第五章 長期系統性能模擬與經濟效益分析
5.1 長期系統性能模擬分析
5.1.6 長期性能模擬分析
一個 4 人家庭熱水負載每天需要 240 公升，因此需要安裝 6 台「建築整合式 太陽能熱水器」，家庭使用方式如圖 5-7。由於太陽能熱水器的設計及太陽能輻射 條件因素，如果設定水溫為 60℃時，每天啟動輔助電熱器的機會便增加了，所 以輔助電熱器的水溫應盡量調至 60℃以下，一天的輔助加熱時間應也要小於 5 小時。如果將設定水溫降為 55℃，則耗電情形便會改善（黃秉鈞，2000【20】；
黃重魁，2002【21】）。本研究設定水溫為 55℃。
圖 5-7 太陽能熱水器整合建築使用示意圖【22】
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根據 B.J. Huang【23】研究，熱水器以每月第 15 日為當月代表日進行長期 性能分析，其分析結果與使用長期逐時之分析結果做比較，誤差值極小；因此本 研究以每月第 15 日為基準，代表當月每日熱水器使用之情況，藉由 5.1.4 節每月 15 日累積輻射量、大氣帄均溫度等氣象資料，與 5.1.1 節資料結合，進行「建築 整合式太陽能熱水器」長期模擬分析，計算流程如圖 5-8。
圖 5-8 計算流程圖 詳細說明如下：
以台北地區一月使用透明玻璃朝南傾斜 25 度為例。每日太陽累積輻射量 Ht 為 6.81MJ/m2、大氣帄均溫度 16.5℃、自來水帄均溫度 12.1℃、全天集熱效率 𝜂𝑠=-0.1396x+0.615(冬至)、保溫效率 0.78 天、釋熱效率 0.803。
第一部分
第二部分
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因中午(12:00)到傍晚(17:30)期間為散熱反應，利用式 3-24 可推得傍晚時之水溫𝑇𝑛 為
𝑇𝑛 = 𝑇 𝑎+𝑒 − 𝑡𝜏𝑐 × (𝑇𝑚 − 𝑇 𝑎) = 𝑇 𝑎+𝑒 − 𝑡𝜏𝑐 × ( 𝑄𝑐
𝑀𝐿𝐶𝑝 + 𝑇𝑖 − 𝑇 𝑎)
(式 5-25) 代入相關數值求得𝑇𝑛，即可繼續 Step4-Step6 計算流程。
第二部分 (計算提供熱水與輔助電熱器所耗電量)
圖 5-9 計算示意圖 Step1.
依第一部分計算可得家庭沐浴時熱交換器可取出之熱量𝑄𝑢： 𝑄𝑢 = 𝜂𝑅𝑄𝑡 = 𝜂𝑅𝑀𝑛𝐶𝑝(𝑇𝑛 − 𝑇 𝑤)
(式 5-26)
當熱水流經管線到達室內儲水桶(內含輔助電熱器)，假設熱損(15%)，則所剩熱 量𝑄𝑜：
𝑄𝑜 = 1 − 0.15 𝑄𝑢
(式 5-27)
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水溫為 55℃，當沒有任何熱量提供的情況，室內儲水槽從自來水溫度加熱到 55
℃所需熱量𝑄𝑛 = 𝑀𝐿𝐶𝑝(55 − 𝑇 𝑤)，由於太陽能熱水器會提供熱量𝑄𝑜，因此輔助電 熱器所需提供熱量為𝑄𝑛 − 𝑄𝑜；假設輔助電熱器轉換效率為 90%，則所耗電量為
𝑄𝑛 − 𝑄𝑜
0.9 × 3.6= 𝑀𝐿𝐶𝑝(55 − 𝑇 𝑤) − 1 − 0.15 𝜂𝑅𝑀𝑛𝐶𝑝(𝑇𝑛 − 𝑇 𝑤) 0.9 × 3.6
(式 5-28) 代入相關數值：
𝜂𝑅 = 0.803、𝑀𝑛 = 240𝐿、𝑀𝐿 = 240𝐿、𝐶𝑝 = 0.004184𝑀𝐽/𝑘𝑔℃、𝑇𝑛 = 27.6℃、
𝑇 𝑤 = 12.1℃
[240 × 0.004184 × (55 − 12.1)] − 0.85 × 0.803 × 240 × 0.004184 × (27.6 − 12.1) 0.9 × 3.6
= 10.02 𝑘𝑤 可得輔助電熱器所耗電量為10.02 𝑘𝑤
以下分別針對台灣北中南地區(台北、台中、高雄)，使用不同顏色面蓋(透明、
海洋藍、法國綠)，安裝條件為朝南傾斜 25 度(模擬斜屋頂)、朝東朝南朝西垂直 90 度(模擬女兒牆)進行模擬分析。分析「建築整合式太陽能熱水器」對於家庭整 年的熱水提供，在熱能不足使用輔助電熱器的情況下，每月所耗電量為何，分析 結果如圖 5-10~圖 5-18、表 5-15~表 5-17。
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【台北地區】
圖 5-10 使用透明玻璃每月所耗電量(台北)
圖 5-11 使用法國綠玻璃每月所耗電量(台北)
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圖 5-12 使用海洋藍玻璃每月所耗電量(台北)
透明 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月 年總量 朝南 25 度 297 248 240 125 77 34 0 5 23 88 131 252 1,520 朝南 90 度 315 278 311 192 166 120 110 113 83 151 171 268 2,278 朝西 90 度 353 303 306 178 140 76 53 59 73 157 188 320 2,206 朝東 90 度 359 312 319 191 157 89 70 76 87 172 199 329 2,360
法國綠
朝南 25 度 318 271 269 150 108 55 26 31 46 118 154 278 1,824 朝南 90 度 333 294 334 210 185 123 114 117 100 178 196 291 2,475 朝西 90 度 363 315 322 192 158 89 70 75 87 173 200 332 2,376 朝東 90 度 367 321 331 202 171 99 82 87 97 184 208 339 2,488
海洋藍
朝南 25 度 331 284 284 163 124 68 43 47 59 134 167 294 1,998 朝南 90 度 343 304 340 214 190 123 115 118 105 186 203 304 2,545 朝西 90 度 367 320 329 199 167 94 77 82 93 180 206 338 2,452 朝東 90 度 371 325 337 207 178 103 87 92 101 190 213 343 2,547
註：單位𝑘𝑤 (度)
表 5-15 每月所耗電量統整表(台北)
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【台中地區】
圖 5-13 使用透明玻璃每月所耗電量(台中)
圖 5-14 使用法國綠玻璃每月所耗電量(台中)
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圖 5-15 使用海洋藍玻璃每月所耗電量(台中)
透明 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月 年總量 朝南 25 度 186 160 162 79 33 23 0 9 3 15 61 156 887 朝南 90 度 210 207 270 171 153 120 117 119 76 109 122 171 1,845 朝西 90 度 302 262 262 149 113 70 54 65 64 122 158 281 1,902 朝東 90 度 319 279 282 166 135 85 72 81 80 144 175 299 2,117
法國綠
朝南 25 度 231 201 206 112 72 46 24 36 31 60 100 204 1,323 朝南 90 度 249 237 304 192 174 124 121 123 97 150 165 215 2,151 朝西 90 度 323 282 285 168 137 85 72 81 80 145 177 303 2,138 朝東 90 度 335 294 300 181 153 95 85 92 91 161 189 316 2,292
海洋藍
朝南 25 度 258 226 229 129 94 61 42 52 46 85 121 232 1,575 朝南 90 度 273 256 313 198 180 124 121 124 102 162 177 242 2,272 朝西 90 度 332 291 296 177 147 91 80 88 87 156 185 313 2,243 朝東 90 度 343 302 309 187 161 100 91 98 97 170 196 324 2,378
註：單位𝑘𝑤 (度)
表 5-16 每月所耗電量統整表(台中)
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【高雄地區】
圖 5-16 使用透明玻璃每月所耗電量(高雄)
圖 5-17 使用法國綠玻璃每月所耗電量(高雄)
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圖 5-18 使用海洋藍玻璃每月所耗電量(高雄)
透明 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月 年總量 朝南 25 度 180 83 81 33 0 7 0 6 5 8 71 111 585 朝南 90 度 203 120 169 145 87 116 115 117 75 67 124 122 1,460 朝西 90 度 281 166 162 115 53 59 52 62 63 74 153 194 1,434 朝東 90 度 296 181 180 136 72 75 70 78 78 89 167 208 1,630
法國綠
朝南 25 度 220 117 117 71 22 33 23 33 32 36 104 143 951 朝南 90 度 237 146 197 169 103 119 118 120 94 93 160 152 1,708 朝西 90 度 299 183 182 138 72 75 70 78 78 90 169 210 1,644 朝東 90 度 310 194 195 153 86 87 83 90 89 101 180 219 1,787
海洋藍
朝南 25 度 243 138 137 92 39 49 40 49 46 52 122 163 1,170 朝南 90 度 258 161 205 175 108 120 119 121 99 100 170 170 1,806 朝西 90 度 308 190 191 148 80 82 78 85 85 96 176 216 1,735 朝東 90 度 317 200 202 162 92 93 89 95 95 106 186 225 1,862
註：單位𝑘𝑤 (度)
表 5-17 每月所耗電量統整表(高雄)
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