太陽能熱水系統概述

太陽能熱水系統主要原理是利用集熱器吸收來自太陽輻射能 量，並透過熱交換的方式將熱傳至工作流體，儲存於儲熱槽中。影 響集熱能力的因素包括太陽輻射量、當地地區室外環境溫度、集熱 器的集熱能力、保溫材料的選擇及控制策略的決定等。太陽的熱能 透過輻射的方式將能量傳到地球，其所發出的能量約每秒有

3.845×1026 J，而地球接收來自太陽所發出的能量約每秒

1.743×1017 J，約等於 610 萬噸煤炭燃燒產生的熱量，相當於全球 每天熱量需求的16700 倍。因此，若能將太陽每天所產生的能量累 積起來當作日常生活的能源，可取代相當可觀的一次能源。在太陽 能應用最常見的參數為每日的太陽日照強度 W/m2，而地球大氣層 外的日照強度，通常定義為太陽常數 E0=1367 (W/m2)。太陽常數：

用以表示由太陽照射至地球上之輻射能量。在太陽與地球之距離為 平均距離時，在大氣層上界（無大氣影響）垂直於太陽光線之單位 面積、單位時間所接受之太陽輻射。^[15]

r₀ = 1.496x10⁸ km

r_E = 6371km r_S = 7x10⁵ km

圖 2.1 太陽與地球位置與能量傳遞相關圖^[15]

除了每日平均日照強度之外，月平均日輻射量也常常被用來計 算集熱量的參數，太陽透過直達及漫射的方式，以每秒數百瓦的強 度將能量傳至地表，其平均日輻射量就是根據每秒的日照強度與每 天的日照時間(hr)乘積累加所得到的累積量，如圖 2.2。月或年的日 輻射量可由每日的累積日輻射量計算得知。

台灣地區位於北半球，緯度約為22~24 之間，且有北回歸線通 過嘉義地區，春、夏季日照良好，除了北部地區因地形關係，日照 時數較少之外，中部以南全年日照時數約 2000hr 以上，如圖 2.3。

根據台灣地區日照時數及日照率的分布可得知最佳的鋪設地區大 部份都在台灣的中南部地區，這也是為什麼太陽能熱水器大多裝設 在中南部的原因。

時間 Δt

輻射量 日射量Hi=Ii x Δt

Ιι

圖2.2 日輻射量時間序列累積圖^[15]

圖2.3 台灣地區年日照時數與日照率分佈圖^[15]

太陽能熱水系統主要構成元件包括集熱器、儲熱槽、溫差控制 器、泵浦等，如圖 2.4 。集熱器的功能主要用來吸收太陽輻射熱，

將熱量傳遞給工作流體如水。儲熱槽用於熱水系統又稱為儲水槽，

主要用來儲存熱水的地方，以提供用熱端使用。泵浦藉由溫度感測

溫度差，將電子訊號傳至泵浦，驅動泵浦將工作流體傳送至集熱板 管路中進行熱交換，達到集熱的功能。一般設計常用：集熱板出口 水溫高於儲水槽下方水溫 7~10℃，即啟動泵浦循環。

溫差控制器

圖2.4 太陽能熱水系統示意圖^[15]

大型太陽能熱水系統主要應用範圍包括：溫水游泳池、宿舍及 旅館熱水等。

圖2.5 大型太陽能熱水系統應用案例^[15]

一、 太陽能集熱器種類與連接方式

太陽能熱水系統依循環動力的種類可分為：自然循環式與強制

循環式。一般而言，在大型太陽能熱水系統中，由於集熱面積較多，

為了克服工作流體的管路摩差損失所造成的壓降。因此，大多採用 強制循環式系統。

若以連接各集熱水管的連接方式分類，可分為以下三種：

（一）並聯

工作流體先流經集熱器下方冷水主幹管，由每片集熱器底部流 入集熱器，再從每片集熱器出口匯集至熱水主幹管。

（二）串聯

前一片集熱器熱水出口接到下一片集熱器冷水入口。

（三）併聯

其各集熱器的冷水入口連接在一起，熱水出口管亦依序連接。

二、 大型太陽能熱水系統設計說明^[15]

3.1、調查用戶基本情況 3.1.1、環境條件

安裝地點緯度 ：北緯__________度 月平均日輻射量 ：___________MJ/m²

環境溫度 ：________________℃

3.1.2、用水情況

每日平均用水量：_______________m3 用水模式：______________

用水溫度：______________℃

用水位置：______________

3.1.3、場地情況

場地面積：說明或圖例 場地形狀：說明或圖例 建築物承載能力：

遮擋情況：

3.1.4、水電情況 水壓：kg/cm2 or Pa 電壓：V

水、電供應情況 ： 3.2 熱需求量計算

根據不同用水習慣與溫度需求、水量，計算總熱需求量。

3.2.1、宿舍用水：依據人數與用水量計算

(

)

p L

L

V C T T

Q = × × −

參數定義：

Q ：負載需求熱量（KJ） L

Ta：環境溫度(K)

TFr：補充水出使水溫(K)

w

Cp_, ：水比熱4.18kJ/kg-K

hfg：液汽熱焓值(kJ/kg)

Qeva：蒸發熱散失量(kJ)

3.3、太陽能集熱系統設計與相關設備選擇

集熱器的選用：根據太陽能熱水系統補助辦法規定集 熱器效率必須符合相關規定才能給予補助，集熱器規格如 表 2.2 所示，並檢附副本如附件。配合當地地區可裝設位 置進行集熱效率的修正如表2.3 所示。

表2.2 集熱器性能

集熱器名稱 非金屬平版式

集熱器編號 xxxxx

FR (τα) 0.75

FRUL 5.51

單片集熱器面積(m²) 2 表 2.3 集熱板傾斜角、方位角

安裝位置 XXXX 當地緯度(度) 23 安裝頃斜角

（度） 33=緯度＋10 傾斜角修正係數 98%

安裝方位角

（度） 南向西30 方位角修正係數 98.50%

3.4、氣象資料

台灣地區氣象資料可由中央氣象局或工研院氣象資

料軟體，供不同地區每月份之氣象資料，如表 2.4 所列為

3

(2) 管路壓降

根據不同管徑、流量、閥件、裝設高度等計算系統所需要之系 統壓降，選擇適當的泵浦，可參考配管實務設計[4]。太陽能熱水 系統管路設計遵循”先進後出”的設計概念以確保管路流路均勻，如 圖 2.6 所示。必要時，在管路適當位置裝設壓力表或流量計，以方 便系統檢測之用。

冷水入

熱水出

圖2.6 管路配置圖