第一章 緒論
1-1 前言
工業革命以來，人口的大量成長及科技的日新月異，人們對於能源 的需求也快速增加，但以傳統化石能源產能的方式往往也造就了大規模 的汙染和生態浩劫，另外近代的核能發電也有放射性物質外漏的疑慮，
在諸多的環境問題與爭論之下衍生出了所謂的再生能源，而以再生能源 替代傳統化石能源為現今許多科學家努力的目標，雖現在大部分的再生 能源之生產成本比化石能源來的高，但在新興科技的與人類意識催化下，
不久的將來必會取代大部分傳統石化能源的一天，以達環境保護及永續 發展的目的。
再生能源，可大致分為太陽能、風能、水力能、海洋能、地熱能、
生質能…等【23】，這些能源的使用皆對環境有友善性，但其往往是富 含可觀的能源卻難以開發的情況，其中太陽能是最為取之不盡用之不竭 且最簡單可得到的能源，提供了地表萬物的能量所需，也為大多數再生 能源之母，故以太陽能為能源發展主軸是最具潛力的。以太陽能發展的 能源可分為太陽光電能和太陽熱能，其中太陽光電又稱太陽能電池，將 光電半導體受到光照後直接產生可利用的電能，如此便利的產電方式受 到大眾的青睞，以太陽能光電產業的蓬勃發展可見一斑，而太陽熱能部 分，主要是利用相關集熱方式吸收太陽熱輻射後轉換成較實用的能源(熱、
電)，例如以聚焦方式加熱流體變成氣體並帶動渦輪發電的大型太陽能塔、
加熱空氣造成浮力效應驅動氣流的太陽能煙囪【24】，或是將水加熱後 直接使用的太陽能熱水器，都是太陽熱能的應用例子。本研究即是利用
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太陽熱能做為應用，但不產電或熱，而是類似太陽能煙囪般將此熱能用 來加熱空氣，因溫差而產生氣體流動，達到空氣自然對流帶動室內通風 和利用此熱氣作為室內取暖的用途。
室內通風的部分，在一般住家或工廠均須要有通風換氣的管道，一 方面可到排汙氣的效果，二方面也有調溫的作用，在一些高溫且空氣混 濁的工廠工作環境，以通風方式達到引進乾淨空氣及降溫更顯得重要，
可有助於人類身體健康及工作效率提升，目前應用在建築方面的通風方 式主要有渦輪免動力、傳統風扇排風、自然對流通風，各有其優缺點(如 表 1-1)，而本研究即為利用自然對流達到通風之效果。室內取暖方面，
在屬寒帶的地區，人類在室內一般皆用火爐或電熱的方式取暖，但此方 式不僅耗能且易汙染空氣，近年則有搭配以太陽熱能取暖的綠建築，是 為開啟環保的契機，本研究另一部分即是將熱氣收集起來並導回室內，
做一取暖之研究，此方式不僅可以用來人類生活取暖，更可用在農業種 植溫控領域上。
本研究以再生能源-太陽能為研究主軸，利用其熱能發揮在通風的主 題上，研究內容包括建造一溫室的空間，並利用太陽能的通風系統，在 夏季的炎熱季節時對溫室做通風降溫的實驗，在冬季低溫時利用集熱裝 置將熱氣收集起來並導回溫室內，做一溫室升溫的研究。溫室分成實驗 組和對照組，實驗組有裝太陽能通風系統，而對照組則無，並在不同時 段做實驗量測，藉此可全面性的相互比較分析，並探討對照實際建築及 其效能。
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1-2 文獻回顧
本論文研究重點在於利用太陽熱能對建築物做一通風降溫和取暖升 溫的效果，另外還有平板自然對流和熱管相關技術理論之探討，故在參 考文獻時以此方面為考量。
建築物通風和取暖方面，2010 年的 Chan 等人【1】整合過去研究，
指出建築物主要的耗能的部份在於暖氣﹅通風和空調(HVAC)，若以傳統 的方式加熱或冷卻空氣既會耗能且製造大量的二氧化碳排放量，對未來 能源短缺的情況下有一定的影響，其內容也介紹和比較多種利用太陽能 的通風模式，包括 Trombe 牆(Trombe wall) 【2~4】﹅太陽能煙囪(Solar chimney) 【5~8】﹅無釉蒸發式太陽能門(Unglazed transpired solar façade)
﹅太陽能屋頂(Solar roof) 【9~10】等，最後提到 Maria【11】等人的研究 須結合主動式和被動式的太陽能系統，彌補各其限制和缺陷，並且要有 靈活的裝置構件用來適應不同的建築物上，加熱和冷卻系統的組合可以 適用於不同季節不同地區的建物上，如此結合才能提高其效率和成本效 益，更能被市場所接受。
利用太陽能通風的部份，以太陽能煙囪(Solar chimney)研究的例子為 多，在2006年Mathur【12】等人以傾斜的煙囪做為太陽能通風的設計研 究，其裝置上表面為玻璃，下表面為絕熱且容易吸收輻射的物體，經由 太陽照射後產生熱氣流排出煙囪口，而建築物下方開口自然補進較涼的 氣流入室內，在考慮太陽照射角度及煙囪傾斜角之排熱氣效能的問題後，
研究發現設置在45度時為最理想角度。另外應用在高樓通風方面，2004 年 Pasquay【13】針對於高層建築大樓的雙層外牆自然通風和隔音的研究，
為了解其效能，對三棟高樓建築做了至少一年以上的監測，研究發現雙
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層外牆使用在高樓建築是可行的，可以達到自然通風的效能也可以提高 隔音的效果，另外也有降低日曬破壞、降低噪音、夜間通風 (Siemens building) 之優點，但其缺點兩牆的溫差大、建築成本高、清潔費用高，
雖其研究有不錯之效能，但並不全是每個地區建築最好的選擇，該裝置 適合使用在溫帶氣候。在國立成功大學力行校區的綠色魔法學校【25】
也是個很好的例子，其中大型演講廳-崇華廳的通風塔運用了太陽能煙囪 通風的概念，當戶外低於28℃時，室內溫度可維持在30.5℃，全年可節省 27%的空調耗電。
以農作物溫室通風研究方面，在 2005 年 Davies【14】提到對於熱帶 性氣候國家的農作物，降低炎熱環境下農作物生長的困難度可改善國家 進口糧食的依賴，其技術主要以太陽能做為輔助，蒸發液體做為降溫的 方式而裝置在種植農作物的溫室上。其實驗發現使用蒸發冷卻散熱的方 式在夏季時可降低 5℃，這使得番茄和黃瓜這類作物可延長耕種的時間。
在利用太陽能熱能產生暖氣的研究方面，大部份的研究內容以單一吸 熱模組做為研究內容，包括裝置的規格設計和數值模擬，少部份則有較 系統式的研究如取暖系統與建築的加熱效果關係。2008 年 Hikmet Esen
【15】研究在單一模組在吸熱板上，比較有擾流障礙物和無擾流障礙物 的情況下對空氣的加熱的效能，研究指出，適度的擾流障礙物可以增加 吸熱板和空氣接觸面積進而讓空氣加熱效果提升。2005 年 Zhai 等人【16】
利用電熱模擬太陽能的效果，也對此熱交換器做一研究，研究發現，熱 量的輸入﹅裝置傾角﹅管道設計皆會對熱空氣的溫度有關。另外在較有 系統式的研究方面有 2011 年 Zhao【17】做的增加熱儲能裝置，以卵石床 和儲水罐做為熱氣未被使用時的儲能裝置，可以增加熱使用效率以及無 光照時段的使用。
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在平板自然對流和熱管相關技術理論方面，本研究遵循過去研究碩士 論文【26】【27】之參考文獻，也了解到平板自然對流的理論基礎和研 究發展，由最早的 Elenbass【18】於 1942 開始做廣泛的研究，探討兩垂 直等溫平板所產生的自然對流現象，在往後的諸多學者也進行許多的研 究。另外在熱管方面，最早的設計及運用在 1963 年 Grover【19】等人的 研究上，目的為人造衛星的熱傳輸所設計，當時使用不銹鋼管材質，並 以鈉為工作介質，內有網狀的毛細結構，研究發現其熱傳導係數高於任 何已知金屬，從此命名為熱管(Heat Pipe)，並於 1967 年成功的應用在人 造衛星上，一直到現代熱管方面的研究也有各式不同的特性，除了國外 研究外，國內也有諸多類似研究，例如 2004 年國立成功大學航空太空研 究所的劉智仁【28】探討熱管蒸汽腔室的物理現象，研究中將熱管的極 限值與工作原理做一完整的描述。
本研究室在 2007 年呂金翰【26】及 2009 年林宥任【27】有之相關 研究，利用電加熱模擬太陽能，在將熱經由熱管傳熱致鋁鰭片，進而造 成空氣的自然對流達到通風的效果，是為一創新的通風研究，根據文獻
【26】內容，已針對熱管數和散熱鰭片做深入的探討，研究發現熱管數 越多通風效果越好，而散熱鰭片有一最佳片數可達通風量最大，文獻【27】
除了將熱管換為熱虹吸式外，也對散熱鰭片做更深入的最佳化研究，另 外也提到在太陽照射角度與熱管效率的平衡下，通風器與地面需呈夾角 5 度，可讓太陽能通風器有最好的發揮。
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1-3 內容概要
本論文內容分為五章，第一章為緒論，敘述本論文之研究動機與研 究目的，並對相關建築物通風器應用之文獻做一回顧。第二章為本研究 之相關實驗原理，概述太陽能通風系統的基本架構及相關實驗理論探討。
第三章為實驗設備與量測方法，介紹實驗用的溫室、設備及相關操作，
並概述實驗流程。第四章為結果與討論，將所量測的數據做整理並詳細 的分析討論，探討其研究目的與實際結果。第五章為結論與建議，總結 所有實驗結果與發現之現象，最後提出未來的工作與建議。
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