高省電費之大、中、小型 「類儲冰系統」研發及示範布署(上)

 

高省電費之大、中、小型 「類儲冰系統」研發及示範布署(上)                            陳穗祥　吳鳳科技大學　機械與智慧製造工程系  兼任副教授 李柏霆　吳鳳科技大學　機械與智慧製造工程系　講師 黃培堯　吳鳳科技大學　機械與智慧製造工程系　兼任助理教授 陳淑瑤　吳鳳科技大學　機械與智慧製造工程系　兼任講師 歐鎮寬　台北市立大安高工　  冷凍空調科    　教師

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                 摘 要

使用滷水的傳統儲冰系統運用時間電價差，可降低大量電費，並降低尖峰用電量及電力契約容量，但傳統滷水儲冰系統使用上有優點也有缺點；故有多種非使用滷水的類儲冰系統被研發出，例如:使用優態鹽（Eutectic Salt無機類相變材料之一種）之儲冷空調系統、有機相變材料之儲冷空調系統、使用地下土層儲冷空調系統等等。

本團隊 10 多年來，針對如何有效運用時間電價及融入節能減碳，提出多種創新構想，包括：最高可節省100 %電費的「儲冷熱式太陽能冷氣熱水機」、最高可節省80 %電費小型家用及中、大型企業用的「儲冷熱式冷氣機」、低碳排的「太陽能冷氣機」、可降低尖峰用電量之「隔離型太陽能儲能系統」、及高效儲存冷能的「含奈米物儲冷材料」等，成為一較完整產品鏈。並瞭解「儲冷熱」能成本換算每度電費只約 0.2 - 0.4 元台幣；而一般蓄電池儲電成本每度電費高達 2 - 4 元台幣，兩者成本相差達約十倍。

這些創新構想最初是由「市場需求及痛點」、「價值設定」及「產品優缺點分析」等，對傳統冷暖氣機、電熱水器、瓦斯熱水器、熱泵、儲冰式空調及太陽能冷暖氣機等，做詳細分析及討論，探討能否統整冷氣及熱水器等器具可能性，列出5大項「想要功能及技術痛點」再針對這5大項，列出6項「需要突破的關鍵技術」依此6項分工持續進行研發、樣機製造、性能測試、改良、實機使用測試（示範與部署）、找廠商投資量產到行銷推廣（商業化）這些先進綠能產品之高節能減碳省電費，可望有機會由臺灣漫延全世界。

關鍵字：冷氣機、熱水器、熱泵、儲冷、儲冰空調、儲熱、儲電、太陽能儲能櫃、含

奈米物儲冷材料、奈米冰晶、市場需求及痛點、價值設定及產品競爭分析

壹、前 言

圖1　太陽能儲冷熱式 - 冷氣熱水機架構

人類在幾千年前，就使用地窖儲存冬天的冰，以供夏天使用，此為有記錄儲冰之始。當機械式的冷媒循環製造冷及熱功能 ( 熱泵 HEAT PUMP ) 出現後，人造的「冷與熱」才逐漸被大量使用，冷暖氣機、電熱水器、瓦斯熱水器、熱泵、儲冰式空調、及太陽能冷暖氣機等紛紛出現，但各有其優缺點，是否能統整這些冷氣及熱水器等器具？本團隊10多年來，就針對此問題及如何有效運用時間電價及融入節能減碳，研發出「儲冷熱式太陽能冷氣熱水機」等( 圖1及圖2），開始投入研發首先做「市場需求及痛點」( 表1及 表2）「產品優缺點分析」（表3）：

 

  

                                        圖2　太陽能儲冷熱式 - 冷氣熱水機系統圖

(資料來源：李柏霆之太陽能雙效熱泵儲存能量的系統碩士論文)

表1　市場需求及痛點（一）

市場需求及痛點
目前台灣住家能源現況：熱水佔30 %，空調佔約15 %，共約耗用45 % 能源
傳統冷暖氣機的問題	‧1. 只能產生冷暖氣，不能產生熱水。 ‧2. 非常消耗電能（或能源）與錢。
傳統太陽能熱水器問題	‧1. 只能產生熱水，不能產生冷暖氣。 ‧2. 晚上或陰冷冬天時，無法產生熱水。
傳統熱泵的問題	‧1. 只產生熱水。 ‧2. 需消耗電能（能源）與金錢。

 

 

表2　市場需求及痛點（二）

傳統儲冰式空調的問題	‧1.使用「滷水」易造成管路腐蝕且配管成本高。 ‧2.冰水主機無法同時提供冷氣及製冰儲冰運轉。 ‧3.製冰時需低溫運轉，系統效率較提供冷氣時耗電。 ‧4.系統管路複雜且成本高。 ‧5.沒聽說有家用小型系統，皆大型系統。 ‧6.維護成本高。
傳統優態鹽儲冷系統缺點	‧1.許多傳統優態鹽儲冷能力隨時間快速遞減而不合用。 ‧2.優態鹽價格高。 ‧3.系統管路複雜且成本高。 ‧4.查無優態鹽有家用小型系統商品，只見大型系統。
太陽能直流冷暖氣機缺點	‧1.大太陽光下只能即時製造冷、暖氣(無法儲存)。 ‧2.太陽下山後或陰雨天還是需要使用外界電源，故沒外界電源處，使用很困擾。 ‧3.需有陽光無被遮蔽空間。 ‧4.需安裝足夠面積的太陽能板。

 

總和以上冷暖氣機、電熱水器、瓦斯熱水器、熱泵、儲冰式空調、及太陽能冷暖氣機之優缺點及功能特色，成為如下產品之優缺點分析表3

再做「價值設定」 列出理想中的可能達成功能及顧客所想要及需求項目，如價值設定 表4：

 

表3　產品之優缺點分析表

產品之優缺點分析表
儲冷熱式冷氣熱水機	◎ 可深夜低電價時製存「冷與熱」最高可省80 %電費。 ◎ 可降低電力契約容量之電費。 ◎ 可同時製造「冷與熱」。 ◎ 高效節能減碳—熱的回收。 ◎ 不需滷水，使用奈米冰晶，系統簡單，成本較傳統儲冰式空調低，回收年限較短。 ◎ 1～1000冷凍噸以上都可製造，安裝及維修簡單，一般空調、水電及電機人員都可以做。 ◎ 原冰水主機可繼續使用。 ◎ 有「餘熱」及「餘冷」排除功能。 ◎ 小容量機已有研發出結合太陽能電力，要搶攻東南亞國家。
傳統冷暖氣機	◎ 只能通電後產生冷、暖氣（無法儲存）。 ◎ 無法降低電力契約容量之電費。 ◎ 是電老虎很耗電。 ◎ 排出廢熱造成環境熱污染。 ◎ 市場品牌眾多，已是紅海競爭市場。
傳統電熱水器及 瓦斯熱水器	◎ 價格低。 ◎ 只可製存熱水 (電熱水器 )。 ◎ 用電直接發熱，效率低 (電熱水器 )。 ◎ 很耗電 ( 燃料 )、電費 ( 燃料費 ) 高。 ◎ 電熱管(或熱交換管)易結垢而損壞。
傳統熱泵	◎ 只可製存熱水。 ◎ 目前雖有雙效熱泵機，但無法使用深夜低電費時完全「儲冷」。 ◎ 一般熱水製好後壓縮機會停止，就無法繼續供應冷氣了。
儲冰式空調	◎ 價格高（每套常超過1,000萬元） ◎ 只可製存「冷」 ◎ 結構複雜，需滷水，幾乎只有50噸 ( RT ) 以上的大型機組。 ◎ 只用滷水，易造成管路腐蝕，維修費用高。 ◎ 故在台灣有許多滷水儲冰式空調被淘汰而改回傳統冰水空調。
太陽能直流冷暖氣機	◎ 大太陽光下只能即時製造冷、暖（無法儲存）。 ◎ 太陽下山後或陰雨天還是需要使用外界電源，故沒外界電源處，使用困難。 ◎ 需安裝足夠面積的太陽能板，及陽光有照射空間。

表4　價值設定表

價值在這裡：
產品			⇦	顧客
優點	生產及安裝	功能及特色		需要	擔心	想要
◎最高可省下80 % 電費。	◎不需滷水，系統簡單成本低，一般空調相關生產廠即可生產。	◎ 24小時同時提供「冷氣」與「熱水」。		◎省下大量電費	◎技術太複雜，不好施工	◎冷氣及熱水
◎回收年限短 ◎可採業主零出資金的「以節電費當租金」等方式。	◎原冰水主機還可以繼續使用。	◎可電力削峰填谷，降低顧客的契約容量而省錢。		◎ 價格低	◎ 成本高	◎降低越來越高電費
◎「冷熱儲能成本」換算每度電約0.2～0.4元，是目前蓄電儲能十分之一以下。	◎安裝及維修簡單，一般僅空調及水電人員即可從事，所以擴展容易。	◎使用高儲能特色的「儲冷奈米冰晶」。		◎回收年限短	◎ 體積太大	◎節能減碳，取得碳權

貳、研發過程：

依「市場需求及痛點」、「產品競爭分析」、「產品之優缺點分析」及「價值設定」列出50幾項的「想要功能及技術痛點」大致研發方向及主題會顯現出，這過程在第參節介紹，先介紹研發過程：

一、重新設計雙效熱泵 ( 冷媒循環系統 ) 之冷熱平衡的新機構

研發初期目標：

1. 要克服傳統冷氣機大缺點：只能產生冷氣且無法儲存，又會排出大量廢熱，造成環境熱汙染。

2. 要克服傳統電熱水器及瓦斯熱水器大缺點：輸入能源費用高。

3. 要克服傳統熱泵大缺點 ：只能產生熱水，又會排出大量廢冷。

可解決此3項問題的答案很明顯：採用「雙效熱泵」而且需「儲冷與儲熱」功能。但傳統「雙效熱泵」有其缺點（很少有冷熱平衡雙控制等）調查及研究多家公司曾推出「雙效熱泵」的系統，發現其有許多缺點，且傳統「儲冷與儲熱」體積過大。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

圖3　太陽能儲冷熱式 - 冷氣熱水機管路配置系統圖

圖4　冷媒循環架構 (資料來源：李柏霆之太陽能雙效熱泵儲存能量的系統碩士論文)

故重新設計「雙效熱泵」配管系統及電控系統，幾年來測試多個方案，有採雙澎脹閥（2015年提出「太陽能冷氣機和風力冷氣機之多個膨脹器的冷媒裝置」專利申請）、可調澎脹閥、短路調壓法、改變冷媒路徑法、雙蒸發溫度壓縮機法等等，也參考台北市大安高工歐鎮寬老師及劉人豪老師指導，獲得國科會補助的「儲冰式空調自動化控制與蒸發器盤管效率研究」之管路配置，到目前的一體式管路法，冷熱平衡雙控制問題，已獲得解決，如下冷媒循環架構如 圖3、圖4及系統架構 圖5。

都市的建築有許多是寸土寸金，為縮小佔地面積，採用立體式設計，但雖使用立體式設計，體積還是很大又重，「高儲冷量又可小體積」這種需求及功能的矛盾，使用TRIZ發明分析法則，可找出歷來發明家使用過的多個改善方法，其中改變材料 - 高儲冷材料等方法，是解決體積過大問題的好方法，如此可將約1冷凍噸（R T）的「儲冷熱式太陽能冷氣熱水機」體積縮小到略寬於雙門冰箱的體積，而且可以直接連接太陽能板（如 圖2）

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    

                                            圖5　系統架構

(資料來源：李柏霆之太陽能雙效熱泵儲存能量的系統碩士論文)

二、研發良好成本低的儲冷材料 ─ 相變材料及優態鹽等材料。冷能與熱能的儲存

( Thermal Energy Storage , TES )

民生用的熱能的儲存，可使用熱水（洗澡洗滌用）為儲存介質。民生用的冷能的儲存，如何減縮儲冷材料之體積為關鍵，有多種方法，各有優缺點，我們評估以運用「潛熱」儲冷方法是相當有潛力，經大量的閱讀資料及收集材料，收集了10多種6 ～ 8℃ 時相變化，而以「潛熱」吸放冷能的材料，逐一測試，發現各有過冷度大、不穩定及成本高等等缺點，只好下決心 - 自行研發，經幾年的研究，參考一些物理及工程公式，例如：約翰遜 - 梅爾（Johnson - Mehl）動力學方程式等

φr＝1－exp（－πNG3t4 / 3）

敝團隊在2016年提出「具有相變材料貯桶之太陽能冷暖氣熱水機」專利申請並獲得通過，之後陸續申請了多件相關專利，近十年來，使用自行研發的加入奈米材料之奈米冰晶儲冷材料非常好用，有環保、低成本、穩定、可使用數十年不需更換、過冷度低等優點，已技轉授權給廠商，未來還可往冷凍冷藏、冷鏈運輸、電子散熱用及建築隔熱等用途擴展市場。

三、儲冷式系統 ( 原滷水儲冰系統冷媒蒸發溫度 -5℃以下 ) 改成冷媒蒸發溫度5℃ 以上的使用奈米冰晶儲冷式系統管路及元件之重新研發：

提高冷媒蒸發溫度，可以提高系統效率節省電費，有學者指出每提高2℃的冷媒蒸發溫度，系統效率可增加4 %，此方法對系統效率增加很明顯；小型家用儲冷式系統與中、大型儲冷式系統雖然使用相同的冷媒循環系統，但零件規格，管路設計並不一樣，故需分開研究及設計。

設計小型家用儲冷式系統可用太陽能儲冷熱式-冷氣熱水機系統圖2及圖3；優先將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」）同時使用含奈米材料的儲冷物(奈米冰晶)進行「儲冷」（類儲冰系統）；使用熱水進行「儲熱」，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。家庭型只一小部份的太陽能電力使用鉛蓄電池蓄電（供太陽能照明、室內冰水送風機等電力）如此鉛蓄電池容量及成本可降低50 %以上，更易推廣，家庭型使用約200～400Ah安全長壽型（期望10年壽命）低成本。

設計中、大型使用奈米冰晶之儲冷式空調系統先參考了數十份大型傳統冰水空調系統例如 圖6及數十份大型傳統滷水儲冰式空調系統（Ice storage air conditioning systems）例如 圖7使用熱交換器的滷水儲冰式空調系統、沒使用熱交換器的滷水儲冰式空調系統、全量儲冰式空調系統、分量儲冰式空調系統、冰泥式空調系統、直澎式儲冰空調系統等等，也參考30幾年前中山大學從美國引進的優態鹽（Eutectic Salt）儲冷空調系統，各系統各有特色及優缺點，有些合適應用於每日負載變動大處（例如餐廳），有些合適週期性短時有大負載處（例如教堂，主機製冷量有時可以是儲冷量3分之1，如此可以降低主機成本）有些合適於負載常不平均分布處（常加班的辦公室及會議室）可說變化很多，設計規劃者須找出最適合的方案（負載分佈、儲冷量、釋冷速度、儲冷速度、冰水主機大小等等）如有使用到熱水處，加裝熱回收或雙效熱泵機，可更省電費。

 

 

 

 

 

 

 

 

圖6　傳統冰水式空調系統

(資料來源：管理與節能手冊　財團法人台灣綠色生產力基金會編印)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                             圖7　傳統滷水儲冰式空調系統

(資料來源：台電網站)

 

「儲冷式冷氣機熱水機」使用「奈米冰晶」技術可改善傳統儲冰式系統及優態鹽儲冷系統缺點，傳統使用滷水之儲冰式系統缺點：

1. 使用「滷水」易造成管路腐蝕且配管成本高。

2. 冰水主機無法同時提供冷氣及製冰儲冰運轉。

3. 製冰時需低溫運轉，系統效率較提供冷氣時耗電。

4. 系統管路複雜且成本高。

5. 沒聽說有家用小型系統皆大型系統。

6. 維護成本高。

傳統優態鹽儲冷系統缺點：

1. 許多傳統優態鹽之儲冷能力隨時間快速遞減而不合用。

2. 優態鹽價格高。

3. 系統管路複雜且成本高。

4. 沒聽說優態鹽儲冷空調有家用小型系統皆大型系統。

此部份涉及許多管路設計，故參考一些物理及工程公式，例如：

管路壓降 △P＝L/d×λ×Vp

如此設計使「儲冷熱式太陽能冷氣熱水機」、「儲冷熱式冷氣熱水機」及「儲冷式冷氣機」皆成了可深夜低電價時段主機運轉，高電價時段主機停機，但可24可小時供應冷氣及熱水，運用時間電價差降低大量電費又便宜之「類儲冰系統」

通常敝團隊為了說明，而將其簡化成如下兩種使用奈米冰晶的儲冷空調系統，做P.D.I.控制，如圖8及 圖9此部份資料很多，將以另篇期刊論文介紹之。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 圖8　簡化之使用「奈米冰晶」儲冷式冷氣機熱水機系統圖

 

圖9　簡化之使用「奈米冰晶」儲冷式冷氣機熱水機系統圖

 

四、太陽能發電併接系統內壓縮機等電器之新電路研發：

太陽能發電系統最怕的是電路的「孤島效應」連接的電器因電壓過低致電流過大而燒毀，經研究多家品牌的變流器，發現其消除「孤島效應」功能皆不理想。收集分析許多資料，發現使用「隔離型」電路可100 % 消除「孤島效應」但「隔離型」電路較復雜又貴，一般只有大系統使用，「隔離型」在中小型太陽能發電系統市面找不到，只好自行以雙CPU開發「隔離型」電路，控制軟體也是由團隊研發，做出之「隔離型雙核心微電腦控制器」相當優秀，已在「儲冷熱式太陽能冷氣熱水機」使用10幾年，使用「隔離型雙核心微電腦控制器」製成的「太陽能儲能櫃」又便宜又好用，儲8度電及2KW連續功率輸出，材料成本只需約7萬多元（包括太陽能板2KW）市售類似規格產品有些售價為39萬多元，此「隔離型太陽能儲能櫃」具有高商品化潛力（在2023年敝團隊發表的「儲冷熱式太陽能雙效熱泵」研發及衍生產品市場化推廣期刊論文中有更詳細說明）

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

             圖10　太陽能冷氣熱水機之電源直線圖

 

 

 

 

 

圖11　敝團隊獲得之太陽能冷熱機之多電源多核心控制器專利圖式（2021年）

 

五、風力直接帶動開放式壓縮機 ( 先使用汽車冷媒壓縮機 ) 風力葉片及傳動系統之新設計及開發：

採用垂直軸可變面積葉片( Vertical axis wind turbine ) 能承接各種方向風力之優點，太陽能板放在機器頂部(如 圖13及 圖14 ) 風動力系統的10幾件專利，雖然花費數年時間及資源研究，還在繼續研發尚未推出產品。

六、合適的中央監控、蓄電池管理系統 ( BMS ) 及能源管理系統 ( EMS )

蓄電池管理系統（BMS）及能源管理（EMS）系統敝團隊使用隔離型電路設計，自行設計用雙核心微電腦控制器（CPU）並搭配自行開發的控制程序的軟體，花了幾年，完成的控制器模板如 圖12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

               圖12　敝團隊研發之隔離型雙核心微電腦控制器模板

                                                               

                                               

圖13　運用風力及太陽能之冷氣熱水機      圖14　運用風力及太陽能之冷氣熱水機

 

               表5　吳鳳宿舍2 KW主機系統之手機螢幕之機器狀況畫面

   

 中央監控AIOT物聯網及能源管理系統（EMS）圖15、圖16，初期邀請敝校資訊工程系老師幫忙此領域，完成一些模板與樣機，是有很棒特色，但該老師屆齡退休，沒有再繼續研發；目前請中央監控廠商合作裝設，用電資料庫管理（資料庫管理系統 ( DataBase Management System , DBMS ) ）之建立，具有電腦螢幕及手機之遠端監控等功能如 表5，選擇價格便宜，具基本功能，家用小型系統也可以安裝的模組。幾百冷凍噸（RT）以上之大型系統，則加上螢幕人機介面系統圖及排程管理等，未來將與該廠商合作繼續研發變量冷熱雙系統P.D.I.控制、A I依空間人數及室外天氣等調控室內溫濕度及風向、風速等。

 

 

 

 

 

 

 

 

圖15　AIOT物聯網功能

 

 

                                    圖16　能源管理系統功能

 

 

*因篇幅所限，本文下篇刊載於中華水電冷凍空調月刊115年7月號，敬請期待。