第三章 建築整合式太陽能熱水器之系統整合測詴
3.3 太陽能熱水器性能測詴結果
3.2.3 測詴流程
早上7:30－開始系統效率量測，YOKOGAWA HR3880 動態記錄器自動量測各測 詴點，包含太陽輻射、儲水槽水溫、風速、大氣溫度。
下午4:30－完成當日整天量測，記錄這段時間各測詴點的數值。
日落時(無太陽輻射時)－開始系統散熱實驗，YOKOGAWA HR3880 動態記錄器 自動量測水槽各點溫度與大氣溫度。
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(1) 第一代芻型機
A. 朝南傾斜角 25 度(模擬台灣斜屋的屋頂)－透明玻璃(圖 3-2)
將集熱實驗數據做線性回歸，得到𝛼𝑜=0.6284、𝑈𝑠=0.1396 MJ/℃m2Day，依 照3-1-1 節所述之公式，計算得到系統的全天集熱特徵效率為0.621，其實驗數據 如圖3-3。
圖 3-2 朝南傾斜角 25 度(透明玻璃)
圖 3-3 全天集熱效率曲線-朝南傾斜角 25 度(透明玻璃)
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B. 朝南傾斜角 25 度－法國綠玻璃(圖 3-4)
將集熱實驗數據做線性回歸，得到𝛼𝑜=0.4886、𝑈𝑠=0.1373 MJ/℃m2Day，依 照3-1-1 節所述之公式，計算得到系統的全天集熱特徵效率為0.482，其實驗數據 如圖3-5。
圖 3-4 朝南傾斜角 25 度(法國綠玻璃)
圖 3-5 全天集熱效率曲線-朝南傾斜角 25 度(法國綠玻璃)
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C. 朝南傾斜角 25 度－海洋藍玻璃(圖 3-6)
將集熱實驗數據做線性回歸，得到𝛼𝑜=0.413、𝑈𝑠=0.1397 MJ/℃m2Day，依照 3-1-1 節所述之公式，計算得到系統的全天集熱特徵效率為0.408，其實驗數據畫 成圖3-7。
圖 3-6 朝南傾斜角 25 度(海洋藍玻璃)
圖 3-7 全天集熱效率曲線-朝南傾斜角 25 度(海洋藍玻璃)
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D. 朝南垂直 90 度(模擬女兒牆)－海洋藍玻璃(圖 3-8)
將集熱實驗數據做線性回歸，得到𝛼𝑜=0.2467、𝑈𝑠=0.1191 MJ/℃m2Day，依 照3-1-1 節所述之公式，計算得到系統的全天集熱特徵效率為0.244，其實驗數據 畫成圖3-9。
圖 3-8 朝南垂直 90 度(海洋藍玻璃)
圖 3-9 全天集熱效率曲線-朝南垂直 90 度(海洋藍玻璃)
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(2) 第二代芻型機(三層空氣層)
A. 朝西垂直 90 度－高透光壓花玻璃(圖 3-10)
依照3-1-1 節所述之公式，計算得到系統的全天集熱特徵效率為0.537，其 實驗數據如圖3-11。
圖 3-10 朝西垂直 90 度(高透光壓花玻璃)
圖 3-11 全天集熱效率曲線-朝西垂直 90 度(高透光壓花玻璃)
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B. 朝西南垂直 90 度－高透光壓花玻璃
系統的全天集熱特徵效率為0.510，其實驗數據如圖3-12。
圖 3-12 全天集熱效率曲線-朝西南垂直 90 度(高透光壓花) C. 朝南垂直 90 度－高透光壓花玻璃
系統的全天集熱特徵效率為0.324，其實驗數據如圖3-13。
圖 3-13 全天集熱效率曲線-朝南垂直 90 度(高透光壓花)
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(3) 第二代芻型機(雙層空氣層)
由於測詴結果發現使用三層空氣層，朝南垂直 90 度全天集熱效率過低，系 統的全天集熱特徵效率只有 0.324，因此修改內部空氣層部分，改為雙層空氣層 進行測詴，空氣層厚度以集熱面為基準算起，分別為第一層 3cm、第二層 5cm。
1. 朝南垂直 90 度－高透光壓花玻璃
將集熱實驗數據做線性回歸，得到𝛼𝑜=0.4016、𝑈𝑠=0.0594 MJ/℃m2Day，依 照 3.1.1 節所述之公式，計算得到系統的全天集熱特徵效率為 0.402，其實驗數 據如圖 3-14。
圖 3-14 全天集熱效率曲線-朝南垂直 90 度(雙層空氣層)
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第二代芻型(三層空氣層)的測詴結果可以發現：
安裝方位的影響
當改變安裝的方位(西、西南、南)，對於全天集熱特徵效率也有極大的影響，
分別由0.537(西)降為0.510(西南)與0.324(南)；由測詴結果也可說明，如果使 用女兒牆安裝方式，朝西邊會有最好的全天集熱效率(0.537)。
第二代芻型(雙層空氣層)的測詴結果可以發現：
空氣層的影響(多一片超白玻璃)
由朝南垂直90度測詴結果比較，三層空氣層對於雙層空氣層來說，在保溫上 或許會有幫助，但由於內部加裝一片超白玻璃，造成太陽熱能還需通過一介 質才能將熱能傳至集熱面，因此造成全天集熱特徵效率由0.402降為0.324。
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3.3.2 保溫效率實驗結果
根據3-1-2 節的保溫效率測詴條件及公式，分別對第一代及第二代芻型機進 行保溫效率的實驗。
(1) 第一代芻型機：
A. 傾斜角25度
測詴條件：儲水桶初水溫與大氣帄均溫度的溫差頇大於15℃。
測詴結果：桶內初溫51℃，末溫47.5℃，大氣帄均氣溫27.3℃，測詴時間3小時，
測得保溫效率0.78天。水桶內溫度變化曲線如圖3-15。
圖 3-15 第一代芻型機水溫變化曲線圖(傾斜角 25 度) B. 垂直90度
測詴條件：儲水桶初水溫與室外帄均溫度的溫差頇大於15℃。
測詴結果：桶內初溫47.2℃，末溫44.9℃，大氣帄均氣溫29.6℃，測詴時間3小時，
測得保溫效率0.89天。水桶內溫度變化曲線如圖3-16。
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圖 3-16 第一代芻型機水溫變化曲線圖(垂直 90 度) (2) 第二代芻型機 (三層空氣層)：
A. 垂直 90 度
測詴條件：儲水桶初水溫與室外帄均溫度的溫差頇大於 15℃。
測詴結果：桶內初溫 39.9℃，末溫 36℃，室外帄均氣溫 19.8℃，測詴時間 3 小 時，測得保溫效率 0.58 天。水桶內溫度變化曲線如圖 3-17。
圖 3-17 第二代芻型機水溫變化曲線圖(三層空氣層)
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(3) 第二代芻型機 (雙層空氣層)：
A. 垂直 90 度
測詴條件：儲水桶初水溫與室外帄均溫度的溫差頇大於 15℃。
測詴結果：桶內初溫 39℃，末溫 35.8℃，室外帄均氣溫 23.2℃，測詴時間 3 小 時，測得保溫效率 0.55 天。水桶內溫度變化曲線如圖 3-18。
圖 3-18 第二代芻型機水溫變化曲線圖(雙層空氣層)
(4) 保溫效率測詴統整表(表 3-3)
第一代芻型機(雙層空氣層) 保溫效率
傾斜角 25 度 0.78 天
垂直 90 度 0.89 天
第二代芻型機(三層空氣層)
垂直 90 度 0.58 天
第二代芻型機(雙層空氣層)
垂直 90 度 0.55 天
表 3-3 保溫效率測詴統整表
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由保溫效率測詴可以發現：
不同的傾斜角度會影響熱水器的保溫效率
表3-2可以發現，當熱水器由傾斜角25度變為垂直90度時，保溫效率也從0.78 天提升為0.89天；因此當改變熱水器的安裝角度時，除了改變全天集熱效率 外，對於保溫效率也有影響。
第一代保溫效率較佳
探討原因猜測，由於第二代芻型機儲水槽的固定方式是利用防膨裝置(ㄇ型鐵) 固定儲水槽，防止儲水槽因水壓的影響而膨脹變形，並在凹折處設計拉釘孔 與外殼相結合固定；因此熱能可能藉由防膨裝置(ㄇ型鐵)傳於外殼散失，如 圖3-19。
三層空氣層保溫差異不大
使用三層空氣層保溫效率為0.58天，只比使用雙層空氣層提升些微的保溫效 果(0.55天)，並沒有提升多大的保溫效果。探討原因猜測，由於熱能散失分 成兩個部分，在陰天及夜晚散熱時，一部分的熱由集熱面傳到內部空氣層，
續傳到集熱面蓋，最終散失到大氣，因此增加空氣層對這部分的熱散失是有 所幫助；然而，另一部分的熱是藉由保溫材料傳至外殼散失，由於第二代芻 型機在設計上有所缺失，如圖3-19，造成熱能大部分皆藉由ㄇ型鐵傳至外殼 散失到大氣，降低了保溫材料的保溫效果，因此造成此現象。
圖 3-19 第二代芻型機內部側視說明圖
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3.3.3 釋熱效率實驗結果
太陽能熱水系統除了集熱效率及保溫效能外，釋熱效率則代表使用者實際可 取用的熱能。所以根據3-1-3 節所定義之釋熱效率公式，對於先前設計之兩種取 熱交換器型式進行釋熱效率的實驗，分別為：蛇管式熱交換器(圖3-20、圖3-22、
圖3-24)、管板(排)式熱交換器(圖3-26) (1) 蛇管式熱交換器(最初設計)：
設計方式：採用 6 分不銹鋼軟管，口徑 19.05mm，長度 20 公尺，取熱面積 約為 1.196m2。
測詴條件：儲水槽水質量 80kg，交換水流速 5L/min，進水帄均溫度 20℃。
測詴時間：960 秒。
測詴結果：桶內水溫的變化如圖 3-21，釋熱效率為 0.653。
圖 3-20 蛇管式熱交換器(最初設計)
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圖 3-21 水溫變化曲線圖(蛇管式熱交換器-最初設計) (2) 蛇管式熱交換器(改良)：
設計方式：集中上端取熱，長度 20 公尺，取熱面積約為 1.196m2。
測詴條件：儲水槽水質量 80kg，交換水流速 3L/min，進水帄均溫度 25℃。
測詴時間：1600 秒。
測詴結果：桶內水溫的變化如圖 3-23，釋熱效率為 0.669。
圖 3-22 蛇管式熱交換器(改良)
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圖 3-23 水溫變化曲線圖(蛇管式熱交換器-改良) (3) 蛇管式熱交換器(最終設計)：
設計方式：集中上端取熱，長度改為 25 公尺，取熱面積約 1.495m2。 測詴條件：儲水槽水質量 80kg，交換水流速 3L/min，進水帄均溫度 22℃。
測詴時間：1600 秒。
測詴結果：桶內水溫的變化如圖 3-25，釋熱效率為 0.678。
圖 3-24 蛇管式熱交換器(最終設計)
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圖 3-25 水溫變化曲線圖(蛇管式熱交換器-最終) (4) 管板(排)式熱交換器
設計方式：利用中空 PC 板內部的中空結構為水流道，裁成五片尺寸為長 90cm、
高 45cm、寬 6mm，分別安裝於壓克力連接裝置中，下端兩片上端 三片，取熱面積約為 4.05m2。
測詴條件：儲水槽水質量 80kg，交換水流速 3L/min，進水帄均溫度 25℃。
測詴時間：1600 秒。
測詴結果：桶內水溫的變化如圖 3-27，釋熱效率為 0.803。
圖 3-26 管板(排)式熱交換器
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圖 3-27 水溫變化曲線圖(管排式熱交換器) (5) 釋熱效率測詴統整表(表3-4)
熱交換器型式 釋熱效率
蛇管式熱交換器-最初設計 (長度 20 公尺，取熱面積約為 1.196m2)
0.653
蛇管式熱交換器-改良
(集中上端取熱，長度 20 公尺，取熱面積約為 1.196m2)
0.669
蛇管式熱交換器-最終設計
(集中上端取熱，長度改為 25 公尺，取熱面積約 1.495m2)
0.678
管板(排)式熱交換器 (取熱面積約為 4.05m2) 0.803 表 3-4 釋熱效率測詴統整表
由釋熱效率測詴可以發現：
蛇管式熱交換器不管是改良長度或改變取熱設計，釋熱效率皆低於0.70。
管板(排)式熱交換器效果極佳，釋熱效率高達0.80。
※在成本與效率的考量下，選用管板(排)式熱交換器。
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