JQR Select Japanese technology
性能係數可達到6~12,深具潛力的地源熱泵

利用地熱能產生綠色能源

構成撰文/JQR編輯部 攝影/高井朝埜 協助/山梨大學

現今人類的首要課題乃是發展不排放二氧化碳的綠色能源,雖然利用太陽能與風能等天然能源的趨勢正在形成中,但這些天然能源的缺點在於難以穩定地供應。因此,山梨大學機械工程學系武田哲明教授所關注的是可穩定利用的地熱能。

Decrease Font Size Increase Font Size Text Size Print This Page

(上圖)針對地熱能相關資料做說明的武田教授。(下圖)設置於鄰近研究室的地源熱泵設備,實際上將此設備用於研究室空調。

能源在我們生活中是不可或缺的,透過能源,機器才得以運轉。在日常生活中,我們皆受益於能源帶給我們的莫大恩典。但事實上,此恩典的代價卻是地球暖化,使現今的地球環境面臨重大變局。
  在這種情況下,利用「地熱能」的研究正在進行中,這項能源有別於太陽能或風能,具有可穩定供應的特性。「地源熱泵」可從我們腳下的土壤中,使用1的電能就可得到10以上的能量,是一個高效能,既可供熱又可製冷的中央空調技術。

解說1
「地熱能」與「地熱」是非常容易混淆的兩個不同概念。「地熱」是蘊藏於地球內部的熱能總稱;而「地熱能」則是從地表以下約100公尺處淺層地殼的低溫(約15~20℃左右),一整年間溫度變化較少的熱源。

蘊藏於腳下土壤中,一整年間皆穩定的熱能

  相信幾乎沒有人知道腳下深處的土壤中的地表淺層溫度,例如,山梨大學甲府校區內的地表淺層溫度,整年皆維持18.3℃左右。從地表下約10公尺深的地表淺層熱度有受到太陽能的影響,但比10公尺更深的地方,不論晝夜、季節幾乎都保持一定的溫度。而甲府校區所坐落的甲府市,氣溫可從-4℃~35℃,整年溫度差距達到40℃。武田哲明教授表示:「利用此溫度差距,實現極高效能的系統就是『地源熱泵』。」武田教授正在研發利用地熱能的地源熱泵技術,來取代用於空調的傳統空氣熱能。
  地源熱泵技術有間接(傳統方式)與直接膨脹兩個方式,而傳統式地源熱泵已被採用於一些地方──如東京晴空塔與甲府市公所等地,此技術的應用場所皆以大型公共設施居多。
  根據日本環境省調查,此技術以歐美國家為中心已得到普遍應用,尤其在美國共一百萬台12kWt家庭用機型(12GWt)正在運轉。而全日本加起來一年也僅62MWt,與歐美相距甚遠。

甲府市平均氣溫

地源熱泵兩種方式

空調設備 間接式 直接膨脹式
型錄COP值為4-5
平均值為3左右
COP4〜6 COP6〜12
解說2
性能係數(Coefficient Of Performance,COP)為用來表示空調等設備的能源消費效益的係數。COP=所得熱能(kW) /消費電能(kW)。表示每1kW消費電能的冷卻與加熱的能力。

空調必須與室外空氣進行熱交換

  地源熱泵系統基本模式,可以說與隨處可見的家庭用空調相同。空調系統在供應暖氣時,首先由室外機將外部熱空氣引入,利用這個熱空氣,使製冷劑蒸發成為氣體。壓縮機再將這個氣體(製冷劑)送入位於室內的熱交換器,氣體在熱交換器中凝結為液體。我們利用的就是此時散發出的熱空氣,而在供應冷氣時,則切換回路,使製冷劑反向流通。
  換言之,空調系統的運作方式是,在供應冷氣時,捨棄將熱能往外排;在供應暖氣時,反將外部熱空氣引入室內。因此,在外部空氣處於冰點下的北海道冬季,無法從外部送入熱空氣,故空調是不作動的。
  武田教授表示:熱空氣與水一樣,只會從高溫處流向低溫處。冷氣系統無法在氣溫35℃處釋放出35℃以下熱空氣。如此一來,為在35℃外部空氣中排除熱空氣,空調系統必須將製冷劑設定在35℃以上溫度。因此,透過壓縮機來壓縮製冷劑,使溫度得以上升。這樣的運作模式導致我們在吹冷氣時,室外機散發出熱風。此因素也是大城市產生「熱島」現象的原因之一。
  地源熱泵系統即採取與一般空調相同的工作原理,且熱空氣的送入與釋放均可在地表淺層進行,因此它當然不會釋放出熱風。

空調系統熱交換原理

地熱能的特性與地源熱泵的效果
  • 地熱能溫度,整年間幾乎維持於穩定的狀態
  • 國內各地皆可使用,不受天候地點影響
  • 透過節能系統,可減少能源消耗與減少二氧化碳排放量
  • 不將製冷時所產生的餘熱排放於大氣層中,可有效防止熱島效應
  • 透過高性能系統,降低運轉成本

地源熱泵的工作原理

  如前所述,地源熱泵有分成兩個技術,其中間接式係透過熱交換器,將製冷劑熱能傳給防凍劑,再透過埋設管線,使防凍劑於地表淺層循環來進行熱交換。這是一項傳統技術,因為透過熱交換器為媒介,而被稱為間接式。其缺點是熱交換器效率有限。
  而另外一個方式是由武田教授正在研發中的直接膨脹式技術。武田教授表示:「這是使用稱為A-401A的氯氟烃替代品,使其直接於地表淺層中循環。這項技術不需要透過熱交換器,就可使製冷劑與地表淺層直接進行熱交換,是一個非常簡便且高效率的技術。」
  地熱能是一種永不枯竭,亦不會排放二氧化碳的綠色能源,它所排放出的熱能將會釋放於地表中,因此也不會造成城市暖化現象。在北海道,冬天時雖無法使用空調,但如果使用地源熱泵,即使氣溫在冰點下,土壤卻是溫暖的,因此可將土壤(地能)中的熱量取出,供給室內取暖。雖這是一項充滿優點的能源技術,但若要使之普及,則必須具有很高的成本效益。

直接膨脹式地源熱泵簡介

不需要考慮設備與二次媒介間的溫度差異,因此可降低凝結壓縮強度,並提升蒸發壓。不需泵浦、熱交換器及膨脹水箱等器具,整體設備的部件數量將大幅減少。除此之外,也不需這些部件作動所消耗的電力,可實現較間接式更高效能的運轉模式。加上藉由摒除了鹽水配管工程,使設備工程變得更單純,可望成本下降。

t05

導入費用與熱效率

  關於這一點,武田教授坦承說:「是的,問題就是在於成本。」根據教授的說法,地源熱泵空調設備需要較一般空調系統2.7倍左右的初期導入成本。雖然地源熱泵的運作原理不複雜,但是埋設管線卻需要挖掘費用。
  若導入地源熱泵空調設備,當然可降低冷暖氣運轉成本。這只是估算,但與一般空調相比,地源熱泵設備中,傳統間接式可減低兩~三成,直接膨脹式則可減低七成的成本。
  武田教授表示:「其實約三十幾年前,曾經嘗試使用過一次直接膨脹方式。當時,因製冷劑與機器的性能不足,所以測試上不是很順利。大約從地表淺層50公尺左右,製冷劑就開始不循環了。因此,直接膨脹式的可行性受到很大的質疑,之後即使提案了也無法被接受。」
  使持續研發直接膨脹式技術的武田教授,克服到這個情況的是2年前所進行的實驗結果。當時室外氣溫是38℃,但將熱能捨棄於地表淺層中,因此製冷效能與消耗電力均與涼爽情況下相同。性能係數在穩定的狀態下,證明了即使採用直接膨脹方式,地源熱泵系統也不會受到室外空氣的影響。
  武田教授自信滿滿地說道:「我們幾乎克服了技術把關」。今後,教授會進行調查捨棄於地表淺層中的熱能所帶來影響等等的工作,以蒐集讓系統商業化的必要資料。同時,也計劃建立產品認證與維修方式等模式。
  在每個人的腳下,皆有永不枯竭的綠色能源。可擷取此項能源,將之利用於生活中的系統就是地源熱泵。為了朝夢想實現邁進,武田教授還在持續研究如何最大限度地提升此系統效率。

導入成本與運轉成本比較
空氣熱泵(空調系統) 傳統地源熱泵(註) 直接膨脹式地源熱泵
導入成本比例 100(標準) 270 200
導入成本約為空調系統的2倍
運轉成本比例 100(標準) 75 30〜40
運轉成本約為空調系統的 三分之一

(註)資料來源:《熱泵與其應用》(2011.3 第81期)

株式會 HAGIWARA BORING
萩原利樹社長

地熱能是 一項高潛力的能源

以311東日本大地震為契機,我們開始思考什麼是最穩定的能源,最後想到的是地熱能,於是決定開始正式展開它的研究。但越是節能,設備的導入費用就會成為阻礙。我們與山梨大學合作,正在研究如何建立提升效能的系統。我個人認為最後會生存下來的節能系統,將會是具有高穩定性的地源熱泵。我們參與產官學與金融界共同合作的文部科學省「地域創新戰略輔導專案」,正在持續進行系統開發。

山梨大學綜合開發研究所 武田研究室
研究室正在研發直接膨脹式地源熱泵設備,並進行利用溫泉地熱的雙迴圈發電系統與熱能發電以及整合這些系統的研究。
山梨縣甲府市武田4-3-11 
電話:055-220-8415

この記事の感想
  • とてもおもしろく役に立った (3)
  • おもしろかった (1)
  • 役に立った (0)
  • つまらなかった (0)