暖氣機就是氣源熱泵,用電效率遠高於電暖與電熱設(shè)備,氣冷的分離式空調(diào),提供冷氣,對環(huán)境排放熱氣,,室內(nèi)側(cè),室外側(cè),水冷的分離式空調(diào),提供冷氣,對環(huán)境排放熱氣,,室內(nèi)側(cè),室外側(cè),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(yù)冷,對環(huán)境排放熱氣,單效熱水機 水氣型熱泵 製熱水,對環(huán)境提供/排放冷氣,熱水提供暖氣、生活/消毒熱水與製程所

10、需之預(yù)熱,什麼是雙效熱泵,低溫區(qū)溫度夠低溫，允許其他應(yīng)用高溫區(qū)溫度夠高溫，允許其他應(yīng)用低溫區(qū)與高溫區(qū)允許同時應(yīng)用低溫區(qū)與高溫區(qū)允許儲存兩者或任一者以待後續(xù)之應(yīng)用,,-15 oC,0 oC,10 oC,45 oC,80 oC,50 oC,70 oC,,超高溫?zé)岜?一般的熱泵,,,60~65oC為上限,什麼是雙效熱泵,熱泵主機,熱量被熱泵由左側(cè)的水中，搬移到右側(cè)的水中，左側(cè)的水愈來愈冷，右側(cè)的水愈來愈熱。,知其道用其妙,Part 1

11、: 在地應(yīng)用的構(gòu)想,構(gòu)想 1,鄱陽湖常溫湖水,,低溫湖水提供低溫魚種養(yǎng)殖,高溫湖水提供高溫魚種養(yǎng)殖,,,,,,雙效熱泵,常溫水流回,能量釋放,構(gòu)想 2,鄱陽湖深層低溫湖水6 ~12 oC,換熱器,,提供附近城市鄉(xiāng)鎮(zhèn)製冷需求,,,P,,,,,,,,,,,,P,密閉式潔淨(jìng)水蓄水池,P,單效熱泵製冷,7 ~ 11 oC,11 ~ 17 oC,17 ~ 23 oC,12~16 oC,17~21 oC,12 ~ 16 oC,P,高

12、溫湖水提供高溫魚種養(yǎng)殖,常溫水流回,能量採集,能量提升,構(gòu)想 3,換熱器,提供附近城市鄉(xiāng)鎮(zhèn)製熱需求,,,,,,,,,,,,P,密閉式潔淨(jìng)水蓄水池,P,單效熱泵製熱,P,低溫湖水提供低溫魚種養(yǎng)殖,表層常溫湖 / 河水,,,P,,常溫水流回,能量釋放,能量採集,能量提升,構(gòu)想 4,鄱陽湖常溫湖水,冷水提供鄉(xiāng)鎮(zhèn)市區(qū)冷氣,提供鄉(xiāng)鎮(zhèn)市區(qū)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

13、潔淨(jìng)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,依熱源分類氣源熱泵地源熱泵水源熱泵,暖氣機就是氣源熱泵,環(huán)境溫度太低會吸不到熱量,氣源熱泵系統(tǒng),傳統(tǒng)氣源熱泵氣溫低于15oC以下的地區(qū)不適合使用和韋產(chǎn)出的氣源熱泵氣溫低于 4 oC以下的地區(qū)不適合使用氣源熱泵不適合的高緯度地區(qū)可改用地源或水源熱泵系統(tǒng)。,地源熱泵系統(tǒng) 冷/熱能來源,表層土壤受到陽光照射 (用於間接

14、製熱)中/深層土壤全年溫度穩(wěn)定 (用於製熱或散熱)深層巖層溫度高 (用於間接製熱，以水為工作介質(zhì))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),,,,地埋管地源熱泵系統(tǒng),地下水地源熱泵系統(tǒng),地埋管地源熱泵系統(tǒng),10 ~ 100 m或更深,封閉式地源熱泵系統(tǒng) (水平安裝),地源熱泵系統(tǒng),地下水地源熱泵系統(tǒng)吸熱管多采取垂直立管方式深度需達10~100 m 或以上施工難度較高，成本較高需選擇

15、適當(dāng)?shù)攸c垂直式地埋管地源熱泵系統(tǒng) (傳統(tǒng)方式)水平式地埋管地源熱泵系統(tǒng) (江西和韋節(jié)能科技公司)吸熱管采水平方式擺置在大多數(shù)地區(qū)的安置深度在 2 m以內(nèi)最低溫小于7度C以下的區(qū)域均適合使用最低溫不小于 7度C以下的區(qū)域仍可使用，但氣源式熱泵即可勝任,水源熱泵系統(tǒng),由水體吸熱或散熱開放式管路由淡水的井、湖與河中抽水水體多需另經(jīng)過濾管路送水至淡水的井、湖與河中封閉式管路流經(jīng)大范圍水體，進行吸熱或散熱大范圍水體：游

16、泳池、池塘深入地下水層的井湖泊、河川、海洋,封閉式水源熱泵系統(tǒng),湖 / 池 / 河,開放式水源熱泵系統(tǒng) 或地下水地源熱泵系統(tǒng),地下水地源熱泵系統(tǒng),需要地底下有高溫巖層,地下取熱以井水為工作介質(zhì),地下水地源熱泵系統(tǒng),優(yōu)點：當(dāng)具備地下高溫巖層時，可高效能供熱 當(dāng)具備深層低溫井水時，可高效能供冷正確設(shè)計的可以在冬季制熱、在 夏季制冷缺點：設(shè)計不好的只能制熱或制冷不是任何地點的地下都有高溫巖層或低溫井水需事先探勘，需花費

17、額外成本鑿深層井需要較高技術(shù)系統(tǒng)造價高需要較長工期沈水馬達供水揚程大，耗能高卻被忽略深層井有誘發(fā)地震的風(fēng)險,單效熱泵,德興大酒店,雙效熱泵 水水型 同時產(chǎn)製冷熱水,冷水提供冷氣、冷水與製程所需之預(yù)冷,熱水提供暖氣、生活/消毒熱水與製程所需之預(yù)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(chǎn)品的優(yōu)越性,超高溫?zé)岜?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(dāng)8度電的熱能(COP_hp>

18、;4.5)與冷能(COP_ac >3.5) !,臺灣某公司引進之韓國單效熱泵,優(yōu)異性,應(yīng)用廣同時提供冷熱水 （冷暖氣）提供超高溫?zé)崴?，可用能高，?yīng)用廣節(jié)能成效大比傳統(tǒng)單效熱泵節(jié)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(zhuǎn)電流壓縮機使用壽命長、系統(tǒng)運作穩(wěn)定,節(jié)能的雙效熱泵,可穩(wěn)定地同時供熱及供冷，亦可單側(cè)使用當(dāng)熱水機使用已經(jīng)非常節(jié)能加上能夠有免費冷氣使用，更節(jié)能允許彈性設(shè)計做多功能之應(yīng)用

19、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(tǒng),超彈性設(shè)計: 5效系統(tǒng),冷水熱水冷氣暖氣除濕,雙效熱泵與傳統(tǒng)熱泵性能比較,啟動電流/運轉(zhuǎn)電流,其他廠牌,知其道用其妙,Part 2: 雙效熱泵的多目標(biāo)多層次應(yīng)用（臺灣範(fàn)例）,雙效熱泵輸出方式#1：熱水＋冷氣,冷卻水塔,冰水送風(fēng)機,冰水儲槽,冰水循環(huán)泵,熱水循環(huán)泵,熱水儲槽,KHT-WW 水-水型HTU主機

20、,板式換熱器,雙效熱泵輸出方式#2：熱水＋冰水,KHT-WW 水-水型HTU主機,板式換熱器,板式換熱器,冷卻水塔,熱水儲槽,熱水循環(huán)泵,冰水循環(huán)泵,冰水儲槽,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(yīng)用產(chǎn)業(yè),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(yè)飯店/民宿業(yè)宿舍溫泉業(yè),SPA業(yè)溫水游泳池,,族繁不足備載,汐止地區(qū)

21、單壓縮機之一對二水-氣型分離式ＨＴＵ室外主機(ＫＨＴ-２５ＷＡＳＤ)可提供使用端超過攝氏50度以上之熱水，且能同時以空調(diào)內(nèi)機輸出冷氣外，每月節(jié)省45%之用電量。,美髮美容應(yīng)用,,吉野日式精品旅館,熱水供應(yīng)暨冷氣空調(diào),熱水供應(yīng)、池水昇溫暨冷氣空調(diào),瑞芳高工,新竹寶兒村月子中心,新光醫(yī)院,熱水供應(yīng)暨冷氣空調(diào),熱水供應(yīng)暨冷氣空調(diào),新光醫(yī)院(洗腎室完工),冷氣/冷水/熱水/溫水,溫泉/SPA/三溫暖應(yīng)用示意圖,薇閣春天,青磺溫泉水加熱（使

22、用溫泉水熱回收技術(shù)）,三芝淺水灣複合式民宿,熱水供應(yīng)暨冷、暖氣空調(diào)（使用游泳池作為冷卻水塔使用）,五堵百福養(yǎng)生會館,熱水供應(yīng)、冷暖空調(diào)暨泳池昇溫,熱水供應(yīng)、冷暖空調(diào)暨泳池昇溫,五堵百福養(yǎng)生會館,亞力山大健身會館,應(yīng)用範(fàn)例：製程預(yù)熱,製程用水預(yù)熱系統(tǒng),應(yīng)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(shè)備提供，熱製程前端之預(yù)熱不僅節(jié)能且能提供充足之空調(diào)冷氣如果已有空調(diào)冷氣則預(yù)熱等於完全免費

23、,雙營涼麵,熱水供應(yīng)、暨冷氣空調(diào),農(nóng)業(yè)應(yīng)用 – 環(huán)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(qū)生長暖房,低溫區(qū)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(nóng)業(yè)環(huán)控 節(jié)能高效 多源型熱泵系統(tǒng) 構(gòu)想圖,冬 / 25

24、~280 C,夏 / 18~250 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(shè)施,,,,,使用前本雙效熱泵導(dǎo)入前，溫室內(nèi)無環(huán)境控制。,使用後本雙效熱泵導(dǎo)入後，溫室內(nèi)溫度控制於25℃、相對濕度75％。,廢熱回收製造高溫?zé)崴?可用於組織培養(yǎng)殺菌釜所需蒸氣之預(yù)熱可用於組織培養(yǎng)培養(yǎng)基攪拌器加熱可用於介

25、質(zhì)殺菌所需之熱水可用於生活所需之熱水,乾燥,水稻產(chǎn)業(yè)低溫低濕乾燥中溫乾燥,乾燥 ＋ 冷藏,菇類產(chǎn)業(yè)：香菇、木耳等生鮮產(chǎn)品需要冷藏庫烘乾需要乾燥機,栽培 + 冷藏 + 滅菌,金針菇產(chǎn)業(yè)栽培環(huán)境：金針菇在出菇生長時需攝氏7度至12度的低溫才能發(fā)育良好栽培介質(zhì)之準(zhǔn)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(jīng)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(jīng)過

26、100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(nóng)產(chǎn)業(yè)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(yǎng)殖業(yè)者引入不乾淨(jìng)的海水，造成重大損失解決對策：引入海水先經(jīng)高溫?zé)崴畟?cè)滅菌再經(jīng)低溫冰水側(cè)做回溫送入養(yǎng)殖池,應(yīng)用範(fàn)例：養(yǎng)殖水溫控制,板式換熱器,板式換熱器,冷卻水塔,熱水儲槽,熱水循環(huán)泵,冰水循環(huán)泵,KHT-WW 水-水型HTU主機,冰水儲槽,冰水送風(fēng)機,超集約養(yǎng)

27、殖場,,熱水使用端,養(yǎng)殖水溫控制系統(tǒng)配置圖,海水80度殺菌、恒溫系統(tǒng),東港水試所,廢熱利用：異業(yè)結(jié)盟,廢冷利用：異業(yè)結(jié)盟,,應(yīng)用範(fàn)例：恒溫控制,恒溫控制系統(tǒng)配置圖,冷卻水塔,熱水儲槽,熱水循環(huán)泵,冰水循環(huán)泵,KHT-WW 水-水型HTU主機,冰水儲槽,溫控式流量控制閥,異業(yè)結(jié)盟：溫室 + 養(yǎng)殖,空氣溫度與水溫維持恆定水耕 ＋循環(huán)水養(yǎng)殖,俄羅斯小白鯨之原生環(huán)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

28、然存活，經(jīng)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(dāng)於20噸重)之海水，由攝氏28~30度降溫至攝氏13.8度左右。,海博館小白鯨降溫系統(tǒng)案,海水恒溫系統(tǒng),知其道用其妙,Part 3: 雙效熱泵的多目標(biāo)多層次應(yīng)用（中國範(fàn)例）,水平式 地埋管地源雙效熱泵,臺灣高力公司寧波工廠,地源系統(tǒng)主要配備,KHT-50WW型水水式HTU主機一臺(三相，標(biāo)稱功率6.3kW) 。地源取熱回路：立式管道離心泵2馬力2部

29、(單相)，地源熱導(dǎo)管10組，深度1.5米。冰水回路：立式管道離心泵1馬力1部(單相)。溫水回路：臥式管道離心泵0.5馬力1部(單相，供暖氣用)。熱水回路：高溫型臥式管道離心泵0.5馬力1部(單相，耐溫上限攝氏100度)。暖氣供應(yīng)：惠康風(fēng)機盤管2具，總供熱28千瓦。以上電壓規(guī)格皆為 220V，50Hz。,開挖及佈管,回填及維修管道基礎(chǔ)施作,,復(fù)土及維修管道間施作,完工圖,最高溫度之狀態(tài)圖,水源式雙效熱泵,江西德興賓館,舊系統(tǒng)

30、機房內(nèi)設(shè)備,吸收式冰水機機房約 432 m2鍋爐機房(油槽/木材暫存)約 480 m2冷卻水塔占 4.3 m2,,,,4.5 kW,,0.75 kW,,,新系統(tǒng) 機房內(nèi)設(shè)備,主機機房108 m2冷卻水塔占 2.5 m2,結(jié)論,熱泵系統(tǒng)無有毒廢氣排放(如：CO、CO2、黑煙等)之環(huán)保疑慮。 熱泵系統(tǒng)節(jié)能幅度大，減少廢熱排放，降低廢熱對環(huán)境之沖擊，是極為環(huán)保之綠色能源。單獨使用單效功能用于制造熱水已可大幅度降低能源成本,結(jié)論(續(xù)

31、),可同時提供80oC以上熱水，30~35oC溫水及5~15oC冰(冷)水?？僧a(chǎn)生高有用熱之熱水特性，使其產(chǎn)業(yè)應(yīng)用廣度較一般傳統(tǒng)熱泵增加許多，并可依需求調(diào)整水溫。除氣源型外，亦有水源型及地源型等三種散熱與吸熱方式。,結(jié)論(續(xù)),在相同熱量需求下，營運成本比電熱水器省70.0%、比燃煤鍋爐省22.7%、比煤氣爐省64.6%及比燃油鍋爐省41.9%。,結(jié)論(續(xù)),雙效熱泵的應(yīng)用正方興未艾應(yīng)用范圍廣，舉凡食品/食品加工、SPA/溫泉/三