熱泵原理與構造

圖1 大氣取熱式熱泵熱水器
使用冷氣機可以製造冷氣，亦會往外排出熱氣，由於能量不滅定律，排出熱氣的能量（QH）會等於輸入冷氣機的電能（We）加上從冷氣房所 吸取的熱量（QL），即QH=QL+We。冷氣機為一部移熱裝置，把熱能從一個地方（冷氣房）移到另一個地方（大氣），此移動熱 能的作用需要借助電能才會發生，有如家庭裡所用的水泵於通電後，水將會從底樓自來水池送到頂樓水塔上一樣。惟冷氣機所搬動的是看不見 的熱能，所以冷氣機的學名又稱為「熱泵」，利用壓縮機的熱力循環原理（朗肯循環）來產生移動熱能的作用。

朗肯循環主要由4 個組件構成， 包括： 壓縮機、冷凝器、膨脹閥與蒸發器。壓縮機內容充滿冷媒，冷媒蒸氣受壓縮機壓 縮產生高溫高壓蒸氣，流入冷凝器因排熱而凝結成冷凝液，經一膨脹閥流入蒸發器內蒸發成蒸氣而產生吸熱效應（ 冷氣效果），蒸氣再被壓縮機吸 入繼續進行壓縮，構成一循環迴路。整個現象即熱能在蒸發器處被吸收，然後於冷凝器處被排出並進行收集與利用， 構成一個熱的移動過程。


圖1 大氣取熱式熱泵熱水器
冷氣機（熱泵）如置於室外，從大氣中吸取熱能，排出的熱量將導入水槽中製成熱水供使用，此即「大氣取熱式熱泵熱水 器」（詳圖1）。由於大氣熱能來自地球上的大氣層，可持續吸收太陽能，因此「大氣取熱式熱泵熱水器」亦是太陽能應用的一種。排入室內的暖氣能 量（QH），約為輸入電能（We）的2∼3倍，即輸入1kW電能，可以獲得2∼3kW的暖房能力；而市面上暢銷的電暖爐，即使輸入1kW電能，至多也只能 獲得1kW的暖房能力，因此，採用熱泵來取暖，可以節省電力約5到7成，是值得大力推廣的綠色環保器具。
另外，依熱源取得的型態，可再分成太陽輻射與大氣雙熱源型熱泵。如圖2所示，利用太陽能集熱板與蒸發器收集熱能至壓縮機，再經由冷凝器與熱 虹吸交換器，將熱能儲存至熱水儲槽。此熱源的取得方式除太陽輻射能外，也會同時吸收大氣熱能，因此就形成「雙熱源型」的熱泵。
熱泵節能效益計算
單純以設備製熱的效能而論，熱泵設備優於其他經常使用的傳統熱水設備，這可從製熱COP 值做為省能效果判斷。熱泵機 的COP值是所得熱能與輸入電能的比值，亦即COP＝所得熱能（kW）╱輸入電（kW），COP值愈高，表示輸入等量的電所獲得的熱能愈多。但燃油或燃 氣鍋爐等不以電能驅動，無法計算COP值，故可先就熱泵與各式熱水器相對能源的熱值做比較（詳表1），再將各類型設備製熱的效率值換算 為每產生單位熱能所需消耗的能源成本（詳表2），將各類型設備產生每單位熱水所需的能源成本計算出來，即可瞭解何者的效益較高。