大綱testing.bsmi.gov.tw/wSite/public/Data/f1336708640522.pdf · 2012. 5. 11. · REFRIGERATION...

李宗興

國立台北科技大學

能源與冷凍空調工程系

大綱熱泵原理

BS EN 16147 Standard (2011) 介紹 EN16147 與 CNS 15466 綜合評比

May 8, 2012 台北科技大學能源與冷凍空調工程系李宗興 2

源起提高能源效率與減少溫室氣體排放，一直是各國解決

能源危機與氣候變遷問題之主要對策。

製熱設備: 熱泵、燃氣鍋爐、燃油鍋爐、或電熱器。

熱泵因製熱能源效率較高，且能有效減少溫室氣體排放，因此，被廣泛應用於住商與工業領域，做為空間加熱(space heating)、熱水加熱(water heating)、或製程加熱(process heating)的製熱設備。


熱泵定義熱泵是藉由蒸氣壓縮循環原理進行熱量傳輸之系統，

主要包含壓縮機、蒸發器(熱源側熱交換器)、冷凝器(加熱側熱交換器)及膨脹閥四大元件。

蒸發器側可從環境(熱源)中獲得熱，故可分為氣源、水源、地源等；而冷凝器側則可提供熱，進而提供熱水、或空間加熱等。

以空氣為熱源，且提供所需熱水(非飲用水)之熱泵系統，即為空氣源式熱泵熱水器。


運轉原理


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REFRIGERATORS AND HEAT PUMPS

The objective of a refrigerator is to remove heat (QL) from the cold medium; the objective of a heat pump is to supply heat (QH) to a warm medium.

The transfer of heat from a low‐temperature region to a high‐temperature one requires special devices called refrigerators.Another device that transfers heat from a low‐temperature medium to a high‐temperature one is the heat pump.Refrigerators and heat pumps are essentially the same devices; they differ in their objectives only.

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THE IDEAL VAPOR‐COMPRESSION REFRIGERATION CYCLEThe vapor‐compression refrigeration cycle is the ideal model for refrigeration systems. Unlike the reversed Carnot cycle, the refrigerant is vaporized completely before it is compressed and the turbine is replaced with a throttling device.

Schematic and T‐s diagram for the ideal vapor‐compression refrigeration cycle.

This is the most widely used cycle for refrigerators, A‐C systems, and heat pumps.

製熱效率比較


各種製熱設備加熱300L水至55oC之能源成本與CO2排放量比較

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製熱設備製熱量需

求 (kcal)

製熱

效率

能源費用

(元)

CO2排放量

(kg)

電熱水器 (0.9) 35000 860 kcal/kWh 0.90 45.22 kWh 2.6 元/kWh 117.6 0.66 kg/kWh 29.84

液化瓦斯熱水器 (0.75) 35000 6,635 kcal/L 0.75 7.03 L 27.86 元/L 196.0 2.36 kg/kg 16.60

柴油鍋爐熱水器 (0.75) 35000 8,800 kcal/L 0.75 5.30 L 28.8 元/L 152.7 2.76 kg/L 14.64

天然瓦斯熱水器 (0.75) 35000 9,000 kcal/m³ 0.75 5.19 m3 20.07 元/m³ 104.1 2.1 kg/m3 10.89

熱泵熱水器 (COP 2.6) 35000 860 kcal/kWh 2.60 15.65 kWh 2.6 元/kWh 40.7 0.66 kg/kWh 10.33



耗用能量能源熱值能源單價 CO2排放指數

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熱泵性能測試標準


制定國家/發佈年份

適用範圍試驗項目

CNS 15466 台灣 2011

1. 型式: 商/家用熱水(不含飲用

水、空調) 空氣源電力驅動壓縮機蒸氣壓縮式循環

2. 耗電量＜12 kW

額定加熱性能(COP) 冬季加熱性熱(COP) 建議試驗項目:

額定第一小時熱水供應量儲水桶保溫性能過負載除霜能力低溫啟動

JRA 4050 日本 2007

1. 型式: 家用熱水空氣源電力驅動壓縮機蒸氣壓縮式循環使用 CO2或 HFC 冷媒

2. 製熱能力: CO2冷媒＜11.58 kW HFC 冷媒＜19.3 kW

性能量測(COP) 過渡期夏季冬季

標準給湯測試儲湯性能試驗過負荷低溫啟動測試除霜測試運轉音試驗

ASHRAE 118.1

美國 2008

1. 型式商用空氣源

2. 耗電量＞6 kW

性能量測(COP) 儲水桶熱損(EB)

ASHRAE 118.2

美國 2006

1. 型式家用空氣源電力驅動壓縮機

2. 耗電量＜6 kW

一小時可提供熱水能力(F) 模擬 24 小時使用測試(EF)

熱泵性能測試標準


耗電量

GB/T 21362 中國 2008

1. 型式商/工業用電力驅動壓縮機蒸氣壓縮式循環空氣源或水源

2. 製熱能力＞3 kW

性能/平均性能量測(COP) 氣密性和液壓試驗最大/最小負荷試驗低溫運轉試驗自動融霜試驗噪音試驗安全試驗

GB/T 23137 中國 2008

1. 型式家用電力驅動壓縮機蒸氣壓縮式循環空氣源或水源

性能量測(COP) 最大/最小運轉試驗低溫運轉試驗自動融霜試驗熱水儲存性能試驗噪音試驗

EN 16147 歐盟 2011

1. 型式家用電力驅動壓縮機空氣源或水源

加熱熱水時段(th、Weh) 待機時功率輸入(Pes) 性能係數測定(COPDHW) 參考熱水溫度(θ'WH) 最大可用熱水量(Vmax) 溫度操作範圍安全測試

Heat pumps with electrically driven compressors ──Testing and requirements for marking of domestic hot

water units

BS EN 16147:2011 standard一. 適用範圍

二. 用語及定義

三. 一般試驗規定

四. 試驗程序與方法

五. 試驗報告與標示


一.適用範圍歐盟標準，由歐洲標準委員會(ComitéEuropéen de Normalisation, CEN)所制訂

規定熱泵熱水器性能測試方法及報告評級

適用範圍：

熱泵：電力驅動壓縮機之蒸氣壓縮式循環、空氣源或水源、提供不包含空調之家庭用熱水、可連接儲水桶或包含儲水桶


二.用語及定義 Pes 待機時功率輸入 ntap 為供水循環間供水的次數 θ WH 熱水溫度 θ WC 冷水溫度 QEL‐Tap 單一次供水電阻加熱器所產生的熱能 QEL‐TC 完成整個供水循環電阻加熱器所產生的熱能 QHP‐Tap 單一次供水熱泵所產生的熱能 QHP‐TC 完成整個供水循環熱泵所產生的熱能 QTC 整個供水循環間整體的能量獲得


二.用語及定義 (續) WEL‐HP‐TC 經過修正之設備總消耗電功率 WEL‐TC 整個供水循環消耗電功率 θ ‘WH 平均供水溫度 Vmax 最大可用熱水量


三.一般試驗規定試驗環境條件


熱源形式熱源空氣 a溫

度,℃

熱源水 b溫度

(入/出口),℃

熱泵環境溫度範

圍,℃

儲水桶環境溫

度,℃

室外空氣(熱泵

設置在室內)

7(6) 15-30 20

室外空氣(熱泵

設置在室外)

7(6) 熱源溫度 20

室內空氣 15(12) 熱源溫度 15

排放廢氣 20(12) 15-30 20

水 10/7 15-30 20

滷水 0/-3 15-30 20

直接蒸發 4 15-30 20 a空氣溫度為乾球溫度，括號內為濕球溫度 b滷水表示直接蒸發測試的水溫度

三.一般試驗規定 (續) 試驗條件


量測變量設定值

電源供應電壓額定電壓

電源供應頻率額定頻率

熱源側空氣流率額定，即製造商所制定。如果只有給定一個範圍，

測試在最小值下進行。

流入的冷水溫度(℃) 10

熱水流率(LPM) 4 或 10 (依據供水流率表)

四.試驗程序與方法性能試驗方法包含六項主要階段

1) 加熱時間 (heating up period)2) 待機消耗電功率 (standby power input)3) 供水性能係數 (energy consumption and COP for tapping cycles)4) 平均供水溫度與最大可用熱水量 (reference hot water

temperature and the maximum quantity of usable hot water)

5) 溫度操作範圍 (temperature operating range)6) 安全測試 (safety tests)


四.試驗程序與方法 (續)


PW六項測試項目與階段1) A: 加熱時間2) B: 待機消耗電功率3) C: 供水性能係數4) D: 平均供水溫度與最大可用熱水量5) E1, E2: 溫度操作範圍6) F: 安全測試

1.加熱時間加熱時間試驗目的在於: 量測熱泵熱水器，將儲水桶內熱

水由初始溫度加熱至設定終溫所需之時間(th)及耗電量(Weh)，相當於設備暖機試驗。


PW

2.待機消耗電功率待機消耗電功率試驗目的在於: 試驗熱泵熱水器在待機(不供熱水)狀態下，機組運轉所需耗電功率。此試驗至少運轉48小時，或包含6次加熱循環待機耗電功率計算:

[kW]

Wes 為耗電量[kWh], tes為待機時間 [hr]


es

eses t

WP

3.供水性能試驗本試驗為藉由模擬設備一整天的使用情形，量測並計算其性能，

包含有用熱能(useful energy)、消耗電能(electricity consumption)、與性能係數(COP)。

定義五種供水循環(reference tapping cycle)，以何種供水循環測試由製造商選擇；試驗時間為24小時，結束於最後一次加熱循環，若試驗時間已達24小時，而加熱循環仍未開始，則延長至加熱循環結束為止。

供水類型盆接式(Basin type tapping): 如浴缸泡澡、碗盤清洗、樓板清潔等，

供水目的僅需達到平均溫度(ΔTdesired)要求即可，故所有能量都可計為有用熱能；

連續式(Continuous flow tapping): 如沐浴、洗手等，供水目的在於連續供應需求溫度值(ΔT)以上的熱水即可，故僅有高於需求溫度值以上的熱能，才可計為有用熱能。



供水循環S


供水循環M


供水循環L


供水循環XL


供水循環XXL


供水性能試驗 (續) 自達到ΔT開始熱能計算


tapt

WCWHTappTapHP dtttVTcQ0

)()()(3600

1

Tapn

iTapHPTCHP QQ

1

供水性能試驗 (續) 供水循環表中所定義的類型(1)供水使用方式，其所需

之平均溫度ΔTdesired並不是一直可以達到，故假定缺失的溫差由一額外的輔助電阻加熱器提供

電阻加熱器產生熱能計算

完成供水循環熱能計算


tapt

WHdesiredWCTappTapEL dttTtVTcQ0

)()()(3600

1

Tapn

iTapELTCEL QQ

1

TCELTCHPTC QQQ

供水性能試驗 (續) 供水循環總耗電功率，包含熱泵在運轉期間之輸入功

率、待機時之輸入功率、及輔助電熱輸入功率:

供水循環之性能係數計算


TCELesTTCTCHPELTCEL QPtWW 24

TCEL

TCDHW W

QCOP

4.平均供水溫度與最大可用熱水量本試驗在於量測設備自開始供給熱水至達到40℃之平均熱

水溫度與總共可供給的最大熱水量。

試驗方法試驗開始於加熱水至達到額定終止水溫，此時開始有大量熱

水持續流出，熱水流率設定為10±0.5(l/min) 熱水流出直到熱水溫度低於40℃為止，量測其入出水溫、熱

水流率

儲水桶之平均熱水溫度計算

最大可用熱水量計算


40

040

)(1t

WHWH dttt

40

0max)()(

301 t

WCWHTap dtttVKV

5.溫度操作範圍溫度操作範圍試驗目的在於確認製造商所標示之溫度範圍

內設備可正常且安全運轉，故製造商在機組操作上應提供一個設定範圍。

試驗方法此步驟包含兩個加熱熱水時段，測試一是熱源溫度設定在最

小值，測試二則是熱源溫度設定在最大值

加熱水從初始溫度之最小值至設定終止熱水溫度之最大值，中間保護器不能作動且熱泵不能被安全裝置關閉

若操作在溫度範圍之外，可能會對元件造成損害，應設有安全裝置，當溫度在操作範圍的邊界沒有大幅超過並回到範圍內時應能保持運轉

若安全裝置沒有自動恢復，則警報裝置應作動。


6.安全測試安全測試之目的在於模擬故障，藉此檢查此些故障是否對

元件造成損害，並確認保護裝置或警報器會作動。

試驗方法

設備運轉時測試環境應保持穩態，當故障模擬開始，檢查元件不能造成持續的損害，或有任何保護裝置作動，且在流速恢復後應能繼續操作

若安全裝置沒有自動恢復，則警報裝置應作動。

故障模擬包含：

切斷熱傳介質流向：阻塞熱源系統與阻止熱儲系統熱傳介質流向

電源供應完全故障

冷凝排水：試驗過程中應注意觀察不能有冷凝水漏出或流出排水管


性能試驗流程


CNS 15466 vs. EN 16147

綜合評比暖機性能

待機性能

供熱水性能

運轉範圍

最大供熱水量

安全試驗


CNS 15466 EN 16147

系統圖

試驗條件

環境溫度 20(15) ℃

入水 15℃→出水 55℃

環境溫度依熱源及設備設置而有所不同

入水 10℃→出水 60℃

熱水流率為 4 或 10 LPM

試驗項目

1. 性能量測

額定加熱能力

冬季加熱能力

2. 建議試驗項目

額定第一小時熱水供應量

儲水桶保溫性能

過負載

除霜能力

低溫啟動

1. 加熱時間

2. 待機消耗電功率

3. 供水性能係數

4. 平均供水溫度與最大可用熱水量

5. 溫度操作範圍

6. 安全測試

Thanks for your attention.

謝謝聆聽請多指教


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