報告者：謝桂平 工研院能環所 住商節能技術組 小型空調機技術研討會 熱泵熱水機性能測試及說明 報告者：謝桂平 工研院能環所 住商節能技術組

報告內容： 一、熱泵熱水系統原理 二、熱泵性能測試標準 三、熱泵熱水機型式 四、測試結果探討 五、討論

一、熱泵熱水系統原理： 地球外表的大氣層會吸收太陽熱能，加上溫室效應，使得整個大氣層形同一個巨大的太陽能儲存庫(大氣熱能庫)。 　熱泵熱水器即是擷取空氣中的熱能來製造熱水，其原理與冷氣機相同，只是將冷氣機製造冷氣過程中往室外排出的熱氣能量與水進行熱交換，製成熱水。 在製造熱水的同時也會排放冷空氣及除濕，因此具備熱水、冷氣、除濕一機三用功能。 資料來源：http://hy-et.com/

熱泵熱水系統原理示意圖：

CO2熱泵系統的應用

熱泵系統的應用 熱泵熱水系統的應用極廣，除了家庭熱水供應，尚可應用於：溫水游泳池、SPA、飯店、醫院、宿舍、餐廳、工廠，甚至精緻的農漁產業。 基於石化能源短缺危機日益迫切，未來傳統燃油或瓦斯熱水器勢必會被淘汰，成為必須使用替代能源的產品，而熱泵熱水器正是效能優異的節能替代產品。 資料來源：http://hy-et.com/

二、熱泵熱水性能測試標準： CNS-12575(2006年版)[蒸氣壓縮式冰水主機]測試標準 熱回收標準試驗條件 型式 水冷式 氣冷式 冷凝器 入水溫度 30.0℃ ± 0.5℃ 水流量 同全載標準試驗條件 空氣入口乾球溫度 20.0℃ ± 1.0℃ 冰水 出水溫度 7.0℃ ± 0.5℃ 熱回收冷凝器 入口溫度 水溫：40.0℃ ± 0.5℃ 氣溫：20.0℃ ± 1.0℃ 出口溫度 水溫：50.0℃ ± 0.5℃ 氣溫：35.0℃ ± 1.0℃

熱泵熱水性能測試標準： 熱水性能 試驗條件 JRA-4050(2005年版)[家庭用給熱水機]測試標準 利用側 熱源側 冷溫水 入口空氣溫度 單位： ℃ 熱水性能 試驗條件 利用側 熱源側 冷溫水 入口空氣溫度 進水溫度 熱水流出溫度 乾球溫度 濕球溫度 額定加熱條件 17 ℃ ± 1.0 65 ℃ ± 2.0 16 ℃ ± 1.0 12 ℃ ± 0.5 夏季加熱條件 24 ℃ ± 1.0 25 ℃ ± 1.0 21 ℃ ± 0.5 冬季高溫加熱條件 9 ℃ ± 1.0 冬季高溫加熱± 2.0 7 ℃ ± 1.0 6 ℃ ± 0.5 除霜條件 5 ℃ ± 2.0 ー 2 ℃ ± 1.0 1 ℃ ± 0.5 過負載條件 29 ℃ ± 2.0 43 ℃ ± 1.0 26 ℃ ± 0.5

熱泵熱水性能測試標準： ARI-320(1998年版)[Water Source Heat Pump]測試標準 5.1.3.1.b Heating Air temperature entering indoor portion of unit 70℉[21.1℃]dry bulb 60℉[15.6℃]wet bulb, max Air temperature surrounding unit Water temperature entering Refrigerant-to-water Heat exchanger70℉[21.1℃] Water flow rate as determined in Standard Rating Cooling Test

三、熱泵熱水機型式： 水對水式與氣對水式 水對水式：冰水＋熱水 氣對水式：冷氣＋熱水 即熱式與儲熱式 即熱式特點：高溫差低流量，可能無儲熱水槽。 低溫差高流量；一般用於溫水游泳 池等場所 儲熱式特點：具儲熱水槽，槽內水溫升採漸昇式， 一般適用於短時間內需要大量熱水的 場所；如宿舍洗澡用水

熱泵熱水機型式：熱交換器位置 位於主機側：自來水或儲槽內的水，引至位於主機 側的熱交換器，排出熱水。

熱泵熱水機型式：熱交換器位置 位於儲槽側：主機側的高溫高壓冷媒管，引至位於 儲槽內的熱交換器使儲槽內水溫上升。 儲熱水槽 熱交換器 使用側

熱泵熱水機加熱能力計算方式： 熱交換器入出水溫差方式 Qthw＝CpwWf(tw2-tw1) 符號代表意義： Qthw：熱交換器所計算之加熱量[kcal/h] Cpw：水的比熱(=1)[kcal/kg℃] Wf：通過熱交換器的水量[kg/h] tw2 ：熱交換器出口水溫[℃] tw1 ：熱交換器入口水溫[℃] 特點：最簡易方便的量測方式；適用於熱交換器位 於主機側的試驗方式。

熱泵熱水機加熱能力計算方式： 熱交換器入出口冷媒焓差方式 Qthi＝XrQro(hr2-hr1) 符號代表意義： Qthi：熱交換器所計算之加熱量[kcal/h] Xr：冷媒與冷媒-冷凍油混合物之質量比 Qro：冷媒與冷媒-冷凍油混合物之流率[kg/h] hr2 ：熱交換器出口冷媒焓值[kcal/kg] hr1 ：熱交換器入口冷媒焓值[kcal/kg] 特點：困難點在冷媒與冷凍油之質量比的量測。

熱泵熱水機加熱能力計算方式： 儲熱水槽溫升計算方式 Qtw＝CpwWw(Tw2-Tw1) Qtw：儲熱水槽溫升所計算之總加熱量[kcal] 符號代表意義： Qtw：儲熱水槽溫升所計算之總加熱量[kcal] Cpw：水的比熱(=1)[kcal/kg℃] Ww：儲熱水槽內總水量[kg] Tw2 ：測試完畢時，儲熱水槽內之水溫[℃] Tw1 ：測試開始時，儲熱水槽內之水溫[℃] 特點：困難點在水槽內水量量測及槽內溫度分層原 因導致的槽溫溫升認定。適用於熱交換器位 於儲熱水槽內之試驗方式。

熱泵熱水性能測試標準： 一般市售熱泵熱水機規格表 產品型號 WRS-30W-150L WRS-40W-200L 預 定 製 熱 量 3000W 4000W 額定輸入功率 980W 1280W 額定輸入電流 4.6A 6.2A 出  入  溫  度 55~65℃ 水  箱  容  積 150L 200L 電              源 220V/60Hz 工作環境溫度 -10~43℃ 熱水補償速度 80L/H 200L/H 噪              音 ≦51dB ≦52dB 主機外形尺寸 670×250×545 760×255×540 主  機   重  量 30kg 40kg 水  箱   重  量 63kg 80kg 進出水管通徑 G1/2" 製     冷     劑 R22(R410A) 製冷劑充注量 1000g 1150g COP=3.061 COP=3.125 1.33LPM 3.33LPM 註：因產品不斷更新，技術參數如有變更請以說明書為準 測試標準工況為：環境溫度：20℃，進水溫度：20℃ 資料來源：http://web.diddle.idv.tw/huicheng/in.html

熱泵熱水性能測試標準： 一般市售熱泵熱水機規格表 資料來源：http://hy-et.com/product.php COP＝7kW ／ 1.3kW＝5.385 資料來源：http://hy-et.com/product.php

熱泵熱水性能測試標準： 一般市售熱泵熱水機規格表 113/60=1.88(LPM) 5kW/1250W=4(W/W) 資料來源：http://941333.com/cgi-bin/foxweb.exe/333/index?mainitem=10

四、測試結果探討： 即熱式熱泵熱水機；高溫差低流量；出水口恆溫測試狀態圖 30秒 / 時間 A Twout Qw DBT WBT P(kW) LPM COP Twin 30秒 / 時間

測試結果探討：定入出水溫差測試結果 測 試 項 目 單 位 熱泵熱水機性能測試結果 入口乾球溫度 ℃ 25.00 24.99 24.98 測 試 項 目 單 位 熱泵熱水機性能測試結果 入口乾球溫度 ℃ 25.00 24.99 24.98 入口濕球溫度 18.64 18.67 18.65 水側入口水溫 20.04 30.19 39.96 水側出口水溫 29.96 39.99 55.07 水側流量 LPM 5.215 4.983 2.760 入出水口壓差 Pa 1.52 1.40 0.98 水側能力 kcal/h 3103.97 2930.00 2502.22 kW 3.609 3.407 2.910 電壓 V 220.0 220.1 運轉電流 A 4.148 4.788 5.864 消耗功率 W 909.8 1047.6 1283.0 COP kW/ kW 3.967 3.251 2.268

測試結果探討： 一組熱泵熱水機，一個150公升恆溫水槽，將恆溫水槽溫度控制在10℃，停止恆溫水槽溫度控制，開啟熱泵熱水機組，將恆溫水槽溫度加熱至55℃，外氣環境溫度分別控制在10℃；15℃；20℃；25℃；30℃；35℃，進行試驗。 試驗結果如後所示。

測試結果探討： Twout COP A Qw Twin DBT WBT LPM P

測試結果探討： COP Twout A Qw Twin DBT LPM WBT P

測試結果探討： Twout COP A Qw Twin DBT LPM WBT P

測試結果探討： Twout COP A Twin Qw Qw DBT WBT LPM P

測試結果探討： Twout COP A Twin Qw DBT LPM P WBT

測試結果探討： Twout COP A Qw Twin DBT P LPM WBT

測試結果探討：

測試結果探討：

測試結果探討：

測試結果探討： 熱交換器位於儲熱水槽內之測試例： 儲熱水槽容積200公升 水槽溫度由10℃升至55℃ 外氣環境溫度分別為35℃；30℃；25℃；20℃；15℃；10℃；7℃；5℃；0℃，對應之相對濕度均為85%RH。 槽內溫度之量測，外接一循環水泵，水泵流量為17± 1.0LPM，測量水槽出口溫度作為槽內溫度溫升之依據。 (缺點：增加分層溫度混流速度；外接PUMP對水有加熱作用，外接管路保溫不良時；會有熱洩漏之顧慮等缺失)

測試結果探討： Tw DBT WBT kWh LPM P A Qt(kW) Qw(kW)

測試結果探討： Tw DBT WBT LPM P kWh Qt(kW) A Qw(kW)

測試結果探討： Tw kWh DBT WBT P LPM Qt(kW) A Qw(kW)

測試結果探討： Tw WBT P LPM DBT kWh Qt(kW) A Qw(kW)

測試結果探討： Tw kWh DBT P WBT LPM Qt(kW) A Qw(kW)

測試結果探討： Tw P kWh WBT LPM DBT A Qt(kW) Qw(kW)

測試結果探討： Tw P LPM DBT kWh A Qt(kW) WBT Qw(kW)

測試結果探討： Tw DBT WBT kWh P LPM Qt(kW) A Qw(kW)

測試結果探討： Tw P kWh DBT LPM WBT A Qw(kW) Qt(kW)

五、討論： 熱泵熱水機的性能測試很繁雜，要考量的項目很多，目前已有的測試標準，並不能符合所有熱泵熱水機的設計或運轉條件。 熱水儲槽的腐蝕性和保溫效果等問題。 運轉的安全性等相關方面的問題。 儲槽容積的測量方式。 若外加輔助電熱器的課題。 冷媒使用的種類等課題 (CO2 ; R-22 ; HC ; R410a ; R417a等)。

敬請指教 謝桂平 TEL：03-5916280 E-mail：hkp@itri.org.tw