國 立 交 通 大 學
工學院永續環境科技學程
碩士論文
台灣發展太陽能加熱系統之
環境與經濟效益評估
Assessment of Environmental and Economic
Benefits for Solar Water Heating System
Development in Taiwan
研 究 生：翁志博
指導老師：高正忠教授
台灣發展太陽能加熱系統之環境與經濟效益評估
Assessment of Environmental and Economic Benefits for Solar Water Heating
System Development in Taiwan
研 究 生：翁志博 Student：Chih-Po Wong 指 導 教 授：高正忠 Advisor：Jehng-Jung Kao
國 立 交 通 大 學
工學院永續環境科技學程
碩 士 論 文
A ThesisSubmitted to Degree Program of Sustainable Technology on Environmental Protection
College of Engineering National Chiao Tung University in Partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree of Master of Science
In
Sustainable Technology on Environmental Protection October 2009
Hsinchu, Taiwan, Republic of China
摘要
為了改善能源結構及降低溫室氣體人均排放量，推展太陽能加熱系統(SWHS) 為當前重要能源政策之一。唯由於各區域特性不同，適宜性及效益亦因而不同。 本研究因而建立一套方法分析在台灣發展SWHS之適宜性及環境與經濟效益。 由於各地的輻射量不同，加上行政區域劃分方式影響政策的推動，本研究因 而以自然條件為主、行政區為輔的方式分區，以作為後續分析之依據。以往的分 析方法是依據全年太陽潛能累積值計算效益，但由於各區每日日照資源無法延至 數日後使用，節能效益估算亦因而失真。故本研究依據各分區之水溫資料及太陽 潛能估算系統之熱輸出，並依據熱輸出量多寡決定該日是否為有效日照天，再以 各分區之有效日照天數比例計算效益值，進而考量單雙桶之影響。接著探討SWHS 在各分區使用適宜性之差異，並以成本效益及政府的能源政策建立程序分析之。 然後依據發展狀況、旗艦計畫執行率、補助費用、傳熱率、初置成本、維修費用 及折現率等建立七種不同情境，並推估各情境下的安裝量，及評估與比較各情境 下的環境與經濟效益，以作為相關決策或規劃之參考依據。 各情境分析後結果顯示環境效益在現況下及所替代能源為電力、柴油及天然 氣時，估計約分別可減少eCO2 37,175噸、18,721噸及14,157噸。而當旗艦計畫執 行率達100%時，環境效益約為現況1.5倍。豐日照與外島區在無補助下之回收年 限約在18.9至21.2年間，其他地區則長達24年以上，誘因因而較小。當初設成本 降低10%-30%及含補助時，回收年限則可縮短為12.8至7.9年。傳熱率技術提昇可 增加有效日照天數，增加7%-20%時各區最多約可增加9-20日。當折現率值由 1.86%增為3%-5%時，各區約可縮短收年限9.1%-17.5%。依結果可看出現今以豐 日照區的推廣效益較佳，而中日照區的回收年限長，誘因較為不足。上述情境分 析結果可作為台灣在不同區域發展SWHS與相關決策之參考依據。 關鍵詞：太陽能加熱系統、適宜性、環境效益、政策評估、永續環境系統分析Abstract
In order to improve the energy structure and reduce the GHG emission per capita, promoting renewable energy applications such as the solar water heating system (SWHS) has become an essential national policy. However, regional characteristics can greatly affect the applicability and potential benefits of using SWHS. This study thus proposed a method for assessing the regional applicability and environmental and economic benefits of SWHS in Taiwan.
To facilitate various regional analyses, the entire country is divided into four SWHS development regions based on the level of radiation in each region and administrative boundaries. Previous studies generally implemented their analyses based on the annual solar radiation that may overestimate the energy benefit because, for a SWHS application, the solar radiation energy captured today generally can not be preserved until the next day, even the radiation is excessively high. Therefore, this study determines effective days based on whether the potential heat output, estimated from the water temperature and solar radiation in each region, of each day is enough to run a SWHS or not. The energy benefit of a SWHS is then estimated based on the number of effective days, instead of on annual radiation. The potential benefit for installing two storage tanks is also analyzed. A procedure is established for analyzing the applicability of a SWHS in each region based on its potential cost benefit. Seven scenarios are established according to the development status, the ratio for achieving the national policy target, subsidy, heat transfer rate, fixed and maintenance cost, and discount rate. The environmental and economic benefits among scenarios are also estimated and compared.
Under current situation, the environmental benefit, in term of eCO2 reduction, for
substituting electricity, diesel and natural gas are 37,175, 18,721 and 14,157 tons, respectively. If the target of the national SWHS development policy is achieved, the environmental benefit is expected to increase about 50%. The payback period without subsidy in the high radiation and island areas is between 18.9 and 21.2 years, while for other areas it is more than 24 years. If the initial fixed cost is decreased by 10%-30% and providing subsidies, the payback period can be shortened to 12.8-7.9 years. If the heat transfer rate increases 7%-20%, it can increase 9-20 effective days. When the discount rate is increased from 1.86% to 3% -5%, the payback period can be shorten about 9.1%-17.5%. The results show that promoting SWHS in high radiation areas is effective, but for other areas with less radiation the payback period is still too long. These scenario results are expected to facilitate related decision analyses for developing SWHS in different regions.
Keywords: Solar water heating system; applicability; environmental benefit; policy assessment; sustainable environment systems analysis.
誌謝
進入職場工作後，常懷念起以前的學生生活，特別是大學時代，除了 念書、準備考試外，也對於步入社會後的人生，充滿無限憧憬與想像。但 畢業後，因為家庭因素，無法選擇繼續學生生活，就這樣拋棄了許多事情， 入伍、工作直到現在。 一直有再進修的想法，只是工作壓力下遲遲未付諸行動，感謝登福兄 的鼓勵與幫助，方得以下定決心在工作之餘，完成未竟之想法，數年研究 生的日子，除了買學生票時有點笑容外，印象中，大多數的時間，不是在 上班，就是在課堂，或是在學校及圖書館間中度過。在職進修與全職學生 間的差距，有時大到難以量化，偶而也想過要放棄，但總在同學們的互相 鼓勵及自己的不甘心下走到了現在。感謝所上教授及兼任教授對專班學生 的付出及關懷，特別是我的指導教授 高正忠博士，高老師不但讓我了解 如何從一個環工人的角度分析事情，而且不厭其煩指導我論文寫作的技巧 及態度並適時鼓勵我，更重要的是，高老師對教育的責任感及對社會的關 懷，讓我十分佩服；感謝研究室的子欽及宥禔，在研究過程中的指導與幫 忙，讓我學習如何規劃及解決瓶頸問題；感謝嘉俊、啟弘、舒閔、淑君的 鼓勵，讓我沒有勇氣放棄研究；不能忘記玉華、凱茹、珮絹的加油打氣， 也在此表達我的謝意；感謝我的家人及明蓉、郁晴，謝謝你們給我精神上 的最大鼓勵。 最後感謝所有幫助過我的人，以及所有同窗之同學，很高興認識大 家，也期望畢業後自己對於未來的路有較深刻之思考與永續之規劃。目錄
中文摘要 ...i 英文摘要 ...ii 誌謝 ...iii 目錄 ...iv 表目錄 ...vi 圖目錄 ...vii 符號說明 ...ix 第一章 前言 ...1 1.1 研究緣起 ...1 1.2 研究目的 ...3 1.3 研究流程 ...4 1.4 論文內容 ...6 第二章 文獻回顧 ...7 2.1 太陽能發展現況與趨勢 ...7 2.2 SWHS 應用推廣現況與趨勢 ...9 2.3 SWHS 補助政策 ...11 2.4 太陽潛能分析與分區 ...14 2.5 SWHS 發展可行性與適宜度分析 ...15 2.6 SWHS 環境與經濟效益分析 ...18 第三章 太陽能加熱系統及分區方法 ...20 3.1 太陽能加熱系統 ...20 3.1.1 簡介 ...20 3.1.2 種類 ...21 3.2 應用對象及代表系統 ...243.3 政府補助誘因 ...27 3.4 太陽能潛勢分區 ...29 第四章 太陽能加熱系統之適宜性分析 ...35 4.1 銷售市場與成本效益分析 ...35 4.2 成本效益分析 ...38 4.3 日照有效日分析 ...40 4.4 結果及討論 ...44 第五章 太陽能加熱系統應用之環境與經濟效益分析 ...55 5.1 情境 ...55 5.2 環境與經濟效益分析 ...57 5.2.1 環境效益與衝擊分析...57 5.2.2 經濟效益分析 ... ...58 5.3 各情境環境與經濟效益分析結果與討論 ...58 5.3.1 情境一：現行 SWHS 發展狀況...59 5.3.2 情境二：太陽能產業發展旗艦計畫執行率分析...64 5.3.3 情境三：分析補助費用多寡之差異...68 5.3.4 情境四：SWHS 技術提升，集熱器之傳熱率增加...71 5.3.5 情境五：SWHS 初置成本降低...73 5.3.6 情境六：年維護運轉費用佔總初設成本的比例...76 5.3.7 情境七：折現率(Discount rate)分析...77 第六章 結論與建議...79 6.1 結論...79 6.2 建議...83 參考文獻 ...85
表目錄
表 2.1 影響再生能源發展的因素... 8 表 2.2 各國獎勵政策及現況說明... 12 表 2.3 希臘地區太陽潛能分佈... 14 表 2.4 適用性評估分類說明... 16 表 3.1 代表案例說明... 27 表 3.2 台灣各氣象站太陽潛能觀測數據 ... 32 表 3.3 SWHS 的分區結果 ... 33 表 4.1 95 年各區申請太陽能加熱系統件數 ... 36 表 4.2 分區之市場銷售狀況... 37 表 4.3 各分區自來水平均溫度... 44 表 4.4 各分區每月最低太陽潛能需求量 ... 45 表 4.5 各分區之單桶有效熱水天數(A=4 平方公尺)... 46 表 4.6 各分區之雙桶有效熱水天數與單桶差異值(A=4 平方公尺)... 47 表 4.7 各分區之單桶有效日照天數(A=6 平方公尺)... 48 表 4.8 各分區之雙桶有效日照天數... 49 表 4.9 各分區雙桶可增加之有效熱水天數(A=6 平方公尺)... 50 表 4.10 代表案例相關資料... 51 表 5.1 各情境的內容說明... 56 表 5.2 污染物與 GHG 排放係數... 58 表 5.3 情境一資料-各分區各種類型安裝面積 ... 59 表 5.4 情境一相對污染物及 GHG 減量表... 60 表 5.5 環境污染處理成本換算表... 62 表 5.6 情境二相對污染物及 GHG 減量表... 65圖目錄
圖 1.1 研究流程... 5 圖 3.1 SWHS 應用範例 ... 21 圖 3.2 自然循環式太陽能熱水器... 22 圖 3.3 強制循環式太陽能熱水器... 23 圖 3.4 儲置式太陽能熱水器... 23 圖 3.5 台灣地區太陽能熱水器應用分佈圖... 24 圖 3.6 SWHS 之住宅型態調查 ... 25 圖 3.7 台灣地區安裝太陽能集熱面積歷年統計圖 ... 28 圖 3.8 測站分佈圖... 30 圖 3.9 全天空輻射量... 30 圖 3.10 SWHS 分區範圍圖 ... 33 圖 4.1 各區每日太陽潛能平均趨勢圖... 43 圖 4.2 HA 類案例 ATC與 Bze 比較圖... 52 圖 4.3 HB 類案例 ATC與 Bze 比較圖... 52 圖 4.4 M 類案例 ATC與 Bze 比較圖... 53 圖 4.5 CC 類案例 ATC與 Bze 比較圖 ... 53 圖 4.6 豐日照區 HA 類案例 ATC與 Bze 比較圖... 54 圖 4.7 高日照區 HA 類案例 ATC與 Bze 比較圖... 54 圖 4.8 中日照區 HA 類案例 ATC與 Bze 比較圖... 54 圖 4.9 外島區 HA 類案例 ATC與 Bze 比較圖... 54 圖 5.1 各分區(能源為電力時)污染物與 GHG 之減量分析圖 ... 60 圖 5.2 各分區(能源為天然氣時) 之減量分析圖... 61 圖 5.3 豐日照區污染物與 GHG 之減量分析圖... 62 圖 5.4 各分區採用 SWHS 與原使用能源為天然氣時之效益比較 ... 63圖 5.5 不同原使用能源下採 SWHS 之效益比較圖 ... 63 圖 5.6 太陽能產業發展旗艦計畫未來裝設量推估圖 ... 64 圖 5.7 情境二各分區(能源為天然氣時)污染物與 GHG 之減量分析圖 ... 66 圖 5.8 情境一至二污染及 GHG 減量比較圖... 66 圖 5.9 情境一至二經濟效益比較圖... 67 圖 5.10 HA 類案例 ATC 與 Bze 比較圖補助費用... 69 圖 5.11 補助費用比例與 15 年後 ATC 剩餘比例圖 ... 70 圖 5.12 各分區之單位面積污染減量累積成本 ... 70 圖 5.13 傳熱率增加與 Rz 值之變化圖 ... 71 圖 5.14 情境一至五污染及 GHG 減量比較... 72 圖 5.15 不同集熱效率之成本效益比較... 73 圖 5.16 HA 類案例 ATC 與 Bze 比較圖初設成本降低... 74 圖 5.17 HA 類案例 ATC 與 Bze 比較圖初設成本降低 10%、20%及 30% ... 75 圖 5.18 HA 類案例 ATC 與 Bze 比較圖維護運轉費用係數... 77 圖 5.19 HA 類案例 i 值與回收年限關係圖... 78 圖 5.20 HA 類案例 i 值與回收年限降低百分比關係圖... 78
符號說明
符號 說明 數值 單位 A 太陽能加熱器之集熱板面積大小 m2 ATC 太陽能熱水器在使用壽命年限前每年平均 成本 --- NT Bze 分區 z 太陽能熱水器在使用壽命年限間之 年平均節能費用 NT CC SWHS 應用主要對象之一，醫院。 C0 取代加熱能源在使用起始年的現值 nt/kWh DEd 雙桶系統有效日天數之判斷值 1 or 0 e 取代之加熱能源市場價格之平均改變率 % Ed 第 d 天是否為有效日照天 1 or 0 Ez 分區 z 之系統年平均熱輸出 kWh/ m 2 Ez0 分區 z 假設全年 365 天均使用的總熱輸出 kWh/ m 2 f 使用期間平均通貨膨脹率(inflation rate) % FC 初始投入成本 依系統大小不等 NT H 水之比熱 cal／g ℃ HA SWHS 應用主要對象之一，四人之透天住 家家庭使用。 HB SWHS 應用主要對象之一，公寓與大廈之 家庭使用場所。 i 平均折現率(discount rate) % M SWHS 應用主要對象之一，旅館。 MC 維護運轉總費用 NT MR 年維護運轉費用 NT m 維護運轉費用之係數 % n 熱水器的使用年限 year Rz 分區 z 年平均日照天數比例 % Rmind 第 d 日的最低太陽潛能需求量 MJ/ m 2 Rd 第 d 天之太陽潛能量 MJ/ m 2符號 說明 數值 單位 S 政策補助費用 NT u 利率，以中央銀行全球資訊網公告五大銀 行平均存款利率(一年期)計算 0.77 % V 單一儲桶之體積 Liter Y 分析年度的總天數 一般為 365 day α 政策補助之係數 2250 or 4500 NT/ m2 γ 集熱器之集熱效率 % △td 第 d 日需求熱水與自來水之溫差 ℃
第一章 前言
1.1 研究緣起
台灣地區能源約 98%以上仰賴進口(經濟部能源局，94 年)，加上人口 增加及生活品質提升，能源供給已漸不足以滿足需求成長量。而全球能源 取得的成本上昇及石化燃料逐漸枯竭，導致原油價格增加。加上近年來全 球環保意識抬頭，暖化問題使得全球重視溫室氣體減量，而台灣人均排放 量明顯高於國際平均，面對這些改變，發展太陽能等再生能源因而已成為 當前重要政策之一。 加熱系統是太陽能的重要應用之一，目前推廣加熱系統之主要誘因來 自於政府補助政策 (范，89年)，其他誘因還包括電價因素影響，在電價即 將上漲，預期會更具誘因促使民眾採用太陽能，然而台灣預估年安裝面積 可達10萬平方公尺，居全球第8位；若以單位土地安裝密度來看，可達全 球第3位，普及率已達4.48%(經濟部能源局，94年)。但與2006年歐盟市場 成長率47%相比，臺灣平均成長率僅約8.3%(王等，96年)，明顯有進步的 空間。以德國太陽能運用最普及的弗萊堡為例，台灣面積約為該地235倍， 但太陽能裝置容量尚不及其1 / 5 (徐，96年)，因此可看出台灣發展太陽能 仍然有很大的發展空間。唯由於台灣區域特性不同，日照量與太陽潛能皆 有差異，不同分區日照時數相差可達2.8倍(中央氣象局，95-96年)。加上都 會區與非都會區之住宅樓層高度差異，五層樓以下之公寓所佔比例明顯不 同，也因加熱系統儲水端與使用點之輸送管線距離不同，影響到可節約之 熱能總值(范，89年)，因此適宜性及效益均不同，使得台灣各區推動太陽 能加熱系統(Solar water heating systems，SWHS)的適宜性及效益是一個值 得探討的研究課題。國內評估 SWHS 之應用，曾採用問卷評估（鄭，93 年）針對特定區 域之人民調查對 SWHS 是否熟悉與接受的程度，以及對政府政策之了解， 但並未針對效益評估進行調查。亦曾有以效益評估（黃，93 年）及潛能評 估(譚，95 年)方式來分析某特定區域之太陽能加熱應用狀況。唯特定區域 之效益評估，對於氣候因素較少著墨，亦未針對不同住宅型態分析加熱系 統應用情形。國外對於適宜性研究，則曾有研究依成本效益分析太陽能加 熱的可行性 (Kaldellis et al., 2004)，成本效益考量項目包括裝設面積、裝 置價格、政策獎勵比例、年回收熱源、電熱價格、瓦斯加熱價格等。唯這 些指標對於台灣地區之適用性尚待探討，且相關因子對於成本效益的影響 程度，會因區域之條件不同而不同。本研究因而建立分析台灣各區發展 SWHS 之適宜性的適當方法，以作為後續推廣策略規劃及環境與經濟效益 分析之重要依據。 SWHS 之推廣除了分析其適宜性，尚須考量其環境與經濟效益。例如 溫室氣體減量是目前全球的焦點，也是環境面的重要考量，裝設太陽能加 熱系統，可減少石化燃料或是電力的使用(范，89 年)，因而能減少溫室氣 體排放量，本研究因而探討依溫室氣體等環境衝擊因子評量其環境效益。 並建立一套程序分析 SWHS 的環境與經濟效益。雖然社會面的部分如可能 增加的人力需求(Diakoulaki et al., 2000)及教育功能等亦甚為重要，唯因資 料甚難取得，故本研究未納入。 而運用 SWHS 取代傳統能源之推廣程度不同，對於環境衝擊及經濟效 益亦會有所不同，本研究因而依不同情境，採用前述所建立的方法分析台 灣各區推廣 SWHS 之適宜性與環境與經濟效益。
1.2 研究目的
本研究主要分析 SWHS，建立能用以評估台灣發展 SWHS 之適宜性與 環境與經濟效益工具，以期作為後續改善與相關決策的依據。主要研究目 的有以下四項： 1. 提供適當的工具評估台灣發展 SWHS 之適宜性與環境與經濟效益：因 台灣主要能源仰賴進口，再加上全球暖化問題嚴重，使得再生能源受到 重視。SWHS 是目前普及率最高的太陽能應用，然而目前國內並沒有適 當的方法可供評估台灣發展 SWHS 之適宜性與環境與經濟效益，本研 究因而建立一套方法或程序來解決此問題。 2. 評估台灣各區發展 SWHS 的潛勢及適宜性：本研究參考徐(91 年)之分 區方法，藉由氣候資料年報之數據，並參考行政區及區內住宅分佈之型 態，將台灣分成數區，進而評估各區發展太陽能之潛勢。由分析市場佔 有率與成長率，考量民眾接受度及成本效益分析等方式，以評估台灣各 區發展 SWHS 的適宜性。 3. 評估台灣各區發展 SWHS 的環境與經濟效益：依據所提出之工具探討 台灣各區發展 SWHS 在環境面、經濟面之正面與負面效益，以評估台 灣各區發展 SWHS 的環境與經濟效益。 4. 提供台灣發展 SWHS 之適宜性與環境與經濟效益分析結果，以作為後 續改善與相關決策的依據：由於台灣各區之氣候與住宅等特性有顯著差 異，導致各區推行效益不同，本研究之適宜性與環境與經濟效益研究成 果可作為後續改善與相關決策的重要依據。1.3 研究流程
本研究流程圖如圖 1.1 所示，主要分為資料收集、SWHS 及其運用、 潛勢分區方法、SWHS 之適宜性分析、SWHS 之環境與經濟效益性分析、 情境分析等六大步驟，以下分別摘要說明之： 1. 資料收集：主要收集國內外 SWHS 文獻，包括再生能源發展、太陽能 相關技術、國家能源政策及政府補助政策等相關文獻。及收集案例分析 所需要的資料、包括全台灣觀測站日照時數、全日空輻射量、本島住宅 分佈型態、多層樓管路等資料。 2. 太陽能加熱系統及其運用：依所收集的文獻，整理出相關 SWHS 之原 理，並介紹常用之種類。根據國內外之文獻分析比較台灣與國外加熱系 統運用之相異處，以作為後續分析台灣地區適用性時參考。 3. 分區方法：由於台灣區域地形及氣候特性不同，導致各地日照量與太陽 潛能皆有差異，加上行政區域劃分方式影響政策的推動，本研究因而以 自然條件為主、行政區為輔的方式分區，並考量台灣都會區與非都會區 之住宅樓層高度差異，導致加熱系統儲水端與使用點之輸送管線距離不 同，做為分區之權重調整。 4. SWHS 之適宜性分析：針對 SWHS 於台灣之佔有率與銷售量，以評估 民眾之接受度。並參考 Kaldellis et al. (2004)所使用的成本分析方法，考 量裝設面積、裝置價格、政策獎勵比例、年回收熱源、電熱價格、瓦斯 加熱價格等項目，建立一套可用以評估台灣各區發展 SWHS 之適宜性 的方法。 5. SWHS 之環境與經濟效益性分析：本研究除了分析 SWHS 之經濟效益， 針對相關成本與經濟因素作一探討，並探討依溫室氣體等環境衝擊因子 評量環境效益，討論裝設 SWHS 減少石化燃料及電力的使用量，及相對應溫室氣體之減少排放量並建立一套程序分析 SWHS 的環境與經濟 效益。 6. 情境分析：鑑於運用 SWHS 取代傳統能源之推廣程度不同，對於環境 衝擊及環境與經濟效益亦會有所不同，本研究因而依可能發生的不同情 境，採用前述所建立的方法分析台灣各區推廣 SWHS 之適宜性與環境 與經濟效益，以供作為後續改善與相關決策的重要依據。 分區方法 資料收集 太陽能加熱系統 及其應用 太陽能加熱系統應用之 適宜性分析 情境分析 太陽能加熱系統應用之 環境與經濟效益分析 加熱系統原理 地理及氣候條件 現況調查 能源政策 其他… 圖 1.1 研究流程
1.4 論文內容
第二章主要介紹及回顧 SWHS 及其發展與運用現況、台灣相關條件、 國家能源政策及太陽能發展政策分析；第三章詳述 SWHS 及依氣候及行政 界等因子劃分的分區方法；第四章說明台灣各區發展 SWHS 之適宜性分析，包含市佔率、銷售市場及成本效益分析；第五章說明台灣各區發展 SWHS 之環境與經濟效益分析程序，包含情境分析及討論環境與經濟效益 分析結果；最後第六章總結論文及說明後續建議。
第二章 文獻回顧
本章主要回顧及整理與本研究有關的文獻，藉由探討相關研究之成 果，分析及討論本研究之重要性與可行性。相關重要文獻主要分為太陽能 發展現況及趨勢、SWHS 應用推廣現況與趨勢、SWHS 補助政策、太陽潛 能分析與分區、SWHS 發展可行性與適宜性分析及 SWHS 環境與經濟效益 分析等部分，以下一一說明之。2.1 太陽能發展現況與趨勢
發展再生能源已是國際上的趨勢，表 2.1 所列為 Gutermuth (1998) 所 指出會影響再生能源發展的 11 項因素，雖然成功的發展再生能源仍面對 不少困難及挑戰，但已是各國都在努力的重要目標。而源源不絕的太陽能 更是再生能源中很重要的一種綠色能源，工研院(98 年)指出，以歐盟各國 為例，在 1975~2002 年間，一共安裝了集熱面積達 12,158,900 平方公尺之 SWHS，其中又以德國佔 34%最多，且 2003、2004 年資料顯示，德國每年 約以 100 萬平方公尺增加中。Tsoutsos (2002)指出歐洲對於太陽能熱系統之 需求逐年增加，自 1999 年起以 7%之成長率增加。依 BMU (2009)分析， 歐盟太陽熱能發展自 2006 年開始，至 2008 年中，有近 44%成長，Cyprus 為裝置量排行第一，奧地利及希臘居次，德國為第四位。其中，奧地利與 德國能在歐盟排名第二及第四位並非其太陽潛能較高，而是由於其政策所 影響。表 2.1 影響再生能源發展的因素 Item 內容 1 當地氣候、地質條件、地形等因素。 2 技術水準與科技進步程度 3 對於能源之需求程度與 4 與相對應之非再生能源價格比較 5 外在的影響亦包括在能源單價上 6 具體改善財務的途徑 7 國家是否具備再生能源相關條件，如法律、制度、管理等。 8 具備發展使用再生能源的特殊技術 9 獲得資料的能力 10 教育及訓練 11 世代覺醒與公眾的接受。 整理自 Gutermuth (1998) 台灣由於多數能源仰賴進口，以 97 年第三季為例，進口能源佔總能源 約 99.3%(經濟部能源局，97 年) ，對於自給自足之能源，相形重要。再加 上溫室氣體人均排放量頗高，2006 年能源燃燒 CO2 排放總量占全球排放 總量 0.96%，全球排名第 22 位。人均排放量為全球排名第 16 位(環保署， 98 年) ，因而發展綠色能源，有必要成為國家的重要政策。加上台灣在自 然天候條件上，有很豐富的太陽潛能。比較日、德與台灣數據，台灣日平 均輻射量約是日本 67%，德國 56% (歐等，97 年)，但依日照日而言，德國 弗萊堡一年擁有 1800 個小時的日照時間，比德國北部的漢堡多了 200 多 小時日照，故成為德國之太陽能之都；但其實，弗萊堡日照比起於台灣南 部的 2200 小時還要少(徐，96 年)，技術上，國內太陽能廠商亦已正蓬勃發 展中，也已在量產階段中，太陽光電部分產值由 2004 年的 26 億台幣，至 2006 年已增加至 148 億，太陽熱能產值亦由 7.3 億提升至 11 億(王等，96
年)，故台灣頗值得推動太陽能應用相關政策。以 96 年資料，太陽能只佔 約國內能源的 0.1%(經濟部能源局，97 年)，比起德國太陽能於電力上已佔 0.6%，熱能替代已佔 0.3%(BMU, 2009)，台灣的太陽能應用，仍有很大的 發展空間，本研究因而針對國內已在推動的 SWHS 進行分析，以期能更有 效的推動相關政策。
2.2 SWHS 應用推廣現況與趨勢
台灣由於太陽潛能豐富，在國內需要發展綠色能源與溫室氣體減量的 壓力下，有必要發展太陽能，而技術上已頗成熟的 SWHS 頗值得在台灣推 廣，本研究因而建立方法分析台灣發展 SWHS 的適宜性及環境與經濟效 益，由於在下一章有必要先說明太陽能加熱系統、種類與應用對象等，以 作為後續研究的主要依據，故這些部分說明及相關文獻介紹請參見在第 3.1 節之說明。以下主要回顧國內外 SWHS 應用現況與政策發展趨勢。 張(95 年)提到台灣最早 SWHS 政策為經濟部能源局 88 年所訂定的「太 陽能熱水系統推廣獎勵辦法及相關作業要點」目的在藉由補助政策，提高 國人裝置 SWHS 之意願，並希望於 2020 年提高再生能源於台灣總能源需 求的 3%。王等(96 年)分析國內 SWHS 之市場分佈，主要是以家用 SWHS 為主，佔約 90%，而使用之形態多為自然循環式，但因系統限制，多需安 裝於平台或空地上，對建築物之整合性較低。其指出我國自 1986 年至 2006 年底，SWHS 集熱面積安裝達 155 萬平方公尺，能源效益每年為 10.26 萬 公秉油當量，相當於節省每年 22.2 億元之 LPG，環境保護效益為可抑制二 氧化碳排放量達 28.9 萬噸。97 年 7 月政府宣佈對於太陽能發展之新策略， 並將相關經費編於 98 年中央政府總預算案(行政院主計處，98 年)，主要項 目為推動太陽能熱水器的 1.7 億元與包括「太陽能產業發展旗艦計畫」在 內的雙旗艦計畫共 50.7 億元。國外對於 SWHS 之發展，主要與各國之太陽潛能及補助推動政策有 關，其中歐盟、美國與日本為主要之應用國家。一般國外之政策多採用補 助策略，美國發展 SWHS 時亦可減免部分所得稅，日本則是於產業面推廣 與及低利貸款方式進行，較詳細說明請參見下一節。 發展 SWHS 需考量其推廣之困難點，必要時需於國家能源政策中協 助。Argiriou et al. (2003)曾分析於希臘推行 SWHS 之障礙處，值得於國家 發展 SWHS 推廣政策時考量，整理如下: 1. 公眾對於 SWHS 之認知與覺醒 2. 產業初始投資成本 3. 希臘都市化程度 4. 建築物屋頂形式 5. 天然氣使用者之促銷 王等(96 年)亦曾提到 SWHS 發展需思考的幾個方向 1. 設備成本與經濟誘因 2. 建物景觀問題 3. 屋頂可安裝面積 Tsoutsos (2002)曾以 SWOT 分析 SWHS 技術之優缺點與必要性，以確 認發展 SWHS 重要因素與要件。其中之重要因子，如 Strength 中技術成熟、 價格合理等。Weaknesses 中銷售安裝需再訓練、部分區域人員的較慢覺醒， 機會為高昂的能源成本，歐盟的獎勵與補助政策，Threats 為季節影響或消 費者環保意識低落等，此部分因素亦值得決策人員參考。 發展 SWHS 政策需多方面思考，除了下一節所討論的補助政策外，對 於生產端或回收端之改善，雖然未列入本研究的範疇中，但後續研究宜納 入考量。
2.3 SWHS 補助政策
黃(91 年)指出太陽能設施成本仍然高於傳統能源頗多，故現階段推動 太陽能應用有賴於政府的補助政策，SWHS 亦不例外，目前已有不少國家 採用獎勵補助政策推動 SWHS，表 2.2 所列為各國補助措施，多數國家以 補助方式來提高 SWHS 之使用率。 德國是歐洲最大的太陽熱能市場，BMU (2009)分析至 2006 年底，德 國太陽能集熱器安裝面積佔歐盟之 49%。依工研院(98 年）指出，德國市 場與台灣類似，住家使用 90%以上。每平方公尺補助 110 歐元，約是成本 的 15%。 美國(工研院，98 年）則以減稅及獎勵大型系統安裝者為主，主要用於 溫水游泳池（88.2%），家用熱水（9.8%）及暖房（1.7%）次之。可看出其 與台灣的 SWHS 發展頗為不同。 日本（張，97 年）使用融資方式推動之外，亦以一些行動計畫，如 1994 年「新日光計畫」及 1995 年「綠色政府行動計畫」輔助推動之。1998 年 針對大型系統予以 30%~50%補助，2010 年目標為 5.5 百萬公秉油當量。 中國大陸(工研院，98 年）自 90 年代開始就已是全世界最大的太陽能 熱水器製造商和使用國，2002 年的新安裝面積占全世界總產量的 76%。就 1998-2003 年期間的累積量平均年增加率為 28%左右。地方政府亦有提供 一些補助，例如人民日報社(2007)曾報導河南省鄧州巿對於自願安裝太陽 能熱水器的農戶，每台補助人民幣 240 元，其市場上普通太陽能熱水器每 台售價約在 1400 至 1600 元之間，實行集中採購後，得標價降至 1100 元 左右，農民支付 800 多元，就能裝一台太陽能熱水器。約佔 1 成多補助， 與台灣每平方公尺 1500 元相比，比例略高。張等(97 年)指出大陸安裝 SWHS 成本較低，單位平方公尺之安裝成本約 1000~2000 元人民幣；亦有一些地 方執行強制條款，如濟南 2006 年之百萬屋頂太陽能熱水計劃。台灣(范，89 年)於 87 年全國能源會議中，為因應聯合國之氣候變化綱 要及後續對人為之 GHGs 之全球性管制，達成幾項結論，包括再生能源利 用於 2020 年達成總能源需求之 3%，加強推動新能源之發展，如太陽能， 以及成立研究開發小組，規劃能源科技長久發展計劃。其後，參考 75 年 至 80 年間對 SWHS 之獎勵經驗，於 89 年實施「太陽能熱水系統推廣獎勵 辦法」，藉由獎勵措施激勵國人普遍裝置太陽能熱水系統，並期能於 2020 年時再生能源占我國總能源需求比例至 3%。97 年 7 月政府宣佈雙旗艦計 畫(經濟部，98 年)，包括太陽能產業發展旗艦計畫在內，計畫於四年內推 動 14 萬戶之太陽能熱水器之安裝。「太陽能熱水系統推廣獎勵辦法」是利 用補助方式獎勵人民安裝 SWHS，其內容主為依集熱板面積每平方公尺補 助 1500 元，外島區域則為 3000 元，並成立基金會辦理補助作業，協助合 格廠商設立及合格產品登記。補助款不同主要原因包括 SWHS 初置成本與 本島與外島之能源成本不同，本研究因而就各情境條件下、各區域之太陽 潛能與補助款多寡分析對於推廣 SWHS 之影響。 表 2.2 各國獎勵政策及現況說明 國名 政策及現況說明 德國 1. 補助金額為 110 歐元/平方公尺，以集熱面積 5 平方公尺的住家熱水系統計算，成本約 4,000 歐元；補助比率約 15%。 2. 是歐洲最大的太陽熱能市場，自 1991 年以來，已經成長了十倍。 在 2003 年，約安裝 72 萬平方公尺，有 6 億歐元銷售額。至 2006 年底，太陽能集熱器安裝面積佔歐盟之 49% 3. 大型系統安裝位置：公寓、旅館、醫院、游泳池和公司。德國市 場與台灣類似，住家使用 90%以上。 4. 為了刺激公寓建築的使用，減少聯邦支出，目前德國正在制 訂”Regenerative Heating Act”和”Renewable Energies Act”。
美國 1. 1978 年起，聯邦政府補助 50%之費用於學校醫院及建築有裝設太陽能熱水系統者。 2. 1980 年訂定能源減稅法，費用之 40%可減免所得稅於家庭購置 太陽能系統者，最高 4,000 美元至 1985 年到期，各州亦有其單 獨的減稅辦法，且可和聯邦政府減稅辦法並行。 3. 銷售量至 1984 年最高達 152.5 萬平方公尺。但 1985 年減稅辦法 到期之後，加上石油價格低迷，太陽能熱水器的銷售量也逐漸下 降，至 1995 年時年銷售面積僅剩 71.2 萬平方公尺。 4. 主要用於溫水游泳池（88.2%），家用熱水（9.8%）及暖房（1.7%） 次之。主要使用為南部各州，如佛羅里達（50%）、加州（20%） 等，原因為氣候因素及各州之獎勵措施。 日本 1. 能源多數仰賴進口，和我國類似，對太陽能的推展應用可說不遺餘力。 2. 1974 年「日光計畫」（Sunshine Project）。1974 年至 1980 年，重 點放在應用於個別及集合式住宅的太陽能冷、暖房和熱水供應系 統。1980 年後，重點移至太陽能工業製程用熱的應用及長時熱 儲存。 3. 1980 年「促進普及太陽能系統融資制度」，重點為低利貸款補助 及稅率優惠。 4. 1994 年「新日光計畫」使用 4.27 億日圓於太陽能冷凍系統研究。 5. 1995 年「綠色政府行動計畫」要求有效地利用太陽能於新建築 物。 6. 1998 年針對大型系統予以 30%~50%補助，2010 年目標為 5.5 百 萬公秉油當量。 7. 1980 年融資制度開始實施後，增加十幾倍年裝置量。80 年代末 期，因低油價，銷售量開始下滑。 中國 大陸 1. 90 年代開始就已是全世界最大的太陽能熱水器製造商和使用 國，2002 年的新安裝面積占全世界總產量的 76%。就 1998-2003 年期間的累積量平均年增加率為 28%左右。 2. 第 10 個新永續能源工業發展五年計畫裡，2005 年設定目標為 65 百萬平方公尺，長期目標是於 2015 年，完成安裝量 230 百萬平 方公尺。 3. 安裝成本較低，單位平方公尺之安裝成本約 1000~2000 元人民幣 (張等，97 年) 4. 2006 年強制條款，如濟南之百萬屋頂太陽能熱水計劃(張等，97 年)。
台灣 1. 政府於 75 年至 80 年間對 SWHS 施行獎勵措施，推廣獎勵期間年均安裝面積由 5 千平方公尺提昇到 4 萬 9 千平方公尺。 2. 因應聯合國「氣候變化綱要公約」，87 年 5 月全國能源會議達成 結論，包括再生能源於 2020 年佔總能源需求 3%與加強推動新 能源開發利用，包括太陽能等。 3. 89 年實施「太陽能熱水系統推廣獎勵辦法」，目的在藉由獎勵措 施激勵國人普遍裝置太陽能熱水系統，期能於 2020 年時再生能 源占我國總能源需求比例至 3%。94~97 年度辦理第二階段 SWHS 推廣獎勵補助作業 4. 97 年 7 月宣佈雙旗艦計畫，其中包括太陽能產業發展旗艦計畫， 該計畫為政府將於四年內推動 14 萬戶之太陽能熱水器之安裝 整理自 工研院(97 年); 張等(97 年);范(89 年);BMU (2009);經濟部(98 年)
2.4 太陽潛能分析與分區
發展 SWHS，與當地的地理條件相關，尤其各區域的太陽潛能，一般 太陽潛能是以全年每平方公尺多少 MJ 為單位來評估，並根據各區的太陽 潛能來分區;例如 Kaldellis et al. (2005)曾根據希臘當地條件，如表 2.3 所 列，依據為太陽潛能年累積值分為七區，但差異並不大，最大與最小相差 只有約 901MJ/m2 ; Haralambopoulos et al. (1997)亦採用類似分類方式，分為 六區，其太陽潛能之範圍為 6030 MJ/m2至 4810 MJ/m2。 表 2.3. 希臘地區太陽潛能分佈 ZONE A B C D E F G MJ/m2 >5940 5760-5939 5580-5759 5400-5579 5220-5399 5040-5219 <5039 (整理自 Kaldellis et al.,2005) 台灣地區太陽潛能之分佈，與希臘相比，範圍分佈較大，氣候資料年 報(94 年)指出由最低的蘭嶼(2861.3 MJ/m2)到最高的七股(6272.3 MJ/m2)，其 中有 3411 MJ/m2之差距，太陽潛能差異的原因與各區域日照時數、雲量及 降水量有關，以太陽潛能最低之蘭嶼為例，各測站日照時數最高為恆春 (2303.6 小時)，最低為陽明山鞍部(846.9 小時)，平均為 1715.7 小時，蘭嶼為 1462.8 小時，為 25 個測站中第 19 位;雲量由多至少排列蘭嶼為第三位； 而降水量則為第六位(中央氣象局，97 年)。因此，討論台灣 SWHS 之發展 時，有必要進行分區討論，並針對不同區域之特性加以分析研究。唯只考 量太陽潛能分區方式，對於執行相關政策並不是很適當，故本研究亦參考 行政區作為分區的依據之一。 此外，雖然為了方便，本研究在分區時仍以傳統的全年太陽總潛能作 為分區依據，但太陽潛能若只考量全年輻射潛能，並不適合用以分析 SWHS 的效益，因一般家用 SWHS 是以儲存一日或少數為二日的熱水量為主，雖 然亦可能儲存三日或更多量，但儲存桶的體積及成本均會較高，不太實 用，也因此，即使某一日有較強的太陽潛能時，亦因無法儲存更多的熱能， 效益不見得較高，例如某二日的太陽潛能很高，若接下來是二天陰雨天， 會比連續四天都有較平均太陽潛能的效益差，本研究因而在依 SWHS 太陽 潛能分析各項效益亦採用日及需求太陽潛能來分析。
2.5 SWHS 發展可行性與適宜性分析
SWHS 的可行性與適用性評估可由許多方面著手，如區域之地理與氣 候特性，以成本效益、民眾熟悉度與政府政策等亦可列為評估之項目。依 據范（89 年）、黃 ( 93 年）鄭（93 年）及 Kaldellis et al. (2004)等文獻，本 研究整理了一些評估項目，如表 2.4 所列，主要分為區域條件、人文結構、 成本效益、獎勵政策及能源分析等五大類，其中對於各類別之因子加以簡 要說明，如區域條件之太陽潛能，社會結構之年收入等。 本研究擬探討 表中所列因子是否適合作為評估台灣發展 SWHS 之適用性，且針對不同分 類應用對象時，做各別之討論分析，以了解各因子用於評估適用性的合宜 程度，並選擇較適當的因子進行評估。本研究因而依太陽潛能、日照天數、 成本效益、回收期、能源價格、政府獎勵比例、年回收熱源，補貼政策及 電力使用結構等來分析 SWHS 適宜性。考量的原因主要包括區域條件、成本效益、獎勵政策與能源分析。區域條件關係 SWHS 之運作效益，成本效 益、能源分析及獎勵政策可以決定 SWHS 回收年限及適宜性等因素，社會 結構上因目前的資料尚不足以進行分析，故本研究暫不採用。 表 2.4. 適用性評估分類說明 分類 評估項目 說明 出處 太陽潛能 影響太陽能集熱器收集效率 Ⅱ 日照天數 影響太陽能集熱器有效運作時間 Ⅱ 平均氣溫 影響太陽能集熱器效率及使用者意願 Ⅱ 降雨天數 影響太陽能集熱器有效運作時間 Ⅱ 天然災害 影響太陽能集熱器使用年限 Ⅱ 住宅形態 樓層高低與房屋型態直接影響裝設意願 Ⅰ 區域條件 地形分布 影響裝機意願 Ⅱ 年收入 影響裝機意願及能力 Ⅱ 人口密度 影響裝機意願 Ⅱ 人力資源 勞動參與率、失業率 Ⅱ 社會結構 教育程度 影響太陽能加熱系統接受度 Ⅱ 裝設面積 受限於可使用之面積 Ⅳ 裝置價格 單位面積價格 Ⅳ 土地需求成本 住宅類型與裝置成本 Ⅱ 政策獎勵比例 獎勵金額 / 單位面積 Ⅳ 能源貢獻 能源效率 Ⅱ 年回收熱源 回收效率 Ⅳ 電熱價格 影響裝機意願 Ⅳ 成本效益 瓦斯加熱價格 影響裝機意願 Ⅳ 補貼政策 投資補貼，生產補貼，用戶補貼 Ⅲ 稅收政策 稅收優惠，強制稅收 Ⅲ 價格政策 差價補貼，電價優惠 Ⅲ 獎勵政策 低息貸款 降低生產成本 Ⅲ 產業結構 影響能源使用 Ⅱ 電力使用結構 離尖峰，負載量 Ⅱ 能源分析 電力需求分析 影響未來能源發展趨勢 Ⅱ 出處：Ⅰ-范（89 年）,Ⅱ-黃 (93 年）, Ⅲ-鄭（93 年）, Ⅳ-Kaldellis et al. (2005)
成本效益分析部分，Alsema (2009)在能源回收期研究上，主要考量生 產及組裝的用電量當依據來計算回收期，以生產太陽能電池與組裝所消耗 總電力 / 每年日照太陽能電池所產生電力來計算太陽能電力回收期，但 這個方式是指"電力"回收期，並不是太陽能設施的真正的回收期，因而得 到頗短的回收期。然而太陽能電池生產原料、生產機具、配送都需要用到 能源，且製造過程也不是只消耗電，且還會有污染及廢棄物，故此用電回 收期並不是頗實用的決策分析依據。Kaldellis et al .(2005)曾分析太陽能加 熱系統在希臘之成本效益，考量投入成本與節省效益，並以現值呈現。以 初始成本與每年之維護成本計算投入成本，節省效益依系統可產生熱能換 算為取代能源之成本。由兩者相比較，可以計算出第 n 年成本效益比，兩 者相等則可求出回收年限。Haralambopoulos et al. (1997)亦採用過類似之回 收期(payback period,PBP)方式，方式如下式
TC i d L C
i d
PBP ln F 1 ln 1 1 (2.5a) 其中 TC 為系統之成本，i 為通貨膨脹率，d 為市場利率，L 為太陽能取代 之能源，CF為傳統能源成本。 蔡(94 年)於計算成本效益上亦有類似做法，將裝置 SWHS 之成本與收 入分為兩部分，包括初始費用與營運收入兩部分，初始費用估算上，需扣 除政府補助款，最後結果分析採用年平均(Annual worth)法計算，並將每年 之維修費用亦列入討論，以初始成本的固定比率估算，所有結果轉換成現 值計算。除了上述方式，Diakoulaki et al. (2000)則以 B/C ratio 分析 SWHS 的經 濟效益，並說明應考量的參數與因子：
1. 定義相關技術或規格參數
2. 定義成本與利益之因子
4. 量化財務評估之指標 5. 最後階段之敏感性分析 本研究由於不擬增加成本效益分析的複雜性，故並未採 B/C ratio 方 法，但其中部分成本計算方式可供本研究參考。
2.6 SWHS 環境與經濟效益分析
永續發展當前是國際上各國追求的重要目標，因而 SWHS 發展，除了 考量可行性與適宜性之外，更重要的是分析其永續效益。不過，過去的研 究與 SWHS 的永續效益完整分析的相關文獻並不多。故以下主要針對個別 面向回顧相關文獻。 發展 SWHS 與其他綠色能源一樣，主要著眼於環境效益，希望能滅少 非再生能源之使用，降低溫室氣體及減少污染，以期減少全球溫室效應， Achard et al. (1999)曾以燃油、煤、天然氣等能源產生之熱值與污染物及溫 室氣體列表，除比較不同城市之數值外，也對於 SWHS 替代之能源及其產 生物質表作整理，解釋不同城市的替代效果亦有所差異。 Diakoulaki et al. (2000)即曾根據各能源使用後，單位能量所產生之污染物比例做整理，指 出太陽能比起非再生能源，可減少 SO2、NOx、TSP 等污染物及顯著減少 排放 CO2。 有關 SWHS 的經濟效益，需要考量投資成本、回收效益、能源價格等 因子，且會受到技術提昇所影響，例如 Haralambopoulos et al. (1997)以 SWHS 可轉換之替代能源分析經濟效益，並依替代能源的不同，而有不同 的轉換係數。Mohsen et al. (1999)以 Analytic Hierarchy Process (AHP)方法 分析比較約旦當地各種熱水系統與 SWHS 的效益。Argiriou et al. (2003) 曾 分析希臘自 1980 至 2000 年家用 SWHS 之投資效益，自 1980 年後投資 SWHS 之成本開始下降，原因為相關技術成熟，但用電單價降低及 discount rate 降低亦會影響使用者採購意願。此外，Diakoulaki et al. (2000)將降低部分環境衝擊所節省的成本納入經濟效益分析中，此部分亦頗為重要，本研 究因而亦將其納入環境與經濟效益分析中。Kaldellis et al. (2005)則考量各 因素包括集熱器面積大小，單位製造成本，銷售價格等對 SWHS 的經濟效 益影響。郭等(96 年)以應用彈簧式追日裝置改善太陽能系統之效能，淨發 電量約可增加 30.8%。林等(93 年)以採用 XYZ 三軸追日之分析，增加淨發 電量之範圍由 4%至 47%。由於追日型式不同，效率雖較高，但成本亦較 高，目前亦較不普及，故成本效率仍不易評估，本研究因而未直接將追日 型納入評估。 有關社會面向部分，Diakoulaki et al. (2000)曾分析 SWHS 對社會效益 之影響，主要包括 SWHS 產業增加之工作機會，其中新就業人口包含原本 待業人口與轉業之人口，相對的，因 SWHS 是替代傳統產業，故亦有社會 衝擊，為相關傳統產業工作機會減少或改變。雖然這不是分析 SWHS 效益 的主要面向，人力巿場的推估與流動會受到很多因子影響，導致其準確性 不易掌握，因而一般尚不是推廣 SWHS 的主要決策因子，但相關推估有必 要納入考量，以作為輔助決策的參考因子。
第三章 太陽能加熱系統及分區方法
目前已有不少的 SWHS 產品的應用(請參見第二章)，但不同產品在 不同條件下的適用性仍有待探討。本章首先介紹 SWHS 之種類及現況分 析，並討論適用性及如何評選，之後說明分區原則，由於台灣各地區條 件不同，故發展條件不盡相同，故有必要分區分析，並配合行政區界作 調整。3.1 太陽能加熱系統
SWHS 是目前較成熟之太陽能運用，在電價一再上漲下，預期會更具 誘因促使民眾採用太陽能，且台灣因地處亞熱帶，日照量充沛，有較豐 富之潛力發展太陽能，國內又有能自行生產的太陽能板廠商，但使用率 仍偏低，台灣預估年安裝面積可達 10 萬平方公尺，居全球第 8 位 (經濟 部能源局，94 年)，全球新增安裝太陽能板的量，以中國的市場最大，約 佔總安裝量的 75.3%，再來是歐盟的 11.6%、土耳其的 2.7% (REN21, 2008)；若以單位土地安裝密度來看，台灣可達全球第 3 位，但普及率只 有 4.48%(經濟部能源局，94 年)，1986 年至 2006 年 12 月止太陽能集熱 器國內總安裝面積相當為 155 萬平方公尺。相當能源效益為節省能源為 10.26 萬公秉油當量，若以等效熱含值的液化石油氣(LPG)估算，每公斤 29 元(市價)，則每年可節省約 22.2 億元的 LPG (王等，96 年)。其中安裝 之區域別，南部最高，至 96 年底，佔 53%，中部次之，佔 34％，北部為 12%，東部及離島分別為 1%及 0.2%(張等，97 年)。3.1.1 簡介
太陽熱能的利用主要是將太陽幅射能接受或聚集，使之轉換成熱能以 供使用。SWHS 是目前台灣主要使用之類型，利用集熱器吸收太陽之輻射能，經過熱交換後，將水加熱後儲存於裝置中以供使用。由於該系統 建置成本較低，加上政府之補助政策，使得加熱系統與一般民眾之生活 較為貼近。 目前 SWHS 是太陽熱能中，應用較廣泛，最具經濟價值且技術成熟， 應用範圍如圖 3.1 所示，頗為廣泛，包括工廠製程用水預熱，家庭用水， 宿舍、軍隊、泳池、餐廳及醫療院所等，其中家庭用水為目前主要使用 項目，宿舍次之。 圖 3.1. SWHS 應用範例 (摘自 工研院，97 年)
3.1.2 種類
一般而言，SWHS 依其加熱與循環方式可分為自然循環、強制循環及 儲置式等三類(經濟部能源局，97 年)，以下一一說明之。 （1） 自然循環：如圖 3.2 所示，此類是利用冷熱水密度不同，將儲水槽 設於集熱器上，利用冷水比重較大，會下降至集熱器端形成自然循環的方式將儲水桶內水加熱。此種類較為單純，適合一般家庭。若 盥洗用水直接使用到儲水桶內與集熱器之間循環的熱水即為則屬 於直接加熱型（單循環）；如果不是直接使用加熱流體，而是借由 流體吸收太陽能後，再間接加熱儲水桶內的使用水則屬間接加熱型 （雙循環），熱管集熱器即屬此型。其中，一般家庭用水因為使用 習慣問題，多會在儲水桶中增加一輔助電熱棒，其作用是預防使用 者因太晚洗澡，造成儲水桶內使用水溫度不夠高，用來輔助加熱使 用。 圖 3.2. 自然循環式太陽能熱水器(摘自 羅等，96 年) （2） 強制循環：如圖 3.3 所示，此類與自然循環不同，乃是藉由溫差控 制器，儲水槽與集熱器間使用泵浦做輸送，理論上可得到較佳之集 熱效率。但因設置上較為複雜，適合用於醫院、工廠等大型場所。
圖 3.3. 強制循環式太陽能熱水器(摘自 羅等，96 年) （3） 儲置式：如圖 3.4 所示集熱器與儲水桶合併設置，合而為一之太陽 能熱水器，使儲水桶兼具收集太陽熱能與儲水之功能。構造與價格 較為經濟，但相對無法保溫太久，多使用於日照量充足之地區。 圖 3.4. 儲置式太陽能熱水器(摘自 工研院，97 年) 若以使用對象而言，自然循環及儲置式適合用於使用量較小且使用對 象單純之對象，如家庭。其中儲置式因構造與價格因素，多使用於日照 量較充足區域如台灣南部等。強制循環則多用於大型場所或使用對象較
多之對象，如宿舍、工廠製程、泳池等，這與強制循環之 SWHS 之構造 與投入成本相關。
3.2 應用對象及代表系統
針對 SWHS 使用對象，一般分為家庭、學校宿舍、溫水游泳池、工 廠製程預熱 (見圖 3.1)、旅館及醫院等類，這些地方均需要使用加熱系 統，若能採用 SWHS，可有效節能，圖 3.5 為台灣地區太陽能熱水器應用 情形分佈圖，截至 96 年底之資料，最大使用對象為家庭，約為安裝量之 95%，第二使用量為宿舍，為安裝量之 3%(張等，97 年)，其他部分僅佔 2%。 圖 3.5.台灣地區太陽能熱水器應用分佈圖(摘自張等，97 年) 影響 SWHS 銷售狀況之因子很多，除了氣候分區外，住宅型態也是 一個值得探討的因素，圖 3.6 為張(95 年)調查裝設 SWHS 之住宅型態所 整理的統計圖，由圖中之住宅型態分布可以看出，多數安裝型態集中於 透天住宅，佔安裝數 96.5%，其餘部分約佔 3.5%。此原因與透天住宅之 住戶較單純與安裝配管上難度較低有關，也反應出高樓林立之都市化區 域較不普及之現象。 95% 3% 2% 家用 宿舍 其他裝設樓房類別 0.0% 5.0% 10.0% 15.0% 20.0% 25.0% 30.0% 35.0% 40.0% 45.0% 平房 透天二樓 透天三樓 透天四樓 透天五樓 透天六樓以上 公寓 其他 比例 2.3% 8.5% 38.3% 37.4% 11.2% 1.1% 0.7% 0.4% 平房 透天二樓 透天三樓 透天四樓 透天五樓 透天六樓以上 公寓 其他 (有效作答數10859) 圖 3.6 SWHS 之住宅型態調查(摘自 張，95 年) 本研究依國內特性，將 SWHS 應用主要對象分為四類，以利於後續 探討、比較及分析，雖然這四類並未包括全部的應用，但相信已佔大部 分比率的應用。四類分別一一說明如下： （1） HA 類：四人之透天住家家庭使用，使用於家庭淋浴及廚房熱水使 用等，是 SWHS 最早與最基本之使用方式。一般而言，皆以構造 與設置成本較低的自然循環式為主。但因配合家庭使用時間關係， 有時會於儲水桶內加裝電熱裝置，以提高出水溫，避免可使用之熱 水不足。考量住家空間與投入成本，此類之儲水桶容量多以單日或 兩日使用設計為主。94 年之調查資料指出，此類住宅(包括傳統農 村住宅、獨棟、雙併與連棟)約為 4,331,230 戶，約佔全體戶數 67.9%(營建署，98 年)。 （2） HB 類：公寓與大廈之家庭使用場所，94 年之統計資料指出其總數 2,047,606 戶約佔全國住宅數之 32.1%(營建署，98 年)，因其管路配 置方式與透天之住宅不同，故單獨分為一類討論之。表 3.1 之 HB 類代表性案例，人數及安裝面積與 A 類相同，主要是層別多樓層 建築物與 HA 類之差別。
（3） M 類：旅館，因熱水使用點與使用量較多，一般皆採用強制循環 方式，以確保較佳之效率與經濟性。且由於使用點較多，一般會加 裝電熱器或於出水端加設鍋爐以確保熱水供應不致中斷。至 98 年 1 月份，台灣地區旅館家數共 3254 家，房間數為 123,570 間，包括 離島區 91 家旅館與房間數 3,736 間(觀光局，98 年)。各旅館之平 均房間數約為 38 間，但依(張，95 年)之統計資料指出，95 年度已 安裝之大型案件為 15 件，故本研究以其中之相近之案例做為代表 案例分析。 （4） CC 類：醫院，亦因熱水使用點與使用量較多，一般皆採用強制循 環方式，以確保較佳之效率與經濟性。也一般會於出水端加設鍋爐 以確保熱水供應不致中斷。以能源使用分析而言，台灣各級醫院燃 油、瓦斯約為 11.46 億元，但用於熱水系統佔 17%，約 1.95 億元(中 技社，96 年)。至 96 年底，台灣地區醫院家數共 541 家，病床數為 45568 張，包括離島區 21 家旅館與病床數為 781 張(衛生署，98 年) 。與 M 類類似，CC 類亦由已安裝中之相近案例做為代表案例 分析。 將上述四類的代表性案例整理如下表，以做為後續分析之依據。
表 3.1 代表案例說明 類別 使用 人數 集熱器 面積(平 方公尺) 儲水桶 (liter) 熱水日用量 l/d 備註 HA 5 4 300*1 60 參考(陶，94 年)估計個人熱 水日用量及(張，92 年)單位 使用人數。 HB 5 4 300*1 60 利用既有管路使用，但假設 不必改管費用 熱水管路，因距離較長， 年維修費用比例亦較 A 類 高。 M 56 56 300*14 100 汽車旅館，房間數 28 CC 130 104 300*26 100 老人養護中心用熱水 中央供水系統，年維修費用 最高。
3.3 政府補助誘因
由於太陽能的成本仍然高於傳統能源，故政府補助政策是影響 SWHS 裝設的一個重要因素，目前各國太陽能板的補助政策如第二章之回顧， 常用的數種方式有:(1)依裝設太陽能板的面積大小來補助; (2)以保證電價 間接補助太陽能光電的應用; (3)設備的融資、低利貸款、減免稅或抵稅。 國內主要採用依太陽能板面積大小的補助方式，本研究亦因而仍依此方 式進行分析。 經濟部能源局近年來亦制定相關法規與獎勵條例(經濟部能源局，97 年)，分別有太陽能熱水系統推廣獎勵辦法與財稅獎勵措施，希望藉以促 進相關產業發展與增加民眾裝機意願，進一步達到發展再生能源的目 的。圖 3.7 所示為國內歷年安裝太陽能集熱面積，95 及 96 年已達約 12萬平方公尺(張等，97 年)。目前已訂定 2020 年要達到每年 14 萬平方公 尺的太陽能熱水器安裝面積之目標(王等，96 年)。目前政府推動太陽能 熱水系統之獎勵措施為依 SWHS 集熱器面積及裝設地區而不同，SWHS 裝設於本島政府補助每平方公尺 1500 元，裝設於外島區域則補助每平方 公尺 3000 元。 圖 3.7 台灣地區安裝太陽能集熱面積歷年統計圖(摘自 張等，97 年) 目前國內利用普及率已由獎勵前 3.3%提升至 4.6%，且由國際能源總 署資料，我國之密度已達 42 m2 /km2，全球排序達第三位(經濟部能源局， 97 年)。但至第二次獎勵措施後，成長趨勢漸趨平穩，主要原因整理如下: （1） 經濟誘因：以安裝 300 公升之設備為例，價格約 4~6 萬元 ，參考 97 年九月瓦斯單價，預估每月瓦斯費用可減少約 890~1270 元(王 等，96 年)，但因使用習慣等問題，有時尚需啟用電熱器升溫，可 能增加 100~300 元電費，以及安裝費用較一般熱水器多等，因而會 降低一般民眾之意願。91 年至 95 年間，集熱器每平方公尺平均售 價約在 7000 元至 7500 元間(張，95 年) （2） 建物規劃：因一般 SWHS 之外觀不能符合新建築物之設計，影響 一般民眾加設之意願。主要原因國內之生產製造商規模較小，不易 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 年度 平方公尺
配合建物規劃之特別設計。以德國太陽能運用最普及的弗萊堡為 例，台灣面積約為該地 235 倍，但太陽能裝置容量尚不及其 1 / 5(徐，2007) ，可以了解若經過有系統之規劃設計，太陽能亦可融 入生活中。 （3） 可安裝面積：目前 SWHS 仍多以安置在樓頂為主，以台灣之銷售 分析，多集中在中南部，主要原因便是與樓頂面積取得有關係，且 北部多為高樓大廈之建築，先天上就有推廣使用之限制。
3.4 太陽能潛勢分區
日照量與太陽潛能是直接影響 SWHS 效率最直接之因素，不同地區 之地理條件與海拔高度亦是需考慮的項目，由於台灣各地在這些項目的 特性不盡相同，甚至有的差異很大，例如國內不同區之日照時數差異可 達 2.8 倍，依 2.4 太陽潛能分析結果顯示，比較台灣與希臘，希臘區域間 差異較少，台灣地區則較大。故首先依據太陽潛能進行分區，再輔以行 政區確立分區方式，以利於進行後續的分析。另都會區與非都會區之樓 層結構，亦會影響太陽能加熱系統裝設及使用上之效率，此部分將於之 後說明之。 台灣各地區域特性不同，日照量差異明顯，本研究因而依太陽潛能分 區，資料主要是依據全省中央氣象局之氣候年報(中央氣象局，89-94 年) 為依據，根據 26 個測站之全天空輻射量數據，以日照時數為主要指標。 圖 3.8 為中央氣象局各地測站之分佈圖，圖 3.9 以 94 年資料所整理 26 個 測站的全天空輻射量分布。圖 3.8 測站分佈圖(摘自 中央氣象局，97 年) 全天空輻射量(2005) 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 板橋 淡水鞍部臺北 竹子 湖 基隆 彭佳 嶼 花蓮 蘇澳宜蘭金門 東吉 島 澎湖臺南永康 高雄 嘉義臺中 阿里 山 大武玉山新竹恆春 成功蘭嶼 日月 潭 臺東 梧棲七股馬祖 MJ 圖 3.9 全天空輻射量(整理自中央氣象局，94 年)
徐(91 年)曾就太陽能資源分級劃分區域，因台灣地區太陽潛能多位於 2000~5000 MJ/m2之間，故其將相關區域分為四區。本研究參考其分區方 法，並考量 91 年後全天空幅射量之改變，加計 6000 MJ 以上之區域，初 步共分為五區做為討論，並將離島區域納入討論，且依補助程度不同， 分析不同情境可能產生的差異與影響。 由於太陽能的成本仍比傳統能源高，故發展 SWHS 與政府的補助政 策推動有極大的相關性，亦會受到地方政府的推動態度所影響，因與行 政區域有一定之關係，且不同行政區域，間接影響到區域內的住宅分布 與產業發展方向，這些因子皆會造成適用性之差異，Haralambopoulos et al. (1997)及 Kaldellis et al. (2005)亦曾針對希臘案例分別依太陽潛能作分 區，並依等輻射能線分區。唯這樣的分區法沒有依行政區劃分，不易執 行推廣策略，故本研究除了依等輻射能線劃分亦考量行政區界作為分區 的依據。依據表 3.2，參考台灣之行政區劃，扣除人員稀少之測站資料， 如玉山，竹子湖等及較小離島之數據，整理出如表 3.3 所列之依行政區界 分區的範圍及圖 3.10 SWHS 之分區範圍圖。
表 3.2. 台灣各氣象站太陽潛能觀測數據 等級 分類 站名 年總值(MJ/m2) 極豐富帶 >=6000 七股 6272.3 臺東 5539.3 恆春 5113.3 東吉島 5753.9 臺南 5157.2 嘉義 5480.3 豐富帶 5000~6000 臺中 5104.9 彭佳嶼 4098.7 蘇澳 4536.8 金門 4633.9 永康 4613.3 高雄 4880.1 阿里山 4376.5 大武 4627.1 玉山 4476.9 新竹 4329.7 成功 4282 日月潭 4210.1 較豐富帶 4000~5000 梧棲 4439.3 淡水 3613 鞍部 3648.2 臺北 3793.3 基隆 3237.9 花蓮 3553.6 宜蘭 3819.9 澎湖 3220.5 較貧帶 3000~4000 馬祖 3857.6 竹子湖 2512.4 貧乏帶 2000~3000 蘭嶼 2861.3 (整理自 中央氣象局，94 年)
表 3.3 SWHS 的分區結果 分區 分類 站名 年總值(MJ/m2 ) 5000~6000 臺東 5539.3 恆春半島 5113.3 臺南 5157.2 嘉義 5480.3 豐日照區 臺中 5104.9 4000~5000 高雄 4880.1 新竹 4329.7 高日照區 南投 4210.1 3000~4000 臺北 3793.3 基隆 3237.9 花蓮 3553.6 中日照區 宜蘭 3819.9 3000~5000 金門 4633.9 澎湖 3220.5 外島區 馬祖 3857.6 圖 3.10 SWHS 分區範圍圖(台灣地圖摘自 原住民委員會，98 年)
本研究初步依據徐(91 年)分區方式加計 91 年後氣候之改變，將台灣 及主要離島分為五區(如表 3.2)，但考量部分測站之區域人員稀少，如七 股、竹子湖及蘭嶼等，對於區域之幅射量平均值反而造成偏離，影響區 域之平均數據。故本研究將極豐富帶及貧乏帶人口較少之分區取消，但 考量補助政策之比例於本島與外島區域不同，故將外島區域單獨歸與第 四區，與其他區域做比較。將原先之五區縮小至四區，整理後，採用表 3.3 之分區方式，以進行後續 SWHS 環境與經濟性評估研究。其中桃園、 苗栗、彰化、雲林等四區域因中央氣象局未設觀測站，故未列於表 3.3， 但考量其介於豐日照與中日照間，故將其分類於高日照。屏東因包括豐 日照之恆春半島，故分類於豐日照。 由分區圖可以看出，台東、台南、嘉義及台中為台灣地區太陽能資源 豐日照區，含屏東南部恆春半島。台北、基隆、花蓮及宜蘭為相對中日 照區，含離島之澎湖與馬祖，其餘地區為較豐富帶。本研究根據此項分 區方式，配合地區之住宅形式差異，做為後續分析之依據。
第四章 太陽能加熱系統之適宜性分析
影響SWHS 應用的適宜性如表 2.4 所列，影響因素並不少，其中區域 條件是主要原因之一，日照量與輻射量多寡可以影響相關產品的銷售與 使用。加上都會區與非都會區之住宅樓層高度差異，亦會造成消費者的 意願差異。故分析SWHS 除了從成本效益上著手，亦依據銷售市場分析 應用的適宜性。本章首先介紹太陽能加熱系統之銷售市場現況分析，並 討論影響銷售之因子，之後說明成本效益分析，包括裝設面積、裝置價 格、日照天數、預期回收期、政策獎勵比例等因子，建立依據相關因子 估算成本效益的方法。進而依據銷售市場及成本效益分析建立分析台灣 各區發展SWHS 之適宜性方法。由於人文結構上因目前的資料尚不足以 進行分析，故本研究暫不採用。因而將以包括區域條件、成本效益、補 助政策與能源分析等分類因子分析SWHS 適宜性．4.1 銷售市場與成本效益分析
台灣對於SWHS 的使用，始自民國 67 年開始(張等，97 年) ，政府 於民國75 年，實行太陽能熱水系統推廣獎勵辦法，期限至民國 81 年中， 執行期間，安裝面積有明顯之成長。民國89 年中，政府修法，另行訂定 太陽能熱水系統推廣獎勵要點，施行至今，兩次政府獎勵措施，由圖3.6 可看出，於獎勵期間之年度總安裝面積皆有明顯之成長。歷年安裝面積 如圖3.6 所示，以民國 95 年之安裝數據為例，各分區申請使用件數整理 如表4.1 所列，以南部區域安裝之件數較多，中部次之，北部再次之，東 部及離島之安裝件數較少。表4.1 95 年各區申請太陽能加熱系統件數 縣市 完工件數 台北市 26 台北縣 119 桃園縣 2066 新竹市 106 新竹縣 512 北部 苗栗縣 161 台中市 893 台中縣 2548 彰化縣 1585 南投縣 1103 中部 雲林縣 536 嘉義市 556 嘉義縣 560 台南市 2125 台南縣 2431 高雄市 2769 高雄縣 3499 南部 屏東縣 1964 宜蘭縣 74 花蓮縣 147 東部 台東縣 81 澎湖縣 20 金門縣 21 琉球鄉 14 離島 蘭嶼 0 合 計 23916 整理自張(95 年) 依據表3.4 太陽能資源之行政區劃，及參考表 4.1 之數據，可整理出 如表4.2 所列四個分區之市場銷售狀況，由該表數據可看出分區銷售之比 率，豐日照區與高日照區約佔47%與 52%，中日照則只佔 1.5%左右，外 島區的比例最低，約0.2%。由上表可以發現，太陽資源會明顯影響市場 銷售狀況，中日照由於成本效益較差，市場銷售狀況亦明顯較差。
表4.2 分區之市場銷售狀況 等級 分類 縣市 完工件數 百分比 台中市 893 台中縣 2548 嘉義市 556 嘉義縣 560 台南市 2125 台南縣 2431 屏東縣 1978 台東縣 81 豐日照區 5000~6000 小計 11172 46.7% 桃園縣 2066 新竹市 106 新竹縣 512 苗栗縣 161 彰化縣 1585 南投縣 1103 雲林縣 536 高雄市 2769 高雄縣 3499 高日照區 4000~5000 小計 12337 51.6% 台北市 26 台北縣 119 宜蘭縣 74 花蓮縣 147 中日照區 3000~4000 小計 366 1.5% 金門縣 21 澎湖縣 20 馬祖 0 外島區 3000~5000 小計 41 0.2% 總計 23916 100% 整理自張(95 年)
4.2 成本效益分析
有關成本效益分析，Kaldellis et al. (2005)曾分析希臘之 SWHS 的成 本效益，主要是考量投入成本與節省效益，其結果以現值呈現。其中投 入成本包括初始成本與每年之維護成本，節省效益則是依加熱系統可產 生熱能換算成取代能源之所需成本。由兩者相比較，可以計算出第n 年 成本效益比。蔡(94 年)於成本效益計算上亦採用類似方式，分為初始費 用與營運收入兩部分，其中初始費用包括投入成本但扣除政府補助款， 營運收入則為可節省之LPG 費用，採用 Annual worth 法計算，並將每年 之維修費用亦列入討論。 本研究對於成本效益分析的因子如表2.4 所述，包括裝設面積、裝置 價格、土地需求成本、政策獎勵比例、能源貢獻、年回收熱源、電熱價 格及瓦斯加熱價格等。考慮到一般分析成本效益之方法有Net PresentMethod、Internal rate of return 及回收年限法(payback period)等，本文採 用回收年限方法以分析成本效益問題，主要考量到一般大眾著眼點在於 可否回收，回收成本的期間多長等問題。針對使用對象不同，初始成本 差異較大，故可分成兩類討論，一為家庭使用，一為集合式區域，如宿 舍、旅館、醫院、泳池及工廠等。以下分別說明成本及效益之公式。 成本 成本部分參考Kaldellis et al. (2005)之成本計算公式，並修改為年均攤 提值(Annual Worth)，以利於作方案間比較，並加入台灣補助方式。成本 之計算公式如下列: ) 1 ) 1 ( ) 1 ( ( MC] [ n n TC i i i S FC A (4.1a) A S (4.1b)
) ) 1 ( ) 1 ( ( 1 i f MR MC n r
r (4.1c) mFC MR (4.1d) 其中 ATC為太陽能熱水器在使用壽命年限前每年平均成本； n 為熱水器 的使用年限；FC 為初始投入成本； S 為政策補助費用，主要依式 4.1b 計算，依太陽能加熱器之集熱板面積大小 A 及補助率 α 計算，離島等偏 遠區域的補助率(之前為 NT$3000 元，目前為 NT$4500/m2)與本島(之前為 NT$1500 元，目前為 NT$2250/m2)不同； i 為平均折現率(discount rate)； MC 為維護運轉總費用之現值，主要依式 4.1c 計算之，假設每年的 MR 相同，但依據通貨膨脹率修正，並換算為安裝年度的現值；f 為使用期間 平均通貨膨脹率(inflation rate)；MR 為年維護運轉費用，主要依式 4.1d 計算，以初始投入成本的一定比例 m 估算之，考量表 3.1 不同之案例類型，HA 類與 M 類管路配置單純，m 以 3%計算(Kaldellis et al., 2005)； HB 類次之，本研究假設 m 以 5%計算；CC 類為中央供水系統，維修較 不易，本研究假設m 以 7%計算。 效益 效益中有關節能部分亦採用類似Kaldellis et al. (2005)針對希臘案例 的所用的方法來分析，但由於各區的日照資源不同，故節能效益亦不同， 故本研究依日照資源不同作了修正。計算公式如下列: ) 1 ) 1 ( ) 1 ( ( ) ) i) (1 ) (1 ( ( n 1 r 0
