高雄市第四十六屆中小學科學展覽會 作品說明書 科別 : 電子 電機及資訊 組別 : 高職組 作品名稱 : 環保小尖 冰 - 小型儲冰式空調系統 關鍵詞 : 節能 環保 離峰用電 編號 : 0
目錄 摘要 2 壹 研究動機 2 貳 研究目的 2 參 使用器材 3 肆 使用設備 4 伍 研究過程 5 一 滷水 ( 乙二醇 ) 二 系統組裝 三 線路控制及循環過程 四 實驗過程 陸 實驗結果 10 柒 結論 14 捌 參考使用相關資料 15 1
環保小尖 冰 - 小型儲冰式空調系統摘要 地球的資源是有限的, 近年來, 由於油價高漲, 帶動了不少物價跟著上漲, 在這高耗能的時代裡, 唯有利用各種可節約能源及能源管理的方法, 才可以有效的降低成本及過多的能源消耗 研究的目的主要是想把大型儲冰式冷凍系統的概念及優點應用在小型的辦公或家庭空間, 並加以改良, 得使儲冰系統主要的功能 : 轉移用電時段, 利用離峰時間進行儲冰, 再利用所儲存的冰做冷房時使用 如此, 可減少使用尖峰供電電量, 以廣大的家庭及辦公用電而言, 可有效降低供電吃緊的現象, 避免夏季用電高峰時供電量不足的危機 本系統之冷媒是使用 R-134a 環保新冷媒 研究主題主要是在製作 低成本 ( 節能 ) 以及環保 ( 電能轉移 ) 的新空氣調節系統 壹 研究動機 一 以往大型冰水主機一般都運用在辦公大樓, 或是比較大型的室內使用 二 製作小型儲冰式空調系統的想法是在能否結合分離式空調系統的結構及大型儲冰式的優點, 運用在辦公空間 或一般家庭住戶或自營業者 ( 自助餐 火鍋料理店 壽司店 麵包店 ) 等 三 依據主題目標加以製作實驗結果, 不但能使電費降低, 同時也能減少在夏天尖峰時段用電量 四 本系統所使用的冷媒是 R-134A 環保冷媒, 此冷媒系統現已普遍適用於小型冰箱或汽車冷氣上, 另一優點則是 : 吸熱較快, 系統效率較高, 能有效節省用電電量 五 現在世界各國的能源都是有限, 並非取之不完的, 而且加上物價節節上漲, 人民抱怨聲連連, 汽油及電費也上漲 如此, 節能及省錢, 更是現代人生活上的一大課題 貳 研究目的 一 比較一般窗型冷氣機以及我們所做的儲冰式冷氣機 二 比較儲冰後與分離式冷氣機在相同溫度時送風, 在儲冰完全溶解時, 分離式的使用電量與儲冰時使用電量比較 三 在離峰時段儲冰至冰球結冰, 是否會比一般分離式冷氣機在白天使用與儲冰相同時間下更省電 四 實驗電能轉移量, 可看出供電力系統尖峰與離峰供電量之比較 2
以下是台灣電力公司的對照表 表 1: 台灣電力公司電費計算表 參 使用器材 品名規格型號備註 電子溫度計 110V KS-100-MS 可測得溫度 :±50 三用電錶 DE-960TRN 可測量 :AC/DC/Ω 彎管器 保溫板 二分三分 儲存儲冰槽內的冷 綜合壓力錶 R-134a 抽真空充灌冷煤 高低壓力錶 電流電壓錶 風速計 夾式電流表 1 3 Digital(mph...) Turdo Metrc 2 10 35mm 表 2: 材料及器材表 測量電壓電流 3
肆 使用設備 品名 規格 型號 備註 壓縮機 S43C85JAT6 新加坡製造 凝結器 自製 儲冰槽 自製 室內機 Natial( 國際牌 ) CS-22FC2 220V 60HZ 表 3: 使用設備表 圖 1: 安裝室內機 圖 2: 壓縮機 圖 3: 凝結器 圖 4: 儲冰槽 4
伍 研究過程一 滷水 ( 乙二醇 ): ( 一 ) 乙二醇之特性 : 無色 無臭 微毒的粘性液體 吸水性很強, 能與水及酒精任意混和, 微溶於乙醚, 不溶於四氯化碳 並不易揮發, 而且在大氣中分解的速度很快 ( 半衰期 24~50 小時 ), 所以在正常的情狀下, 這樣的暴露並不會造成健康上的效應 ( 二 ) 乙二醇之用途 : 被廣泛的使用在汽車的油料中, 比如當作抗凍劑 冷卻劑等等, 標準的抗凍劑中含有 95% 的乙二醇, 也是乙二醇使用最大量的產物 其他還有化妝品 墨水 染劑 殺蟲劑 滅火器 亮光劑 黏著劑和太陽能發電系統中都含有乙二醇 二 系統組裝 : ( 一 ) 準備工作 : 有了滷水後, 接下來要做的當然是系統組裝部分雖然在冷凍空調原理以及冷凍工程裡學到了有關冷凍的元件, 不過由於我們將蒸發器改變成了儲冰槽 所以在剛開始時還真有點不習慣, 都會想說蒸發後就送風了, 而不是以儲冰送風 在理解這個東西後, 我們真正的開始組裝 ( 二 ) 流程 : 1. 首先當然是最讓我們感到新奇的儲冰槽, 我們找了一個塑膠容器, 做了適當的切割後, 將它組裝起來, 而且很臭的酸性矽利康以及熱融膠黏起來, 但是還是擋不住強大的水壓, 所以後來我們只好去訂做一個白鐵的儲冰槽, 終於擋住強大的水壓, 使我們可以正常的操作了 2. 接著是安裝送風機, 我們採用分離式冷氣機的, 室內機當送風機使用, 將室內機組裝在我們的儲冰系統上 3. 在來是安裝散熱的東西也就是冷凝器以及風扇, 並將他們已角鐵固定在木板上, 之後我們沒忘記還需要安裝乾燥過濾器 4. 我們用適合尺寸的銅管彎管製成的蒸發器, 完成後將蒸發器安裝於儲冰槽內 5. 最後當然就是安裝冷氣機的心臟壓縮機拉, 我們找了一台電冰箱使用 R-134a 環保冷媒的壓縮機安裝上 5
圖 5: 系統處理 圖 6: 管路保溫 三 控制電路及循環過程 圖 7: 控制電路圖 1. 選擇開關 : 1. 儲冰時啟動壓縮機並啟動循環馬達以及排風扇 ( 小水泵 ) 2. 吹冷氣時將水泵啟動並將 110V 電壓變 220V 電壓近送風機, 當溫度到時水泵關掉以節省儲冰槽內的冷能 3. 可以一邊儲冰一邊吹冷氣以預防儲冰容量之不足 4. 目前尚無啟用 6
圖 8: 冷凍系統及滷水循環圖 2. 冷煤循環 : 1. 經壓縮機高壓進入凝結器散熱 2. 出了凝結器後經過乾燥過濾器, 避免在冷媒系統裡出現水分 3. 接下來是經過毛細管降壓, 冷煤進入蒸發器蒸發吸熱 4. 最後冷煤回到壓縮機的低壓端, 在這過程裡已慢慢開始儲冰 3. 滷水循環 : 1. 由於滷水的冰點溫度較低, 所以在冰球結冰時還尚未未冰, 所以可以拿來當二次冷媒 2. 由蒸發器裝的水泵將滷水送到室內機 3. 滷水在室內機循環送出冷後, 回到蒸發器 7
以下是我們完成後的作品 圖 9: 系統正面圖圖 10: 側面圖組裝後心得 : 因為不是使用一般分離式冷氣機來改良, 而是以自己對於這方面的小小知識來製作新的冷氣機, 所以在組裝方面花了不少時間 四 實驗過程 ( 一 ) 儲冰槽內溫度 初使溫度 :27 溫度 溫度 時間 儲冰槽溫度 時間 儲冰槽溫度 30 24 300 2 60 21 330-1 90 18 360-3 120 16 390-5 150 13 420-5 180 10 450-7 210 7 480-9 240 5 510-13 270 3 540-15 時間單位 : 分鐘 (min) 溫度單位為 : 攝氏溫度 ( ) 表 4: 儲冰時間與溫度表 8
( 二 ) 紀錄儲冰後冷房能力變化 溫度室內機出風口時間乾球溫度 儲冰槽溫度 20 15-15 40 15-15 60 16-14 80 17-13 100 17-12 120 18-10 140 18-7 160 19-4 180 19-1 200 20 3 220 21 7 240 23 12 260 26 16 280 28 20 300 29 24 時間單位 : 分鐘 (min) 攝氏溫度 ( ) 表 5: 冷氣時間與溫度記錄表 就兩者溫度變化比較結果, 儲冰 9 小時儲冰槽溫度可達 -15, 供應約 3.5 坪的 室內空間, 定溫 27 時, 約可使用 3.5~4 小時左右 依本次實驗所得數據, 是可以 達到我們所需要的冷房能力及使用時間 另外一般冷氣機出風口溫度是 15 到 17, 本系統之儲冰槽溫度在 6 即 可達到這個標準, 況且, 儲冰槽溫度可達零下 15 度以下, 冷氣溫度已符合一般空調 系統的要求 冷氣供應時間可在 3.5~4 小時, 如設定室內溫度較高時, 使用時間可再延長 ; 一般 而言, 已足夠空間不大及人員不多的環境 如要延長使用時間, 本系統可以儲冰及 冷氣並用方式仍能正常供應冷氣, 以符合實用價值 9
陸 實驗結果 一 冷凍循環系統性能 : 圖 11: 莫利爾線圖 1. 高壓 = 11 kg/ cm 2 G = 12.033 kg/ cm 2 abs 2. 低壓 = 0.3 kg/cm 2 G =1.333 kg/ cm 2 abs (1 大氣壓力 (Atm)=1.033 kg/ cm 2 ) 3. 壓縮機排氣量 : V=8.5 m 3 /hr 4. 比容積 :( 查壓縮機入口 ) ν=0.18 /kgm 3 /kg 10
5. 冷煤循環量 : V 8. 5 G = = = 47.2 kg/hr 0. 18 6. 焓值 :( 查莫利爾線圖測得 ) i A = 154 kcal/kg i B = 164 kcal/kg i C = i D = 105 kcal/kg ( 一 ) 蒸發器 : 7. 冷凍能力 : R = G(i B - i D ) = 47.2(154-105) = 2312.8 kcal/hr ( 二 ) 壓縮機 : 8. 壓縮熱 : AW = G(i B - i A ) = 47.2(164-154) = 472 kcal/hr 9. 所需動力 : KW= AWc 860 m c 472 = =0.678kw 860 0.9 0.9 ( 三 ) 冷凝器 : 10. 壓縮比 : a = PH 12.033 = PL 1. 333 = 9.03 11. 散熱能力 : Q = G(i B -i C ) =47.2(164-105) =2784.8 kcal/hr 12. 成績係數 : R 2312. 8 C.O.P = = = 4.9 AWc 472 13. 能源效率比值 : R 1631. 7 EER= = W 478 = 3.4 14. 公制冷凍噸 : R RT= 3320 2312. 8 = 3320 = 0.7 RT 11
二 空氣循環系統性能 : 1. 出風口尺寸 : 寬度 :60cm 高度 :6cm 圖 12: 空氣線圖 2. 出風口面積 : A = 0.6 0.06=0.036 m2 3. 平均風速 :( 風量計測得 ) S= 2.9m/s = 10440 m/hr 4. 空氣循環量 : V = A S = 0.036 10440 = 375.84 m 3 /hr 5. 空氣循環重量 : G = V 375.84 = v 0. 875 = 429.53 g/hr 12
6. 除濕量 : W = G(X 1 -X 2 ) = 429.53(0.0165-0.0115) = 2.1 kg/hr 7. 排顯熱量 : Q S = G(i 0- i 2 ) = 429.53(16.5 13. 7 ) = 987.92 kcal/hr 8. 排潛熱量 : Q L = (i 1 -i 0 ) = 429.53(16.5 13.7) = 1202.68 kcal/hr 9. 冷房能力 : Q r = Q S +Q L = G(i 1 -i 2 ) = 2190.6 kcal/hr 10. 冷凍噸 : 2190.6 RT = 3320 = 0.66RT 11. 顯熱比 : Qs 987.92 S.H.F = = Qr 2190. 6 = 0.45 三 電能轉移量計算 : ( 一 ) 儲冰時耗電 : 1. 電壓 V :110 伏特 (V) 2. 電流 I :1.7 安培 (A) 3. 消耗功率 : PS=V I=110 1.7=187 瓦特 (W)=0.187 千瓦 (KW) 4. 每日耗電度數 :( 使用 9 小時計 ) KW-H=0.187KW 9HR=1.683 度 / 日 5. 每月耗電度數 :( 以 30 天計 ) (KW-H)S=1.683 30=50.49 度 / 月 ( 二 ) 冷氣時耗電 : 1. 電壓 V :110 伏特 (V) 2. 電流 I :0.3 安培 (A) 3. 消耗功率 : PA=V I=110 0.3=33 瓦特 (W)=0.033 千瓦 (KW) 13
4. 每日耗電度數 :( 使用 9 小時計 ) KW-H=0.033KW 9HR=0.297 度 / 日 5. 每月耗電度數 :( 以 30 天計 ) (KW-H)A=0.297 30=8.91 度 / 月 ( 三 ) 冷氣兼儲冰 : 1. 消耗功率 : PT=PS+PA=0.187+0.033=0.22KW 2. 每日用電度數 : KW-H=1.683+0.297=1.98 度 / 日 3. 每月用電度數 : (KW-H)T=(KW-H)S+(KW-H)A=50.49+8.91=59.4 度 / 月 4. 電能轉移率 : ET%=((KW-H)S (KW-H)T) 100%=(50.49 59.4) 100%=85% 柒 結論 在有限的材料及設備支援下, 終究將系統完成了, 本 環保小尖冰 小型儲冰空調系統經實驗後所的感想, 我們整理它的優點以及缺點一 優點 : 1. 設備較省錢 2. 冷房能力可與噸數較大的分離式匹配 3. 除冰時壓縮機電流小, 相對的消耗功率也不大來達到省電的效果 4. 配合政府之離峰用電的優惠 5. 使用 R-134a 環保冷媒系統來達到環保 6. 電能轉移量高, 減少夏季尖峰用電供電吃緊現象 二 缺點 : 1. 由於多了一個儲冰槽, 所以體積較大 2. 重量較重 3. 冷氣供應時間依儲冰量而定, 需考慮使用時間 以上總結之優點多於缺點, 小型儲冰式冷氣機能有效減少夏季尖峰時間用電電量, 對整體大台灣的供電來說, 是一項有效且可行的方式, 儲冰空調系統現在大多發展中 大型噸數為主, 但對於小辦公空間及一般住家, 若能減少在尖峰時間用電, 累積使用的電量是相當驚人的, 需要多一個核能電廠嗎? 或許不一定需要, 能源政策應該是現在重視的一個環節, 辦公或家庭用電就從 環保小尖冰 開始吧! 14
捌 參考使用相關資料 一 許祺清 陳聰明編著, 冷凍空調原理 Ι Ⅱ 大中國圖書股份有限公司 台北縣中和市建一路 150 號四樓之二 中華民國九十二年一月修訂二版一刷 二 光堡空調技術網 http://www.hvacr.com.tw/ 三 儲冰式冷凍空調及電價參考表 http://www.fuh3.com.tw/ice-system.htm 四 綠色生產力基金會 - 節約能源中心 http://www.ecct.org.tw/print/47_3.htm 五 台電介紹的冷氣節能用電 http://www.taipower.com.tw/~d123/check/check_right_1_2.htm 六 塑膠工業技術發展中心 http://w3.pidc.org.tw/default.aspx 七 家庭人口數 http://www.dgbas.gov.tw/public/data/dgbas03/bs7/yearbook/ch2/2-1.xls#a2 八 冷凍實習 Ι Π( 全華科技圖書股份有限公司出版 ) 九 奇摩知識十 基本電學 I( 龍騰文化事業股份有限公司 - 孫瑜編著 ) 15