第二章 實驗原理
本研究是延續過去文獻【26】及【27】的研究成果及未來建議之方 向，做一更為貼近真實情況的研究。過去研究主要以電加熱的模式模擬 為太陽熱能，在利用熱管將熱傳遞至散熱鰭片，進而加熱週遭空氣產生 自然對流的現象，而本實驗第一部份是在戶外蓋一適當大小的溫室空間，
直接吸收太陽熱能，再利用熱管傳遞至散熱鰭片並讓溫室空間有空氣通 風降溫效果，規模與真實性大於過去文獻之研究，為本研究主要特色之 一，另外再依據此通風效應，延伸為第二部份的實驗，將產生的熱氣收 集後再導回溫室內，做為可在冬天溫室取暖的效果，為本研究的第二特 色，另外本研究強調對實驗後的數據分析與討論，對於相關設計與現象 原理已在本研究室研究團隊之成果【26】及【27】內有做詳盡有的探討，
在此僅簡述之。
依據過去研究，針對熱管數、散熱鰭片數及傾斜角對通風量做深入 的探討，初步的取得一最佳化操作參數，並將此最佳操作參數及規格應 用於本實驗中，詳細規格於第三章說明。另外在太陽能通風器裝置的部 分，該通風器與水平地面呈 5 度夾角，吸熱區為低處，而散熱區為高處，
其理由為熱管考量，因本實驗用的是熱虹吸式熱管，水平置放時無法有 效發揮熱管的效果，需要在有傾斜的狀態才能發揮熱管的功用，經由過 去實驗測試在角度 5 度時已能發揮效果，因此本實驗通風器設計成與地 面呈 5 度的角度置放。
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2-1 基本運作原理
本實驗使用的通風器系統，主要由吸熱板、熱管、一列垂直的散熱 鰭片所組成，另外搭配溫室空間做為通風目標，其工作原理是利用陽光 的照射在黑色的吸熱板上加熱，搭配玻璃使其熱能增加，而吸熱板的熱 會傳至熱管加熱端使內部工作流體吸熱後產生相變化，熱管的真空環境 很容易的讓工作流體自液態轉為氣態，變成氣態後體積快速膨脹並以蒸 汽快速流動，將熱能傳遞至冷卻端，熱管的冷卻端與一列垂直的散熱鰭 片接觸，當熱能傳遞給散熱鰭片後，鰭片溫度升高並加熱鰭片週遭的空 氣進而讓此熱空氣產生上升的自然對流，而熱管冷卻端內的汽態工作流 體會凝結回液態並流回加熱端再重複被加熱，完成以太陽熱能帶動氣流 流動的效果，將此對流效果放置在溫室屋頂上，溫室內的空氣會逐漸被 加熱並以對流方式排至戶外天空，而溫室附近新鮮的空氣會經由門窗進 入溫室內遞補，達到夏季溫室內通風且降溫的效果。
太陽能溫室取暖部份則是將受加熱的空氣，利用隔熱的集熱外蓋罩 住整個散熱區並把熱氣收集起來，在集熱外蓋的最高處裝置隔熱的導熱 管，導熱管連接到溫室內部的底端，其出口加裝一電力風扇以驅動熱氣 流，如此便可以極少電力的方式達到溫室升溫的效果，可用於冬季溫室 保暖用途。
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2-2 太陽能通風器
本節主要敘述太陽能通風器系統各部位之設計及運作原理。
2-2-1 吸熱區
吸熱區由熱管及黑色的鋁吸熱板組成，熱管被吸熱板包覆於內，並
在上方適當距離處覆蓋玻璃。太陽表面溫度約 6000K，它發出的輻射波 長很短，是為短波輻射，而當陽光照射在吸熱板上時，黑色的塗面可使 更易吸收輻射熱能，使吸熱板溫度增加並由熱傳導方式將熱能傳給熱管，另一方面黑色的的鋁板因溫度的升高也放出輻射能，因溫度較低是為長 波輻射，短波輻射和長波輻射在經過玻璃時情況是不同的，玻璃對短波 輻射幾乎是透明的，但卻強烈的吸收長波輻射，玻璃被由吸熱板放出的 長波輻射加熱後，也會放出波長更長的輻射能，一半往外一半往內，其 中往內輻射的部分稱為逆輻射，逆輻射將會再由黑色吸熱板吸收，因而 加強其吸熱區的加熱效應。
在以太陽熱能為能源的熱交換器研究中，對於玻璃與吸熱板的設計 有很多種，例如有單層玻璃和雙層玻璃之設計研究【20】，另有考量空 氣與吸熱板熱交換面積之流道設計研究【21】，而本研究之太陽能通風 器吸熱區為單純吸熱，未有空氣進入並進行熱交換。
2-2-2 熱管
由熱管的發展可知，最初是應用於太空科技上，將太陽照射之高溫 處和陰影低溫處做熱交換，其中工作流體從凝結部返回蒸發部依賴毛細 管構造的毛細力。然而把毛細管構造應用於地面技術時，有以下缺點：(1)
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增大熱阻，(2)最大熱傳量受制於毛細管界限或沸騰界限，(3)插入毛細管 構造的工程複雜及成本高。另外在地面上應用除了毛細管構造外，還有 不用毛細力，利用重力使液體返回蒸發部的熱管，此熱管實應稱為「密 閉二相熱虹吸式熱管」，圖 2-1 為其構造及作動原理，構造只有容器與作 動流體，作動方式為下部加熱，底部液槽發生池沸騰熱傳，當蒸發端的 液體溫度達臨界溫度，蒸發端的液體就會受熱沸騰而快速變成蒸汽，蒸 汽會因體積大幅膨脹而快速地流動並且將熱傳遞到冷卻端，進行潛熱釋 放，而達成快速的熱傳導，冷卻端的蒸氣冷凝成液體，藉著重力回流到 蒸發端。熱管的雖然有許多優秀的特性，但熱管無法無限制輸送熱量，
對於輸送熱量及作動流體質量有若干限制，在設計時需檢討這些限制，
可別分為沸騰極限、冷凝極限、音速極限、毛細構造極限、飛散(溢流) 極限…等，而熱虹吸熱管性能極限是以飛散(溢流)極限當作熱管的最大熱 傳量。
本研究之熱管使用虹吸式熱管，連接吸熱區與散熱區，在吸熱區為 熱端，散熱區為冷端，將熱能由吸熱區傳遞至散熱區。
2-2-3 散熱區
散熱區由散熱鰭片和熱管所組成，其中熱管穿透過一片片垂直的散 熱鰭片中間位置，在一個太陽能通風器模組中會有數隻熱管穿透過散熱 鰭片，並將熱能經由這些穿透接觸處傳遞給散熱鰭片，一排排的散熱鰭 片中間空氣流道處可視為兩垂直等溫平板，在圖 2-2 中，當兩垂直平板的 邊界層厚度小於兩平板的間距 D，此時流體的流動可視為單一垂直平板 的自然對流，兩平板並不會互相影響。然而當兩平板的間距 D 縮小，或 平板長度 H 增加，導致兩邊界層厚度在間距 D 內交會，此時兩平板流場 會互相影響，此時流場的內部狀況為完全發展。而對等溫對稱平板其速
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度及流量分別為
u = ( )
8 [1 ( x 2⁄ )]
ṁ = ( ) 12
上列的參數分別為:D：平板間距(mm)；
x
：內部流場任一位置到一半平 板間距的垂直距離(mm)從上式當中可得知當流體在完全發展的情況下，流體的流量與與平 板的間距 D 呈三次方的正比。
2-3 實驗相關計算
在此計算部分中，分為夏季通風降溫和冬季取暖升溫的部分，主要 針對有裝設太陽能通風器的區域經過實驗溫度數據量測後，再做相關後 續處理，以凸顯其效能。
2-3-1 夏季通風降溫實驗
在此部分所量測到的溫度數據，為能直接表示該時段及該位置之溫
度，除了直接呈現溫度趨勢外，另外會:(1) 將各個位置之溫度做平均處理，並且因有裝通風器之區域(A室)會比 未裝通風器之區域(B室)溫度低，故會將同樣位置之溫度平均值相減(B 室平均溫度減A室平均溫度)，以利各位置之溫差比較。
(2) 在通風換氣效能方面，將各時段通風量平均後，乘以總通風面積2.2 m2，即為CMM (Cubic meter per minute)
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在此算出各時段之換氣量後，依據美 國 ASHRAE(American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers， 美 國 冷 凍 空 調 協 會 )所 訂 定 的 通 風 規 範 (ASHRAE Standard 62-89)
，
每 人基準室內換氣量為 15 ~ 20 CFM(0.42~0.57 CMM)來看，若 A 室空間 可容納 2~4 人做為工作環境，則 A 室所需的標準換氣量為 30~80 CFM(0.84 ~2.28CMM)，藉此與本實驗之換氣量做比較。(以上相關規 格會在第三章詳加描述)。13