方煒臺灣大學:生物產業機電工程學研究所卓昆範Cho, Kun-FanKun-FanCho2010-05-052018-07-102010-05-052018-07-102008U0001-2407200816511600http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/180203本研究旨在建構結合熱泵與太陽能的熱水系統，熱泵可用來提供陰雨天候下所需的熱能以補傳統太陽能熱水系統的不足。自製熱泵熱水系統的性能係數 (COPhp) 可達3.8，相對於石英電熱管與電湯匙小於1的效能相比，可大幅降低加熱成本。 系統組成包括太陽能熱水系統、熱泵熱水系統、近端控制與遠端監測系統，太陽能熱水系統使用自製集熱器、鼓風機、雙層 PE 膠膜、抽水馬達、保溫水槽及相變材料等。200公升水槽中裝了160公升的水，加入40 kg 相變材料，可提升蓄熱量達68 %。熱泵系統使用壓縮機、蓄壓器、冷凝器、膨脹閥、蒸發器、液氣分離器等；近端監控使用可程式控制器 (PLC)，遠端監測除了使用PLC網路模組之外，亦增加使用可程式化介面控制與網路介面卡 (PICNIC)，兩套硬體透過 LabVIEW 建立使用者介面。 自製的熱水系統結合太陽能與熱泵，加上控制系統的總成本低於3.5萬元，比市售適用於四口之家的太陽能熱水器價格的一半還低。在高油價時代的現在，本研究應具備時代意義。目錄謝 i要 iibstract iii錄 iv目錄 vii目錄 xi一章 前言與研究目的 1-1 前言 1-2 研究目的 2二章 文獻探討 3-1 太陽能熱水系統 3-1-1太陽能熱水系統的類型 3-1-2集熱器蓋板 5-1-3自動調節太陽能熱水循環的控制方法 6-1-3儲水保溫桶結構 9-1-4過濾保護結構 9-1-5雙層充氣式塑膠布溫室 10-1-6相變材料 10-2熱泵熱水系統 12-2-1熱泵熱水器 12-2-2太陽能輔助型熱泵熱水器 14-2-3板式熱交換器 16-2-4用於蒸氣壓縮式空調或冷凍機高壓側之蓄壓及廢熱再利用機構 17-3 網路通訊及控制 18-3-1 無線區域網路 18-3-2 802.11的網路架構 18-3-3 控制及感測器 20三章 材料與方法 24-1 硬體與材料 24-1-1 感測、控制與通訊 24-1-2 太陽能熱水系統 30-1-3 熱泵熱水系統 35-2 軟體 42四章 結果與討論 43-1 置於雙層充氣膠膜隔成的保溫室內的太陽能熱水系統 44-1-1 太陽能集熱器 45-1-2 控制箱 49-1-3 溫度感測器的校正 49-1-3 相變材料 55-1-4 太陽能熱水系統熱能分析 58-1-5 自製太陽熱水系統成本 60-2 熱泵熱水系統組成與測試 61-2-1 有無使用蓄壓器對熱泵性能的影響 62-2-2 抽水馬達流量對熱泵性能的影響 65-2-3 冷凝器熱交換面積大小對熱泵性能的影響 66-2-4 蒸發器熱交換面積大小對熱泵性能系統的影響 68-2-5 管路重整對於熱泵性能的影響 70-2-6 膨脹閥開度對於熱泵系統的影響 73-2-7 三種熱水產生系統的比較 75-2-8 自製熱泵熱水系統成本 77-3 近端監控系統 78-4 無線遠端監測系統 81-5 遠端系統監控軟體人機介面 82-6 近端控制系統的成本 85五章 結論 86六章 建議 87考文獻 89錄一 結合太陽能與熱泵熱水器 PLC控制階梯圖 92目錄2-1 平板型太陽能熱水器 42-2 真空管太陽能熱水器 42-3 多重溫室型的太陽能熱水系統 52-4 自動循環加熱的控制流程示意圖 82-5 保溫桶結構剖示圖 92-6 熱泵熱水器熱循環圖 132-7a 太陽能輔助熱泵熱水器 142-7b 太陽能輔助熱泵熱水器外觀 152-8 太陽能輔助型熱泵熱水器與一般大氣取熱型熱泵熱水器耗電比較圖 152-9 板式熱交換器流場分佈情形 162-10 IEEE 802 規格家族系列與相關的 OSI 架構 192-11 傳統與 PLC 階梯圖接點比較 202-12 類比輸出/入信號擴充模組 212-13 PT-100溫度感測器 232-14 PT-100白金溫度感測器溫度特性 233-1 系統近端監控與遠端監測示意圖 253-2 可程式控制器 263-3 PIC Network Interface Card 273-4 PICNIC輸出入埠編號 273-5 白金溫度感測器的兩線式接線 283-6 多功能無線寬頻IP分享器 293-7 置於保溫室內的太陽能熱水系統示意圖 303-8 鼓風機 313-9 抽水馬達 323-10 自製保溫槽 323-12 封裝好的相變材料 343-13 相變材料在水槽中放置的示意圖 343-14 熱泵熱水系統示意圖 353-15 壓縮機 363-16 儲液器 (蓄壓器 A) 373-17 蓄壓器 (蓄壓器 B) 373-18 液氣分離器 383-19 小盤管熱交換器 393-20 大盤管熱交換器 393-21 板式熱交換器 403-22 具27迴路的蒸發器 403-23 可調式膨脹閥 413-24 R134a 冷媒在冷氣或熱泵循環中的壓力與溫度對照圖 424-1 結合太陽能與熱泵的熱水系統架構示意圖 434-2 置於雙層保溫膜內的太陽能熱水系統外觀 444-3 自製的第一代太陽能熱水系統 454-4 自製的第二代太陽能熱水系統 464-5 自製的第三代太陽能熱水系統 474-6 目前太陽能熱水系統的放置圖 484-7 控制箱 494-8 量測出水口內水溫之 PT-100 感測器的 PLC 讀值與校正溫度值之關係 504-9 量測出水口內水溫之 PT-100 感測器電阻值與校正溫度值之關係 504-10 量測入水口內水溫之 PT-100 感測器的 PLC 讀值與校正溫度值之關係 514-11 量測入水口內水溫之 PT-100 感測器電阻值與校正溫度值之關係 514-12 量測保溫室內氣溫之 PT-100 感測器的 PLC 讀值與校正溫度值之關係 524-13 量測保溫室內氣溫之 PT-100 感測器電阻值與校正溫度值之關係 524-14 量測相變材料之 PT-100 感測器的 PLC 讀值與校正溫度值之關係 534-15 量測相變材料之 PT-100 感測器電阻值與校正溫度值之關係 534-16 量測外部環境氣溫之 PT-100 感測器的 PLC 讀值與校正溫度值之關係 544-18 磷酸氫二鈉在吸熱與放熱過程中的溫度變化 554-19 月桂酸在吸熱與放熱過程中的溫度變化 564-20 160公升水體加入40 kg 相變材料或水的吸熱能力比較 594-21 熱泵熱水系統 614-22 熱泵熱水系統循環示意圖 624-23 有無使用蓄壓器A的系統加溫速率 634-24 有無使用蓄壓器B的系統加溫速率 644-25 不同流量下的加溫速率 654-26 不同冷凝器熱交換面積大小對熱泵 COPhp 值的影響 674-27 使用兩台蒸發器來配管改變熱交換面積 684-28 不同蒸發器熱交換面積對熱泵 COPhp 值的影響 694-29 管路重整前的熱泵系統 704-30 管路重整後的熱泵系統 714-31 管路重整前後的熱泵熱水系統的水溫變化 714-32 不同初始低壓對熱泵 COPhp 值的影響 734-33 不同熱水系統之水溫變化 764-34 不同熱水系統之吸熱量 vs. 耗電量 764-35 不同熱水系統之熱泵 COPhp 值 764-36 PLC控制策略流程圖 804-37 系統連線架構 814-38 PLC 遠端監測系統人機介面 834-39 PICNIC 遠端監測系統人機介面 84目錄2-1 三種蓋板材料性能綜合比較 62-2 相變材料特性分析 112-3 熱泵熱水器與瓦斯熱水器耗能費用之比較 132-4 類比輸出信號擴充模組輸出/輸入碼格式 223-1 熱泵與太陽能熱水系統控制策略 253-2 R134a 冷媒冷氣與熱泵循環中的壓力與飽和溫度 424-1 相變材料熱量變化 (放熱實驗) 574-2 太陽能熱水系統吸放熱實驗 (無相變材料) 584-3 太陽能熱水系統放置於保溫室內吸放熱實驗 (含相變材料) 594-4 有無使用蓄壓器A的熱泵性能 634-5 有無使用蓄壓器B的熱泵性能 644-6 使用不同抽水馬達流量的系統加溫速率 654-7 不同冷凝器熱交換面積對熱泵 COPhp值的影響 674-8 不同蒸發器熱交換面積對熱泵 COPhp值的影響 694-9 管路重整前後的熱泵性能 724-10 不同的初始低壓對熱泵 COPhp值的影響 744-11 不同天候下不同熱泵熱水器 744-12 三種加熱方式的效能比較 754-13 PLC 控制使用的階梯圖符號說明 79application/pdf1901641 bytesapplication/pdfen-US太陽能熱水系統熱泵相變材料solar water heaterheat pumpPhase Change Materialthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/180203/1/ntu-97-R95631007-1.pdf