大華技術學院
機電工程研究所
碩士論文
主動式屋頂節溫裝置之研發
Research and Development of Active
Rooftop Thermostat
研 究 生：徐 佩 君
指導教授：杜 鳳 棋 博 士
中華民國 一百 年 六 月
主動式屋頂節溫裝置之研發
Research and Development of Active Rooftop Thermostat
研 究 生：徐佩君 Student：Pei-Chun Hsu 指導教授：杜鳳棋 博士 Advisor：Dr. Feng-ChyiDuh 大華技術學院 機電工程研究所 碩士論文 A Thesis
Department of Mechatronics Engineering Ta Hwa Institute of Technology in partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree of Master of Science
in
Mechatronic Engineering June 2011
Hsinchu, Taiwan, Republic of China.
主動式屋頂節溫裝置之研發
學生：徐佩君 指導教授：杜鳳棋 博士 大華技術學院 機電工程研究所 摘要 在台灣頂樓加蓋的問題相當氾濫，或是將陽台外推加蓋也是司空見 慣，這些創意加大的違建空間大都採用鐵皮屋。一般鐵皮屋及貨櫃屋均為 易導熱金屬製作而成，結構體的隔熱效果差，當曝曬在太陽光下，輻射熱 很快的經由結構體熱傳導傳遞至內部，導致屋內部的溫度逐漸上升；由於 屋內的濕氣不易散發，因此就會導致悶熱的狀態。近年來盛行鐵皮屋與貨 櫃屋的散熱方法，係透過加裝在屋頂的自然通風器，帶來的室內的對流效 應，將熱量藉由空氣流動而排放至屋外，達到散熱之功效。其缺點為散熱 量極為有限，室內若有隔間或異物，或是需避免灰塵、需運轉冷氣之場所 則不適用。 為消除在烈日曝曬下，室內熱空氣咄咄逼人的現象，本論文提出一種 裝置於鐵皮屋或貨櫃屋之屋頂的主動式節溫器，可利用節溫器的外型設計形成自然對流的熱傳遞原理，達到排除室內熱空氣的功效。其次利用太陽 能提供風扇做為能源，當室內溫度達到設定值時，控制器便會驅動風扇運 作，透過強制對流原理將室內的熱空氣強制排除，用以做為降低屋內溫度 的另一種方法。 根據雛型的實驗數據顯示，採用二個風扇進行強制對流降低實驗箱內 的溫度，自然對流效應的最大降溫範圍在 8.8℃~18.2℃；強制對流效應的最 大降溫範圍在 20.6℃~24.6℃。蒸發散熱的降溫達到 14.9℃~15.7℃，降溫幅 度達到 31.4%。經由實驗證明，本裝置對於鐵皮屋或貨櫃屋之屋內溫熱環境 的改善效果極為可觀，且是在太陽能自主供電的情況下達成。 關鍵詞：貨櫃屋、自然對流、強制對流、蒸發散熱
Research and Development of Active Rooftop
Thermostat
Student：Pei-Chun Hsu Advisor：Dr. Feng-ChyiDuh
Department of Mechatronics Engineering Ta Hwa Institute of Technology
Abstract
In general, containers are loaded and sealed intact onto ships, railroad cars, planes, and trucks. In recent years, a converted container used as an office at a building site. Shipping container architecture is the use of containers as the basis for housing and other functional buildings for people, either as temporary housing or permanent, and either as a main building or as a cabin or workshop. Containers can also be used as sheds or storage areas in industry and commerce. The widespread use of containers has driven modifications in ventilation, gradually forcing ventilated device into the concept of energy saving and carbon reduction, and changing completely the widespread use of air conditioner that fit into the window of containers. Containers are generally made of metal plate with high thermal conductivity, when the container is exposed to solar radiation under the sun, the temperature in the container will reach quickly above 50℃ as a result of the thermal radiation and heat conduction. The high temperature in the container harm seriously the human body's health. The high temperature in the container is also rather notable to the influence of energy consumption. The
people use the container so frequently that the people pay great attention to thermal comfort of container compartment. In order to improve the thermal comfort within container compartment, people require a detailed understanding of the reducing temperature within container compartment.
This project present an creator to improve the thermal comfort of container compartment, the three methods include: Method 1 is to use the device design produce natural thermal convection, Method 2 is to drive fan produce forced thermal convection, and Method 3 is to use sprayer absorb heat of vaporization. The experimental results show that the three methods reduce the compartment temperature about 8.8℃~18.2℃ (Method 1), 20.6℃~24.6℃ (Method 2) and 14.9℃~15.7℃ (Method 3) respectively. Compared with the results in the same experimental conditions, the temperature within the automobile compartment of Method 2 is found to reduce greatly, the Method 1 and the Method 3 are relatively small. Hence, we can conclude that the thermal comfort is improved effectively by forced convection.
Keywords: container, natural convection, forced convection, heat of vaporization
誌謝
首先在碩士生涯中感謝指導教授杜鳳棋博士，在專利以及各方面專業 領域中給我的指導及教導，還不辭辛勞帶領著我們出國比賽，也累積了不 少著作，對於這篇論文付梓所提供的幫助以及建議。本論文能完稿付梓， 除感謝本校機電工程系所有老師諄諄教導，另外，感謝口試委員趙守嚴博 士、涂耀仁博士以及徐聖哲博士，百忙之中撥空前來大華，指導本人的碩 士論文口試。亦感謝助理涵芝及所有學長、同學相互勉力與協助，對於論 文及課業之完成受益匪淺，銘感在心。 在此向我的家人及好朋友們表達崇高的敬意，沒有他們的鼓舞與支持 就不會有今天的成果，感恩與感謝盡在不言中。 本論文承蒙聿新生物科技公司暨國科會產學合作研究計畫（NSC 99-2622-E-233-003-CC3）以及國科會提升私校研發能量專案計畫（NSC 99-2632-E-233-001-MY3）之經費補助，並感謝楊金昌董事長及涂耀仁總經 理的大力支持，使實驗得以順利完成，特此致謝。 佩君 謹誌目錄
頁數 摘要 III ABSTRACT V 致謝 VII 目錄 VIII 圖目錄 X 表目錄 XIII 符號及縮寫表 XIV 第一章 前言 1 第 1.1 節 緣由 1 第 1.2 節 熱傳遞效應 4 第二章 研究內容 9 第 2.1 節 市場調查 9 第 2.2 節 設計概念 12 第三章 研究方法 15 第 3.1 節 原理描述 15 第 3.2 節 機構設計 21 第 3.3 節 系統說明 25第 3.4 節 實驗測量 30 第四章 結果與討論 32 第 4.1 節 自然對流之散熱效果分析 32 第 4.2 節 強制對流之散熱效果分析 36 第 4.3 節 液體蒸發之散熱效果分析 40 第五章 結論與展望 43 第 5.1 節 預期效益 43 第 5.2 節 節能評估 45 第 5.3 節 未來展望 47 參考文獻 49 著作 51 圖 53
圖目錄
頁數 圖 2.1 作品性能評估圖 53 圖 2.2 作品定位分析圖 53 圖 2.3 主動式屋頂節溫裝置用途說明圖 54 圖 2.4 主動式屋頂節溫裝置用途示意圖 54 圖 2.5 作品功能分析 55 圖 2.6 作品成本分析 55 圖 2.7 作品創意性評估 56 圖 3.1 主動式屋頂節溫裝置立體圖 57 圖 3.2 主動式屋頂節溫裝置裝配示意圖 57 圖 3.3 主動式屋頂節溫裝置熱傳遞原理 58 圖 3.4 主動式屋頂節溫裝置能量轉換運用 58 圖 3.5 主動式屋頂節溫裝置系統立體組合圖 59 圖 3.6 主動式屋頂節溫裝置系統立體分解圖 59 圖 3.7 主動式屋頂節溫裝置元件工作圖(一) 60 圖 3.8 主動式屋頂節溫裝置元件工作圖(二) 60 圖 3.9 主動式屋頂節溫裝置電路接線圖 61 圖 3.10 太陽能追蹤系統方塊圖 61圖 3.11 太陽能充電方塊圖 62 圖 3.12 實驗模組照片(一) 63 圖 3.13 實驗模組照片(二) 63 圖 3.14 實驗模組照片(三) 64 圖 3.15 實驗模組照片(四) 64 圖 3.16 實驗溫度數據擷取 65 圖 3.17 實驗溫度數據記錄 65 圖 3.18 實驗步驟流程圖 66 圖 3.19 實驗原理流程圖 67 圖 4.1 自然對流熱散逸測試之絕對溫度變化情況 68 圖 4.2 自然對流熱散逸測試之相對溫度變化情況 68 圖 4.3 自然對流熱散逸測試之效率 69 圖 4.4 自然＋強制對流熱散逸測試之絕對溫度變化情況 69 圖 4.5 自然＋強制對流熱散逸測試之相對溫度變化情況 70 圖 4.6 自然＋強制對流熱散逸測試之效率 70 圖 4.7 自然＋強制對流熱散逸測試之絕對溫度變化情況(一) 71 圖 4.8 自然＋強制對流熱散逸測試之相對溫度變化情況(一) 71 圖 4.9 自然＋強制對流熱散逸測試之絕對溫度變化情況(二) 72 圖 4.10 自然＋強制對流熱散逸測試之相對溫度變化情況(二) 72 圖 4.11 自然＋強制對流熱散逸測試之絕對溫度變化情況(三) 73
圖 4.12 自然＋強制對流熱散逸測試之相對溫度變化情況(三) 73 圖 4.13 自然＋強制對流＋蒸發熱散逸測試之絕對溫度變化 74 圖 4.14 自然＋強制對流＋蒸發熱散逸測試之相對溫度變化 74
表目錄
頁數 表 1.1 電磁波的種類 4 表 3.1 典型的對流係數 17 表 3.2 霧狀顆粒分類 20 表 4.1 第一部分實驗條件設定 32 表 4.2 第一部分實驗之外界溫度 Ta測量值 33 表 4.3 第二部分實驗條件設定 37 表 4.4 第二部分實驗量化數據彙整表 39 表 4.5 第三部分實驗條件設定 40 表 5.1 「節能」實際效能 45 表 5.2 「減碳」實際效能 46符號及縮寫表
BTU British Thermal Unit 英熱單位 CFM Cubic feet per minute 每分鐘立方呎 E Emission power 放射功率
Eb Emissive power of a blackbody 黑體的放射功率
h Convection coefficient 對流係數 L Heat of evaporation 氣化熱
m Mass 質量
Pv Vapor pressure 蒸氣壓 Pv,sat Saturation vapor pressure 飽和蒸氣壓
Q Heat 熱量
q”conv Convective heat flux 對流熱通量
q”rad Radiative heat flux 輻射熱通量，
Ta Ambient temperature 外界溫度
To Control temperature 控制溫度
Ts Heated surface temperature 加熱表面溫度 tf Final time 最終時間
ε Emissivity 放射率
η Heat dissipative efficiency 散熱效率
σ Stefan-Boltzmann constant 史蒂芬-波茲曼常數 φ Relative humidity 相對濕度
第一章 前言
第 1.1 節 緣由
在台灣頂樓加蓋的問題相當氾濫，或是將陽台外推加蓋也是司空見 慣，這些創意加大的違建空間大都採用鐵皮屋(Metal house; Iron sheet house)。即使許多農舍、老民宅、店舖…等合法建物，鐵皮屋林立的亂象也 比比皆是、隨處可見。面對密密麻麻的鐵皮屋，除了難以拆除且有礙都會 景觀，成為各地政府棘手的問題；相同的現象也出現在林立於街頭的貨櫃 屋(Container house)，這種流動性建築具有結構堅固及施工快速的特性，對 於空間的需求可迅速獲得解決，無論是作為居家、公司、營業用途、倉庫、 流動廁所及貨櫃藝術均廣受青睞。 鐵皮屋及貨櫃屋如不是工寮就是臨時避難屋或屋頂違建，除了搭建方 式因陋就簡，最為人詬病的是鐵皮浪板(Corrugated steel sheet)的材質，是導 致屋內冬冷夏熱的「元兇」。由於鐵皮浪板為易導熱金屬製作而成，而且標 準的鐵皮屋樑柱皆採用Ｈ型鋼(H-beam)，為因應地震產生的拉扯，通常在接 合處會用螺栓(Bolt)而非電焊(Welding)為防鏽，焊道會塗鋅漆(Zinc paint)， 螺栓頭會用矽膠(Silicone)封固；貨櫃屋也是使用鋼構骨架，加上屋體的隔 熱效果相當不良，當曝曬在太陽光下，輻射熱很快的經由鐵皮浪板熱傳導 傳遞至內部，導致屋內部的溫度逐漸上升；由於屋內的濕氣不易散發，因
此就會導致悶熱的狀態。 由於現代的建築物甚為仰賴空調設備，藉以維持室內的環境品質，建 築物的能源消耗不僅僅影響國家能源供應，而且能源使用效率的高低還攸 關環境品質，林憲德等（1999）曾指出過度依賴空調設備將造成都市能源 及中的惡性循環，根據資料分析顯示，外界空氣溫度每上升1℃，空調用量 就會上升約6％，建築周遭熱環境也被嚴重惡化；此正意味建築節能和居住 環境是兩個相互關聯、相互影響的問題。 近年來盛行鐵皮屋與貨櫃屋的散熱方法，係透過加裝在屋頂的自然通 風器(Nature-powered ventilator)或稱免電力自然通風器(Power-free natural ventilator)。此種設備利用熱空氣較冷空氣輕而上升的浮力效應(Bouyancy effect)，以及氣流會從高溫區流至低溫區的熱傳遞原理，透過渦輪(Turbine) 設計之排氣式抽風機，具有自然排氣和自然通風的雙重特性，當室內外的 空氣溫度不同時，空氣會從高溫的一邊通過渦輪葉片的間隙流向低的一 邊，於是形成自然通風現象。此外，當渦輪旋轉時將室內高溫空氣排出， 室內空氣量減少，戶外較冷的空氣，於是流入室內以達到對流目的，如此 持續不斷地作用，因而達到通風散熱的效果。自然通風器帶來的室內的對 流效應，可將熱量藉由空氣流動而排放至屋外，達到散熱之功效。但其缺 點為散熱量極為有限，且室內若有隔間或擺設異物，或是需避免灰塵、需 運轉冷氣之場所則不適用；當外界在無風的狀態下，這種裝置的功能似乎
也大打折扣。
根據台電的資料顯示，平常冷氣空調的設定，每提高 1℃將會省電約 6%（林憲德等，1999）。但鐵皮屋及貨櫃屋日曬後的悶熱問題相當嚴重， 人們對於節能減碳的意識，恐怕抵不過太陽的荼毒而棄守。目前雖流行使 用 DC 無刷同步馬達(Brushless DC synchronous motor)的直流變頻冷氣機 (DC variable-frequency air conditioner)，製造商亦一再強調其省電性能，但 我們忽略了冷氣耗電堪稱為能源殺手，如果說要節約用電，不如儘量避免 使用冷氣才是比較正確的方法。
第 1.2 節 熱傳遞效應
輻射(Radiation)是經由電磁波(Electromagnetic wave)傳送的一種能量， 電磁波能量不需透過任何介質(Medium)即可在真空中傳遞（Saleh & Teich, 2007），電磁波可根據波長(Wave length)而區分成許多種類，如維基百科， 2011a。X 射線(X ray)、紫外線(Ultraviolet ray)、可見光(Visible light)、微波 (Micro wave)、無線電波(Radio wave)等都是電磁波的一種，對氣候影響最大 的部份為紫外線至紅外線(Infrared ray)之間的波段，也是太陽輻射最強的波 段。 表 1.1 電磁波的種類 波長(nm) 顏色 區分 備註 100~280 紫外線 UV-C 280~320 紫外線 UV-B 燃燒光線 320~400 紫外線 UV-A 老化光線 400~445 紫 可見光 445~500 青 可見光 500~575 綠 可見光 575~585 黃 可見光 585~620 橙 可見光 620~740 紅 可見光 740~1500 紅外線 1500~3000 整個紅外線 3000 遠紅外線
輻射熱傳(Radiant heat transfer)是一種熱冷物體間熱量傳遞的過程，是 一種非接觸式的傳熱形式，在真空(Vacuum)中亦能進行。物體發出的電磁 波，理論上是在整個範圍內分布，但在工業上所遇到的溫度範圍內，具有 實際意義的是波長位於 380~1E+6nm 之間的範圍，而且大部分位於紅外線 （又稱熱）區段中 760～2E+4nm 的範圍內；所謂紅外線加熱就是利用這一 區段的熱輻射（Incropera & DeWitt, 2002）。
長波輻射(Long wave radiation)指波長較長的電磁波，例如：紅外線和 無線電波；短波輻射(Short wave radiation)則是波長較短的電磁波，例如： 紫外線、X 射線和伽瑪射線(Gamma ray)。波長較長的長波輻射能量較弱， 而波長較短的短波輻射能量較強，也就是波長越短能量越強，波長越長能 量越弱。倘若溫度較高，則放射出的能量集中在波長較短的波段；相反的， 溫 度 較 低 ， 能 量 集 中 在 波 長 較 長 的 波 段 ， 此 為 外 因 位 移 律(Wien's displacement law)（Giambattista et al., 2007），亦即具有最大能量的電磁波 波長與溫度成反比的描述。 由於太陽輻射波長較地面和大氣輻射波長（約 3E+3~1.2E+5nm）小得 多，所以又稱太陽輻射為短波輻射；地面和大氣輻射則稱為長波輻射。太 陽輻射通過大氣後，一部分到達地面稱為直接太陽輻射；另一部分為大氣 的分子、水氣等吸收(Absorption)、散射(Scattering)和反射(Reflection)。被散 射的太陽輻射一部分返回宇宙空間，另一部分到達地面，到達地面的這部
分稱為散射太陽輻射。大氣對太陽輻射的吸收作用主要集中在紅外線範 圍；大氣對太陽輻射的散射作用則在可見光和紫外線範圍。大氣主要依靠 吸收地面的長波輻射而增熱，同時地面也可吸收大氣所放出的長波輻射， 如此兩者之間便可以透過長波輻射的的方式，不斷地進行交換熱量；空氣 團彼此之間，也是透過長波輻射來交換熱量。 熱輻射係有限溫度的物體所釋放出來的能量，熱輻射是仰賴電磁波或 光子傳遞能量，所以能量傳遞可不經由任何傳輸介質(Transmission medium) 傳 送 ， 此 意 味 熱 輻 射 可 在 真 空 狀 態 下 進 行 。 根 據 史 蒂 芬 -波 茲 曼 定 律 (Stefan-Boltzmann law) ， 可 將 黑 體 的 放 射 功 率 Eb(Emissive power of a
blackbody，W/m2)表示成絕對溫度的四次方，即
4 b = σT
E (1.1)
式中為史蒂芬-波茲曼常數(Stefan-Boltzmann constant)，此常數值為σ =5.67E+8W/m2K4。T 為絕對溫度(Absolute temperature)，通常採用凱氏溫標 (Kelvin scale，單位為 K)。引用史蒂芬-波茲曼定律，可將輻射熱通量利用下 列方程式描述
4 rad = εσT
q" (1.2)
其 中 q”rad(W/m2) 表 示 對 流 熱 通 量 (Radiative heat flux) ， ε 稱 為 放 射 率
(Emissivity，無因次單位)為灰體表面(Gray surface)相對於理想黑體表面 (Ideal black surface)的輻射性質、Ts表示物體表面的絕對溫度。有關溫度所
採用的刻度種類有好幾種，工程上常用的公制溫度單位為攝氏(Celsius，℃) 與凱氏(Kelvin，K)二種，其間的關係為 K≡℃+273.2 (1.3) 通常建築物室內溫度升高的主要熱源，來自建材吸收太陽輻射熱（短波） 後再釋出的二次輻射（長波），佔總熱量約 93％，熱傳導只佔約 7％。夏 天或烈日陽光直接照射建築物下，建材會吸收太陽輻射熱再從表面放射， 它是影響室內溫度升高主因。由於日照的影響，鐵皮屋或貨櫃屋會吸收太 陽的幅射熱，致使室內的溫度升高。一般鐵皮屋及貨櫃屋的櫃體大部分是 採用鐵、鋁以及玻璃纖維(Fibrous glass; Glass fiber)等材質製作而成，所以在 太 陽 照 射 後 ， 浪 板 （ 尤 其 是 金 屬 材 質 ） 相 當 於 一 個 超 級 吸 熱 體 (Heat absorber)，吸熱快且散熱也快，故會導致屋內空間溫度異常高。 根據台電公司的資料顯示，建築物內部的熱量，主要是透過窗戶玻璃進 入室內的直接太陽輻射熱(約佔 23%)，經由曬熱的屋頂(22.8%)與牆壁(18.2%) 進入室內的傳導熱，及經由窗戶縫進入室內的對流熱(13%)等（電力圖書 館，2006）。然而不同型式的建築物，熱傳遞的比例會有很大的差異，例 如在 Chou 與 Lee 的研究中（Chou & Lee, 1988）顯示，外牆的熱傳導熱高 達 33%；亦有廣告宣稱 30%~40%的冷氣效率是被太陽曬到發燙的牆璧吸收 浪費，故經業者在實驗室的測量資料得知，降低表面溫度 15℃以上，可使 室內溫度降低達到 5~8℃的效能。為了避免室內溫度因日曬而過高，新穎的
建築物都會強調採用綠建材，可見建材的選擇是相當重要的環節。建材吸 收 太 陽 輻 射 熱 再從 表 面 放 射 ， 此一 放 射 功 率 (Emission power)稱 E 值 （Incropera & DeWitt, 2002），它是影響室內溫度升高主因，E 值越小代表 吸收率越少，越能阻隔輻射熱的傳遞。 鐵皮屋及貨櫃屋大都採用金屬板製作而成，嚴重違反綠建材(Green building material)的選取要點，但在氾濫成災的既有違建叢林中，如何協助 提 升 熱 傳 遞 改 善 惡 劣 的 空 調 品 質 才 是 當 務 之 急 。 除 了 採 用 隔 熱 塗 料 (Insulation coating)可有效的降低鐵皮屋及貨櫃屋之屋內溫度（張育誠、吳國 光、林琨程，2010）；有學者提議使用自然通風器，這是一種利用風能與 光電能混成(Hybrid wind and photovoltaic energy)為動力源的屋頂渦輪通風 器(Rooftop turbine ventilator)（Lai, 2003; Lai, 2006）。
為了引用太陽「取之不盡，用之不竭」的能源，本論文之作品擷取太陽 能做為驅動風扇與噴霧器的電能，具備自我供應電力的優勢，符合節能的 創新思維；本論文之作品充分的運用對流熱傳遞基本原理，將太陽輻射所 造成的鐵皮屋及貨櫃屋內積熱有效的散逸，滿足環保的創意構想。
第二章
研究內容
第 2.1 節 市場調查
市場調查(Market Research)只在運用科學的方法，有目的、有系統的蒐 集、記錄、整理有關市場營銷訊息和資料，分析市場情況、瞭解市場的現 狀及其發展趨勢，為市場預測和營銷決策提供客觀的、正確的資訊，更重 要的是讓我們的設計作品能具有商品化的價值。 目前市面上充斥著驅熱而使周圍環境舒適的產品，其中最普遍的應當 是電風扇(Electrical fan)與冷氣機(Air conditioner)。這二類產品的成熟度高， 電風扇的工作原理是通電線圈在磁場中受力而轉動。能量的轉化形式則是 電能主要轉化爲機械能(Mechanical energy)。由於電風扇之馬達線圈(Motor coil)有電阻，不可避免的有一部分電能會轉化爲熱能(Thermal energy)。所以 電風扇在使用一段時間後，會産生熱量向外釋出，經常導致室內的溫度不 僅沒有降低，反而會升高；尤其在鐵皮屋及貨櫃屋的悶熱環境中，驅熱效 果更相形遜色。 冷氣機普及率約佔台電用戶的之 85.9%，根據統計空調用電負載約佔台 電夏季尖峰負載(Peak load)的 30%左右，可見冷氣機極為耗能的家電用品， 堪稱是夏季導致電能吃緊的「元兇」。縱然使用號稱空調節能萬能丹之變 頻(Variable frequency)冷氣機，但真的會比較省電嗎？可能還是會遭受到專業人士的質疑（何宗岳，2009）。某廠商廣告號稱其變頻冷氣機可省電達 到 59%，其實這只是廠商以冷房負荷固定不變，低頻(Low frequency)對定頻 (Constant frequency)且不停運轉之情況做為比較，在預設條件下得到的結 論。然而在（住家）實際的使用現場，冷房負荷(Cooling load)並非固定不變， 且當室溫達到設定溫度時，傳統冷氣會停止運轉≧3 分鐘以保護壓縮機 (Compressor)，而變頻冷氣仍會持續地低頻運轉。以電錶現場實測的結果顯 示，變頻冷氣都比傳統冷氣耗電；工研院之研究報告亦證實：在≧24℃時， 變 頻 冷 氣 比 傳 統 冷 氣 更 耗 電 ！ 冷 氣 機 雖 然 具 有 調 溫 (Regulation of temperature)、除濕(Dehumidification)、換氣(Air exchange)以及過濾空氣(Air filtration)等四種功能，但安裝在鐵皮屋及貨櫃屋的惡劣環境中，不但原有的 功能大打折扣，驅熱效果同樣皆形遜色。
本論文之作品「主動式屋頂節溫裝置；Active Rooftop Thermostat, ART」 融合傳統驅熱設備的優點，摒棄慣用驅熱設備的缺點，由於具備太陽能自 主供應電能的效果，加上製作成本低廉，深具環保的概念，故極具有市場 競爭的優勢；本作品性能評估卓越，商品化的潛力相當雄厚，產品量化的 商機亦極為龐大，是值得廠商投資生產的作品。有關作品性能的評估，詳 如圖 2.1 所示。 當前用以驅熱的產品琳瑯滿目、運作方式更是不勝枚舉，所以在作品 設計時，我國將傳統電風扇及冷氣機的固有特性、獨特優點、競爭優勢等，
和目標市場的特徵、需求、欲望等結合在一起考量。本論文所研發的作品， 在產品定位具備了高科技的性能（→complex），也符合現代化的潮流（→ fashionable），可充分的滿足目標消費者或目標消費市場的需求，所以市場 性的目標極為明確；有關作品的定位分析，如圖 2.2 所示。 本作品「主動式屋頂節溫裝置」係使用太陽能做為能源，主要安裝在 屋頂（如圖 2.3 及圖 2.4 所示），相當符合鐵皮屋及貨櫃屋之需求，對於休 閒小木屋、廠房、臨時組合屋…亦都可適用。主動式屋頂節溫裝置在陽光 照射時可將太陽輻射能轉換成電能，並儲存在充電電池中，以備沒有陽光 時使用，若長期處於陰暗的天候狀況下，亦只需更換電池即可供應作品所 需的電能，所以實用價值極高、環保優勢更佳。
第 2.2 節 設計概念(Design concept)
為了發展出更高效率、更多功能的驅熱設備，因此我們必須在其研發 過程中，尋求使其利用最少資源，但能達到最大效能的方法；我們也秉持 著「讓科技簡單易用」的理念，運用目前成熟的控制元件，讓裝置達到「One touch」的功效。這種使資源發揮得淋漓盡致的概念，在融入我們所開發「主 動 式 屋 頂 節 溫 裝 置 」 之 中 ， 主 要 的 概 念 因 子 (Factor) 包 括 從 「 功 能 (Function)」、「成本(Cost)」及「創意(Innovation)」等三個面向。 爲什麽人體在沖水洗滌後，再使用電風扇吹風而會感覺特別涼爽呢？ 因爲人體皮膚在濕度較高的情況下，當啟動電風扇運轉後，室內的空氣會 形成流通，所以能促使皮膚表面的水分急速蒸發。根據「蒸發需要吸收大 量熱量」存在的物理現象，故人們會感覺到涼爽，這是啟發我們研發本作 品的根源。然而台灣為海島型氣候(Island climate)，濕度通長較為偏高，如 果又碰上陰雨天、颱風天或是陰雨連綿的梅雨季節，過高的濕度常常會造 成人們身體上諸多不適。 濕度(Humidity)是指空氣中所含的水氣量，屋內的濕度一般以相對濕度 (Relative humidity, RH)來表示，一般認為相對濕度在 75~80%以上為高濕 (High humidity)，小於 30%為低濕(Low humidity)。在醫學上空氣的濕度與 呼吸之間的關係非常緊密。在一定的濕度下氧氣比較容易通過肺泡進入血 液，一般人在 45~55%的相對濕度下感覺最舒適（維基百科，2011b）。在過熱而不通風之屋內，相對濕度通行會比較低，這可能對皮膚較為不良， 而且對粘膜(Mucous membrane)會有刺激作用；濕度過高影響人調節體溫的 排汗功能(Sweating function)，讓人會感到悶熱。綜上所述，蒸發散熱雖為 我們在研發本作品時的基本原理，而該項關鍵技術必須透過噴霧器達成降 低屋內溫度的目的，但卻會增加屋內的濕度，如何讓屋內的人能有舒適的 感覺，重點在於溫度與濕度必須要同時考量。因此，「以科技為根、以人 為本」即是我們設計作品的重要融合要素，希望能利用創意加乘本作品的 開發價值。 就研發產品的功能而言，我們所研發的作品具備節能的功效，符合環 保的概念，具有重量輕、體積小的特性(參見圖 2.5)。由於具備太陽能發電、 太陽追蹤、自然對流熱散逸、強制對流熱散逸以及蒸發熱散逸等五大功效 (Five in one)，而且本作品在白天、晚上、晴天及雨天都可驅散屋內的熱量； 有陽光照射時可當做是充電器，沒有陽光時亦可藉由電池的電能續用，完 全沒有受到是否有陽光的限制。 由於正確的預估並控制成本，將有助於廠商評估未來商品化的可行 性，並且從作品的成本可評斷未來商品化的價格與商機。從目前原型 (Prototype)的開發的外顯成本(Explicit cost)不到新台幣一萬元來看(參見圖 2.6)，若能透過本作品具備的優點而提升量化數據及市佔率，則製造費用必 然降低，即使產品須加入管銷費用等隱含成本(Implicit cost)，但商品化之價
格仍具有相當優越的市場競爭力。 當作品完成之後，為了檢核本作品「主動式屋頂節溫裝置」的製作成 效，評估本作品的創新成果，我們採用雷達圖(Radar chart) (參見圖 2.7)，從 「外觀價值創新」、「功能創新」、「觀念創新」、「作法創作」及「創 新使成本降低」等五個指標，進行作品製作成效與創意成果的評估。從圖 中五大構面所組成之綜合指標，我們更清楚的瞭解並掌握作品的專業強項 與待補強項目，在經過不斷的改良與賡續的修正，因此五個指標項目才會 有相當亮麗的表現，這也正反映出我們對於作品的信心度。
第三章
研究方法
第 3.1 節 原理描述
本論文之作品之「主動式屋頂節溫裝置」（圖 3.1）的主要設計理念， 就是將熾熱的太陽輻射“荼毒”轉化成有效的能量，可供散熱器內部風扇及噴 霧器使用，達到電力自主的目的。本作品主要是安裝在鐵皮屋、貨櫃屋… 之屋頂，裝配方法是將屋頂切割一矩形的天窗(Roof windows)，接著再將本 作品裝置在切割的天窗，如圖 3.2 所示。 本作品主要組成機構包含：太陽能發電、機殼以及對流熱散逸等系統， 各單元所包含的元件及裝配位置，如圖 3.3 所示。本論文之作品之核心－太 陽能系統主要包括：硬式薄膜太陽能板及太陽能控制器，硬式太陽電池 (Flexible solar cell)採用非晶矽(Amorphous silicon)薄膜材料(Film materials) （魯瑞鋒，2007），有太陽光照射就能擁有電力，重量極輕，體積越大效 能越高。太陽能板設計覆蓋在頂罩上方，故採用服貼的硬式電板，使用可 防水、抗腐蝕、抗紫外線的材質製造。此外，本太陽能板另須搭配充電控 制器，以便用來保護蓄電池，避免源自太陽能電池板的能量對蓄電池過度 充電，及負載運行造成的過度放電；控制器具有防逆電流裝置及直流電力 輸出。 本論文之作品配合外型設計與裝設位置，讓高溫空氣藉由自然對流(Natural convection)效果，自然的導流到散熱器的頂罩，將高溫空氣適度的 排出。其次，透過自我提供的電能趨動風扇，藉由強制對流(Forced convection) 效應，將貨櫃屋的積熱有效的強迫排除。此外，本論文之作品運用水與酒 精調配成瞬間冷卻劑(Instant cooler)。這種水與酒精的溶液，由噴霧罐噴出 來後就形成細小的水滴，小水滴迅速在貨櫃屋內蒸發。而此種冷卻劑的運 用 原 理 ， 就 是 當 液 體 蒸 發 時 ， 它 的 分 子 須 由 附 近 吸 收 蒸 發 熱 (Heat of vaporization)，因此可使周圍空氣迅速的降溫。主動式屋頂節溫裝置的熱傳 遞原理，如圖 3.3 所示。 包括氣態與液態的流體(Fluid)中，高溫區的分子藉由碰撞方式將能量傳 給 低 能 量 分 子 ， 此 一 傳 遞 熱 量 的 方 式 ， 即 為 通 稱 的 熱 對 流 (Thermal convection)。若流體運動是藉由溫度差(Temperature difference)所造成的密度 變化，以所產生的浮力來帶動，稱為自然對流(Free convection)；若是藉由 外在的動力驅動流體運動（譬如加裝風扇），讓熱量藉以排除散逸，則稱 為強制對流(Forced convection)。 1. 對流熱散逸 對流熱散逸含兩種運動，除了藉由混亂運動(Chaotic motion)擴散之外， 還有流體之整體流動(Bulk flow)或巨觀(Macroscope)運動－意即在任意 瞬間，大量分子同時移動。在溫度梯度(Temperature gradient)存在的情 況下，這些運動將會造成能量的傳遞。根據牛頓冷卻定律(Newton’slaw of cooling)可將對流熱通量(Convective heat flux) q”conv表示成
) T -T ( h = q"conv s a (3.1) 其中對流熱通量的單位為 W/m2；Ts 和 Ta 分別表示加熱表面及外界的 溫度、h（W/m2K）為外界空氣的對流係數(Convection coefficient)或稱 對流熱傳係數(Convective heat-transfer coefficient)，典型的 h 值隨著對流 的形態有很大的差別，如表 3.1 所列。 表 3.1 典型的對流係數 對流形態 數值大小(W/m2K) 自然對流 5~25 氣體強制對流 25~250 液體強制對流 50~20,000 風扇是達成強制對流熱散逸不可或缺的元件，風扇的效能係以單位時間 通過的空氣體積為準，通常採用每分鐘立方呎(Cubic feet per minute, CFM)為單位；有些風扇效能則是使用空氣速率(Air speed)為單位。CFM 值顯然要比空氣速率的測量更具有意義，因為 CFM 值考慮到風扇的尺 寸。 2. 蒸發熱散逸 蒸發熱散逸或稱蒸發冷卻(Evaporative cooling)是一種強力又經濟之冷 卻方式，譬如在悶熱天氣沖水會涼爽之感覺，是因為水分蒸發後蒸汽離 開所致；另外將酒精(Alcohol)擦在人體任何部位，同樣會有涼快的感 覺，亦為蒸發冷卻的另一例。蒸發熱散逸的主要原理，是當空氣與水分
接觸時，空氣會吸收水分，吸收水分之程度視空氣中存在之相對濕度 (Relative humidity)φ而定。
相對濕度是指氣體中，水氣的分壓(Partial pressure)除以飽和蒸氣壓 (Saturated vapor pressure)的百分比率；意即絕對濕度(Absolute humidity) Ψ與最高濕度 Ψmax之間的比；Ψ與 Ψmax的單位一般採用 g/m3。隨着 溫度的增高，空氣中可含的水分就越多，也就是在同樣多的水蒸氣的情 況下，溫度降低則相對濕度就會升高。相對濕度的公式為 % 100 × P P = % 100 × ψ ψ = φ sat v, v max (3.2)
式 中 Pv 與 Pv,sat 分 別 表 示 蒸 氣 壓 與 飽 和 蒸 氣 壓 (Saturation vapor
pressure)，單位通常使用帕斯卡(Pascal, Pa)。當相對濕度愈低，則空氣 之載水分容量愈大，亦即可蒸發的水量愈大；也就是說，相對濕度愈低 時，蒸發冷卻系統愈能降低環境的溫度。 若欲使水分蒸發必須供給熱量，此種物理性質稱為氣化熱(Heat of evaporation)L。其定義為：在標準大氣壓(1atm=101.325kPa)狀況下，使 質量 m 為 1 莫耳的物質，在其沸點(Boiling point)蒸發所需要的熱量 Q， 描述方程式表示為 m Q = L (3.3)
氣化熱的常用單位為千焦耳/莫耳(kJ/kmol)或千焦/千克(kJ/kg)。水 的汽化熱為 40.8kJ/kmol，相當於 2260kJ/kg。一般使水在其沸點蒸發所 需要的熱量，相當五倍於等量水從 1℃加熱到 100℃所需要的熱量。通 常水的溫度對於冷卻效果的影響並不顯著，根據資料顯示，將 1 加侖 (gallon)、10℃的水灑在溫度 32℃的地面，可產生 9,000BTU(British Thermal Unit，英熱單位)的冷卻效果；然而將 1 加侖、32℃之水灑在溫 度 32℃的地面，將可產生 8,700BTU 的冷卻效果，二者僅有 3%之差異。 據此可知，在使用俗稱水簾(Water curtain)或稱水牆(Water wall)的降溫 系統時，為何循環水並不經過冷卻處理的原因所在。 本論文直接將水蒸發到空氣中形成蒸發冷卻，用以降低實驗箱的空 氣溫度。為達到此目的所使用之方式為噴霧器(Atomized sprayer)。使用 噴霧器時，目的在產生小水滴，並在蒸發時將熱量從空氣中去除。欲使 蒸發冷卻系統發揮最大功效，首先儘可能使最大量的空氣與提供之水分 接觸。故在使用噴霧器時，必須要使噴霧器所產生之霧狀顆粒。在未掉 落到地面前就能夠蒸發，因此霧狀顆粒應該愈小愈好。慣用的霧狀顆粒 分類，經常以體積中線直徑(Volume median diameter, VMD)做為分類標 準，如表 3.2 所示（黃基森，2002）。
霧狀顆粒愈小則水分分化的數量就愈多，相對的與空氣接觸之表面 積將愈大，結果蒸發率就愈高，所能達到之蒸發冷卻效果會愈好。使用
噴霧器時，外界溫度其對於密閉性的要求並不高。基本上有二種方法可 以減小霧粒體積：利用細孔噴嘴或增加水壓（方煒，2011）。最有效之 噴霧器的噴嘴須具有微小之細孔及 60kg/cm2 之操作壓力，如此能使霧 狀顆粒懸浮於空氣中，且懸浮時間會加長。此種噴霧器產生之霧狀顆粒 直徑平均值約 10 微米(μm, 0.01mm)，由於體積極小（為一般人頭髮直 徑的 1/10），因此顆粒的重量輕，可以像霧般均勻的擴散飄浮，即使當 相對濕度較高時也能完全被蒸發，充份的發揮蒸發熱散逸之效能。除了 使用上述的高壓噴嘴方式外，旋轉離心方式亦可產生微小霧粒，通常形 成霧粒的大小約為 43μm；在一般的天候狀況下，約半公尺的距離即可 完全的蒸發。 表 3.2 霧狀顆粒分類 大小(VMD/μm) 分類 <25 煙霧(fog) <50 氣霧(aerosol) 50~100 水霧(mist) 101~250 細霧(fine spray) 本論文之作品的主要設計理念，就是將熾熱的太陽輻射“荼毒”，轉化成 有效的能量，可供散熱器內部風扇與噴霧器使用，達到電力自主的目的。 本論文之作品的主要組成機構包含：太陽能發電系統、太陽追蹤系統、機 殼系統、對流熱散逸系統以及蒸發熱散逸系統等五個部分，如圖 3.4 所示。
第 3.2 節 機構設計
本作品「主動式屋頂節溫裝置」所包含各單元的系統立體組合圖，如 圖 3.5 所示；各單元的零件立體分解圖，如圖 3.6 所示。本作品主要是安裝 在鐵皮屋、貨櫃屋…之屋頂，由於底罩直接置入天窗並利用螺絲固定在屋 頂，不論是裝置或拆卸均極為便捷。本作品在設計完成後係採用 AutoCAD 繪圖軟體繪製零組件，元件的尺寸大小及形狀，詳如工作圖(一)與工作圖(二) 所示（圖 3.7 與圖 3.8）。 在圖 3.5 與圖 3.6 中，太陽能發電系統（NO.1）的太陽電池組列(NO.11) 採用非晶矽薄膜材料製成，完全舖設在鐵皮屋及貨櫃屋排熱裝置的太陽能 板(NO.12)上方，藉以吸收太陽光；太陽能發電系統具備「有陽光，就有能 量」的特性，可適時、直接的吸收太陽能並轉換成電能；透過電線(NO.13) 可從太陽電池組列接配至充電控制器(NO.14)，其中充電控制器(Charge controller)具有一個負載極微小的防逆二極體（Schottky diode，蕭基二極 體），以防止蓄電池(NO.15)內的電流逆流回到太陽電池組列，也具有過充 放保護功能。溫度控制器(Temperature controller, NO.16)是為了防止屋內的 溫度過高，所以當屋內溫度達到某設定值時，溫度控制器便會啟動負載開 始運作以便散熱。本論文之作品的太陽追蹤系統(Solar tracking system)包括：二個太陽能 板托架(Supporting frame, NO.21)、一根太陽能板轉動軸(Rotating shaft,
#22)、二顆光敏電阻(NO.23)、多條連接線(Connect wires, NO.24)、一個電路 模組(Electric circuit module, NO.25)、一個馬達(NO.26)、一只齒輪(Gear, NO.27)以及二個軸承(Bearing, NO.28)。太陽能板托架固定裝置在太陽能板 下方，功能係用以支撐太陽能板。太陽能板托架的孔正好配合太陽能板轉 動軸(NO.22)，使得太陽能板隨著轉動軸旋轉。太陽追蹤系統是利用追蹤感 測器來判斷太陽光源的方位所在，故追蹤感測器的選用十分重要。本論文 之作品選用光敏電阻(NO.23)作為追蹤感測器，不但成本便宜且具有下列良 好的特性：光敏電阻 (Light Dependent Resistor, LDR)是一種感光式、歐姆 結構(Ohm’s structure)的電阻器(Resistor)，因此較為容易使用。光敏電阻為 會隨著光源強度使阻抗(Impedance)改變的可變電阻；光敏電阻的分光感度 (Spectroscopic sensitivity)特性與可見光的範圍最相近。 太陽追蹤系統的核心係為一個電路模組(NO.25)，此模組主要的功能為 感測。以光敏電阻當作感測器(Sensor)，感測信號經過電壓隨耦器(Voltage follower)後，再經過 OP 比較器做輸出處理，再利用 OP 放大器(Operation amplifier)產生馬達驅動信號。主電路所輸出訊號再給馬達(NO.26)正反轉模 組，控制馬達轉動太陽能板的旋轉機構，讓太陽能板能夠正對太陽光最強 的方向。為了能夠讓太陽能板做旋轉的動作，故設計類似像蹺蹺板的形狀， 將感測器（光敏電阻）裝設在太陽能板的兩端，以便能夠順利感測太陽光 的 強 度 。 太 陽 能 板 中 心 的 軸 承 (Bearing, NO.28) 上 將 有 馬 達 帶 動 齒 輪
(NO.27)，做出正反轉動作，讓太陽能板能夠垂直對著太陽。
本論文之作品安裝在鐵皮屋或貨櫃屋天窗上，斜背式的頂罩蓋可增加 太陽光的吸引面積，而且可使太陽能板的仰角擴大。此外，頂罩蓋的橫向 尺寸向外延伸出兩側壁，形成頂罩蓋簷(Brim)，主要的功能在於防止雨水濺 入節溫裝置而滴落到屋內。本論文之作品的機殼系統(NO.3)具有斜背式的頂 罩(NO.31)，對稱式形的 12 度傾斜角(Inclined angle)設計，可使架設在其上 方的太陽能板仰角擴大。在機殼的側壁(NO.32)均具備細長型換氣孔，用以 做為氣體循環的通道。兩側壁及前壁的細長型換氣孔，可讓貨櫃屋內所熱 氣排除。本論文之作品的底座承板(NO.33)開設有三個孔，包括二個風扇安 裝孔(NO.34)及一個噴霧器安裝孔(NO.35)，分別用以安裝風扇及噴霧器。底 座的底罩(NO.36)狀似倒蓋之漏斗(Funnel)，此種設計在於運用自由對流原 理，藉以匯聚空氣密度較小、上升之高溫熱空氣。 本論文之作品的對流熱散逸系統，係用以抽取貨櫃屋內因太陽光照射 而蓄積的熱量，對流熱散逸系統的核心為二個風扇(Fan, NO.41)，形成空氣 的強制對流效應，藉以將鐵皮屋或貨櫃屋內的高溫空氣排除到貨櫃屋外 部。另外的一個熱散逸系統，主要是運用噴霧器(Atomized sprayer, NO.51) 進行使液體蒸發而吸收大量熱量的系統，當貨櫃屋內的溫度達到控溫器設 定溫度值時，噴霧器就會適時的將容器內的冷卻劑適量的噴灑；噴霧器容 器內的冷卻劑主要是水與酒精的混合液，可隨時補充。
圖 3.9 為本論文之作品的電路接線圖，溫度控制器是為了防止鐵皮屋及 貨櫃屋內溫度過高，當貨櫃屋內溫度達到某設定值時，控溫器會啟動負載 散熱，此系統開始運作，同時趨動風扇及啟動噴霧器。在太陽能電池系統 運轉時，太陽能板將吸收到的熱能轉為電能儲存至電池，當電池電量超過 負荷能量，此電壓控制迴路開始導通。此外，限制電流電阻與逆流防止二 極體裝置，主要功能是為了避免電池過量的電流流過太陽能板，故可有效 的保護太陽能板。
第 3.3 節 系統說明
本論文包括太陽能系統、太陽能追蹤系統、機殼系統、對流熱散逸系 統以及蒸發熱散逸系統等五個部分的功能，茲說明如後： 1. 太陽能系統 本論文核心－太陽能系統主要包括：太陽能板及太陽能控制器，太陽能 板在太陽光照射下便能輕鬆擁有電力，重量極輕，體積越大效能越高。 太陽能板設計覆蓋在頂罩上方，故採用防水(Water proof)、抗腐蝕(Anti-corrosion)、抗紫外線(Anti-ultraviolet ray)的材質製造。此外，本太陽能 板另須搭配充電控制器，以便用來保護蓄電池，避免源自太陽能電池板 的能量對蓄電池過度充電(Over charge)，及負載運行造成的過度放電 (Over discharge)；控制器具有防止逆電流(Counter current)裝置及直流電 力輸出。太陽能板之操作電壓與電流分別為 17.5V、290mA、太陽能板之尺寸 260mm 長×260mm 寬×5mm 高、光學面積 190mm 長×190mm 寬、重量 為 200g。充電控制器之額定充電電流 10A、額定負載電流 10A、工作 電壓 12/24V、充電方式為 PWM 脈寬調制(Pulse width modulation)、最 大尺寸 140mm 長×90mm 寬×28mm 高。在本系統中另搭配電池容置盒與 數位電池容量檢測器，以供電池裝置及電能監測之用；電池容置盒與數 位電池容量檢測器的最大尺寸分別為 62mm 長×38mm 寬×30mm 高、及
84mm 長×50mm 寬×15mm 高。
2. 太陽能追蹤系統
在太陽能應用的領域中，太陽定位(Solar position)量測是一項不可或缺 的技術。許多學者提出太陽自動追蹤系統，若干系統利用處理器(Central Processing Unit, CPU)配合萬年曆(Chinese calendar)計算太陽的時間位 置，使太陽能板適時偏轉定位；另有學者提出其實的許多解決方法，雖 然提供高精確的陽光定位量測，但其結構較為複雜價格較貴。有鑑於 此，本論文研發簡易的太陽追蹤系統，並達到追蹤效率高、系統簡單、 價格低廉之需求。在設計上我們利用簡易的電路，檢測出太陽位置與光 敏電阻(Light dependent resistor, LDR)輸出電壓值之間的關係，經比較器 (Comparator) 輸 出 與 增 益 (Gain) 的 放 大 以 推 動 驅 動 機 構 (Drive mechanism)，使太陽能板可以追蹤太陽照射的角度。 本論文中是在太陽能板兩側各安裝一個光敏電阻，經由光敏電阻受太陽 光照射產生的電壓不同，以比較器輸出後推動旋轉驅動裝置，使太陽能 面板可以持續追縱太陽，讓太陽能板能完全地吸收太陽的能量，進而提 升太陽能充電的效率。 為了能夠讓太陽能板做旋轉的動作，故設計類似像蹺蹺板的形狀，將感 測器（光敏電阻）裝設在蹺蹺板的兩端，以便能夠順利感測太陽光的強
能板能夠垂直對著太陽。仰角部份主要載重來自太陽能板，要驅動仰角 必須克服聚光模組轉動的扭矩(Torque)，太陽行徑的速度非常緩慢，故 在 設計 上馬 達須以 非常 低速 （ 1~5rpm） 來 配 合使 用或 安裝 阻尼 器 (Damper)，才可緊隨著太陽緩慢移動速度轉動。 本論文之太陽追蹤系統的照射角度追蹤控制系統，係以三種模組構成： 核心電路模組：此電路模組主要功能為感測光照。以光敏電阻當作 感 測 器 ， 感 測 信 號 經 過 電 壓 隨 耦 器 後 ， 再 經 過 OP 比 較 器 (OP Comparator)做輸出處理，再利用OP放大器(Operational amplifier)產生 馬達驅動信號。 馬達正反轉與定位控制模組：主電路所輸出訊號再給馬達正反轉模 組，控制馬達轉動太陽能板的旋轉機構，讓太陽能板能夠正對太陽 光最強的方向，太陽能追蹤系統方塊圖如圖3.10所示。 電源模組：由太陽能板與充電電路構成，如圖3.11所示。電源模組可 使核心電路及馬達正反轉模組順利運作，並達到自行發電、自行供 電等獨立運作的功能。 3. 機殼系統 機殼係由上半部分的頂罩與下半部分的底罩構成，主要用以容置所有的 功能性元件(Functional element)。頂罩採用平面加大設計，以避免雨水 濺入排熱裝置內部，可使太陽能板的可裝置面積增加，此意味著單位面
積可安裝容量的瓦數可加大。機殼的底罩是安裝風扇與噴霧器的基板 (Base board)；底罩同時包括側面兩片及前面一片等三片壁面，在壁面具 有細長型換氣孔(Ventilated slot)，以供高溫空氣由「主動式屋頂節溫裝 置」散逸至外界。 機殼係運用熱傳遞的基本自然對流原理，將密度較小的高溫空氣導入罩 體；在底罩側邊及後方設有通氣槽，可使熱空氣導出貨櫃屋外。機殼採 用黑色透明壓克力(Acrylic)製成，可阻絕來自外界的紅外線，對安裝在 機 殼內部的 元件具 有阻隔輻 射熱的 作用 。製 作機殼 的壓克力厚 度 5mm、最大尺寸 540mm 長×300mm 寬×108mm 高。 4. 對流熱散逸系統 對流熱散逸系統主要是仰賴硬體的風扇與底殼，分別形成強制對流與自 然對流效應，另搭配溫度控制器使溫度達到設定值即啟動風扇，以達到 熱散逸(Heat dissipation)的目的。風扇利用太陽能板所供應的電力驅動抽 風扇，透過抽風扇的運作將熱氣向上抽取，再藉由頂罩特殊的設計功 能，故可將屋內積蓄的熱氣向外排除。
本論文採用二個磁浮馬達風扇(Magnetic levitation motor fan, MagLev motor fan)，額定電壓(Rated voltage)12VDC、額定速率(Rated speed) 2800rpm± 15%、額定功率(Rated power)1.1W、空氣流率(Air flow rate)
5. 蒸發熱散逸系統 蒸發熱散逸系統主要的核心元件為噴霧器，另搭配溫度控制器使溫度達 到設定值即啟動噴灑冷卻劑，以達到迅速降溫的目的。噴霧器則是採用 定溫控制方式，當屋內的溫度達到控溫器設定溫度值時，噴霧器就會適 時的將容器內的冷卻劑適量的噴灑；噴霧器容器內的水與酒精溶劑可隨 時補充。 噴霧器可裝置冷卻劑的容量為 300ml，噴出一次的劑量約 1ml；噴霧器 使用 4 顆 3 號電池，總電壓 6VDC、尺寸 175mm 長×140mm 寬×95mm 高。經改裝後的噴霧器，可由溫度控制器完全控制噴出時機。
第 3.4 節 實驗測量
為驗證主動式屋頂節溫裝置的預期性能，本論文之作品模型採用的實 驗方法係以封閉的實驗箱(380mm×450mm×260mm)控制環境狀態以獲得實 驗數據的可靠性(Reliability)，如圖 3.11 至圖 3.15 所示；溫度之數據擷取係 透過電腦記錄，如圖 3.16 及圖 3.17 所示。箱體為一個密封之隔離室，完全 模擬在太陽照射下的鐵皮屋或貨櫃屋，藉以預估加裝散熱器的預期效果。 箱體所建構的隔離室均使用瓦楞紙板(Corrugated cardboard)做為絕熱材 料，利用 5mm 厚的紙板貼在隔離室各面。藉由電源供應器(Power supply) 提供鹵素燈(Halogen lamp)電力，用以模擬陽光照射；鹵素燈之電壓 110V、 功率 150W，每一隔離室各安裝 1 支。實驗利用熱電偶(Thermocouple)及數 位式溫濕度計(Digital temperature/humidity meter)，擷取環境與實驗模型的溫 度。 實驗首先將溫度感測器安置在溫度量測點位置上，並與電腦連結準備 記錄實驗數據，然後將「主動式屋頂節溫裝置」安裝在實驗箱體上方，並 調節室內空調的外界溫度(Ambient temperature)Ta變動量儘可能減低。設定 各系統啟動溫度，接著開啟鹵素燈；當實驗開始啟動後，利用電源供應器 開始提供鹵素燈電能做為加熱源，模擬太陽光照射到鐵皮屋或貨櫃屋導致 屋內迅速升溫的狀況。在此同時，電腦開始記錄實驗數據；當實驗箱體內 溫度到達系統設定溫度之後，啟動風扇（或噴霧器）開始進行散熱，待隔離室箱體內溫度達到穩定狀態(Steady state)，此時可選擇繼續設定各系統啟 動溫度亦或結束實驗測試。 本實驗除可單獨的啟動一個風扇運作，亦可二個風扇同時運作；實驗 亦可透過變更風扇的裝置方式，以便測試抽氣與吸氣的驅熱效果。除此之 外，在本論文所進行的實驗中，我們將會使用酒精與水調配不同比例的冷 卻劑，藉以觀察冷卻效果的差異性；同時亦將設定噴霧器噴灑冷卻劑的時 間間距，同樣測試屋內冷卻效果的良窳。有關實驗的步驟與實驗原理，分 別如圖 3.18 與圖 3.19 所示。
第四章
結果與討論
第 4.1 節 自然對流之散熱效果分析
在本論文的實驗測試中，我們首先將針對對流的散熱效果進行測量與 分析，實驗條件設定如表 4.1 所列。實驗編號#1 為模擬完全封閉狀態下， 貨櫃屋或鐵皮屋屋內的溫度上升情況；經由鹵素燈加熱之後，實驗箱內的 溫度上升狀態如圖 4.1 所示，其中達到 40℃、50℃及 60℃的時間分別為 200sec、530sec 及 1240sec，當時平均外界溫度(Ta,ave)為 18.63℃。為避免實驗箱內的加熱過久且溫度過高，因此實驗箱內溫度達到 62℃或溫度控制器 達到設定溫度(To)，系統即自動關閉鹵素燈之電源，經全程記錄實驗箱內溫 度的時間為 tf。 表 4.1 第一部分實驗條件設定 Test No. (#) To (℃) Ta,ave (℃) tf (sec) 條件說明 #1 - 18.63 1440 完全封閉 #2 40 17.53 690 自然對流散熱 #3 50 17.55 2780 自然對流散熱 #4 60 19.12 2240 自然對流散熱 #5 40 17.22 880 自然＋強制對流散熱 #6 50 18.21 2610 自然＋強制對流散熱 #7 60 18.42 3590 自然＋強制對流散熱
從表 4.1 的實驗條件設定可看出，第一組實驗（實驗編號#2~#4）係針 對自然對流散熱做測量分析；第二組實驗（實驗編號#5~#7）則是針對自然 與強制對流散熱做測量分析。依據牛頓冷卻定律（式 3.1）的方程式可知， 由於自然對流的典型的對流係數(h)較小（表 3.1），此意味外界溫度對於自 然對流效應較為敏感，因此我們仰賴實驗室的空調調節外界溫度(Ta)，以便 使溫度變動量(Temperature fluctuation)儘可能縮小，量化值如表 4.2 所列； 從表列數據可知，外界溫度(Ta)的變動量範圍在±3.4%之內。 表 4.2 第一部分實驗之外界溫度 Ta測量值 Test No. (#) 平均值 Ta,ave(℃) 最大值 Ta,max(℃) 變動量 (%) 最小值 Ta,min(℃) 變動量 (%) #1 18.63 19.0 2.0 18.3 1.8 #2 17.53 17.9 2.1 17.3 1.3 #3 17.55 18.0 2.5 17.0 3.2 #4 19.12 19.7 3.0 18.7 2.2 #5 17.22 17.7 2.8 16.7 3.0 #6 18.21 18.8 2.1 17.8 3.4 #7 18.42 18.8 2.1 17.8 3.4 實驗進行中研究室的環境溫度會有變化，故採用空調儘可能在實驗進 行中降低溫度變動量縮小，為讓外界溫度(Ta)的顯性(Explicit)影響性降低， 我們採用相對溫度(T-Ta)/Ta 的無因次參數(Dimensionless parameter)表達方 式，藉以凸顯實際實驗箱內溫度的變化情形，結果如圖 4.2 所示。從圖 4.1
與圖 4.2 可清楚的看出，具有自然對流效應的第一組實驗（實驗編號#2~#4） 與完全封閉狀態（實驗編號#1）之間，溫度變化有逐漸擴大的趨勢，此亦 反映內部實驗箱內溫度越高，由於在頂部較密的空氣重力大於底部較疏的 空氣重力，迫使頂部較重的空氣下降；底部較輕的空氣上升，形成對流的 移動現象，故在箱內的空氣將會呈現不穩定狀態(unstable state)，最後逐漸 發展成不穩定環流(unstable circulation)。上升的熱空氣透過裝置在實驗箱上 方的「主動式屋頂節溫裝置」將熱量排出，實驗箱內溫度越高則相對排除 熱量亦越大，因此編號#1 與編號#2~#4 之曲線間均呈現逐漸擴大的趨勢。 由於產生的熱量仍大於自然對流效應所排除的熱量，因此編號#2~#4 之曲線 仍呈現上揚的情況（參見圖 4.1 與圖 4.2）。 為了分析自然對流的散熱效果，我們從降低的溫度值定義散熱效率 (Heat dissipative efficiency,η)，用以顯現散熱效果的量化值；散熱效率定義 η=(T#1－T)/T#1。在圖 4.3 中，縱座標代表散熱效率(η)橫座標表示時間(t)， 從代表實驗編號#2~#4 的三條曲線分佈得知，效率剛開始即迅速劇升，在歷 經 30~40sec 即開始降低，一直到 240sec 達到最低值；在 30~240sec 期間冷 卻效率會降低，主要緣因在於完全封閉狀態（實驗編號#1）之實驗箱內溫 度上升幅度較編號#2~#4 為慢。然而隨著時間持續進行實驗，散熱效率(η) 又會逐漸的增加，一直到實驗時間進行到 1200sec 時，自然對流的最大散熱 效率（編號#3）可達到 26.8%；最大降溫幅度為 16℃。當完全封閉狀態（編
號#1）結束時（tf=1440sec），自然對流的最大散熱效率（編號#3）可達到 27.5%；最大降溫幅度為 17.1℃。 接著是針對自然與強制對流散熱做測量分析，將第二組實驗（實驗編 號#5~#7）的結果繪示於圖 4.4~圖 4.6。從三個圖的曲線分佈清楚可看出， 自然對流的散熱效果與第一組實驗（實驗編號#2~#4）的趨勢完全相同，其 中實驗時間進行到 880sec 時，自然對流的最大散熱效率（編號#5）可達到 29.2% ； 最 大 降 溫 幅 度 為 16.3℃ 。 當 完 全 封 閉 狀 態 （ 編 號 #1 ） 結 果 時 （tf=1440sec），自然對流的最大散熱效率（編號#6）可達到 22.3%；最大 降溫幅度為 13.9℃。當實驗持續的進行，實驗編號#5、#6 及#7 的控制溫度 (To)分別設定在 40℃、50℃及 60℃；從實驗結果可知，三組實驗分別在 580sec，40.5℃（編號#5）、2010sec，51.2℃（編號#6）及 2700sec，60.5℃ （編號#7）時，溫度控制器會啟動風扇開始運轉，在此同時實驗箱內溫度 也立即產生下降的現象；有關強制對流效應的量化分析，則在接續的實驗 將做分析。
第 4.2 節 強制對流之散熱效果分析
在第二部分的實驗測試中，我們將對強制對流的散熱效果進行進一步 的測量與分析，實驗條件設定如表 4.3 所列。由於強制對流熱散逸的主要驅 動機構為二個風扇，因而先考慮風扇裝置形式（抽氣與吹氣）進行測試分 析。在三組實驗數據中（實驗編號#8~#12、#13~#17 及#18~#22），每組的 第一個實驗均為完全封閉狀態的箱內溫度變化（編號#8、#13 及#18）；第 二個實驗則為單純自然對流效應狀態下，箱內的溫度變化情形（編號#9、 #14 及#19）；接著三個實驗分別為二個風扇均為抽氣（編號#10、#15 及#20）、 一個風扇抽氣一個風扇吹氣（編號#11、#16 及#21）及二個風扇均為吹氣（編 號#12、#17 及#22）。第二部分的三組實驗，最大的差異在於第一組加熱最 高溫度為 65℃、實驗時間 tf=6000sec；第二組加熱最高溫度為 70℃、實驗 時間 tf=7200sec；第三組加熱最高溫度為 75℃、實驗時間 tf=9000sec。 上 一 節 曾 經 提 過 ， 自 然 對 流 的 典 型 的 對 流 係 數 (h) 較 小 ， 約 5~25 W/m2K，此意味外界溫度對於自然對流效應較為敏感。藉由(3.1)式的粗略 估算，只要外界溫度(Ta)增減 1℃，造成的對流熱散逸差異約為 2.5%，因此 我們仰賴實驗室的空調調節外界溫度。從表 4.3 仍可看出在第二部分的實驗 測試中，平均外界溫度(Ta,ave)最高為 18.58℃、最低為 13.52℃；由於透過 空調調節外界溫度較為不易，因此第二部分共進行測量三組實驗。根據實 驗進行所測量相(φ)的狀況，第一組實驗的相對濕度介於 53%~57%，第二組實驗的相對濕度介於 75%~80%。將第二部分的實驗數據描繪在”溫度-時間” 圖上，結果顯示在圖 4.7~圖 4.12。 表 4.3 第二部分實驗條件設定 Test No. (#) Ta,ave (℃) tf (sec) 風扇安 裝形式 條件說明 #8 16.17 6000 完全封閉 #9 16.20 6000 自然對流散熱 #10 18.27 6000 2 抽氣 自然＋強制對流散熱 #11 16.99 6000 1 抽 1 吹 自然＋強制對流散熱 #12 17.07 6000 2 吹氣 自然＋強制對流散熱 #13 18.06 7200 完全封閉 #14 17.32 7200 自然對流散熱 #15 18.19 7200 2 抽氣 自然＋強制對流散熱 #16 16.78 7200 1 抽 1 吹 自然＋強制對流散熱 #17 13.52 7200 2 吹氣 自然＋強制對流散熱 #18 17.05 9000 完全封閉 #19 17.77 9000 自然對流散熱 #20 18.58 9000 2 抽氣 自然＋強制對流散熱 #21 17.35 9000 1 抽 1 吹 自然＋強制對流散熱 #22 18.01 9000 2 吹氣 自然＋強制對流散熱 在第一組實驗中（編號#8~#12），完全封閉狀態的箱內溫度變化（編 號#8）與前一節相同，在鹵素燈剛開始通電加熱後即迅速上升，時間約在 510sec 後箱內溫度提升幅度逐漸和緩，一直到加熱終止（tf=6000sec），箱 內溫度仍在持續上升中。當採用「主動式屋頂節溫裝置」將熱量排出，藉
以探討自然對流效應時（編號#9），很明顯二條曲線隨著時間的進行而逐 漸擴大，這意味自然對流散熱量隨著箱內溫度增加而逐漸提高，如圖 4.7 所 示。為考慮外界溫度(Ta)的影響性，若將第一組實驗（編號#8~#12）採用相 對溫度表示，如圖 4.8 之縱座標為(T-Ta)/Ta的無因次參數，則所有曲線分佈 趨勢與圖 4.7 相似。從圖 4.7 與圖 4.8 的曲線分佈得知，當 tf=6000sec 時， 編號#8 與#9 的量化差異值最大，最大溫差達到 9.8℃。 接著檢視強制對流的散熱效應，風扇分別採用二個抽氣（編號#10）、 一抽一吹（編號#11）及二個吹氣（編號#12）等三種組合方式運作。再從 圖 4.7 與圖 4.8 的曲線分佈得知，編號#10、#11 及#12 等三個實驗的風扇分 別在 4290sec、1800sec 及 4710sec 達到設定溫度(To)而開始啟動運轉，箱內 溫度也立即獲得顯著的降低。隨風扇運轉時間持續地進行，箱內溫度也會 持續、穩定地下降，當 tf=6000sec 時，編號#10、#11 及#12 等三個實驗的 溫度降低分別達到 19.9℃、11.7℃及 20.6℃。對於風扇的裝置形式，無論採 用抽氣或是使用吹氣方式，兩者均能獲得相當不錯的散熱降溫效果。從圖 4.7 獲知在本組實驗例中，吹氣方式比抽氣方式散熱降溫幅度稍佳，但因平 均外界溫度(Ta,ave)的基準不一致，因此從圖 4.8 來看，抽氣方式的散熱降溫 效果顯然較為優越。據此得知，在本組實驗中的自然對流效應最大降低的 溫度達到 9.8℃，強制對流效應最大降低的溫度可達到 20.6℃。 重複再進行二組相同的實驗，但實驗時間分別加長為 7200sec（第二組
實驗；編號#13~#17）與 9000sec（第三組實驗；編號#18~#22），實驗結果 則分別繪示於圖 4.9 與圖 4.10（第二組實驗）、圖 4.11 與圖 4.12（第三組 實驗）。從實驗的量化數據，我們將最大降低的溫度彙整於表 4.4 中。 表 4.4 第二部分實驗量化數據彙整表 組別 實驗編號 自然對流 最大降溫(℃) 強制對流 最大降溫(℃) 強制對流 較佳形式 一 #8~#12 9.8 20.6 抽氣 二 #13~#17 8.8 23.3 抽氣 三 #18~#22 18.2 24.6 抽氣 根據表 4.4 的彙整數據歸納得知，自然對流效應的最大降溫範圍在 8.8 ℃~18.2℃；強制對流效應的最大降溫範圍在 20.6℃~24.6℃，顯然強制對流 效應的散熱較自然對流效應為佳。依據實驗結果亦可獲知，風扇採用抽氣 形式的散熱較吹氣形式稍佳。
第 4.3 節 液體蒸發之散熱效果分析
在第三部分的實驗測試中，我們除了考慮自然對流與強制對流的合併 散熱效果之外，同時也要進一步進行噴霧器運作的測量與分析，實驗條件 設定如表 4.5 所列。在表 4.5 中，第二欄為平均外界溫度(Ta,ave)，溫度值介 於 22.22℃~23.74℃之間，所有實驗的環境溫度差異最大為 6.84%；平均外 界溫度的變動範圍為 Ta,ave±3.9%。第三欄為相對濕度(φ)，相對濕度值最小 為 55%（編號#24），最大則高達 76%（編號#23）；第四欄為酒精含量， 實驗採用的酒精含量以容積比計算，計有酒精含量 10%（編號#23）、5% 編號#24、#25 及#24）、純水（酒精含量 0%，編號#27）等三種。 表 4.5 第三部分實驗條件設定 Test No. (#) Ta,ave (℃) 相對濕度φ (%) 酒精含量 (%) 條件說明 #23 23.20 73~76 10 自然對流＋蒸發散熱 #24 22.22 55~58 5 自然對流＋蒸發散熱 #25 22.70 63~67 5 自然對流＋蒸發散熱 #26 23.74 72~74 5 自然＋強制對流＋蒸發散熱 #27 22.27 65~69 0 自然＋強制對流＋蒸發散熱 註：強制對流採用 2 只風扇均為吹氣方式將霧化冷卻劑導入實驗箱。 當設定溫度(To)為 50℃時，實驗箱開始模擬太陽照射使鐵皮屋內溫度 驟升的情形，在自然對流、強制對流及液體蒸發等效應存在下，在各種不 同條件設定之絕對溫度變化如圖 4.13 所示。從圖中的曲線分佈可看出，前三組實驗（編號#23~#25）幾乎沒有任何的降溫反應，即使噴霧器分別在 1260sec、1140sec 及 1100sec 已開始啟動，但由於實驗箱內溫度已高達 50 ℃，自然對流迫使箱內熱空氣產生上升氣流，致使霧化之冷卻劑在噴出後 立即蒸發，吸收的熱量僅在實驗箱頂部鄰近噴霧器噴嘴(Nozzle)的區域，因 而對於整個實驗箱並沒有降溫反應。 為了克服霧化之冷卻劑無法發揮散熱作用，我們在接續的實驗採用噴 霧器合併風扇運作，當噴霧器噴出冷卻劑後，同時啟動風扇而將霧化的冷 卻劑吹入實驗箱內，從圖 4.13 顯而易見降溫現象立即呈現，其中酒精含量 5%的實驗例（編號#26）降溫達到 14.9℃，降溫幅度達到 29.8%；酒精含量 0%的實驗例（編號#27）降溫達到 15.7℃，降溫幅度達到 31.4%。據此可知， 冷卻劑中含有酒精成份”並不見得”會增進散熱效果。 欲進一步確認冷卻劑中含有酒精成份是否具有散熱功效，接著我們將 實驗數據採用相對溫度表示，如圖 4.14 之縱座標為(T-Ta)/Ta 的無因次參 數，所有曲線分佈趨勢與圖 4.13 相似。然而從量化數據做一比較，酒精含 量 5%的實驗例（編號#26）相對溫度降幅為 0.47；酒精含量 0%的實驗例（編 號#27）相對溫度降幅則為 0.51。由此顯示，冷卻劑中含有酒精成份並未增 進散熱效果。 接著再從相對濕度(φ)來探討對於實驗結果的影響性，相對濕度表示大 氣中水蒸氣含量與大氣中濕度飽和時水蒸氣含量的比值；通常相對濕度越
低（越乾燥）則蒸發的速率越快，反之相對濕度越高（越潮溼）則蒸發的 速率就越慢。此外，空氣的溫度越高，它所能容納水蒸氣的能力就會越高。 從表 4.5 可知，在編號#26 的實驗例相對濕度(φ)為 72~74%、平均外界溫度 (Ta,ave)為 23.74℃；編號#27 實驗例的相對濕度則為 65~69%、平均外界溫度 為 22.27℃。從數據顯示編號#26 實驗例的相對濕度與平均外界溫度均較 高，蒸發速率依據原理一定比編號#27 實驗例慢，因此外在環境因素致使編 號#26 實驗例的散熱效果會較差。
第五章
結論與展望
第 5.1 節 預期效益
鐵皮屋及貨櫃屋堪稱為台灣的建築奇觀，這些違建奇景不但有礙都會 景觀，讓地方政府感到束手無策。鐵皮屋及貨櫃屋的結構體隔熱效果差， 當屋體曝曬在太陽光下，輻射熱很快的經由結構體熱傳導傳遞至內部，導 致屋內部的溫度逐漸上升；由於屋內的濕氣不易散發，就會形成異常悶熱 的狀態。因此鐵皮屋及貨櫃屋潛在能源消耗的問題，其實也是應該受到正 視。 一般鐵皮屋及貨櫃屋均為易導熱金屬製作而成，櫃體的隔熱效果差， 當曝曬在太陽光下，輻射熱很快的經由櫃體熱傳導傳遞至內部，導致鐵皮 屋及貨櫃內部的溫度逐漸上升。由於鐵皮屋及貨櫃屋內的濕氣不易散發， 因此內部的悶熱現象就自然而然的形成。本論文所研發的「主動式屋頂節 溫裝置」係設計裝置在鐵皮屋或貨櫃屋的屋頂，彈性的機構設計可適用於 各種鐵皮屋或貨櫃屋。由於底罩直接置入天窗並利用螺絲固定在屋頂，故 裝置或拆卸均極為便捷。本論文之作品配合外型設計與裝設位置，讓高溫 空氣藉由自然對流效果，自然的導流到散熱器的頂罩，將高溫空氣適度的 排出。其次透過自我提供的電能趨動風扇，藉由強制對流效應，將鐵皮屋 或貨櫃屋的積熱有效的強迫排除，因此可使周圍空氣迅速的降溫。此外，本論文之作品運用水與酒精調配成瞬間冷卻劑。這種水與酒精的溶液，由 噴霧罐噴出來後就形成細小的水滴，小水滴迅速在貨櫃屋內蒸發。而此種 冷卻劑的運用原理，就是當液體蒸發時，它的分子須由附近吸收蒸發熱， 因此可使周圍空氣迅速的降溫。 經由本論文所進行的實驗分析，結果彙整如下所列： 自然對流的最大散熱效率可達到 27.5%；最大降溫幅度為 17.1℃。 整體而言，自然對流效應的最大降溫範圍在 8.8℃~18.2℃；強制對流效 應的最大降溫範圍在 20.6℃~24.6℃。 強制對流效應的散熱較自然對流效應為佳。 對於強制對流的散熱效應，風扇採用抽氣形式的散熱較吹氣形式稍佳。 酒精含量 5%實驗例的降溫達到 14.9℃，降溫幅度達到 29.8%；酒精含 量 0%實驗例的降溫達到 15.7℃，降溫幅度達到 31.4%。 冷卻劑中含有酒精成份並不會增進散熱效果。
本論文之作品之「主動式屋頂節溫裝置；Active Rooftop Thermostat, ART」係利用太陽能轉換成電能，具備自我供應電力的優勢，符合節能的 創新思維；本論文之作品有效的使用太陽自動追蹤系統，可讓取之不盡、 用之不竭的太陽能發揮得淋漓盡致，滿足環保的創意構思。
第 5.2 節 節能評估
根據台電的資料顯示，平常冷氣空調的設定，每提高 1℃將會省電約 6%。但鐵皮屋及貨櫃屋日曬後的悶熱問題相當嚴重，人們對於節能減碳的 意識，恐怕抵不過太陽的荼毒而棄守。目前市面上雖流行直流變頻冷氣， 強調其省電性，但我們深刻的瞭解到冷氣耗電堪稱為能源殺手，如果說要 節約用電，不如減少使用冷氣機才是正本清源的方法。 因為貨櫃屋日曬後的悶熱問題，讓原本已居高不下的外在環境溫度讓 人吃不消，然而屋內因濕度關係更顯得悶熱無比，由於本裝置之研發可以 使屋內溫度降至與外在溫度接近相同，因此對於節能減碳將具有極為顯著 的效果。 為了敘明本裝置節能減碳的實際效能，我們根據實驗數據分別估算「節 能」與「減碳」的量化值，估計如下：若以聲寶牌 AT-1167R 直立式 1600kcal/Hr 冷氣，計算得知： 表 5.1 「節能」實際效能 耗能 (kW-hr) 註 降低溫度 (℃) 4hrs 8hrs 12hrs 0 2.6570 5.3140 7.9700 1 2.4976 4.9952 7.4918 5 1.9499 3.8999 5.8492 10 1.4311 2.8622 4.2928 15 1.0503 2.1006 3.150720 0.7708 1.5416 2.3121 註： 1. 1 度電=1 kW-hr 2. 依台電計價每度電約 3 元 表 5.2 「減碳」實際效能 二氧化碳製造量 (kg) 註 降低溫度 (℃) 4hrs 8hrs 12hrs 0 1.6898 3.3797 5.0689 1 1.5885 3.1769 4.7648 5 1.2402 2.4804 3.7201 10 0.9102 1.8204 2.7302 15 0.6679 1.3356 2.0037 20 0.4902 0.9805 1.4705 註： 1. 1 度電=0.636 公斤的二氧化碳(CO2) 2. 每降溫 1℃可減少排放 0.75kg 之 CO2
