學校教室安裝「太陽能冷氣機」及「儲冷式冷氣機」實例研究
學校教室安裝「太陽能冷氣機」及「儲冷式冷氣機」實例研究
陳穗祥1、李柏霆2
1吳鳳科技大學兼任副教授 E-mail: 123@ms15.hinet.net
2吳鳳科技大學機械工程系講師 E-mail: lpt@wfu.edu.tw
摘要
2020年7月份政府宣佈在全國中小學10萬間教室安裝冷氣機，預計花費達323億元，平均每間教室花費約32萬元，且每年需花8.3億元的電費，每年增加耗電2.6億度及144,040噸排碳(約等於372座大安森林公園吸碳量)。如改以安裝「太陽能冷氣機」、「儲冷式冷氣機」及「太陽能冷氣熱水機」之適當搭配，運用這三種機器的「創能」、「儲冷熱能」、「儲電」、「節能」及「低功率」個別特色功能，配合離峰時段低廉的電價，平均每間教室約只需花11萬元（大部份的學校教室配電系統不需太多改變），預計可省下約200億元，且每年電費可省一半以上，更能實踐節能減碳守護地球。
關鍵詞：太陽能、冷氣機、儲冷、儲電、節能、雙效熱泵、儲電能、儲熱、雙核心微電腦控制
Abstract
In July 2020, the government announced the
installation of air conditioners in 100,000 classrooms in primary and secondary
schools across the country. The estimated cost is 32.3 billion NTD, with an
average cost of about 320,000 NTD per classroom, and an annual electricity bill
of 830 million NTD, which will increase power consumption by 260 million
degrees per year and 144,040 tons of carbon emissions (approximately equal to
the carbon absorption of 372 Daan Forest Parks). If it is changed to install
the appropriate combination of "Solar Air Conditioner", "Cold
Storage Air Conditioner" and "Solar Air-Conditioning Hot Water
Machine", using the "creation energy", "storage of cold and
heat energy", "electricity storage", "energy saving"
and "low power", the individual features combined with low
electricity prices during off-peak hours, costing an average of about 110,000
NTD per classroom (most school classrooms do not need to change too much power
distribution system), which is expected to save about 20 billion NTD will be
spent, and the annual electricity bill can be saved by more than half, which
can better practice energy saving and carbon reduction to protect the earth.
Keywords: Solar energy, air conditioner, cold storage,
electricity storage, energy saving, dual-effect heat pump, electricity storage,
heat storage, dual-core microcomputer control
1 前言
地球越來越暖化，天氣溫度遽升，政府為學生安適上課，宣佈在全國中小學10萬間教室安裝冷氣機，可造福許多學童，但在全國中小學10萬間教室安裝傳統冷氣機，每年增加耗電2.6億度，及每年需花8.3億元的電費[1,2,3,4,7]，如使用可「創能」、「儲能」、「節能」及「便宜」的非傳統冷氣機，就能省下大部分耗電量，及約200億元經費。
2020年9月有如此看法的本團隊，在嘉義縣秀林國小賴耀男校長大力協助下在該校完成安裝了「太陽能冷氣機」、「儲冷式冷氣機」及「太陽能冷氣熱水機」(圖1~7)，共花費約8萬元材料費(以全新品計價) 成本非常低，且教室配電不需改變，其中因應太陽能之陽光時有時無等因素，故選擇使用「創能」、「儲冷」、「儲電」及「市電」功能不同功能搭配的系統。
圖1 秀林國小教室內安裝的太陽能冷氣室內機
2 機組內容
依團隊的規劃在校園環境中，教室20幾坪「冷氣」及「太陽能照明」（也可以省照明電費）可由三種機組調配組合，而達簡單又低成本之功效。三種機組各有特色及使用特別功能，如下說明：
圖2 太陽能冷氣熱水機的冷氣室內機
圖3 教室內的第二台冷氣室內機
一、 儲冷式冷氣機：
可自由設定在離峰晚上等時段（申請簡易型三段式時間電價，每度電1.73～1.8元，全校用電每月超過1100度時，是較有利的；另外還有「標準型兩段式時間電價」、「標準型三段式時間電價」，有些大學採用的「高壓供電三段式時間電價」等台電皆有推出）使用離峰較便宜時段的市電「製冷」及「儲冷」，而學生上課尖峰用電時（每度電最高達6.2元）可停止壓縮機的運轉及耗電，並使用儲存的「冷」經冰水與空氣做熱交換製造冷氣（類似儲冰式系統，但使用含奈米材料的儲冷物，可不改變冷媒的蒸發溫度而進行「製冷」及「儲冷」，避免一般傳統儲冰式系統需降低冷媒的蒸發溫度以製冰，在製冰時效率較低之缺點）每度電最高可省4.4元，這是此型「儲冷式冷氣機」的一大特色」。
圖4 秀林國小校內之「儲冷式冷氣機」
嘉義縣秀林國小二年級的教室，約22坪，學生20幾位，所以規劃使用300公升水桶，水桶周圍施以保溫層，主機置於水桶上方(圖4)(類似一體式熱泵結構，但放入冰水桶的是”蒸發器”製冷，而非放入熱泵的”冷凝器”加熱) 。
主機採用約150W的110VAC壓縮機，非常小且低功率，可使用一般插座電源，不須重新配電線路，並設置有24小時定時開關器，可設定主機運轉的時間於離峰及半尖峰時運轉(由TRIZ創造力理論知「解構矛盾」時常可得最佳方案，尖峰用電多但電價貴，離峰用電小但電價低，此為矛盾現象）[8,9]。
表1 尖峰用電及離峰用電之簡易型三段式時間電價
(資料來源：台灣電力公司網頁)
每天可運轉最多18小時，所以壓縮機可只使用約150W機型就足夠，避開每天用電的尖峰時段，製造並儲存「冷」，再用冰水送到室內冰水送風機，而冰水與室內的空氣在冰水室內機(同一般大樓冰水機系統使用的冰水室內機(亦稱冰水室內送風機))做熱交換，如此可吹送出冷氣。(圖13)
(本來計畫中原來此機電源也是使用太陽能，可更省電費，機器上的說明牌已貼上去了，但因施工時間不足而作罷；機器空間需求約80×80公分，高200公分，加水後重量約350公斤）。
二、 太陽能冷氣熱水機：
優先使用太陽能板所發電的電力，帶動壓縮機（雙效熱泵系統）同時製造「冷」及製造「熱」（即雙效熱泵原理，所以亦可稱為「太陽能雙效熱泵機」）
圖5 秀林國小校內之太陽能冷氣熱水機
並且使用含奈米材料的儲冷物進行「儲冷」，使用熱水進行「儲熱」[11,12,13]，故太陽能板大部份發的電力，馬上由壓縮機轉換成「冷」及「熱」儲存起來，只一小部份的電力使用蓄電池蓄電(供太陽能照明、室內冰水送風機等電力) 如此蓄電池容量及成本可減少許多，使用200Ah～300Ah安全長壽型(10年壽命)低成本，重量很重的鉛蓄電池(新品約1萬~1.5萬元)就足夠供電。冰水桶與熱水桶分開，主機放於熱水桶上方，機器空間需求約100×160公分，高150公分，加水後重量約700公斤。
圖6 安裝在秀林國小校內走廊上方的太陽能板
使用蓄電池蓄電，以每間教室蓄電2-4度，10萬間教室可蓄電”20~40萬度電”，以目前蓄電用的貨櫃型儲能櫃，特斯拉3MWh(3000度電)型，每座需3,000萬台幣，共約需20~40億元經費，這些錢教育部或可向經濟部請領儲能補助，且分散在全國各地學校的「分散式儲能」可降低尖峰用電，雖沒連接市電，但對學校內電網穩定性相當有益。
由於主機只有約150W，故太陽能板以800~1000W發電量就滿足需求電力，成本又降低了。
圖7 秀林國小教室安裝的太陽能日光燈
太陽能電源及外網市電的控制及選擇，目前微小型太陽能系統及種類及優缺點如下:
1. 獨立型（亦稱離網型系統）
缺點：
無連接外網市電之缺點，怕陰雨天時及夜晚無太陽能發電，會無電可用。(圖8)
圖8 離網型系統(Stand-Alone System)
2. 混合型（Hybrid System）
缺點：
1. 外電故障或維修時，常發生「孤島效應」，致學校或家中電器燒毁故障，且價格貴。
2. 太陽能電源倒灌回外電，其諧波及非同相位電波造成外電干擾，危害附近電器。(圖9)
圖9 混合型（Hybrid System）
3. 併網型 （亦稱併聯型系統）
缺點：
1.一定需要外電，無外電不能使用。
2.晚上及陰雨天時，還是需使用外電。
3.外電故障或維修時，常發生「孤島效應」，
致家中電器燒毁故障，且價格貴。(圖10)
圖10 併網型(Grid-Connected System)
4. 隔離型 (Isolation System)
微小型太陽能系統中完全適合太陽能冷暖氣機，太陽能電源及外電電源完全不互相連接，沒有前三個系統缺點。(圖11)
圖11 隔離型 (Isolation System)
※太陽能電源及外電電源單獨或同時連接時皆可以運轉使用，但以太陽能電源為優先供電。
為了消除因裝設微小型太陽能系統，太陽能板及蓄電池電力倒灌到學校或家中電器致燒毁電腦等電器的「孤島效應」(圖12)敝團隊使用了自行開發的「雙核心微電腦控制器」使系統成為「太陽能、外電隔離型系統」即隔離型 (Isolation System) 將太陽能電源及外電電源獨立使用，避免使用時有會產生孤島效應的傳統併網型系統或混合型系統。也由於沒有與市電併網，不會干擾市電電網，故毋需向台電申請再生能源系統的併聯併網，簡化了許多太陽能安裝的工作。
圖12 「孤島效應」損壞電器作用圖
圖13 冷氣室內機吹出的空氣溫度達12.5℃
目前敝團隊已開發出，冰水桶、熱水桶與主機結合一體的機型(圖14)在吳鳳科技大學內「零耗電辦公室」使用的「太陽能冷暖氣熱水機一體化」機種，體積只有約60 ×85公分，高170公分，打造該辦公室成為「正能源區」，日後再專篇介紹。
圖14 一體型的「太陽能冷暖氣熱水機」
三、 太陽能冷氣機：
傳統冷氣機連接太陽能板、蓄電池及控制箱，就可以使用太陽能電源運轉傳統冷氣機以製造冷氣。(圖15)
圖15 安裝在秀林國小教室建築外牆的「太陽能冷氣機」
電源亦使用「隔離型」（Isolution System）控制方式，因此太陽能板所發的電力，並不會與電網的市電（即台電電力）併聯，以避免「孤島效應」損害電器，全自動切換到電網的市電或停止運轉，此機停止運轉時教室剩儲冷式冷氣機及太陽能冷氣熱水機，繼續提供冷氣（因為陰雨天冷氣負載較小）(圖15-1)
（機器空間需求：冷氣機與傳統冷氣機一樣大小，秀林國小是安裝東元冷氣機(如圖2:實驗室內的中古機，新品售價約1萬5仟元)
圖15-1 「太陽能冷氣機」系統架構圖
太陽能板及控制箱可安裝於外牆上（大部份的國中小校舍大面積屋頂已裝有躉購電力用之太陽能板，但還有許多小面積屋頂及外牆皆尚未安裝太陽能板，牆面除向北外，是可以安裝太陽能板發電，發電量約3~5成平面型太陽能板的發電量） 圖16是安裝在教室外牆的太陽能板，左邊太陽能板為「彩圖型太陽能板」，也可覆上學生的得獎圖畫鼓勵學生，或面向道路的牆面之太陽能板表面，覆上學校優良事蹟宣傳。
圖16 安裝在教室建築外牆面的「太陽能板」
此機器原來也要安裝於二年級同一教室(圖17~18)，但二年級學生只上半天課，每天冷氣機只開3~4小時，使用「儲冷式冷氣機」及「太陽能冷氣熱水機」此兩台機器就已足夠冷氣供應量，但隔壁教室教師辦公室沒冷氣，夏天很熱，經與校方討論結果，先安裝在隔壁教師辦公室，日後再行移回二年級教室。
圖17 冷氣機安裝後學生上課情形
圖18安裝中之冰水室內機之教室
圖19本團隊申請專利「多電源連接多機種」架構圖
4. 結論建議
政府預計明年（2022年）設置好全部冷氣機，2020年11月7日秀林國小的機器完工後，已有多家媒體採訪報導了，接著團隊在11月底已將此建言向政府經濟部、教育部、行政院提出，希望以上3種省電省錢的非傳統冷氣機還來得及被政府採用全國可大量節能又減碳，減少每年花8.3億元的電費，及144,040公噸排碳。除教室外住家、辦公室等場所需要的空調特色各有不同，需要各種特色機型搭配(圖19)，未來世界能源供給也將「多元化」，例如未來的住家之電源可能有市電電源、電動車電源、太陽能電源、瓦斯燃料電池電源等等，空調將朝向「多電源連接多機種」發展，誰能發揮創造力，跳出傳統的框架，走在時代的前面，建構出能彈性搭配的機種，將會是這藍海新市場的最大贏家。
參考文獻
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[15] 空調工程設計入門實例，何宗岳編著，前程出版社出版，1990年9月。
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