熱泵的節能與應用

前言 Introduction

近年來能源成本高漲，除了運轉成本大幅上漲壓力外，也讓能源短缺意識益增強烈；加上化石燃料耗用量增加，溫室效應加劇，導致地球氣候極端化，也讓CO₂排放議題更受重視，使得政府及企業對力行節能減碳，減少對環境污染一事，視為世界公民應盡的責任，也是刻不容緩的重要議題。

全世界鍋爐系統的溫室氣體排放量，位居發電及汽車之後，排名第三。因此提升鍋爐效率或使用替代方案，減少能源耗量，為全球工業界當務之急。也在能源及溫室效應的雙重議題下，使有將近兩百年歷史的熱泵，近幾年來備受重視。

能源耗用及成本趨勢分析：

世界各國鍋爐能源用量約占該國整體工業能源用量之33~40%。

• 美國：鍋爐用熱占整體工業能源使用量之34%
• 台灣：鍋爐用熱22,946千公秉油當量，約占整體工業能源用量之38.5%

近年來能源成本上漲幅度高達260%。

傳統熱供應方式分析 Background

1. 燃燒燃料：瓦斯鍋爐、燃煤鍋爐、燃油(重/柴油)鍋爐
2. 電能：電熱水器、電熱爐 (統稱電熱器)
3. 太陽能：太陽能熱水器
   傳統熱供應成本，以煙管式鍋爐 10T/H 為例:
   • 鍋爐使用壽命：20 年
   • 鍋爐終生使用成本
   • 燃料費 99.50 %
   • 購置成本 0.28 %
   • 維修成本 0.22 %

熱供應限制因素

燃燒燃料

• 產生二氧化碳(溫室氣體)
• 產生ㄧ氧化碳(危害安全)
• 操作上有安全顧慮，維護費時費工
• 政府單位會每年定期檢驗排廢系統
• 鍋爐本身、操作人員需要執照
• 鍋爐間需要通過安全檢查標準
• 高耗能

電能

• 高耗電

太陽能

• 需要大面積向陽場地來作為吸取太陽能用
• 陰天或雨天（無陽光直射日子）則設備效率會大幅降低
• 效能轉換效率低

何謂熱泵 What is Heat Pump

熱泵－移動「熱能」的裝置：

日常生活當中，搬運水的設備稱為水泵，其用途相當廣泛，可以將水由低處輸送至高處水塔，也可以做為循環水用，由此可以得知搬運熱能的設備，就被叫做熱泵了。

熱泵系統係利用卡諾循環原理將低能階的能量(低熱焓)往高能階(高熱焓)的能量“搬送”(pumping)，不是“製”熱的設備，而是“搬”能的設備，故使用上須有低能階熱源的供應。而所指的低能階能源為現場既存而無須價購者，一旦低能階能源經熱泵進行能源的搬送後，將使得能階低(熱焓更低，即低溫)的能源，再次獲得使用。系統的耗能即為“搬”動能量所需作的“功”，並無傳統加熱設備的能源消耗。

系統運作原理如圖二。

自然界熱能移動的現象

• 熱能均是由高處往低處移動，如同水槽一樣連通之後溫度(水位)平衡如圖三。

熱泵使用的情況

• 使用熱泵的情況，可以將熱能由低溫往高溫輸送，就好像水泵一樣，可以將低處的水位送往高處，如圖四。
  熱側用途：暖氣、熱水
  冷側用途：冷氣、冰水

能效係數(COP, Coefficient of Performance)與熱泵

• 使用熱泵作為熱能裝置最大的好處就是大部分熱能皆從環境取得之後搬運至使用處，因此以效率而言是相當高，為了表示熱泵的效率與能力，一般皆以能效係數(COP)作為熱泵效率的指標。
• 根據熱力學第一定律，有：Qc=Qe+W，根據熱力學第二定律，壓縮機所消耗的電功A起到補償作用，使得製冷劑能夠不斷地從低溫環境吸熱（Qe），並向高溫環境放熱（Qc），週而復始地進行迴圈。因此，壓縮機的能耗是一個重要的技術經濟指標，一般用性能系數(coefficient of performance，簡稱COP)來衡量裝置的能量效率，其定義為：
  COP=Qc/A=(Qe+W)/W=1+Qe/W

顯然，熱泵COP永遠大於1。對於節約能源、緩解大氣污染和溫室效應，熱泵的應用有其積極正面的意義。

熱泵COP依不同的設計可以達到COP=2~5(200%~ 500%)超高熱輸出效率。

熱泵系統之優點：熱泵熱水系統是一種吸取大氣熱能或回收系統廢熱加以利用而產生熱水的高效能科技產品，不是使用傳統的電或瓦斯、柴油燃料加熱。熱泵與不同熱源產生熱水之成本比較及熱泵與各式熱水器相對能源熱值比較（請參考圖五-1、圖五-2）。

熱泵熱水器有超高效率、多功能、非常省錢、安全性高、安裝操作方便、地球環保及適用廣的特點。目前國內應用對象包括：中溫熱水(40~60℃)需求大、冷氣需求小（或不需要）的場所、鍋爐用戶（補給水預熱）、有淋浴設施的運動場所、醫院、旅館和溫泉區有熱水與再加熱的需求場所。醫院、旅館飯店、學校宿舍、游泳池、SPA、家庭住宅等場所較廣泛使用熱泵，未來製造業需用熱水之場所也應具有推廣空間。（表一）

熱泵種類及特性 Types and characteristics

市場之套裝熱泵設備，可分為二種：(1)水對氣(2) 水對水，供熱能力由1RT至數百RT，冷媒多採R22 (將淘汰，冷媒已禁產)、R134a或CO₂。

水對空氣取熱型 (water-to-air)

空氣對水(Air to water)熱泵熱水系統（圖六）為美國CRISPAIR公司於1947年所開發出的，其原理與一般的冷氣機系統相似，不同的是，此系統的設計概念是利用冷媒吸收大氣或水中的熱能，並將之經特殊的熱交換器轉換於水中，水吸收了熱量後使儲熱水筒水溫升高（加熱），以提供大量高效率低成本之熱水，而經此過程釋放後之空氣，則成為乾燥涼爽之免費冷氣，可同時達到供應熱水，或冷氣與冷水的理想境界。太陽能被大氣層吸收，熱泵再吸收大氣熱能，將它搬移到熱水槽中，也是「太陽能利用」的一種。

水對水取熱型(water-to-water)

從冰水回水(空調系統或製程冰水系統)、冷卻水回水(空壓機、冰水機或製程冷卻)、地下水、河水、湖水、海水或製程熱廢水，取得熱能，這種熱泵稱為「水源熱泵」；也可運用密閉循回水系統從地下取得熱能，這種熱泵稱為「地源熱泵」，兩者統稱為「水對水熱泵」。（圖七）

熱泵應用於電子業純水 Heat Pump Applications

2B3T再生系統案例

電子業純水2B3T再生程序需利用大量40~55℃熱水，以往的設計以電熱或蒸汽鍋爐供熱為主，使用熱能源成本高，熱泵加熱系統以漸漸導入此系統，取代原供熱系統(電熱或蒸汽)，可有效節約熱能源成本，冷熱兩用效益高，以舊系統而言，投資回收效益可在2~5年之內回收；新建廠系統已逐漸將熱泵供熱系統列為標準設計。

熱泵加熱系統於2B3T再生程序如下圖示意說明。

• 一般半導體超純水再生系統（圖八）

  圖八、一般半導體超純水再生系統

  
• 熱泵熱水機系統於超純水再生系統應用(水對水熱泵)（圖九）
  熱源：空調回水，吸熱降溫，降低冰機負荷。

  圖九、熱泵熱水機系統於超純水再生系統應用

  
• 熱泵熱水機系統於超純水再生系統應用(空氣對水熱泵)（圖十）
  熱源：周邊空氣或機械熱能，產生冷空氣有助於周邊環境。

  圖十、熱泵熱水機系統於超純水再生系統應用

  

半導體廠熱水系統改善

有些半導體廠因製程或空調需求，設置有熱水循環系統(出水90℃，回水70℃)，做為加熱源。

方案說明：

• 熱側：以即熱高溫熱泵將回水由70℃升溫至80 ℃，再經原熱水鍋爐加溫至90℃，基於機台使用率考量，設置容量僅滿足平均需求(100cmh)
• 冷側：製作7℃的冰水，降低冰機負載
• 系統設置：
  H THP-I2200WW × 12
• 熱水供應：
  製熱能力：954,370 Kcal/hr (315.6RT)
  水　　量：96M3/h (501LPM)
  進水溫度：70℃
  出水溫度：80℃
• 冷水供應：
  製冷能力：489,890 Kcal/hr (162RT)
  水　　量：97.9M3/h
  進水溫度：12℃
  出水溫度：7℃

節能預估

• COP：3.1
  製熱側COP值：2.05
  製冷側COP值：1.05
  僅考慮製熱節能效益：42%
  考慮全部節能效益(熱水＋冰水)：58%
• 天然氣鍋爐所需費用：(NT$ 17.1元/度) 18,919,857 元/年
• HTHP運轉所需費用： (NT$ 2.28元/度) 10,875,716 元/年
• HTHP製冷效益：2,854,876 元/年
• 僅考量熱水的節能效益：
  18,919,857元/年－10,875,716元/年＝ 8,044,141元/年
• 考量熱水與製冷的總節能效益：
  18,919,857元/年－10,875,716元/年＋ 2,854,876元/年＝10,899,017元/年
• 每年節省碳排量：2噸

冷凝乾燥

以熱泵一邊產生熱能，另一邊可同時產生冷能的特性，可將熱泵運用在冷凝乾燥系統（圖十二），做為食品、茶葉、污泥…等乾燥，可大大降低能源的耗用。一般傳統式熱泵的應用，去除每公斤水分耗電量約0.45KW；若採用高溫熱泵，則可提升效率，去除每公斤水分耗電量約0.28~0.35KW。

開迴路工業熱泵(壓縮循環)

以系統內自身流體為冷媒加以壓縮循環，做為系統本身的加熱源，COP高(一般可達10~30)，適用於蒸餾、蒸發、濃縮系統，可運用在煉油石化蒸餾系統、製程濃縮(取代傳統多效蒸發罐)、純水回收再利用、廢水減量及海水淡化產生純水。（圖十三）

結論 Conclusion

目前小型熱泵機組(5～40Rt)已發展相當成熟，相較於其他再生能源設備穩定度高，已經漸漸取代現階段熱源設備(熱媒、鍋爐等)。近年來tsmc於各廠區內部推動節能減碳，Heat pump代替鍋爐之運用將是其中可進行的選項熱泵，實為當下最省能及最成熟的節能技術:

熱泵在熱能提供效益上，可節省50%~70%的耗能；若採用水對水型式，在熱能及冷能的雙重提供效益上，更可節省高達85%的耗能。依據歐洲熱泵協會的研究，熱泵的應用約可降低8%的全球CO₂排放。根據日本Heat Pump & Thermal Storage Technology Center of Japan 2010三月出版之Survey of Availabi-lity of Heat Pumps in the food and Beverage Field 中提到熱泵的應用約可降低55%的CO₂排放。

熱泵具有下列特性：COP高，可提供高溫熱水，且同時產生冰水，可降低冷能負載。

解決勞工安全問題

• 無需申請特殊使用執照
• 無需專業操作人員(執照)
• 無需年度工安檢查(停車損失)

解決環保問題

• 有燃燒，不排放黑煙、二氧化碳及一氧化碳
• 不使用瓦斯，不會有瓦斯外洩的安全疑慮
• 不使用鍋爐，不擔心氣爆問題

節能減碳是目前國內外之最熱門的話題，藉由熱泵來替代鍋爐之功能，並在Tsmc新廠列入設計中，希望透過此一分享，有助於台積各廠在使用本系統及生產成本降低上，做更進一步的提昇。