冷凍空調系統研發與應用的另類思維

方煒台灣大學生物產業機電工程系教授

2004/11/30 中壢市

高力熱處理股份有限公司超高溫熱冰水雙效機產品發表會

大綱 冷凍空調循環簡介 環保新概念—熱泵應用的另類思維 ㄧ些觀察 冷凍空調系統研發的另類思維

1. 太極拳 2. 血液循環

結論

冷凍空調，太極，血液循環密閉式迴路系統 ??

Carnot 冷凍空調循環

Process 1-2 為濕壓縮 Wet Compression

冷凍空調循環

4 ‘

W12W34T

輪機 壓縮機

C

高壓側

低壓側

1 2 等熵2 3 等壓3 4 等熵3 4’ 等焓4 1 等壓

Process 1-2 為乾壓縮 Dry Compression

氣冷式冷凍空調系統Condenser

Evaporator

EV

冷凝器 /熱排蒸發器 /冷排

Capillary tube

Cold air

Hot air

壓縮機毛細管

膨脹閥C

CW

outQ

inQ

Cinout WQQ

冷氣或暖氣系統 ( 雙效機 ?)

不匹配的散熱與吸熱面積Cinout WQQ

熱水與冰水雙效機P

板式熱交換器板式熱

熱水槽P

交換器

冷排側熱排側

消耗

冷水槽

C

消耗新水

新水

對地球的責任 為保護臭氧層為目的而定的蒙特婁議定書決定，自 1996 年中止生產 CFC 冷媒 (R12) ，自 2004 年依序減產 HCFC 冷媒 (R22)而至 2020 年中止生產。 為防止地球溫室效應為目的而定的京都議定書，也指出會造成地球溫室效應的 CFC 冷媒 (R12) 應受到抑制。 冷凍空調界的因應

開發替代冷媒與相關商品化機器 對環境影響最小的冷媒 (R134a, HFC 冷媒 ) 自然冷媒 NH3， CO2

推廣熱泵的各種應用層面 ( 新看法 )

傳統的熱水 / 熱氣產生系統 瓦斯熱水器，鍋爐

產生二氧化碳 (溫室氣體 ) 產生ㄧ氧化碳 (危害安全 )

電熱水器，電暖爐 (統稱電熱器 ) 高耗電 熱泵

製造熱水 / 熱氣耗電程度 << 電熱器 不排放溫室氣體

熱泵單效機是環保產品

1 23

用電效率遠高於電暖與電熱設備

環保新議題由電熱器、鍋爐與瓦斯熱水器轉為使用熱泵，少耗電、少排放溫室氣體，是否可以減緩溫室效應？

答案應該是肯定的！

熱泵單效機是環保產品附加功能：對大氣吸熱

1 COP

經濟部中標局 EER 與 COP 國家標準91 年 EER (kcal/h.W) COP

單體式 2000 kcal/h 以下 2.33 2.71單體式 3550 kcal/h 以下 2.38 2.77單體式 3550 kcal/h 以上 2.24 2.60分離式 3550 kcal/h 以下 2.55 2.97分離式 ( 變頻 )3550 kcal/h 以下 2.38 2.77分離式 3550 kcal/h 以上 2.35 2.73

COP = EER * 4.18/3.6

熱泵系統對大氣吸熱 地球受溫室效應造成全球暖化 能否透過熱泵 ( 耗電 1 ，吸熱 =COP>2.6)來緩和全球暖化？ 需吸取多少熱能，需花多少時間， 才能讓地球恢復正常？

另類思考

EER, PF 與 COP 的計算in

in

WQCOP

in

out

WQPF

性能係數

性能因數熱泵冷凍空調

EER = COP * 3.6/4.18

冷熱水雙效機 COP 與 EER 的計算

in outdual

in

Q QCOPW

註 1. 能源效率比（ EER ）依該等標準規定在 T1 標準試驗條件下（ CNS 規定）試驗之總冷氣能力（ W ）除以有效輸入功率（ W ）。

91/1

摘自 http://www.energylabel.org.tw工研院能資所能源標章網站

COP = EER * 4.18/3.6

93/08

摘自 http://www.energylabel.org.tw

冷熱水雙效機 COP 與 EER 的計算

in outdual

in

Q QCOPW

1133 3.53.5

EERdual = COPdual * 3.6/4.18 = 6.5 * 0.86124=5.6

一些觀察 基於熱傳遞的不可逆性，高壓側冷媒溫度需要高於

TH，低壓側冷媒溫度需要低於 TC

壓縮機非絕熱 ( 等 s) 壓縮過程，膨脹閥非等焓過程 State 1 非飽和氣態 State 3 非飽和液態 管路摩擦造成壓力損失

( 圖中未顯示 ) 當高壓側壓力愈高 and/or低壓側壓力愈低， COP愈減

一些觀察

T-S Diagram

壓縮機與膨脹閥存在冷媒的供需平衡問題，受外擾影響大壓縮機不是等熵過程

冷氣 / 熱泵 緩衝能力差 (non-robust)不允許•室外溫度太低，太高•室內溫度太低，太高•冷媒太多，太少

擬人化的說法

EQ 低

一些觀察 在熱排內總是液態與氣態冷媒並存，無法充分散熱。

熱排From Compressor

上下存在不小溫差

一些觀察高溫高壓時，飽和氣態冷媒的比容為液態冷媒的 9~12 倍，冷媒液化後熱排管路中留給氣態冷媒的空間大增，造成高壓側壓力下降。熱排中液態冷媒與管壁摩擦造成壓力損失大。熱排散熱能力受外溫影響大。

冷凝器不是等壓過程

R22 冷媒，飽和液氣比容比較溫度 壓力 vf ft3/lb vg ft3/lb 比例140 oF 352.17 psig 0.01555 0.1433 9.215

30 oF 69.668 psig 0.01246 0.7804 62.63

溫度 壓力 vf m3/kg vg m3/kg 比例60 oC 24.281 bar 0.9705/1000 0.0089 9.17

0 oC 4.9811 bar 0.7803/1000 0.047 60.23

R134a 冷媒，飽和液氣比容比較溫度 壓力 vf ft3/lb vg ft3/lb 比例

210 oF 563.51 psig 0.02329 0.0476 2140 oF 243.86 psig 0.0152 0.1827 1230 oF 40.788 psig 0.01233 1.1474 93

溫度 壓力 vf m3/kg vg m3/kg 比例100 oC 39.742 bar 1.5443*10-3 0.0027 1.78460 oC 16.813 bar 0.9488*10-3 0.0114 120 oC 2.9282 bar 0.7721*10-3 0.0689 89.23

液氣分離器氣態冷媒量減少，壓力下降

冷媒量少，熱排空間仍然ㄧ樣大，造成壓力降低

冷排吸熱不足

低壓側壓力太低造成冷排結冰

熱排散熱太好 ( 外溫低 )太多液態冷媒，摩擦大，比容變化大

飽和狀態溫度 壓力

140 oF 352.17 psig30 oF 69.668 psig

溫度 壓力60 oC 24.281 bar

0 oC 4.9811 bar

溫度 壓力140 oF 243.86 psig

30 oF 40.788 psig

溫度 壓力60 oC 16.813 bar

0 oC 2.9282 bar

R22 冷媒R134a 冷媒

冷凍空調系統研發的另類思維 1

太極

壓縮機

膨脹閥

冷凝器熱排蒸發器冷排氣態冷媒

液態冷媒

高壓高溫冷媒低壓低溫冷媒

循環 cycle 就是ㄧ個畫圓的動作

兩儀 四象

八卦太極

太極拳？

高技巧的使力 一般的外家拳「求快用力」 太極拳則講求「柔緩鬆靜」

「用意不用力」 「隨意不隨力」

高技巧的用力 有招拆招是反應 無招化招是順應

太極本自然順應柳隨風

如何順應 練拳首先要鬆

鬆胯，鬆命門 身鬆則身虛，虛以積氣

要鬆才能卸 提供緩衝 由脊分左右

由腰分上下

壓縮機

膨脹閥熱排冷排

現階段冷凍空調系統的缺點 不鬆

啟動電流大，運轉電流大 壓縮機經常性全額或過負載，容易過熱

不卸 一旦熱排之後的冷媒流動受阻，其回衝的壓力將直接衝擊壓縮機，縮減壓縮機的使用壽命。

鬆代表著存在因系統張力所形成的空腔

系統張力代表著鼓面 / 吉他弦的拉緊程度有適當張力，敲鼓 / 撥弦才能發聲有空腔才能靠共振 ( 共鳴 ) 傳聲

太極理念應用於冷凍空調系統的研發 新增裝置提供空腔，如此整個循環

才能鬆 新增裝置提供預壓力，有預壓力

的空腔才能提供緩衝，如此才能卸，壓縮機才有保護

新增裝置：蓄壓器

2000,2001 方 & 蕭

有沒有聽過預應力？對材料預先施以應力，可提高材料的耐受力，

延長使用壽命

現階段冷凍空調系統的缺點 不流暢

壓縮機本身問題，由負荷高或轉速低時壓力表指針的強烈擺動可知。 不穩

先天：使用四方閥的冷暖氣系統 後天：天候的變化與負荷大小不定

太極拳的理念 流暢

輕靈連貫

穩

太極理念應用於冷凍空調系統的研發 流暢 (輕靈連貫 )

壓縮機高速運轉可緩和瞬時的壓力變化，但是高耗電 新增裝置可縮小化壓縮機對整體循環的影響，讓冷媒流動更順暢，讓壓縮機與膨脹閥在冷媒供需上維持平衡，讓系統更穩定

穩 天候的外擾在新增裝置可承受的範圍內，不致影響壓縮機負荷 「靜中觸動動猶靜，因敵變化是神奇」

太極拳的理念 借力使力 蓄勁待發 動中求靜，動靜配合 以大事小 以小搏大 ( 四兩撥千斤 )

太極理念應用於冷凍空調系統的研發 借力使力：機由己發，力從人借

熱排後段，冷排後段：加強散熱與吸熱利用 熱排前段，冷排前段：預冷與預熱

P-h Diagram

熱排後段，冷排後段預先散熱

預先吸熱熱排前段，冷排前段

允許兩端各取所需 左側可視為熱排散熱之延續或加強 右側可視為冷排吸熱之延續或加強

熱排後段與冷排後段結合新增一個熱交換器 (機由己發 )

機由己發：熱排後段加在冷排下方

蒸發器 /冷排

膨脹閥

冷凝器 /熱排

壓縮機a’’ b’

d

a’’

d’

e’

機由己發：熱排後段加在冷排下方

C

熱排冷排

C

熱排冷排

2000 ，左

機由己發：熱排前段與冷排前段結合新增一個熱交換器

2000,2001 方 & 蕭

太極理念應用於冷凍空調系統的研發 蓄勁待發

啟動時，壓力先在新增裝置累積，直到可以推動後面的冷媒 壓縮機只補充新增裝置不足的壓力，所以啟動電流小

太極理念應用於冷凍空調系統的研發 動中求靜，動靜配合

靜壓 ( 新增裝置做大部分的功 ) 動壓 ( 壓縮機只補充新增裝置失去的靜壓 )

壓縮機需提供壓力 (動壓 )=高壓側壓力 -低壓側壓力壓縮機 (動壓 )+新增裝置 (靜壓 )=高壓側壓力 -低壓側壓力

太極理念應用於冷凍空調系統的研發 以大事小

新增裝置以大截面積壓力推動管路中小截面積流體 以小搏大

啟動電流小，運轉電流小 散熱 / 吸熱能力大 高效率

冷凍空調系統研發的另類思維 2

血液循環

心臟 double pump 體循環 / 大循環 肺循環 / 小循環

血管 ㄧ管分歧為多管或多管合為ㄧ管

最佳管徑比例為多少時，能量損失最少 ?

分合並用，動之則分，靜之則合，分擊氣打，合擊沾粘

血管為什麼要有舒張壓血液循環 冷凍空調血管缺乏舒張壓就沒有彈性位能，血管與器官都會扁掉

冷媒管缺乏低壓側壓力，大氣壓力與壓縮機的負壓會把冷媒管壓扁收縮壓 (血液擠向動脈 )動態調配血液的力量

高壓側壓力舒張壓 (血液由動脈流出 )保持血管彈性的力量

低壓側壓力讓冷媒流回壓縮機的力量

心臟之體循環 ( 大循環 ) vs. 高壓側 充氧血液經壓縮由左心室至左心房， 血液在左心房經壓縮排出，通過主昇動脈泵入體內

上中下三區，供應主要器官氧氣之後成為缺氧血液

經過微血管，進入靜脈，流回心臟的右心室

氣態冷媒進入壓縮機至排出 冷媒在熱排散熱，冷凝成為液態冷媒

心臟之肺循環 ( 小循環 ) vs. 低壓側 在右心房經壓縮排出的缺氧血液通過直徑擴大的肺動脈泵入肺中，肺內容積大幅加大，血液噴入 在肺内血液和進入肺泡的空氣進行氣体交換，排出二氧化碳，吸進氧氣，使血液

恢復成為充氧血液 通過肺静脈回到左心室

在熱排末端的液態冷媒進入膨脹閥

冷媒經膨脹，降壓，在冷排吸熱，汽化，成為低壓氣態冷媒

經由回流冷媒管回到壓縮機

血液循環理論應用於冷凍空調系統的研發

串列式壓縮系統 ( 兩個壓縮機 ) 二元式 ㄧ元式 含中間冷卻的ㄧ元式

二元串列式壓縮系統 二元：兩種不同冷媒

兩個循環串列

Cycle B: 體循環ㄧ顆心臟，雙心房與心室

Cycle A: 肺循環

各一個膨脹閥共用冷熱排 ( 相同冷媒 )

兩個壓縮機配ㄧ個蒸發器一元串列式

左心室左心房

右心房

右心室

優點：1. 省下 area 2-3-4-a 的輸入功2. 避免 Ta 的高溫3. 高壓側平均溫度降低

含中間冷卻的一元串列式壓縮冷凍循環串聯的二次膨脹

左心室

左心房

右心室

右心房

血液循環理論應用於冷凍空調系統的研發 ㄧ個壓縮機配兩個蒸發器 ( 冷排 ) ㄧ個壓縮機配兩個凝結器 ( 熱排 )

ㄧ個壓縮機兩個蒸發器各兩個膨脹閥

ㄧ顆心臟，兩片肺

ㄧ個壓縮機，兩個凝結器

2000 ，左

充氧血供應身體上中下三區器官的氧氣

血液循環理論應用於冷凍空調系統的研發 多一個壓縮機 高血壓 vs. 壓縮機高負荷

多ㄧ個壓縮機

心臟手術，ㄧ顆不夠再加ㄧ顆

高血壓 壓縮機高負荷 高舒張壓：肺功能不足造成血液含氧量不足 高收縮壓：動脈硬化或阻塞造成血液循環差 造成器官缺氧， 心臟加速動作，形成高血壓

低壓側冷排中冷媒吸熱不足，液態冷媒被液氣分離裝置留住，進入壓縮機冷媒量不足高壓側熱排中散熱過度，液態冷媒多，造成壓損大壓縮機負荷大，過熱，停機

血液循環理論應用於冷凍空調系統的研發 並聯的二次膨脹 串聯的二次膨脹 二次散熱與二次膨脹

二次膨脹：毛細管與膨脹閥並聯

冷排由太陽能熱水器吸熱

熱排在 水槽內

2002, 黃

二次膨脹：毛細管與膨脹閥串聯

2001 ，左

熱排

二次膨脹：兩個凝結器 ( 熱排 ) 之間增加ㄧ次膨脹

h

第一段散熱第二段散熱

蒸發器吸熱

壓縮機膨脹閥

p

二次膨脹

2000, 2001 方 & 蕭

冷凍空調，太極，血液循環密閉式迴路系統 !

血液循環與中醫的「氣」氣聚膻中

血液循環中動能只佔總能量的 2%98%能量在膻中 (主昇動脈轉彎處 )轉為彈性位能血管缺乏彈性位能，就沒有舒張壓，血管與器官都會扁掉 王唯工，氣的樂章

膻中 (主昇動脈轉彎處 )

「氣」與太極 中醫的「氣」事實上是ㄧ種共振，也是人體血液循環的動力 太極：氣機導引

新增裝置：蓄壓器 就是冷氣系統的膻中 提供所有的靜壓 與壓縮機發生共振

回流熱水 TH = 88 oC

回流冷水 TC = 12 oC

高力公司 (HTU)超高溫熱冰水雙效機 COP COP+PF

3 3 + 3.5 = 6.5

P

板式熱交換器板式熱

熱水槽

交換器冷排側

熱排側

消耗新水

冷水槽

C

消耗新水

HTU

P

P

結論研究與發展是任何公司要永續發展

必須走的路，此路無限寬廣向大自然學習 ( 血液循環 )

向歷史學習 ( 太極，專利資料庫 )為可行的方式

冷熱水雙效系統 環保產品

可將廢棄能量回收 值得大家一起來推廣

選擇它就是選擇保護地球 使用者可以替自己省錢

更環保 更高效率 更多應用

期許

敬請指教

謝謝聆聽沾粘連隨，敷蓋對吞