從「京都議定書」與「高油價時代」看熱泵熱水器
李政鴻
高雄市前金國小教師兼資訊執行秘書
高師大工業科技教育所研究生
今年（2005）
近年來由於中國及印度等經濟體的快速發展，促使全球石油需求面的擴張，因而造成國際油價持續的高漲。高油價除了對國家經濟造成不利的影響外，在於交通費用、物資與能源（燃油、電等）價格等民生需求上更是會產成莫大的衝擊。
不論是就《京都議定書》的影響或高油價的趨勢，在在都象徵著綠色消費時代的到來。因為能源成本的提高，高油價、高電費的趨勢，影響了民生消費的支出，人們勢必會逐漸選用自然材質製造的產品，以減少廢棄物的產生，回收可以再用的東西，並努力節水省電（董珮真，2005）。
目前國內熱水器的市場上，仍以燃氣（瓦斯）或電能為供能加熱的機型居多數，這些傳統設計的熱水器在環保意識及節約能源的考量上，已顯得落伍且不符需求。2005年獲得「首屆中技社科技獎」的五位環保、能源學者中，台大機械系
一、熱泵原理探究
法國人卡諾（Nicolas Leonard Sadi Carnot，1796.6.1-1832.8.24）在一八二四年出版的《關於火的動力考察》裡面有詳細的說明了「卡諾循環」。他指出熱從高溫物體移到低溫物體時才會產生動力，並認為最理想的機械應該具備：由帶著活塞的汽缸裡面的氣體所產生的等溫膨脹、絕熱膨脹、等溫壓縮、絕熱壓縮等四種循環過程（又稱卡諾循環）（賴紹榮、周更生，2004）。
「熱泵」是指將低溫熱源的熱量轉移到溫度高於環境溫度的物體，從而獲得熱量的機器和設備（〝熱泵〞，無日期），其熱量轉移的方向與「卡諾循環」是相反的，所以熱泵利用的就是逆卡諾循環的工作原理。台大
圖一、冷氣機（熱泵）
「熱泵熱水器」的原理與冷氣機其實是相同的，只不過冷氣機的需求端是冷卻，而熱泵的需求端是加熱。冷氣機製造冷氣過程中，將往外面排出的熱氣能量(QH)，排入儲水槽中，製成熱水以供使用，這樣就可回收原本要排放到室外的熱量，將其轉變成有用的資源。因此，冷氣機除了產生冷氣外，從製造熱水的功能來看，它也可變成一部「熱泵熱水器」（如圖二）。而在製造冷氣的過程中，也會產生除溼作用，所以「熱泵熱水器」兼具熱水、冷氣、除濕的多重功能，是典型的綠色環保器具（黃秉鈞，2002）。
圖二、熱泵熱水器
當屋內不需冷氣時，熱泵熱水器可以設計成從空氣中吸取熱能，排出的熱氣能量(QH)，仍然導入水槽中，製成熱水，這就是「大氣取熱式熱泵熱水器」（如圖三）。地球上的大氣層時時在吸收太陽能，所以這種「大氣取熱式熱泵熱水器」也是太陽能應用的一種（黃秉鈞，2002）。
圖三、大氣取熱式熱泵熱水器
二、熱泵熱水器的優缺點：
（一）熱泵熱水器的優點可概括以下幾點，
1.
不受天候影響運作：
利用太陽能集熱器來吸收太陽輻射熱量的「太陽能熱水器」，因為是直接吸收太陽輻射能，所以會受到日照與天候等因素而影響運作，在陰雨天或日照不足的天候就無法使用了，因此大多數的太陽能熱水器系統都必須裝設輔助加熱器，利用其他能源（例如電能、瓦斯）來加熱。
然而熱泵熱水器就沒有這種〝看天吃飯〞的缺點，由於加熱熱源來自空氣，而大氣層吸收了太陽能加上了溫室效應，因而氣溫變化緩慢，幾乎不會受到日夜與天候的影響。
2.
節約能源：
熱泵熱水器無論是回收冷卻系統的廢熱或是吸收環境空氣中的熱量，理論上都只在壓縮機運轉時消耗電能，這比電能熱水器或瓦斯熱水器節省能源許多，圖四是黃秉鈞（2002）對三類熱水器耗電的測試結果，從中可看出熱泵熱水器節能的具體實證。
圖四、三種熱水器的耗電比較
3.
環保：
熱泵熱水器不像燃氣熱水器會產生二氧化碳（CO2）這類溫室效應的氣體；以日本東京晴海商業區為例，70%需要空調的場所均使用熱泵來調節室內溫度，與採用傳統技術相比，二氧化碳氣體排放量減少了61%（何德功，2004）。同時也不會產生廢熱影響氣溫。另外因其節約電能的效應，減少的電能消耗也可降低發電過程對於環境的影響。
4.
安全：
燃氣熱水器因使用不當而引起的氣爆、中毒等安全事故時有發生，而電能熱水器也存在著因設計不良或機件老化而發生漏電的安全隱憂。熱泵熱水器由於其設計的工作原理，自然的避免了這類氣爆、中毒或漏電的安全問題。
（二）熱泵熱水器採用上的限制：
1.
目前產品價格過高：
由於熱泵熱水器的系統包括了壓縮機、蒸發器、管路和儲水箱等部分，機器結構較為複雜，因此在材料與製造成本上自然偏高；同時目前產品的銷售率低，機器難以大量生產，整體的成本難以降低，而無法在價格上與電能或瓦斯熱水器競爭。
以日本為例，每台熱泵熱水器售價60萬日元（1美元約合110日元），即使有政府補助，也比一般熱水器貴15萬日元（何德功，2004）。
2.
機器佔空間：
熱泵熱水器由於系統結構較為複雜，再加上儲水箱等設備，需要使用較大的空間來安置系統，所以使用者在採用時必須考量到空間的問題。
3.
氣溫低時不適用：
限於工作原理，一般熱泵系統在外界氣溫低時，熱效率會變低甚至無法運作，所以熱泵熱水器就不適用於寒帶地區或寒流來襲的季節。
4.
加熱熱源溫度低：
熱泵熱水器受限於壓縮機出口溫度的限制，因此其所能供應的熱水並無法達到太高的溫度，除非是採用特殊的壓縮機才可提供較高的加熱溫度。一般熱泵熱水器所能供應的熱水溫度上限約為70∼
三、研發上的展望
（一）使用自然環保冷媒：
二氧化碳CO2在地球上是取之不盡、用之不竭的自然物質，在CFC（氟氯碳化物）尚未問世前，CO2冷媒（冷媒代號R-744）就已在冷凍空調系統中已扮演著重要的角色，但後來因為工作壓力太高以及效率等問題，逐漸被其他冷媒所取代，近年由於科技的進步與日益注重的環保問題，使得其又成為注目的焦點。CO2具有高容積比的體積冷凍能力特性，與HCFC-22（一種不完全鹵化氟氯碳化物，目前常用的冷凍空調系統冷媒）相比較高出約5倍，因此可使系統的尺寸大幅縮小（劉家宏，無日期）。
日本近年對於自然冷媒CO2熱泵熱水器的研發與推廣不遺餘力，例如：Sanyo、Hitachi、Daikin、Hitachi、Matsushita、Mitsubishi等廠商皆已公開銷售CO2熱泵熱水器，並且逐漸克服了低氣溫環境無法使用及熱水溫度偏低的技術問題。而日本政府除了補助廠商開發CO2熱泵熱水器”ECO Cute”等產品的措施外，也對一般消費者實施補貼制度，以擴展熱泵熱水器的使用率。所以日本的熱泵熱水器銷售市場，在2004年的會計年度銷售超過120,000台，比2003年的銷售量高出1.5倍，且因使用自然冷媒（CO2），使成長速度十分驚人（劉家宏，2005.5）。
採用CO2自然冷媒有許多優點，例如：無毒性、不可燃、不會爆炸、極佳的熱力性質等外，更有著不會破壞臭氧層以及溫室效應極低等對於地球環境不會造成不良影響的環保特性。在「京都議定書」生效後，限制溫室氣體的排放成為人類生存的重要議題，CO2冷媒勢必將成為熱泵產品在抑制地球溫暖化氣體中重要的發展趨勢之ㄧ。
（二）採用複合多能源式的設計：
四、結論
大林慈濟醫院採用熱泵替代鍋爐熱水器的方式，每年可省下113萬的費用（〝推廣環保、節約新觀念
大林慈濟醫院觀摩會好熱鬧〞，2005），而花蓮慈濟綜合醫院停用蒸氣鍋爐，增設熱泵熱水系統後，每年也可節省油料
既然熱泵熱水器本身的優點這麼多，但是目前我國在使用的普及率上卻未成正比，其中原因為何呢？如果先拋開產品本身使用的限制（空間、熱水溫度等）不談，產品售價以及民眾的綠色消費認知是其中相當關鍵的因素。熱泵這個名詞對於普羅大眾而言仍是相當陌生的，更遑論能深入了解其在環保與節能的實質意義，再者目前相關產品的價格太高（往往是其他類型熱水器的數十倍以上）並缺乏品牌大廠的優勢行銷，如此更是無法說服消費者採用。所以如何降低價格與促進民眾的綠色消費認知，是熱泵熱水器未來能否延續發展下去的重要課題。
一般定義新能源為再生能源與氫能等傳統石化能源以外的能源，而符合環境永續發展，可循環再利用的能源則稱為再生能源，包含太陽能、風能、生質能 …等。不過新能源並不能完全取代傳統能源，因為不論是太陽能或風能均取決於自然的條件，因此有供能不穩定的問題（新能源（（太陽能、風力發電））設備產業特性，無日期），所以以熱泵作為提供熱水器輔助能源的方式，或是在廢熱的回收、再生上，都能讓熱水器的實用性、環保與節約能源上更深具意義。
節約能源決定未來家電技術的走向，尤其是以環保為前提條件。熱泵熱水器採用空調產品中逐漸成熟的大氣熱泵（風冷冷熱水空調機組）技術，吸收環境（室內或室外）中的熱量，通過逆卡諾循環的工作原理來加熱用水，這種節能技術順應了時代的潮流，使其未來的發展具有開闊與無限的前景。
參考文獻
何德功（2004）。綜述：日本熱泵節能引人矚目。新華網。
政府機關學校耗能指標指導手冊（2005）。財團法人中技社。
推廣環保、節約新觀念 大林慈濟醫院觀摩會好熱鬧（2005）。
黃秉鈞（2002）。熱泵技術的應用。
新能源（太陽能、風力發電）設備產業特性（無日期）。工業技術研究院。
節約能源推廣服務成功案例（無日期）。台灣綠色生產力基金會-節約能源中心。
董珮真（2005）。京都議定書帶來什麼衝擊？錢雜誌，四月號（222期）。
劉家宏（2005）。日本熱泵熱水器市場持續成長。蒙特婁議定書資訊電子報。
劉家宏（無日期）。使用自然冷媒－CO2的熱泵熱水器。蒙特婁議定書資訊電子報。
熱泵（無日期）。
賴紹榮、周更生（2004）。熱力學發展簡史。科學發展，377期，P11。