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3 、太阳热能制冷技术
太阳能量之获得量往往与空调负载能源需求量间之相关性大,因此太阳能制冷系统的发展,预期能将目前国内太阳热能系统偏重于盥洗应用的市场,拓增至冷却空调应用市场领域,除可积极开发国内太阳热能的利用量外,更可用以减缓,甚至降低传统压缩式冷却空调系统耗电量需求的持续成长,对于能源效益的贡献度极高。由于太阳能制冷系统技术的开发潜力与发展空间非常大,因此纵使偏重暖气需求较高的高纬度的国家,如德国等亦积极投入开发,欧盟在 SUN IN ACTION II 亦将太阳能制冷技术的开发列入中长程的重点研究项目。
太阳热能用于制冷之技术主要分为吸收式、吸附式、喷射式等系统技术。其中,以吸附式之热源温度要求最低, 50~ 8 0 ℃ 间即可运转制冷。由于以太阳热能制冷系统应用时,其设置成本主要包含制冷主机及集热器供热系统两大部分。在降低成本以利于推广的考虑下,采用热源温度要求低的固体吸附式系统时,集热器则可采用一般平板式集热器,而且系统的太阳能利用率高,因此,可在以太阳集热器为主之热能供应部分的成本可获得较明显的改善。而吸附式主机的成本就成为另一重要的研发议题。吸附式主机的研发目标则朝向高效率、低成本、可量产、系统简易等技术指针发展,以实现太阳能制冷系统之推广利用,增进太阳能在冷却 / 空调系统应用之实质效益。
目前的固体吸附式冰水机的制造主要以 Nishiyodo( 西淀空调机株式?社 ) 及 Mayekawa( 前川制作所 ) 两家日本公司为主,日本亦拥有超过 200 篇以上相关的专利。自1980 年代中期至今,在日本已安装超过160 台的固体吸附式冰水机组,此外,如美国与德国等国家,亦引进了前述两家公司的产品,据估计总安装量已达200 台。但是目前为止,吸附式冰水机组的销售价格仍相当高,其原因主要为此机器乃新开发之产品,目前尚未达到量产规模,加上此市场还处于寡占市场的缘故。
2000 年工研院进行吸附式冰水机之研发,相继建造了2.3 及6.3kW 的试验用吸附式冰水主机,以研究其运转特性并加强组件设计能力。同时进行的业界合作案中,有25 kW 及35 kW 制冷力的冰水主机(如图 3)。该研发工作虽然对主机设计、制造及运转均有相当之成果,然而吸附式主机目前在研发上仍有极大改善的空间,主要的课题一是改善吸附剂的吸附量,以降低主机的尺寸,达到降低材料成本的目的。另一课题则是提升主机的COP,提高能源利用效率,以降低能源支出成本,提升运转效益。此外,再结合业界合作,利用示范系统设计、建造及运转,以及主机系统技术移转,达到技术产业化及应用市场的推广。在成本及能源稳定的考虑下,初期研发推广阶段中不排除采用与废热、生质热源、地热热源等结合应用的方式,降低热源供应的成本,藉此开拓此一市场基础。在主机价格因市场规模放大而下降至合理时,则可与集热器匹配,引用太阳热能制冷之应用。
图 3 固体吸附式制冷系统的主机及测试系统
4 、太阳能辅助热泵热水器 (黄秉钧、李璟柏、汪金华,2003 ;黄秉钧、李璟柏,2005;台大新能源中心,2005)为突破传统太阳能热水器只能装设于屋顶的限制,以及阴雨天需耗费大量辅助电能的缺失,新能源中心积极研发整体式太阳能辅助热泵热水器 (ISAHP) (图 4),采双热源创新设计,利用热泵原理来操作,晴天时同时从大气与太阳取热,阴雨天与夜晚则全由大气取热,其运转不受天候变化影响,整体式的设计,使得太阳能的应用可以突破建筑的限制。
由于目前冷煤压缩机的制造技术已非常进步成熟,以之作为核心组件的热泵的制热性能系数(输出热量与输入热量之比值)可以达到 2.0 以上,与电热方式相比,具有节能之效果。利用热泵吸收大气与太阳辐射的热能,然后在冷凝热交换器处将热能排放至除热槽以供应用,这样子将太阳能与热泵功能结合,可以提升系统的功能。
ISAHP 是一种双热源热泵之创新设计,晴天时可以同时从大气与太阳取热,阴雨天与夜晚则全由大气取热,其运转不受天气阴晴及日夜变化影响,因此安装可以不限于屋顶阳台,一般公寓低楼层阳台也可以安装,使得再生能源的开发可以突破建筑的限制。 ISAHP 具有如下技术特征 :
• ISAHP 采双热源设计,晴天时可以同时从大气与太阳取热,阴雨天与夜晚则全由大气取热,其运转不受天气阴晴及日夜变化影响,因此可以不限安装于屋顶上,一般公寓低楼层阳台也可以安装使用。
• ISAHP 采整体式设计,热泵主机与储水槽制成一体,容易搬运与安装。
图 4 太阳能热泵热水器流程 (左)及 ISAHP-3 硬件架设图 (右)
能源中心提出四种不同构造的 ISAHP ,经由整年的测试证实,四种不同的创新设计皆可达到性能提升降低耗电量的目的,图 5 为 ISAHP 与传统太阳能热水器耗电量比较。欲评估 ISAHP 实用化的可行性,另外必须考虑经济效益与成本的问题进行分析,表 1 为 ISAHP 与传统太阳能热水器所消耗能源费用的比较,整年平均耗电量为 0.013-0.019 kWh/L 。
图 5 ISAHP 与 传统太阳能热水器耗电量比较
表 1 各型 ISAHP 评比
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