整合熱水控制系統(IHCS)介紹
游文通 吳三明 * 康文杰**
前言
近年來，石化燃料價格上漲已成為鍋爐用戶極大的壓力。除了運轉成本大幅上漲之外，鍋爐領域越來越多人在討論的CO2排放也比空污與鍋爐安全等議題更為人關注。據統計，國人經由燃燒產生的CO2排放，從1990到2005年增加130%，平均每年增加5.7%。台灣人均排放量由1990年的5.61公噸增加到2005年的11.41公噸，已超過OECD國家11公噸的水準。
台灣在2009年全國能源會議已確立2025年節約5,643萬公秉油當量目標。其中產業與能源部門目標節約3,770萬公秉，主要藉由能源效率管理、馬達與鍋爐效率提升等方法達成目標(註1)。國際能源總署IEA更提出全球2050年達成CO2排放減半的具體目標。以鍋爐業者統計，美國有將近20%的溫室效應氣體(GHG)跟工業與商用鍋爐的使用有關(註2)。這些技術數據與政府政策目標確立之後，短期內勢必對全球鍋爐業者的技術與市場發展產生重大影響。
熱泵與鍋爐
熱泵作為空調用暖氣的供應設備，發展已有數十年的歷史。台灣身處亞熱帶氣候區，常年氣候適中，除了少數地方，空調暖氣需求較小，熱泵發展受到侷限。近幾年全球油價高漲，電價相對起來較為平穩，與鍋爐相較，以電力驅動壓縮機提供熱源的熱泵運轉費用明顯較低，加上政府大力推廣能源服務業ESCO，商用熱泵才有較為明顯的發展。
熱泵的原理與一般冷氣相同，均由壓縮機、冷凝器與蒸發器、膨脹閥與冷媒以及其他零配件組成，如下圖(註3)。冷氣的需求主要發生在蒸發器，經過控制的冷媒再蒸發器會由低溫的液態冷媒吸熱蒸發而成為氣態冷媒，過程中就會對蒸發器的熱介質(空氣或水)吸熱，從而產生冷氣。熱泵的作用主要在冷凝器，高溫的氣態冷媒在冷凝器中冷凝成液態冷媒，同時對熱介質加熱，產生高溫空氣或水。
如同溫水鍋爐一樣，熱泵也能提供一定溫度的熱水。但二者原理不同，應用也各有不同限制，業界也持續的累積實際經驗之中。熱泵與鍋爐設備特點說明如下表(註4):
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比較項目
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熱泵
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鍋爐
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備註
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設備成本
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較高
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較低
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以相同供熱量比較
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運轉成本
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25%~75%
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100%
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以油價NT20/L, 電價NT2.5/度計.
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保養與工檢
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壓縮機與冷凝器
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冷凝器. 工檢需求
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熱泵無工檢需求
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出水溫度
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嚴格限制
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彈性較大
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熱泵效率與出水溫度與環溫有關
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環境溫度
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影響效率與制熱量
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不影響性能
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環溫低時熱水需求溫度通常較高
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熱泵是否真能全面取代鍋爐，大量節省能源? 由上表看，兩種設備定位與特性不盡相同，若未適當規劃，直接取代恐會產生不少問題。比如說，熱泵雖然運轉成本較低，但在低環境溫度時運轉，效率與制熱量會明顯下降(最常聽到的就是冬天熱泵熱水不熱)，鍋爐就沒有這類的問題。另外，熱泵的出水溫度直接影響運轉穩定性，機組保護限制嚴格，這一點也與鍋爐的應用有很大的不同。或者說熱泵的發展不會影響鍋爐市場? 看來又不是。近年國內的熱泵案實績漸多，客戶反應雖不是全面肯定，但是實際節省能源費用確有一定的口碑。
作為發電、汽車之外的第三大溫室效應氣體排放源，當減排成為全球政府的政策目標，鍋爐業的壓力只會越來越大，限制鍋爐發展的非經濟要求也只會越來越多。在減低CO2排放的角度上，以電驅動的熱泵明顯優於以燃燒產生熱能的鍋爐。根據歐洲熱泵協會(ehpa)的研究，善用熱泵技術，全球CO2排放可有效降低達8%。發展熱泵是否只會對鍋爐業者造成負面的影響?由此來看未必。業者實應以既有的熱水與蒸氣系統專長，吸納熱泵的技術成果，除可主動掌握市場機會外，也可配合政府達成節能減排的政策目標，成就業主、鍋爐業者與政府三贏的局面。
熱泵分類
熱泵依據型式有不同的分類。由熱源來分，有空氣對水與水對水兩種型式。由熱水升溫條件來分有直熱式(溫差50℃左右)與循環式(溫差10℃左右)，或者依不同冷媒將熱泵分類。鍋爐界關心的通常是熱泵的出水溫度，也有廠商將出水60℃以下的熱泵稱為常溫熱泵，以上稱作中高溫或高溫熱泵。
另一種分類方式是依據不同應用，如工業熱泵與商用熱泵。工業熱泵強調出水溫度與產品可靠度，內部使用的元件與空調應用不盡相同，同時必須考量工業製程與安裝環境的需要，對設備作不同的設計。下表為商用與工業用熱泵主要的不同處。
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商用熱泵
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工業用熱泵
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出水溫度
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<55℃
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> 70℃
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設備特點
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運行10小時/天
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水溫高，運行時間配合製程
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供水系統
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密閉式桶槽+循環式主機. 熱泵運行時間長可降低機組容量, 但須加設水槽
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開放式桶槽+循環式主機
鍋爐預熱一般為密閉式系統+直熱式主機
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壓縮機形式
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渦卷式/螺旋式
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渦卷式/螺旋式
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主要應用
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飯店、商務/汽車旅館、度假中心、溫水游泳池、SPA、醫院、學校宿舍
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工業熱水、電鍍、製程清洗、恆溫恆濕製程、鍋爐預熱
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工業熱泵產品發展與市場推廣起步較慢，目前仍在發展之中。預計未來可使用在食品與化工領域、木材乾燥、電鍍、潔淨室(Cleanroom)的外氣空調箱(Makeup Air Unit, MAU)熱源、製程純水(Hot DI)以及半導體後段清洗製程等。
高溫熱泵關鍵技術發展
作為空調設備的功能之一，熱泵的發展已有一段不算短的歷史。但是熱泵應用畢竟不同於空調，如果不能掌握兩者應用的不同，機組往往不能符合需求。最著名的例子莫過於二戰後美國政府為退伍軍人興建的住宅，裝設具備冷暖功能的熱泵，數十萬台熱泵正常運轉不到一年，就有非常高的比例故障。經過各設備廠不斷的投入研發改善，家用、商用與工業用熱泵技術逐漸推陳出新，日本甚至有以CO2為冷媒的家用熱泵Eco-cute量產，一年有數十萬台實績。熱泵的關鍵技術為何? 台灣的熱泵是否已發展成熟? 以下將熱泵的重要關鍵技術作逐項分析。
與空調設備一樣，熱泵的關鍵技術主要在壓縮機、熱交換器與控制系統。冷媒也是一個重點，但未來熱泵冷媒的選用已非技術可單一決定，本文先略過不談。
壓縮機
熱泵主要目的在制熱，出水溫度一般要求在45℃以上，與空調有很大不同。下圖為空調與熱泵壓縮機運轉範圍(註5)，熱泵壓縮機比空調壓縮機需要更大的操作範圍。
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項目
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不同應用條件壓縮機設計重點
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低環溫區域
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1. 低蒸發溫度條件，冷媒流速低，系統回油困難
2. 電機負荷小/效率低，冷媒流量小/散熱不佳，電機溫升高
3. 壓縮機操作壓縮比大，排溫高，油品潤滑功用易失效
4. 壓縮機製熱能力低，系統需輔助熱源
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高環溫區域
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1. 主要風冷熱泵熱水的夏天製熱或水對水熱泵的高冰水入水溫
2. 系統易過熱度過高及壓縮機電機負荷大
3. 系統控制-風機變頻/停止
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熱水區域
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1. 提高出水溫度溫度，冷凝溫度/壓力高
2. 壓縮機負荷大，長時間工作影響壓縮機內部零件壽命
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冰水區域
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冷凝壓力低，壓縮機負荷輕，製熱量大，COP高
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除操作範圍外，壓縮機的效率也是熱泵發展的一個重要關鍵。影響壓縮機效率的一個重要因素是操作條件，標準的空調壓縮機與熱泵有不同的操作條件。當需求的熱水溫度越高，壓縮機操作的條件越嚴苛，壽命與效率也就越差。下圖是空調與專用壓縮機在不同高低壓力比下的效率比較(註6)。當壓力比大於3.5後，制熱專用壓縮機在效率上逐漸產生優勢，更高的壓縮比時引進氣噴射(EVI)甚至雙段壓縮，理論與實測均可證明壓縮機可以在高壓縮比條件下有更高的運轉效率COPh。
要作到85℃以上的出水，壓縮機至少要能在70℃冷凝溫度長期正常運行。台灣是壓縮機大國，瑞智、東元、大同、復盛與漢鐘等廠商在不同的壓縮機領域均具有世界級的競爭力，對於提供制熱專用的壓縮機已有多年的發展心得。加上工研院綠能所對冷媒壓縮機長期的投入，壓縮機產業在台灣發展熱泵上相對於其他國家具有更多的優勢。
熱交換器
熱泵的另一個關鍵在冷凝器。與空調用冷凝器不同，由於壓縮行程很長，壓縮機內部不可避免的洩漏會讓壓縮行程終點偏離等火商行程(isentropic process)越遠，壓縮機出口的冷媒到進入冷凝器冷卻，顯熱佔有很高的比例(註7)。熱泵專用的冷凝器必須具有較高的顯熱回收能力，使相同出水溫度的熱泵可以有較低的吐出壓力，即可提高熱泵機組的可靠度與運轉效率。
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入口
溫度
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入口
壓力
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入口
焓值
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飽和
氣焓
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飽和
液焓
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顯熱
焓差
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總焓差
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顯熱
比例
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0/40
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60
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10.17
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441.02
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419.33
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256.43
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21.69
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184.59
|
11.8%
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0/50
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73
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13.18
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449.88
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423.38
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271.52
|
26.50
|
178.36
|
14.9%
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0/60
|
90
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16.82
|
463.33
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426.63
|
287.33
|
36.70
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176.01
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20.9%
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0/70
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111
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21.17
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481.86
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428.70
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304.18
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53.16
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177.68
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29.9%
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0/75
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123
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23.64
|
493.15
|
429.11
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313.14
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64.04
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180.01
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35.6%
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熱交換器是鍋爐與熱泵都需要的重要元件。鍋爐在熱交換器上要求高熱傳效率、防積垢、低管損與絕熱降低熱散逸等特色，累積發展出來特殊的銅管與水側流道設計具多年的實務經驗，特別是在高溫熱水領域的應用，技術層次不亞於空調用冷凝器，非常值得熱泵廠商借鏡學習。
控制系統
熱泵主機控制系統須適應熱泵主機於不同環溫、出水溫度及負載下維持穩定高效運轉，必須具備下列功能項 :
1.自動運轉。熱泵主機可自動依需求與熱水條件改變自動啟停的程式控制邏輯。
2.整合週邊控制。如風扇變頻控制、液噴射控制及除霜控制等邏輯，確保熱泵於最適運轉範圍內。
3.保護策略。確保機組在符合設計條件下運轉，超出運行範圍後可以自我保護。
4.友善的操作介面及支援遠端監控功能。符合現有上位能源管理系統監控及節能分析之需求。
分別說明如下:
a.主機自動運轉控制
下圖為空調機組典型的加卸載邏輯-Neutral Zone Control (註8)。圖中X軸為機組運轉時間，用於表示機組分段投入或洩載時機。Y軸表示機組投入加洩載控制的物理量，本圖以壓力為例。當機組具有多壓或多段控制能力時，以設定點(SET)為中心，上下各以半個振幅為控制區間(CP1/2)。當三段負載依時序投入時，負載量會由低端、中間逐漸到高端區域，自動反餽一個訊號給控制器要求卸載。能夠完成此控制程序即可證明機組具有基本的自動控制運轉能力，機組能力也能符合負載需求。
熱泵主機一般以熱水水溫(循環式)或桶槽液位(直熱式)作為加卸載控制依據，加卸載訊號與模式與標準空調機組略有不同，但控制與機組能力匹配的概念仍可參考。
b.週邊設備控制
週邊元件可協助熱泵機組在不同條件下穩定運行。得力於電子工業快速發展，自動控制整合大幅提升空調機組運轉可靠性。常見如:
b1.液噴射控制: 採用高溫膨脹閥，感溫包直接感測壓縮機的排氣溫度。合理的噴射液量，可降低壓縮機吐出、馬達線圈以及油溫，達到擴大熱泵運行範圍及提升運轉可靠度，也能避免過量液噴射，造成壓縮機濕壓縮的磨損。
b2除霜控制: 於低環溫高溼度環境下運轉，熱泵有可能結霜。採用PLC控制系統整合機組條件及週邊感測元件達到智慧型除霜控制功能。由於氣候因素，台灣全年熱泵除霜時數不多，可參考大陸國標GB/T 21362-2008 熱泵融霜條件的熱源側(空氣側)條件 2℃DB/1℃WB為基準改善系統。
b3風機控制: 空氣對水熱泵風扇設計明顯影響機組效率。但在標準環溫25℃下可高效運轉，其實表示在更高的環溫下(45℃，一般機房溫度)機組可能無法運轉。改善方式唯有採變風量設計。目前蒸發器風扇變轉速有雙速馬達、變電壓式的風扇調速器、加裝變頻器以及直流變頻等方式。由馬達與機組效率來看，採風扇變頻為最佳手段，整合進機組低壓壓力訊號，高環溫時自動降低轉速，低環溫提高轉速增加室外取熱量，達到較廣的運轉範圍及維持機組運轉於高效率區域。
變轉速風扇機組在風扇低轉速時具有較低的運轉噪音，對於噪音要求高、機組運轉時數長且裝置在戶外的機組可以優先考慮。
c.保護控制功能
熱泵主機最主要的零件為壓縮機，保護壓縮機策略為提升主機可靠度的重要關鍵，歸納壓縮機損壞常見的原因為馬達燒毀、壓縮機失油、液啟動、濕壓縮、高排氣溫度等。藉由對主機加卸載及週邊設備的主動控制，控制主機運轉於壓縮機的允諾運轉範圍中，並結合完整的保護策略，可大幅降低熱泵故障。熱泵主機必要的保護功能如 : 電源欠逆相保護、高低壓壓力異常預警及保護、壓縮機排溫及馬達保護、壓縮機及風扇過載保護、外氣溫度過高/過低保護、熱水水溫異常保護。藉由軟體參數設定預警保護值及硬體保護開關，達到雙重的保護。
對於液起動(Flooded Start)的保護，主要是針對熱泵主機長期擺置於工程現場，機組內部冷媒因溫度效應而產生冷媒遷移現象，冷媒易遷移至壓縮機下殼與冷凍油互溶，造成壓縮機啟動時，大量液態冷媒直接進入壓縮室而造成壓縮機損傷。一般建議工程端首次機組上電預熱12小時以上，以降低液啟動損傷壓縮機的風險，但於現場不易落實，設計軟體參數於壓縮機首次送電啟動預熱保護功能，確保機組液起動失效風險。
失油是熱泵壓縮機另一個故障的主要原因。失油保護，一般僅能用壓縮機觀油鏡判斷壓縮機油位是否足夠的被動式保護，熱泵主機全年運轉且負載變化大，對於冷凍油循環至系統是否能隨冷媒回壓縮機無法主動掌握，安裝壓縮機主動油位保護開關，以電子式偵測壓縮機油位，適時提供失油預警及保護，降低失油風險，若能結合油分離器回油控制，可達到直接調節壓縮機油位功能。善用PLC整合控制機組的保護功能，進一步形成熱泵主機的整體保護策略，是主機可靠度提升的重要關鍵。
利用熱泵提高鍋爐效率
依照2009年國家能源會議的結論，產業部門計畫全國鍋爐目標共節省55.5萬公秉油當量。主要作法有三:
1. 全面落實新設鍋爐能源效率管理
2. 輔導鍋爐合理化操作管理(鍋爐效率提升1%，普及率50%)
3. 鼓勵低效率鍋爐汰舊，更換高效率鍋爐(效率提升3%，普及率50%)
以上三項結論雖都具體可行，但因鍋爐技術發展穩定，效率提升不易，要求普及率必須提高至50%對總量目標才有幫助。50%普及率要民間自發性達成是一個很高的數字。對業主而言，更換鍋爐茲事體大，如果要求在短期內達成，政府可能要投入明確的獎勵措施才能鼓勵業主配合更換。另一方面，高效率如冷凝式鍋爐等新技術，國內廠商尚在發展之中，強制要求效率提高對國內鍋爐業者而言可能反應不及。由現實的條件看來，要達成政府既定的政策目標，需要更為廣泛的考量。利用熱泵預熱補給水提高鍋爐運轉效率達成政府目標，就是另一項可行的做法。
常見的鍋爐效率提升手法如下(註9)。
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項目
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範圍及條件
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通則
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尾氣溫度 ℃
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取決於酸露點
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每降低20℃可節約1%燃料
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含氧量 %
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燃氣 1~2%, 燃油 3~4%
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每降低3%可節約1%燃料
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排放量 %
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脫礦水 <1%, 軟水<5%
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節省水、能源及化學藥劑
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排放熱回收
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顯熱 170~300℃
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每1%排放可節約0.2~0.4%能耗
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冷凝水回收
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儘可能回收
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節省水、能源及化學藥劑
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飼水溫度 ℃
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愈高愈好
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每提升6℃可省1%能耗
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蒸汽空氣預熱器
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取決於酸露點
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硫份高時需裝設
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節煤器
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取決於酸露點
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每提升6℃可省1%能耗
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蒸汽品質
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乾燥度愈高愈好
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每1%乾燥度影響0.2~0.4%效率
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燃油預熱溫度
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98~105 ℃
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影響霧化
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鍋爐壓力
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蒸汽壓＝設計壓
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低壓降低效率
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飼水泵浦
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流量、揚程及控制
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省電
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送風機
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流量、揚程及控制
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省電
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抽風機
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流量、揚程及控制
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省電
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霧化空氣
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壓力：2K > 燃料, 流量：30% 燃料
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霧化效果
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乳化油
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水 5~10%
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2~3% 節能, 30% NOx減量
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冷凝水儲槽
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減少排放損失
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省水、熱能及化學藥劑
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除氧櫃
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位置及溫度
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回收排放熱
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無論是冷凝水回收或利用節媒器將飼水溫度提高，鍋爐補水每升高6℃約可降低鍋爐燃料消耗1%。下圖是冷凝水回收比例與鍋爐效率之間的關係(註9)，冷凝水回收由0%到100%，可影響鍋爐效率由85%提高到96.5%，可在即有鍋爐架構下大幅提升效率(3~10%)，無須強制更換鍋爐。
一般鍋爐蒸發量均是以100℃飼水溫度(熱焓值100kcal/kg)為基準計算。
以產生7kg/cm2G飽合蒸氣(熱焓值為660.8kcal/kg)，1 T/H蒸氣量所需熱能為
(660.8-100)*1000kg/hr=560,800 kcal/kg,
所需燃料油1000*(660.8-100)/(10000*0.88) = 63.63 kg/hr
若飼水溫度降低到25℃(熱焓值為25kcal/kg), 則所需熱能為
(660.8-25)*1000kg/hr=635,800
所需燃料油為 1000*(660.8-25)/(10000*0.88)=72.25kg/hr
同一個鍋爐提供7kg/cm2G蒸氣，飼水溫度由100℃降低到25℃，所需熱量需增加
(635800-560800)/560800=13.37%
每小時耗油增加約8.62kg/hr, 換算每小時約增加8.62/0.86*20NTD/L = 200元燃料油費用
由上述算式可知，提高飼水溫度是降低鍋爐燃料使用有效的做法，特別是利用系統廢熱或是冷凝水回收。在相同的熱能需求下，對鍋爐業主運行費用降低有絕對的幫助。但是每套鍋爐系統需求與應用不同，冷凝水不一定都能回收，節煤器則可能有積垢或空間限制，結果是實際補水槽溫度偏低，鍋爐耗費多餘的燃料。此時即可選用直熱式高溫熱水機對鍋爐補水預熱。以直熱式空氣對水高溫熱水機YAHA060為例，運轉費用計算如下(註4):
環境溫度25℃，鍋爐補水溫度25℃，經過YAHA060升溫到75℃，溫差50℃
每小時產水量17L*60 = 1020 L (約1T/H). 機組耗電 20.5kW
以工業用電平均電價為NTD 2.5 kW-Hr, 每小時電費約 51 NTD.
與鍋爐燃料費比較，補水溫度由25℃提高到75℃，燃料油費為
1000*(660.8-75)/(10000*0.88)=66.57 kg/hr, (72.25-66.57)/0.86*20=132 NTD
計以熱泵將1T/H鍋爐補水由25℃預熱到75℃，所需電費與鍋爐燃料費相比可節省
132-51= 81NTD/hr,
以設備成本加標準工程安裝費用估計, 全套熱泵預熱系統約10,000工作小時即可回收。
熱泵對鍋爐補水預熱，無須更動既有鍋爐與管路，回收快，非常適合無法作熱回收的鍋爐使用。
除了降低運行成本之外，鍋爐預熱也能以電代油，降低CO2排放。
計算CO2排放:
每公升燃料油排放係數 = 2.95 kg-CO2 (註11),
援上例, 25℃-75℃補水溫升耗油5.68kg/hr, 5.68/0.86*2.95=19.48 kg-CO2
每度電 = 0.638 kgCO2e (註10)
YAHA060耗電 20.5(kW-Hr)*0.638=13.079 kg-CO2
每1T/H 鍋爐可減排 19.48-13.079 = 6.4 kg/hr.
不計小型貫流式鍋爐，全台目前約有萬台左右中大型鍋爐，平均單台容量約3T/H。若以全台有1000T/Hr鍋爐(取中大型鍋爐總裝置量3%)可透過預熱降低耗油, 鍋爐平均每年工作3000hr
計每年可節省運轉費用1000*3000*81NTD = 2.42億 (估計基準同上)
同時每年可降低CO2排放 1000*3000*6.4=19,200噸,
利用高溫熱泵對鍋爐補水預熱，可同時達成降低運轉費用與減低CO2排放的目標。由以上的估計，19,2002噸佔09年全台灣工業部門CO2總排放量3,809.3萬噸(註10)近0.5%。若預熱裝置比例拉高，減排效果更大，對於09年全國能源會議結論落實有明顯助益。
利用熱泵協助鍋爐系統節能減排的進一步應用
隨著熱泵技術的不斷發展，熱泵已可以搭配不同的鍋爐系統發揮節能減排功能，預熱只是其中的一個方式。整合熱水控制系統(IHCS)就是一個泛用的系統整合概念，說明如下:
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需求熱源
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現行設備方案
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IHCS方案
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優勢
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備 註
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75℃以下熱水
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1. 常溫熱水鍋爐
2. 蒸氣鍋爐
3. 電熱鍋爐
4. 常溫熱泵
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熱泵+鍋爐:
1. 熱泵機組為主要運轉設備,熱水鍋爐備載為輔.
2. 熱泵因環溫下降所需的備載設備容量可適當減少
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1.熱泵替代鍋爐預計節能50~70%
2.鍋爐輔助備載功能:
峰值負載、低環溫熱泵製熱量不
足與熱泵系統維護期間
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可減少熱泵設備裝置量.
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75~95℃熱水
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1. 常溫熱水鍋爐
2. 電熱鍋爐
3. 蒸氣鍋爐
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熱泵+鍋爐:
1. 熱泵對鍋爐補水預熱
2. 熱泵加熱到設計溫度, 其餘溫差由鍋爐加熱補足.
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1.依熱泵規範最高出水溫運行
2.鍋爐提昇出水度至目標值
3.出水溫度範圍大, 兼顧熱泵節能優勢及限制
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熱泵與鍋爐系統串接
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95℃以上熱水/熱媒或蒸氣
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1. 蒸氣鍋爐
2. 電熱鍋爐
3. 熱媒鍋爐
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鍋爐飼水預熱:
熱泵作鍋爐飼水預熱
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鍋爐飼水溫度每提昇6℃, 降低鍋爐燃料費1%，每1000kg鍋爐補水可減排6.4kg
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熱媒鍋爐系統熱媒溫度過高熱泵無法搭配
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基本的鍋爐、熱泵與管道系統完成需求估算後，可以各種設備的特性為基礎，進一步利用各種控制元件整合成一套整合性系統，提高設備的操作與管理方便性。
整合熱水控制系統(IHCS)介紹
一般工業製程以鍋爐為主要供應熱源。面對鍋爐的效率、維護保養及燃料費用的壓力，工業級的高溫熱泵導入，可以輔助鍋爐系統節能減排。IHCS主要功能為:
1. 穩定的熱水溫度。熱泵為主鍋爐為輔，熱源系統有完整的備載能力，減少熱水供應不穩定性。
2. 整體供熱效率最佳化。內建的控制邏輯讓高溫熱泵在合理的範圍內運轉以降低鍋爐稼動，提高熱水系統效率。
3. 現場操作功能簡便化。熱泵與鍋爐操作整合集中監控功能、控制系統整合及監控診斷，方便使用者操作全系統。只要輸入需求，系統自動決定設備起停。
4. 降低投資費用。精算備載設備，減少初始投入與運行成本。
IHCS設備整合的控制架構如下:
IHCS系統架構主要分為-設備層、操作層及系統層, 分為 :
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項目
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功能
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設備層
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鍋爐設備 : 採為現有鍋爐系統, 可連線或切換為獨立Standalone架構
熱泵設備 : 設備採用PLC控制, 採用Master-slave架構，RS-485介面 Modbus 通訊格式
水泵控制 : 配合鍋爐/熱泵從動控制
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操作層
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熱水需求 : 以週為單位, 輸入設定需求溫度
油電價格 : 輸入油電價格, 分段計算自動決定熱泵起停
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系統層
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操作介面 : 採用PLC / 觸控人機HMI, 提供系統簡明系統操作介面及運轉狀態監控
整合控制 : 提供鍋爐/熱泵最適化控制邏輯及設備規範設定
遠端監控 : 提供Ethernet介面至遠端監控
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IHCS最適控制策略
熱泵是IHCS的核心，運轉的限制又多，系統控制的核心就是在符合熱泵的運轉要求下盡量提高熱泵稼動。下圖為IHCS的控制策略示意。下圖中，X軸為環境溫度與對應的熱泵蒸發溫度，Y軸熱水水溫與對應的冷凝溫度。圖中綠色方塊為熱泵運行範圍，除考量熱泵允許運轉範圍外，在太低的效率區域也不建議運行。進一步的整合可以在低環溫時降低熱泵出水溫度，不足的溫度以鍋爐補足，進一步降低設備備載需求。
IHCS的規劃流程
規劃IHCS系統必須先掌握業主設備規格與負載需求，作為規劃的重點。標準規劃流程如下:
1. 計算熱負荷, 確認需求溫度
2. 確定主機工作時數
3. 確認熱水槽大小, 數量
4. 確認備載需求
5. 選擇鍋爐與熱泵主機規格,數量
6. 規劃水泵, 水管路
熱泵機組控制系統符合:
1. 機組控制需可切換自動連線或離線手動操作。
2. 採用微電腦可程式控制器，並提供RS485(Modbus格式)。
3. 具人機及遠端遙控操作功能。支援Master-Slave設計。
4. 需可於45℃環溫下長期運轉。
IHCS聯控系統
控制系統 :
1. 具備熱泵、鍋爐及附屬設備運轉手動/自動操作模式功能、操作運轉及燈號顯示
2. 採用微電腦可程式控制器，並提供RS485(Modbus格式)連線及Ethernet擴充功能
3. 7"以上, LCD觸控螢幕，面板防水等級符合IP65/NEMA4
控制器功能
1.整合熱水系統設備及從動配件 :
-主控設備 : 熱泵熱水機組、熱水鍋爐或蒸氣鍋爐比例控制閥
-三相電力計、溫度控制器及設備相對應水泵系統
2.最適控制(Adaptive control) :
-依設備規格、設定水溫、負載及環溫自動稼動設備
-熱泵運轉範圍自動調整，兼顧 運轉效率、設備最適工作條件及自我保護機制
3.整合週邊從動設備配盤
-遠端/近端模式選擇及手/自動控制
-水泵輪動控制功能
4.控制設定 :
-設定需求水溫
-提供設定週運轉時段(Weekly schedule)設定功能
-依據熱泵規格及鍋爐特性, 自動調節熱泵出水溫度及稼動鍋爐, 符合業主需求
-可經由RS485(Modbus格式)監控熱泵運轉狀態
5.熱水系統運轉監控
-系統運轉狀態圖 :
-設備運轉模式 :
遠端/近端控制模式、手動/自動模式
-熱泵設備 :
啟動/停機、加載/卸載、高/低壓壓力值、排氣溫度值、運轉電流值、熱水進/出水溫度、冰水
出水溫度、環境溫度、
機組保護狀態、運轉累計時間、累計啟停次數
-熱水鍋爐設備 :
熱水循環泵運轉/停止/異常
運轉累計時間、累計啟停次數
-蒸氣鍋爐設備 :
蒸氣比例閥開度
運轉累計時間、累計啟停次數
-水泵設備 :
運轉/停機/異常
6.保護機制及異警
- 依據設定出水溫度、環境溫度及負載等因素，自動調節熱泵出水溫度
- 熱泵主機異常警報
- 鍋爐主機異常警報
- 循環水泵過載保護
7.異常事件記錄
-異常事件歷史記錄10筆
-即時異常狀態顯示
8.週曆排程控制.Calendar Schedule Control)設定
IHCS控制系統頁面如下:
IHCS工程實績
工程安置地位於上海，熱水用途為提供280名員工洗澡等生活用水。大陸華東地區夏天最熱可到40℃，冬天時有機會下雪，不易以熱泵供應熱水，傳統上均以鍋爐提供熱能。本案規劃IHCS系統，以2台50kW熱泵搭配電鍋爐，完全取代原有的蒸氣鍋爐。
利用IHCS可配合客戶實際的電價結構，透過內建的熱泵效率曲線自動決定電鍋爐與熱泵起停。
工程自2010年5月開始使用，經過40℃以上環境溫度與下雪氣候，熱水可持續供應。與原有設備相比，運轉成本比較如下
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設備
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蒸氣鍋爐
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IHCS系統
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熱源熱值
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10200kcal/kg
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860kcal/kW
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設備效率
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平均0.7(鍋爐效率與管路損失)
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3.1
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6~2月每日加熱12m3熱水成本
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2009.6~2010.2實際用油(不含辦公樓暖氣油耗)38,368 L, 油價6.82RMB/L 共38368*6.82 = 261,679
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468,000 / 860 * 3.1 = 175.5度
175.5*0.8(平均電費)*270(天)
= 37,908 元(RMB)
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估計節省金額
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261,678-37,908 = 223,770 (RMB)
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結論
本文簡單說明了熱泵的關鍵技術與鍋爐結合熱泵的方式與優勢。在節能減排的政策趨勢下，鍋爐業者實可以善用熱泵，特別是高溫熱泵，以IHCS的系統架構整合熱泵來滿足客戶。本文主要結論有三:
1. 鍋爐在工商業製程中仍是不可或缺。未來鍋爐應持續提昇效率，並盡可能配合政府政策，提供業主穩定的熱源、更低的CO2排放與運轉成本。
2. 工業熱泵具高出水溫及高效率之優勢。目前，台灣高溫熱泵發展已可在最高85℃出水下長期運轉，制熱能效比(亦即與電鍋爐效率相比)將近3。
3. 藉由IHCS整合控制的優勢, 最佳的控制邏輯及簡易的操作介面，可發揮熱泵及鍋爐設備的特色與優勢，降低業主直接投資及運轉成本。
作者: * 游文通/吳三明 任職於優越科技股份有限公司
** 康文杰 任職於大德機械工程股份有限公司
參考資料:
註1: ”政府對節能減碳之推廣及措施”,綠基會林志森董事長, 2009,4,17.
註2: ”Energy and Environment – Overview”, Jason Smith, Miura Boiler.
註3: ”熱泵節能技術近期發展”, 能源報導, 2008年6月.
註4: ”YAHA產品技術手冊”, 優越科技,2011年2月.
註5: ”一種新型式的壓縮機用於熱泵熱水器開發和試驗報告”,中國制冷協會學術年會論文集,
2007
註6: ”Heat pump compressor and COP summary”,Luigi Zamana. http://www.ehpa.org
註7: ”整合熱水控制系統(IHCS)簡介”, 優越科技, 2010年12月
註8: ”Electronic Controller XC Series Instruction Manual”, Dixell.
註9: ”蒸氣冷凝水系統-能源查核及節約能源手冊”, 經濟部能源局
註10: http://www.taipower.com.tw/TaipowerWeb//upload/files/1/d96072301.pdf
註11: “我國燃料燃燒CO2排放統計與分析”, 經濟部能源局,民國99年7月.
