環保節能新革命-碳氫冷媒的冷凍空調案例研究

環保節能新革命-碳氫冷媒的冷凍空調案例研究
當政府在大力推行無核家園的同時開始大力推廣綠色能源建設,其中以離岸風力與太陽能發電已然成為當代顯學。 然而這些大型建設不僅需要挹注龐大的資金,同時也需要相當多的條建配合才能達到此目標。顯然有點緩不濟急的狀態產生。因此我們可以考慮從比較簡單快速的領域著手則可以舒緩供電的壓力。我們都知道節省一度電比開發出一度電容易而且也有可能幾乎瞬間就可達成。因此尋找到可以快速節電的地地方就可以事半功倍。
 
根據能源局的統計,空調系統的使用量占大部分用電戶達一半以上的使用量。因此尋求減少空調用電的方法就成為非常可行的一個方向。同時因為冷凍空調設備早期使用的含氯有機化合物冷媒已經在1980年代發現會破壞大氣的臭氧層與而後續而起的替代物,含氟碳氫化合物雖然不會破壞臭氧層,但是近年來發現卻他們其實具有高度的溫室氣體效應。在科學家長期的採樣分析與追蹤研究後發這些替代冷媒確也會造成地球暖化的溫室氣體效應。例如汽車常用的R134a的溫室氣體當量就高達1,300,換言之,排放1公斤的R134a到大氣所造成的溫室氣體效應就相當於排放1,300公斤的二氧化碳所造成的溫室氣體效應一樣的效應。
 
近年來有許多自然冷媒逐漸的被深入研究作為新一代的環保冷媒,替換具有高度溫室氣體效應的氫氟碳(HFCs)冷媒,其中以碳氫冷媒、二氧化碳、氨等最為耳熟能詳。然而這些冷媒也有以些不盡人意的缺點,列如碳氫冷媒的可燃性、二氧化碳的高壓運行特性、氨氣的可燃性與毒性等等。然而現代科技以能克服這些問題,另外在人員訓練和設計方面也都能將這些負面特性降到可以接受的最低風險。
 
碳氫冷媒是這些新興環保冷媒中最富有潛力的一種,因為它的工作壓力比較小、使用量低(大約為氫氟碳冷媒使用重量的1/3左右)、工作壓力比較低進而相對的不僅可以減少耗電量(根據最新在印度的經驗顯示可節電達23%+)相對的也可以減少壓縮機的工作負荷而延長其使用壽命。另外它和現有的設備與潤滑油大多是相容的,因此不管在新系統的設計使用或是現有系統的直接更換都有其經濟性與方便性的優勢。
 
在2012年,印度Godrej & Boyce Mfg. Co. Lt 在德國的技術協助下[由德國GIZ Proklima根據德國聯邦環境與自然保護和核能安全部的國際氣候變遷前導計畫和印度政府環境與森林不的臭氧辦公室合作執行],啟用新增的一條製造使用R290的分離式與窗型冷氣(ACs)的生產線正式將產品上市[1]。根據報告R290(丙烷)技術是一項非常環境友善的方案,甚至是在高的環境溫度下也可運作。例如在印度最普遍使用的1.5T分離式冷氣等級,Godrej 5星級 R290冷氣可以比目前市面上各品牌的同級5星級產品省電達23%之多。
 
在2015年底,已經售出超過100,000套HC-290碳氫冷媒分離式冷氣機系統。GIZ Proklima和該公司對該系統的生產使用進行回顧其開發過程和挑戰並提供其安全性和可靠性的現況分析並歸納出一些結論。到2015年底為止本產品展現良好的可靠性和安全紀錄。從這個品質資料庫可以歸納出下列的主要問題::
  1. 有一些實際的阻礙案例就是因為室內機和室外機之間的距離較長而需要拉較長的管線,因此需要增加冷媒填充量而造成冷媒使用量超過規範的限量。
  2. 有少數的客訴(少於30件)是因為冷度不足,如果以百分比作為比較則幾乎和使用HCFC-22的冷機器遇到的狀況差不多。
  3. 有少於90件的電路故障問題是因為馬達和電路板的因素。
  4. 有少數的壓縮機故障(少於80件):然而這些都只是在安裝時的問題,並且大多是因為機組運送過程中造成的,列如室外機被側放或是倒放等狀況。
  5. 與HCFC-22冷氣的相對數量比叫,HC-290冷氣的故障比例相對的少很多。
  6. 最大的缺失就是有少於500套系統有此問題冷媒滲漏,這相當於年度滲漏率(以顯現有滲漏系統的百分比)小於0.3%,這個百分比是被認定為相當低,因為在蒙特婁公約第5條款國家的典型洩漏率是在10-15%的範圍之間。
 
最顯著的就是室內機或是室內機和冷媒管的接頭完全都沒有洩漏的問題。絕大部分的洩漏都是發生在檢修閥門,其他的就在冷凝器和壓縮機管路發生。系統的置放和充填量和使用的房間之空間大小和可燃性安全風險有關聯(因為這是影響風險的程度)。最大允許填充量和實際填充量根據EN 60335-2-40: 2003+A2 (2009)決定。冷媒的填充量是在規範所設定當災難性的洩漏發生時,這些”可以被洩漏出”的冷媒仍然會在規範設定的容許量以下。進行過的風險評估模擬結果顯示這種情境的風險度仍然是顯著的可以被忽略的程度。這種可燃性HC-290冷媒的使用的零意外紀錄可以有力的支持這個結論。
 
其實, 比印度經驗更早許多年,在2000 年代初期澳洲的Benson Air Conditioning [現在的Benson Global Pty Ltd] 就已經開發上市使用R290的各式冷氣系統,其壁掛分離式冷氣系統容量從2.4 kW 到12.5 kW而有通風管的分離式機種則為3.5 kW 到 100 kW.所有的系統都使用R290 ,壁掛分離式機種的填充容量從0.2 kg 到大約 1 kg左右.在參考文件[3]於2010年發表時的4年間已經在澳洲與其他地方銷售出幾千套的產品。同時,也沒有發生過碳氫冷媒洩漏的意外事件。Benson  所有機種的設計都以澳洲標準AS1677-1和AS1677-2作為最基本的標準另外再採用額外的措施以達到操過澳洲標準的設計,而這些設計和製造也都有經過第三方的核可。最特別的是Benson的CEO和設計師Steven Smitm更堅持針對的特性進行設計而非只是套用HCFC或HFC的設計理念而已。所有參與Benson R290空調系統生產、製造、安裝與維修的技術人員都需要接受由澳州政府(TAFE)所經營的適當與特定教育訓練和Benson的內部教育訓練。
 
考量到無論如何碳氫冷媒有在室內洩漏的潛在可能性,另外考慮到加強能源回收的永續環保功能,Steve更著手研究設計出具有強大熱水回收和能夠在寒冷的冬季提供暖氣的熱泵冷暖氣熱水系統Benson ACHW。此系統設計將R290冷媒迴路縮小到只在室外機的機箱內,如此一來就不會有碳氫冷媒在室內洩漏而造成風險的可能。當室外機出廠後就沒有人會去接觸或影響到冷媒系統。因而杜絕了在安裝現場接管與填充冷媒的所有可能的風險。而使用水循環系統則可以增加區域性系統的擴充性與彈性操作,進一步的提生使用效率。此系統不僅在夏天享受冷氣時可以有免費的熱水可以使用,而彈性的設計更提供了單獨使用熱泵熱水、單獨冷氣、暖氣、暖氣+熱水、冷氣+熱水等5 大操作功能[4]
 
以下為Benson 熱泵熱水系統的一個實際運行案例:
 
難以置信的冷氣熱水系統測試
澳洲布朗兄弟酒莊實驗室20116月日
 
這套12kw 系統在環境平均溫度只有5.65oC的環境下,在不到1個小時內,將320公升的水從19oC加熱到56oC。19 to 56`C IN JUST LESS THAN ONE HOUR @ an average temperature of only 5.65`C. (密閉循環熱交換桶)
 

照片中為安裝完成的系統. (照片中的綠色水泵現在已經可以裝設在主機箱內).
 
本系統為12 kw 冷氣熱水系統,藉輸送管提供冰水(免費熱水)或熱水給室內機或同時或獨立扮演熱泵熱水系統。本系同可以被修改,室內迴路可以設定為冰水冷器或熱水暖氣,並且可以適用於一對多系統(分區控制)。 例如白天是使用1個12kw管路系統和夜間使用5個獨立的2.5kw壁掛式系統在不同的臥房使用。(當使用1對多系統時需要有一個緩衝用水桶)。如果以澳洲沖澡標準水溫45oC為準,本系統在啟動後38分鐘就達到這個溫度。

更多詳情洽詢:
澳大利亞商澳洲商業控股有限公司臺灣分公司 (AMHTW) 莊乃洵
Email: amhtaiwan@gmail.com, amhtaiwan@outlook.com
 
參考資料:
  1. http://hydrocarbons21.com/articles/3087/indian_manufacturer_launches_r290_ac_production_line
  2. “The first 100 000 HC 290 split air conditioner in India”, D. Rajadhyaksha a, B.J. Wadia a, Abhijit A. Acharekar a, D. Colbourne b,* a Godrej & Boyce Mfg. Co. Ltd, VikhroliWest, Mumbai, India b c/o GIZ Proklima, Dag-Hammarskjöld-Weg 1-5, 65760 Eschborn, Germany
  3. Guidelines for the safe use of hydrocarbon refrigerants: A handbook for engineers, technicians, trainers and policy-makers - For a climate-friendly cooling Eschborn, September 2010, Published by:Deutsche Gesellschaft für Technische Zusammenarbeit (GTZ) GmbH – German Technical Cooperation – Programme Proklima
  4. Benson Global Pty Ltd., 官網 www.bensonachw.com
 
  1. 為臺灣提供澳洲環保節能產品碳氫冷媒HyChill www.hychill.com.au 和Benson冷暖氣熱水熱泵系統/ 電漿負離子空氣清淨機/ 可燃性氣體/一氧化碳偵測氣和阻斷閥
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