學習資源搜尋

空調機與節能的基本認識

2019-01-28

管衍德教授

國立勤益科技大學冷凍空調與能源系

 


        隨著時代的發展,冷氣已不再是奢侈品,而是許多人在居住與生活上的必需品。然而冷氣的使用需要電力,因此隨者電力的吃緊,相關節能的議題也受到相當高度的重視。要知道如何使冷氣節能,則需具備基本的知識與原理。一般所稱之的冷氣,常讓人會認為其功能僅是吹出較冷的空氣讓室內空氣降溫,但其實不然。冷氣的英文是Air Conditioner,較為正式的名稱為空氣調節機(以下簡稱為空調機),顧名思義,其主要的功能是進行空氣的調節,那調節哪些東西呢?最單純的家用系統,包含了溫度與濕度,再進一步地則包含維持空氣的新鮮與潔淨,也就是換氣與過濾微小粒子等。本文所介紹的主題,則主要在製冷方面的溫度與濕度調節。

 

圖1 基本冷凍循環示意圖。

        室內的空調降溫,其實是一種能量的轉移,以製冷而言,就是將室內的熱量藉由空調機的冷凍循環移到室外,而所移走的熱量,則包含了顯熱與潛熱。換句話說,夏季的空調機不僅是將室內的溫度降下來,同時也會將空氣中所含有的水蒸氣予以移除,而使人感到舒適。空氣分為乾空氣與濕空氣,乾空氣是不含水蒸氣的空氣,濕空氣則是包含水蒸氣的空氣。在不同溫度的情況下,空氣中所含有的水蒸氣有最高極限值,超過此極限則會凝結成水滴。隨著溫度提升,單位質量的乾空氣所含的最高水蒸氣也隨之提高。單位質量乾空氣中所含的水蒸氣質量比值為濕度比或絕對濕度,單位質量乾空氣中所含的水蒸氣質量與其可容許的最高水蒸氣的質量比稱為相對濕度。由於空氣中水蒸氣乃是由液態水蒸發而成,其經由相變化吸收潛熱,所以空氣中的水蒸氣即為其潛熱的來源。所以製冷用空調機的主要功用,是藉由冷凍循環降低溫室內的溫度(顯熱)及絕對濕度(潛熱)。基本冷凍循環包含四大組件,如圖1所示:蒸發器、壓縮機、冷凝器與膨脹閥(或冷媒控制器),冷媒則在連接各組件間的銅管內流動,並藉由管內冷媒的吸熱、放熱與相變化來吸收室內的熱量傳遞至室外。位於室內的蒸發器,流經其銅管內的冷媒為低溫與低壓的液態,此時冷媒的溫度低於室溫,吸收來自室內濕空氣的熱量後汽化,其溫度仍屬低溫,此低溫的汽化冷媒經由壓縮機轉換為高溫高壓的冷媒,再進入冷凝器,此時的氣態冷媒溫度高於室外溫度,並藉由鰭片及風扇帶動氣流與室外空氣進行熱交換,將所吸收室內的熱量帶離冷媒,使冷媒凝結與降壓,此時冷媒的溫度高於室內溫度,再通過膨脹閥(或冷媒控制器)降低溫度與壓力,再進入蒸發器,完成一個冷凍循環。然而室內端除了移除顯熱進行降溫外,也要移除潛熱,也就是移除空氣中的水蒸氣,所以冷凝器中的溫度,必須要低到足以使空氣中的水蒸氣予以凝結除濕,也就是達到露點溫度,此經除濕後的濕空氣再往室內吹並與原有室內的濕空氣混合後,達成所需要的溫度與相對濕度範圍,如圖2所示。

 

圖2 空調機熱交換示意圖。

       空調機的能源效率,主要是以能源效率比(Energy Efficiency Ratio, EER)來評估,其值是空調機的冷凍能力除以空調機的總耗電量,單位為W/W,其值越高、能源效率越佳。藉由冷凍循環,空調機所能移除的總熱量為其耗電量的好幾倍。空調機能源效率的分級,則依EER值的高低來訂之。然而空調機會依季節的不同而有不同的效能,通常也不會在最高負載的條件下運轉,夏天熱負荷高、春秋天適中、冬天則熱負荷低,因此空調機在不同的負載情形下,其效率也會不同,而EER僅以單一氣溫條件(35oC)來進行量測,無法顯示在季節不同情形下,能源效率改變之影響。因此我國經濟部能源局於民國104年針對無風管的空調機公告冷氣季節性能因數(Cooling Seasonal Performance Factor, CSPF)來做為能源效率的基準值,其主要的改變在於以空調機在全年冷氣季節運轉期間之總冷氣負載除以運轉期間之總消耗電量,單位為kWh/kWh,改變過去僅由單一功率做為比較,更改為整年度能源消耗的比較,如此可以反應出空調機在台灣各種季節條件運行下,較為省電或耗電。所以目前市售的家用空調機,其能源效率分級皆是以CSPF為基準。


        知道了空調機基本的能源效率分級後,要如何進一步的認識空調節能呢?現在就針對室內的潛熱與顯熱對於人體舒適性的影響予以說明。一般的家用空調主要作用是讓人舒適,人體是屬於發熱體,因此需要排熱,然而人體要如何排熱呢?人體的排熱主要是藉由呼吸與皮膚排汗來進行,人體的汗會蒸發至空氣中,連同熱一起帶走,此即為潛熱。如果周遭環境的相對濕度過高,人體身上的汗將不易蒸發至空氣中,而使身體感受到黏黏的不舒適;反之,如果周遭環境的相對濕度過低,身體的汗會很容易地蒸發至空氣中,而感到皮膚乾燥及口乾舌燥,如此同樣的會感受到不舒適。所以一般室內環境中,人是主要的潛熱來源,人體的熱藉由皮膚表面的汗揮發至空氣中,相對與絕對溼度會增加,所以空調機需要進行除濕,將室內環境的相對濕度控制在50%~60%,人體會覺得舒適,此時即使溫度提升個1、2度,人體仍然會感受到舒適。再者,室內有流動的空氣,也會使人感受舒適涼快,其主要原因有二,首先是流動的空氣會促使室內的冷熱空氣的混合,使室內的溫度得以平均,因此位於不同角落的人皆能感受到舒適;其次是微風吹到人體,會提升皮膚與空氣的熱交換,同時也會提升排汗的速率,而使人感受較為涼爽,此時室內溫度調升個1、2度,人體也仍然會感受舒適。那室溫調升為何會節能呢?其主要原因有二:第一是可以降低冷媒的流量,也就是壓縮機的轉速可以降低,而壓縮機的理論消耗功率會與轉速的三次方成正比,因此每降低一半的轉速,其理論的消耗功率會為原來的1/8,而流量與壓縮機的轉速成正比,因此降低冷媒流量即可有效地節省空調機的耗電;第二是可以降低空調機室內與室外的風量,同樣地,降低風量亦可以降低風機的轉速,而風機的理論消耗功率亦與轉速的三次方成正比,而風量與風機的轉速成正比,因此降低風機的風量亦可有效地節省空調機的耗電。


        室內環境的顯熱來源則包含了電器用品(如電燈、電視、電腦、烤箱、瓦斯爐…等)與室外的熱傳遞至室內(如透過牆壁、窗戶、門等)等,室外高焓值空氣的侵入,會同時將顯熱及潛熱帶入室內,人體則為潛熱的主要來源。整體室內的熱焓值的增加量,則需要空調機將其移除,以維持室內的溫度與濕度。因此,降低室內的熱負荷,也能有效地達成空調節能。此外,當空調機剛開始運作製冷時,由於室內環境尚處於較高的溫度與濕度,因此空調機是處於的高負載的條件,能耗較高。然而當室內溫度達到所設定的溫度與濕度後,僅須維持平衡,也就是將增加的熱負荷能量予以移除即可,對於空調機而言,是處於較低的負載條件下運作,此時空調機若具備變頻的功能,則可以降低壓縮機轉速與或風機轉速,達到節能效益。


        綜合上述,對於空調機製冷應該有了基本的認識;能否進行有效的冷凍循環、降低熱負荷與達到熱舒適性,將是空調機是否得以節能的關鍵,因此歸納幾點基本節能的建議:

  1. 選擇具變頻空調機,並有良好的CSPF能源效率值,使空調機在部份負載與因應不同季節的環境條件,皆能有好的能源效率。
  2. 不宜設定過低的溫度,在維持適當的濕度下,可以適當調高室內溫度值而維持良好的熱舒適性。
  3. 空調機運作時可以搭配室內循環風扇使用,如此不僅可以使溫度分布均勻,也可以在不影響熱舒適性的條件下,將室內溫度予以調高。
  4. 減少室內冷氣的外洩量,進而降低室外高焓值的熱侵入至室內,導致空調負荷增加。
  5. 定期檢查與清洗空調機室內機的蒸發器鰭片與室外機冷凝器鰭片,以免汙垢與灰塵的累積影響熱交換效能,導致空調機能源效率的下降。
  6. 確認包覆冷媒銅管的保溫管無破損與確實包覆,以確保冷媒得以進行良好的冷凍循環。
  7. 室內機與室外機皆留有足夠的空間進行空氣的對流,使其得以具備良好的熱交換效率。
  8. 空調機送風上游處避免流經發熱源,以免熱負荷帶入整個室內空間,使人感受較為不舒適,導致必須調低控制溫度以維持舒適性。