太陽能熱泵熱水器(ISAHP)

開發「整體式太陽能熱泵熱水器」(ISAHP)

集熱蒸發器採三垂面設計，並聯式

曝陽面吸收太陽能,冷媒過熱 背陽側面吸收大氣熱能，冷媒不過熱

三片集熱蒸發器並聯混合後，產生均衡效果，使集熱較穩定

結合太陽能集熱器、儲水槽與輔助電熱器於一體

利用熱泵原理、節省電能、全天候操作

陰雨天與夜晚自大氣取熱→可靠、省能、低成本

目前我國太陽能熱水器市場仍以自然循環式為主，大多屬傳統式設計，分成集熱板、儲水槽與固定架三部分。為使陰雨天仍能製造熱水，有些太陽能熱水器的儲水槽內裝設有電熱器，當作輔助加熱器，以電能來加熱。也有在儲水槽出水管路上串接一電熱水器。不論採用何種設計，都會產生下列問題:

儲水槽裝設電熱器，會使儲水槽很容易變成一部典型的「電熱水器」。為避免白天啟動電熱器，導致太陽能集熱板失去吸收太陽能的功用，必須加裝定時控制器，於日落後再啟動。

必須裝置大電力(約6kW，30A)電熱器，才能在日落後快速製造熱水。因此在安裝太陽能熱水器時，必須鋪設一條大電力電源線至屋頂，增加安裝困難度，成本也增加了。

陰雨天全以電熱器來加熱，而電能屬高價位能源，耗能可能反而增加(比起瓦斯熱水器)。因此，如何開發高效率輔助加熱器，是推廣太陽能熱水器重要但一直未被重視的課題之一。

第一代芻型機

第二代芻型機

利用冷媒壓縮機製成的冷氣機，已是現代生活必備品。熱力學上，冷氣機係屬蒸氣壓縮循環(vapor compression cycle)，利用冷媒在蒸發器中的蒸發吸熱（製冷），蒸氣受壓縮後在另一端冷凝器的冷凝釋熱，來達到將熱能由一冷端（冷房）移至另一熱端（大氣）。因此，冷媒壓縮循環又稱為「熱泵」。如果將冷端置於大氣中，而將熱端置於房屋中（暖房），則變成自大氣中吸收熱能，然後排入暖房中供應用，即為暖氣機。這就是從大氣中吸取熱能的觀念，而大氣之熱能則取自於太陽，因此「熱泵」也可是太陽能利用之一種(可稱之為「大氣熱能」，類似海洋能)。七零年代能源危機以後，熱泵的應用受到廣泛重視，技術發展迅速。尤其在冷暖氣與熱水供給的應用，技術已相當成熟，熱泵空調機在家電市場上，也一直是項重要產品。

第三代芻型機

由於冷媒壓縮機技術突飛猛進，現今熱泵的移熱效率(又稱「性能係數」COP)，即移熱量與輸入能量之比，可以達2倍或3倍以上，故具節能效果。亦即，輸入 1kW的電能給壓縮機，可以產生約2kW以上的暖氣。 若熱泵吸收大氣與太陽輻射的熱能，然後排放至水槽內來製成熱水以供應用，將太陽能與熱泵結合，則可提升系統性能，此即為「太陽能熱泵熱水器」的概念。若設計得宜，可採用低耗電之冷媒壓縮機，省略鋪設一條電熱器所需的大電力電源線。另外，以熱泵來當作輔助熱源，可節省電力一半以上，也比採瓦斯熱水器當輔助能源節省20至30%耗能。

第四代芻型機

「太陽能熱泵熱水器」早在二十年前便有人進行研究。主要用太陽能集熱器來吸收太陽能，再經熱泵的作用，來製熱水。為了將太陽能集熱系統和熱泵系統適當結合，在系統設計上，有許多不同的方式。有使用熱交換器間接吸收太陽能[4-8]，也有採用直膨式設計[9-19]，亦即讓冷媒直接膨脹到太陽能集熱器內蒸發吸熱（稱做「太陽能集熱／蒸發器」），如下圖。

前人的研究指出，採直膨式太陽能熱泵熱水器有下列好處：(1)熱性能較優，(2)節省一組熱交換器，成本較低，(3)可避免夜晚熱水逆流和凍結的問題。有些研究使用無玻璃面蓋太陽能集熱器，實驗証明COP值甚高。直膨式太陽能熱泵熱水器卻有一個問題，那就是因為太陽輻射以及大氣溫度的變化劇烈，壓縮機較難承受。當吸熱量不足，致蒸發溫度過低時，通過壓縮機的冷媒循環量減少，不足以冷卻壓縮機馬達線圈，會使壓縮機過熱；當吸熱量過大(天晴時)，蒸發溫度升高，壓縮機的負載又太大，也會使壓縮機經常處於高溫運轉。在冬季運轉遇陰天時(氣溫低)，在水溫尚低時，蒸發器還有結霜之虞。亦即壓縮機冷凍能力和蒸發器吸熱能力必須要互相匹配，否則便降低了系統效率及壓縮機壽命。這便是太陽能熱泵熱水器一直沒有商品化的原因之一。也就是說，太陽能熱泵熱水器係在變化多端的太陽輻射與氣候狀態下操作，運轉條件遠比一般冷氣機還嚴苛，必須藉由創新設計與電子控制技術才能突破。另一方面，以前的太陽能熱泵熱水器設計，體積龐大系統複雜，成本高，安裝不易，也是造成無法商業化的原因。

有鑑於傳統太陽能熱泵熱水系統之缺失，主持人(黃秉鈞)提出了整體式太陽能熱泵熱水器之創新概念，它係結合傳統太陽能熱水器與輔助加熱器於一體的太陽能熱水器，因此其應用範圍得以擴大，甚至可使用於公寓之底層住宅。

為驗證可行性，台大研究群設計製了一台採整體式設計的原型機(第一代芻型機)。此台太陽能熱泵熱水器的集熱蒸發器則設計成直膨、無面蓋式，並設置於熱水器外殼上，以形成一體，規格如下：

壓縮機： R134a (入力: 150W, 110V AC)

儲水槽： 100公升

集熱蒸發器：銅板-銅管

熱虹吸管： 雙套管

蒸發器尺寸: 頂部50cm×74cm, 正面50cm×120cm, 兩側50cm×60cm

測試結果顯示性能係數(COP)可達2.5以上，甚至高達3.8，性能優越。但是如果要商品化的話，還必須進一步結合電子控制技術，以使壓縮機運轉平順，提升整台機器的運轉可靠度，而這是一項高難度技術。本計畫透過學術手段，深入分析研究並結合創新設計與電子控制技術，以突破技術瓶頸，開發出商品。

本計畫進行了整體式太陽能熱泵熱水器(ISAHP)概念機的戶外現場測試，以探討ISAHP的運轉特性。並以蒸氣壓縮冷凍循環為基礎，結合自然循環式熱水器和太陽能集熱蒸發器，建立ISAHP的理論分析模型，輸入氣象資料，模擬系統的性能，並由模擬分析來探討ISAHP之設計。ISAHP芻型機性能測試結果顯示，瞬時COP可以達3.7左右。同時由測試結果也推導出ISAHP的運轉經驗公式，可以掌握ISAHP的運轉特性。測試與模擬分析結果均顯示，ISAHP如要維持飽和蒸氣循環狀態操作，膨脹閥流阻必須隨水溫變化，在開機與停機瞬間，流阻值變化可達數倍之多，在多雲天候可高達3.42倍。模擬結果也顯示，冷媒流量之變化並不若太陽輻射變化之劇烈，由動態系統特性來看，ISAHP對太陽輻射變化具有低通濾波的特性，這點有利於蒸氣壓縮循環的設計。

晴天與陰雨天的模擬結果顯示， ISAHP在每天運轉6小時後，水溫均可達60°C以上，不受太陽輻射量之影響。陰雨天時，ISAHP係從大氣取熱。綜合全年的模擬統計分析，ISAHP 熱水器可以一年四季供應50°C以上的熱水，全天性能係數COP在2.0以上，晴天操作時間較短，COP也較高。

第一代整體式太陽能熱泵熱水器(ISAHP-1)自90年初開始進行全天24小時連續測試，以測試其長期使用性能及耐久性 ， 截至目前已連續運轉超過9,000小時，如果包括過去的研究測試，總累積運轉時數已超過18,000小時，未曾發生任何故障。 主要係因ISAHP的系統設計技術已成熟，而且機器設計只有一個動件(壓縮機)。ISAHP-1每公升熱水(55 oC)耗電量0.01-0.02 kWh/L，比傳統太陽能熱水器的耗電(輔助電熱) 0.02-0.04 kWh/L 還低。這項研究結果已充分證明，台大新能源中心的整體式太陽能熱泵熱水器是可以商品化的一項綠色產品技術，歡迎業界技術移轉!