熱泵熱水系統介紹PART III—熱泵系統應用
文：黃嘉彬
熱泵系統應用大致可分為三種類型，分別為空調(暖房)、淋浴或洗滌用水(熱水)以及泳池加溫，各類型建物因其用途不同可能涉及的熱泵應用方式也不同，如宿舍用熱泵系統提供住宿人員洗浴用熱水，醫院類包含暖房空調、洗滌，飯店類型則可能包含三者。不同的場合有不同的熱水負荷需求，以下依宿舍、醫院、飯店類型來作說明。
- 宿舍類型
- 醫院類型
- 設備利用率最高，產制熱水的熱源來自冰水回水廢熱(空調系統的排熱)，因此在熱泵機運轉時，回水溫度會降低，冰水機負荷亦減輕。
- 熱水的使用隨季節有用量變化，冬季熱水用量較大，水對水系統應考慮冬季空調系統排熱量是否足夠產製所需熱水。
- 飯店類型
宿舍一般僅供應淋浴用熱水(不考慮盆浴的狀況)，熱水提供溫度約50~55℃，採用空氣對水熱泵，原因為宿舍類型建物空調系統大多不是中央式系統，再者即便為中央式系統，冬季也多停轉，若規劃為水對水系統則回收熱源受到限制。
依照供應洗浴用熱水及暖房的條件、醫院類型、建物規模及空調使用模式來設計，如係24 小時營運且空調亦整年供應的條件下，可考慮規劃採用水對水熱泵系統，其原因為：
除供應洗浴、暖房的可能外，泳池或SPA 池加溫及恆溫亦可應用熱泵系統。飯店類型的使用場合，多有中央空調冰水系統，負載亦為24 小時有載，可採用水對水熱泵系統，考慮其供應洗浴用水時之熱水負荷，有盆浴狀況時，每人日使用水量較淋浴狀況為多。若以盆浴條件計算單日使用水量可達淋浴條件的2~3 倍，對於熱泵主機容量及儲水槽容積設計而言，過大的設備容量表示投資成本高昂，另外，空間問題也難以克服，因此在飯店類型的熱泵系統改建規劃，應由可利用的空間出發，不必依日用水量設置儲水槽。熱泵主機容量不應以最大熱水使用量設計，而是以熱水負荷平均值或基礎負荷來規劃，搭配既設的鍋爐設備使用，目的為負擔平均值或基礎負荷以下的熱水供應，在用水高於此值狀況下再由鍋爐系統補足。
空氣對水熱泵系統，熱源來自常溫空氣，氣溫影響機組製熱效率，進氣溫愈高熱泵製熱效能亦高，但過高的進氣溫度亦可能造成冷媒熱泵系統高壓過高，造成跳機，故針對台灣氣候設計之熱泵設備進溫設計溫度約25℃。
空氣對水熱泵系統多應用於宿舍類型，熱泵主機可置於頂樓梯間，由於建築物空氣熱對流造成的熱空氣上浮，集結於頂樓梯間，有利於提高熱泵機進氣溫度，維持設備的運轉效率。但亦有建物設計較為開放，比如說走道或梯間直接開放到外氣的建築形式，就不適用於上述設置方式。空氣對水熱泵主機也可設置於有固定熱負荷的區域，如電梯機房、變電室或地下停車場等，若無含有豐富廢熱的可裝設空間，就應考慮到主機受到進氣溫度高低造成的效能變化，尤其以冬季寒流低溫可能造成熱泵製熱能力低落，造成供水不足等影響。再者過低進氣溫度易使蒸發器結霜甚至結凍，進行除霜又造成系統停擺等因素。因此，必須規劃設置輔助加熱器以因應製熱能力不足時，作為替代熱源。
空氣對水熱泵系統
水對水熱泵系統熱源來自常溫水源，在水源溫度較恆定的條件下運轉，設備運轉效能較穩定。常溫水來源可自空調冰水系統回水側引水經主機取熱後送回(應用上亦有自冷卻水側引水取熱的使用方式)。優點是冰水回水溫度約12℃，經主機汲取熱能後降低至近7℃回注至冰水系統，可降低冰水回水溫度，也就是說熱泵機除製造熱水外，冷能亦100%利用於冰水系統，利用率最高。但規劃時亦需考量常溫水來源，若來自冰水系統回水，就應考慮季節性負載變化有無低於製造熱水所需的負載。比方說冬季空調負載低，但熱水使用量較大，若空調負荷可能低於提供熱水所需負載，應規劃設置輔助加熱器因應製熱能力不足時作為替代熱源。
熱泵主機及熱水儲槽
熱泵系統設計時，必須考量設備可能經歷保養維修，或故障停機，甚至因氣候因素造成設備製熱能力不足，這時就藉由替代熱源補足熱水供應。於改建案例中，留用既有設備是常見的作法，既有設備是否堪用，保養維修延生的費用影響投資回收年限亦應加以考量。若既有設備已達汰換年限或已不堪用，可考慮換裝小容量設備，或直接於既設或增設儲槽，安裝浸入式電熱器，初置安裝方面方便且成本較低。
由國內熱泵研究及現場測試案例證實，熱泵產出之冷熱能若在合理規劃運作下，熱泵加熱性能係數COP 都可大於3 以上時，取代傳統電力、瓦斯、柴油熱水鍋爐，節能效益可達60%以上。國內熱泵熱水系統全面推廣至今，在工廠、學校、游泳池、醫院、別墅住宅、公司宿舍、旅館飯店、俱樂部、教養院、渡假、教會寺廟、兒童之家、看守所、海水浴場等，已有數百個不同的應用成功案例，其中學校、游泳池、醫院等，業界接受度非常高。
雖然熱泵熱水系統技術已達一定水準，但在設計規劃上仍需注意及搭配許多條件，才可發揮其應有的能力，期許未來在熱泵熱水系統外，其他節能技術也能繼續不斷精進，讓大家在享有相同的舒適條件的同時，也能減少能源的輸出及浪費！
