綠色(低碳)校園--地源熱泵系統的應用

撰文/理學院地質科學系 宋聖榮

隨著大氣中的溫室氣體濃度越來越高,全球平均氣溫逐漸升高,隨之而來的極端氣候對人類社會造成極大的威脅和破壞,如何保持未來全球增溫平均不要超過2℃和排碳量不再增加達碳平衡的目標,是現今世界大部分國家的共識,而綠能利用與永續發展是目前世界達到此一目標的不二法門。另外,在創能不易的狀況下,節能是另一減碳的選擇。

地源熱泵(Ground Source Heat Pump, GSHP)起源於1912年瑞士的專利文獻中,隨著地球非再生能源消耗與環保意識確立,可循環利用之地源熱泵逐漸受到關注,並開始廣泛應用於現在綠色商業建築、辦公大樓、溫室農業環境與一般住宅。地源熱泵系統是以大地作為熱源,在冬季供暖、夏季制冷的一種技術。大地熱源包括岩石、沉積物和地下水為熱源,由水源熱泵機組、地熱能交換系統、建築物組成的空調系統(圖1)構成供暖制冷的節能運作。主要特點包括:(1)地源熱泵技術屬可再生能源利用技術。由於地源熱泵是利用地球表面淺層地熱資源(通常小於400米深),進行能量轉換的供暖制冷的空調系統。地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器,收集了47%的太陽能量,超過人類每年利用能量的500倍,且不受地域和空間等限制。這種儲存於地表淺層近乎無限的可再生能源,使得地熱能成為清潔、可再生能源的一種形式。(2)地源熱泵屬經濟有效的節能技術。其交換效率(coefficient of performance, COP)值達到了4以上,也就是說消耗1KWh的能量,用戶可得到4KWh以上的供熱或制冷量。(3)地源熱泵環境效益顯著。其裝置的運行沒有任何污染,可以建造在居民區內,沒有燃燒,沒有排煙,也沒有廢棄物,不需要堆放燃料廢物的場地,且不用遠距離輸送熱能。(4)地源熱泵一機多用,應用範圍廣。地源熱泵系統可供暖和制冷空調,還可供生活熱水,一機多用,一套系統可以替換原來的鍋爐加空調的兩套裝置或系統;可廣泛應用於商場、辦公樓、學校等建築,更適合於住宅的供暖和冷氣。

圖1、地源熱泵供暖制冷的簡單示意圖。

 

日本產業技術總合研究所(AIST)和秋田大學(Akita University)合作從事地源熱泵制冷的試驗,因日本位於高緯度天氣較冷,地源熱泵大都用作供暖的裝置,制冷較不適合,故到低緯度的泰國、印尼和越南從事地源熱泵制冷的試驗。圖2是在越南河內越南地球科學與礦產研究所(Vietnam Institute of Geosciences and Mineral Resources, VIGMR)的試驗裝置。三個國家9個例子的試驗結果顯示其可節省的電力介於33~54%,其COP可達5.8以上。

圖2、越南河內越南地球科學與礦產研究所地源熱泵裝置;1)室外機;2)地下水鑽井50公尺深);3)室內機;4)監測裝置。

 

『熱島效應』是一個自1960年代開始,在世界各地大城市所發現的地區性氣候現象。具體來說,無論從早上到日落以後,城市的氣溫都比周邊地區來得高,並容易產生霧氣。這個現象的發現,是由於人造衛星的出現,使人類得以利用人造衛星從高空以紅外線拍攝地球,從紅外線影像中發現城市與週邊地區的溫度有著很明顯的差異,看起來城市就好像在地區中的一個浮島。圖3是東京過去100年以來的平均年溫增高約3℃,而世界年均溫增加不到1℃,顯示典型的都會區熱島效應,台北都會區雖沒有統計溫度變化,推測也可能不遑多讓增溫超過3℃。都會區之所以形成熱島效應是因建築物利用高吸熱、低散熱率得建材,和空調系統把大量室內熱往外排放到街道讓空氣熱交換冷卻;但都會區建築物太多造成空氣對流不佳,熱不易被帶走而讓溫度節節上升形成熱島(圖4)。若能把空調系統所收集的熱藉由地源熱泵的地下水當作冷凝劑帶走,而不是排到室外。此一過程雖會增加地下水的溫度,但水的熱焓比空氣大,所增高的溫度有限且冬天大氣溫度下降時,地下水也會降回原來的溫度(圖4)。日本產業技術總合研究所計畫利用地源熱泵系統來改善東京大都會地區的熱島效應。

圖3、東京過去100年以來的平均年溫變化圖。

 

圖4、地源熱泵減低熱島效應的示意圖。

目前台電每年供電量約2,390億度電(109年度),其中秋冬(11-4月)平均每月所耗電量約為182億度,夏秋(5-10月)約為216億度,兩者每月差距約為34億度電(圖5)。若用8月用電量高峰與2月相比,差距更高達61億度。換算所需的裝置容量約為8,300MW(8.3GW),相當於3.2座的核四(2.6GW)裝置容量,才能符合用電高低峰所需的用電量差。此一差距是夏季溫度高使用冷氣空調系統所造成的(圖5),若能利用地源熱泵制冷(節省電力40%計)的方式減低冷氣空調系統所需電量,約可節省建造1.28座核四所發的備載電量。

圖5、台灣105-109年每月用電量和溫度的變化圖。

 

綠色校園計劃是開普敦大學內的一個學生組織在2007年所發起的,旨在使大學校園成為一個可持續、環境友好的園區。過去十餘年來世界上已超過45個大學校園加入綠色(低碳)或永續校園的行列或網絡(Networks)。台大校園位於台北市中心,各種再生能源(太陽光電、風力、地熱、生質能)型態的創能幾乎不可行。但台大校園下方有豐沛的地下水,在25公尺以下長年保持一定(約23-24℃)的溫度(圖6),可提供利用地源熱泵系統裝置制冷空調,以降低電力的使用,且地源熱泵系統所需的電力(用以抽取地下水循環所需的電源),也可藉由裝置小規模太陽光電提供電力,達到綠色和低碳的校園環境。另外,去年行政院蘇院長宣佈在各中小學教室裝置冷氣空調系統,各學校的反應是裝置容易運轉難,冷氣所需的電費對各學校都是一項沉重的負擔,尤其是對偏鄉學校更是一筆大的費用。若能裝置地源熱泵系統在夏天制冷,不僅可節能省電力,也可達到綠色校園的願景。

圖6、台大(2)地下水觀測井的井溫剖面、導電度井測和岩性柱狀圖。
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