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太陽能輔助二元高溫熱泵系統可行性分析

本研究目的為藉由太陽能與二元系統輔助，以提高熱泵的儲水溫度，可提供住宅所需熱水，使用水可瞬間加熱並可減少儲熱水桶體積；用於低溫工業製程，可取代鍋爐或作為鍋爐預熱工具，減少溫室暖化。實驗中運用HFC-245fa低壓冷媒特性來製造熱水及蒸汽與提升系統的COP，並藉由動態測試條件，設計完整的實驗方法與流程，分析各實驗參數對系統性能之影響，最終探討具有環保觀念與節能功效的高溫熱泵系統之可行性。 實驗結果顯示，利用白天所得到之熱能儲存於低溫儲熱桶並於夜間使用，以較高的儲熱桶溫度啟動高溫熱泵系統，可得到較快的加熱速率與高溫之性能係數。當運轉初期低溫儲熱桶溫度55°C時，運轉模式以太陽能輔助高溫熱泵系統運轉，其平均COPH,s為4.77；當低溫儲熱桶溫度低於43°C時，則切換以二元高溫熱泵系統運轉，其性能係數隨著低溫側冷凝溫度上升而達到穩定運轉，其平均COPH,c為1.99，整體運轉平均COPH,t為3.05。採用太陽能輔助二元高溫熱泵系統其節能效益，比電熱加熱可省70%，比天然瓦斯加熱可省41%，比液態瓦斯可省57%最後比柴油鍋爐加熱可省59%。

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以計算流體力學模擬煙囪排氣對外氣空調箱進氣品質的影響。

近年來半導體產品線寬已躍入奈米級要求，意味其產品元件易受到環境品質所影響，一般在半導體工業潔淨室常見的環境污染以氣態分子污染物為主，已有不少案例證實其對晶圓缺陷有直接關聯，包含腐蝕、成形異常或電性異常等問題。潔淨室主要空氣來源為外氣空調箱(MAU)進氣口，其通常位於建築物屋頂或側牆，因此容易受到同樣位於建築物屋頂的煙囪所影響，當煙囪排出廢氣，經由大氣擴散及外氣空調箱的吸引力，重新導入潔淨室內產生二次污染。 本研究透過計算流體力學軟體進行分析，以廠區相關數據建立模型，針對不同天氣型態多種污染物擴散結果進行討論，並預測污染物對外氣空調箱進氣口影響情形。結果顯示，對新建廠外氣空調箱進氣口影響最大者為夏季盛行風，CUP棟則為影響最大者則為夏季靜風；外氣空調箱進氣口位置由外側改至內側，不一定有利於改善進氣口污染物濃度；將緊急電機煙囪位置從側牆改至屋頂時，外氣空調箱污染程度皆比原先位置嚴重。建議未來新建廠可利用模擬結果進行規劃、設計。

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高科技廠房耗能分析軟體開發

我國電子業主耍以半導體及光電製造為主,依2013 年台電資料，電子製造業耗電佔我國總電力17.16%,以無塵室為生產基地之廠房耗能為其大宗,年耗約500 億度電,與石化業近,甚高於全國住宅耗電,可見高科技製造業實為一高耗能產業。以半導體廠為例, 廠務系統佔全廠耗電約50%，製程設備約佔46%, office 耗電約佔 4%；其中空調、及排氣系統等又佔廠務系統七成以上。除歲修外，大部份的廠務為24 小時運轉，因此節約廠務系統用電，可將空調列為第一優先。高科技廠房(high tech fabrication plant, 簡稱 Fab)，有別於一般商用空調系統，需要大量外氣的引入，因此常將外氣與循環空氣分別處理，外氣以外氣空調箱獨立處理，這樣做的好處是節省了風管的設置空間及風管壓損造成的耗能。eQUEST 與DOE II 等一般建築耗能分析軟体, 其所能處理之空調系統為外氣與回風混合再經由空調箱處理之集中式系統，不能處理需要大量外氣引入之高科技廠房空調架構。且沒有包含如製程冷卻水系統、壓縮乾空氣系統、氮氣系統、真空系統、以及排氣系統等之廠務系統用電。Fab 製程設備的冷卻和eQUEST, DOE II 等所處理的亦不相同，Fab 主要的製程設備大多有用到製程冷卻水。因此在高科技廠房的綠建築標章之推行, 若只含蓋建築耗能，則可謂見樹不見林。長久以來沒有以 Fab 為主要標的耗能分析軟体。有鑑於此，開發一高科技廠房耗能模擬軟體(Fab Energy Simulation, FES)作為節能案例評估之輔助用。FES計算高科技廠房之空調系統、製程機台(Tool)、廠務系統、燈具、風機與水泵耗電。FES在MAU耗能計算擁有創新的功能，使用者可自行排列MAU內元件與選擇各元件的出口控制方式，與其他軟體相比更為符合實際情況。FES已與ISMI CleanCalc II驗證比較誤差在7%內，與實際8吋晶圓廠驗證比較誤差則在4%內，因此FES具有一定的可信度。本篇利用FES對8吋晶圓廠進行多種的節能案例分析，得知直接從設備上進行節能改善，可獲得較高的節能效益；反之，直接在末端元件或空氣側進行節能改善，則獲得的節能效益並不高。

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醫院應用熱泵輔助太陽能熱水系統之能源分析

本篇研究針對實際醫院建築案例進行模擬分析，以探討該案例採用熱泵輔助太陽能熱水系統之效益，並且本研究利用EnergyPlus模擬市面上三種建築常用之熱泵熱水系統、太陽能熱水系統、熱泵輔助太陽能熱水系，比較其優缺點，最後依模擬結果與經濟評估進行探討。 模擬結果顯示，熱泵熱水系統整年度耗電量為5279.91[kWh]，太陽能熱水系統為5284.85 [kWh]，熱泵輔助太陽能熱水系統為4314.91 [kWh]，再依價格成本與回收年限來看，熱泵熱水系統造價成本為1071000元，回收年限0.385年，太陽能熱水系統造價成本為1893150元，回收年限0.684年，熱泵輔助太陽能熱水系統造價成本為2548350元，回收年限0.436年。 模擬結果顯示太陽熱水系統EUI值最高，且回收年限最高，耗電量也是可觀，相對比較下，熱泵輔助太陽能熱水系統EUI最低，回收年限也比太陽能熱水系少，以一年可回收費用來說比太陽能熱水系統及熱泵熱水系統高出許多，這對醫院公家機關以經濟價格方面來說是比較好的，因此，兩相比較下，顯示此醫院案例選擇熱泵輔助太陽能熱水系統是相對較佳的方案。

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家電故障診斷技術開發

本研究嘗試利用智慧插座(Smart socket)截取用戶端電器數據並對家電故障進行故障預判，針對三類型家電包括主動型、被動型及混合型，包含LED照明燈具、開飲機以及電鍋等家中常用電器，掌握各類電器起停狀態，瞬間耗電量及使用期間耗電情形，並嘗試藉由蒐集到的資料，分析電器老舊或異常耗能值，預警其異常，並發出警訊，加強電器安全管理。 然而在實際利用智慧插座進行數據蒐集及故障預判時，發現利用智慧插座每三分鐘離散的資料蒐集，雖可有效分類電器類型卻無法有效進行故障之診斷，，因此嘗試在智慧插座上加裝一高速型比流器，以高達MHz的頻率對電器進行掃描與資料蒐集，並利用電紋識別技術(Power signature analysis)對電器做進一步分析。 目前，若僅用於智慧插座對針對12種電器分類可達84%的分類成功率，再利用電紋識別技術，可在LED燈具即將故障前(80~90% of life time)預警，正確預警機率達成80%。

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真空製冰效益分析

傳統的空調系統製冷方式主要是藉由蒸氣壓縮循環方式進行製冷，並藉由冷媒做為蒸汽壓縮循環之工作流體，進行壓縮、冷凝、膨脹及蒸發過程而達到吸熱與放熱之目的。然而此製冷方式主要缺點為壓縮機需要極大的功率與冷媒的環保問題。本研究主要是希望利用真空製冷方式，以取代傳統蒸氣壓縮循環，真空製冷主要是利用真空泵浦來維持系統內真空壓力，使水在真空狀態下快速蒸發，從而製冷。本研究所開發之真空製冷系統特點為以水作為冷媒，因此不會破壞臭氧層，且亦減少二氧化碳排放之問題。傳統製作1kg冰時，必需等待整個1kg水溫下降至結冰溫度，才能產生冰，其等待時間較長，以真空噴射成冰法，由於噴入定量水瞬冷成冰，故可以分段使用其冷凍能力，相較傳統製冰法可較快開始使用其冷凍能力。本研究針對在各種不同流量下的製冰效率進行評估，研究結果可推論當製造1kg冰且流量為0.24LPM(0.06LPM噴嘴4支)時，其性能係數約可達到3.8~4.01，本研究證明水可作為冷媒的一種，相較於傳統冷媒，水為完全為零臭氧破壞潛勢(ODP)和零全球暖化潛勢(GWP)，真空噴射製冰法可以達到更高的效能及更好的環境友善度。

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創新冷暖輻射地板空調性能之全尺寸實驗研究

輻射熱傳技術不需要透過空氣做為介質，可以藉由冷或熱的表面直接對人體產生輻射加溫或冷卻的作用，因此在相同的室溫條件下，輻射效應可使人類的體感溫度更高或更低，增進暖氣或冷氣的功能。輻射熱傳與傳統的對流熱傳相比，在舒適性能方面可以降低風量及噪音，空間節約方面可與天花板、牆壁或地板結合，能源節約方面可以採用自然界的免費熱源供暖和冷源製冷，例如冬天利用太陽能、地熱或廢熱排水，夏天採用山泉水、溪流水或地下水等。 為測試輻射地板空調技術應用之可行性，本實驗與廠商合作建造一全尺寸之實驗屋，於臺灣桃園大溪地區之受日照平地上，搭建一組合式房屋，房屋內隔間成兩形狀及大小均相同的A、B實驗室，作為實驗組與對照組以進行實驗。另製作足量之可組合式創新冷暖輻射地板模組，於夏季與冬季分別在實驗組A室內組裝並連結後，進行全尺寸及全天候的空調性能實驗研究， 24小時不間斷的收集室內溫度、黑球溫度、相對濕度、太陽輻射強度、模組進出水溫及水流量等相關空調性能數據進行分析。 經過計算及實驗的驗證後，輻射地板空調技術在臺灣地區冬季天候下，由於熱浮力所產生之自然對流效應使得供暖性能良好，供暖模式之空調性能可達120W/m2。夏季天候時由於臺灣地區之空氣比較潮濕，使得空氣中之露點溫度高達24℃左右，在冷卻模式運轉之輻射地板表面容易產生結露現象，因此必須搭配移除外氣潛熱之處理設備。但是實驗發現當炎夏陽光透過玻璃窗戶直射在輻射地板表面時，模組的吸熱性能很容易就能夠提高到100 W/m2以上。因此，輻射地板在冷卻空調應用時，尤其適合設計在建築物外周區等採光區域，有利於吸收太陽輻射熱源，降低室內人員之體感溫度來增加舒適感。

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電動車冷暖空調耗能因子與節能潛力分析

電動車能源損耗除了動力系統外，空調能耗占比最大，為電動車主要電力負載之一。使用電動壓縮機取代傳統皮帶驅動壓縮機，並可依不同車速與不同空調需量以控制策略調控電動車空調運轉情況，產生相對應空調需量來減少能耗，提高續航力。本研究以具冷暖氣的電動車空調實驗系統，針對相關耗能參數進行測試，包括電動壓縮機轉速、電子膨脹閥開度、冷凝與蒸發風扇電壓等，分析相關耗能參數與不同空調需量的壓縮機節能效益，並依不同空調需量與各參數條件建立不同的運轉模式，包括快冷模式與省電模式，作為未來電動車冷暖空調發展之基礎。 研究發現電子膨脹閥開度為影響蒸發壓力之關鍵，相同壓縮機轉速下亦會影響系統能力的大小。在車輛行駛時，採風扇節能控制，相對於未使用任何節能控制，冷氣模式節能約10%，暖氣模式節能約10.8%；採相對應空調需量運轉之壓縮機轉速控制，與固定壓縮機之耗功相比，冷氣模式節能約27.1%，暖氣模式節能約30.8%；採風扇節能控制搭配壓縮機轉速控制，與固定壓縮機之耗功相比，冷氣模式節能約37.1%，暖氣模式節能約41.5%。

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螺旋管熱交換器殼側熱傳特性研究

螺旋管熱交換器結構簡單、製作容易，其原理係利用螺旋曲率造成離心力作用產生二次流效應，增強其對流熱傳效果。目前廣泛應用於熱水熱交換器。其熱傳特性與螺旋圈徑、螺旋管圈節距、管圈數、曲率比等參數有關。文獻當中大多數為討論螺旋管熱交換器在固定高度下所變化的圈數、雷諾數(Reynolds Number)或螺旋管節距與不同的散熱面積下的螺旋管熱交換器之熱傳特性研究。在固定熱傳面積下，探討熱傳特性與上述相關參數的關係，則鮮少相關研究。因此，本文針對螺旋管熱交換器在固定熱傳面積下改變其螺旋圈徑、圈數、螺旋管節距與不同高度，進行其熱傳特性研究。在實驗過程中使用威爾森繪圖法計算殼側熱傳對流係數，經不準確定性分析計算其螺旋管熱交換器之誤差值δℎ표표在20.351 %以內。實驗結果顯示，螺旋管熱交換器之特傳特性與眾多參數相關，其中螺旋圈徑、曲率比、螺旋管節距等參數都將對螺旋管熱交換器之特傳特性具有重大之影響。例如增加其螺旋圈徑時，會導致離心力與壓降降低，使得熱傳特性降低。而增加曲率比、螺旋管圈節距時，會導致二次流效應的增強和增加螺旋管之散熱區域，使得熱傳熱傳性能較佳。

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滴淋式蒸發器之液滴與氣流數值模擬分析研究

本研究旨在探討滴淋式蒸發器內部流場變化，避免液滴被冷媒蒸氣所夾帶，並避免大量的液滴被帶入壓縮機，進而延長壓縮機的壽命。本研究以工作流體為冷媒R-134a 的100冷凍噸冰水機之滴淋式蒸發器為研究對象，於蒸發器內設置一百葉型液滴攔阻裝置，防止壓縮機液壓縮。以計算流體力學分析軟體(ANSYS FLUENT)進行數值模擬分析，研究蒸發器及百葉裝置之冷媒氣流與液滴的流場，並找出造成液滴飛濺特性和百葉攔阻裝置的可行性。模擬結果顯示加入百葉可降低液滴夾卷率；當流場最窄小處之最大速度為5m/s時，原蒸發器的液滴夾卷率在液滴粒徑1mm時為17.8%；液滴粒徑2mm時為13.6%；粒徑3mm時為8.4%。蒸發器在加入三種葉型中的最佳百葉後，三種液滴粒徑在同樣的速度下之液滴夾卷率分別下降為：7.15%、3.5%和0.33%。當蒸發器加入百葉時壓損值約增加了78~972Pa，而此壓損所造成飽和溫度下降僅約0.0065~0.081℃，對蒸發器的整體性能影響不大。由此可見百葉型液滴攔阻裝置具有可行性。