亞熱帶熱濕氣候區低密度住宅導入尖端熱環境控制技術之研究---以台科一號開放性實驗屋為例---子計畫一：開放式低層住宅實驗平台統整系統之建構---以台科一號實驗屋為例

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

亞熱帶熱濕氣候區低密度住宅導入尖端熱環境控制技術之 研究－以台科一號開放性實驗屋為例--子計畫一：開放式 低層住宅實驗平台統整系統之建構－以台科一號實驗屋為

例

研究成果報告(精簡版)

計 畫 類 別 ： 整合型

計 畫 編 號 ： NSC 98-2221-E-011-129-

執 行 期 間 ： 98 年 08 月 01 日至 99 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學建築系

計 畫 主 持 人 ： 魏浩揚

計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：陳易凡 碩士班研究生-兼任助理人員：黃惠資 碩士班研究生-兼任助理人員：練冠呈 碩士班研究生-兼任助理人員：鄔豪中

處 理 方 式 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，1 年後可公開查詢

中 華 民 國 99 年 10 月 04 日

地中管系統本土化可行性分析─以獨棟透天住宅為例

魏浩揚

鄔豪中

關鍵字：地中管、地熱交換器、淺層地熱運用

摘 要

地中管系統於溫、寒帶先進國家已普遍應用在住宅與公共建築之通風冷暖房系統上，被證明具 有良好的節能成效。而台灣屬副熱帶季風氣候，潮濕的空氣與較高的年均溫使地中管系統的實用性 與效能備受質疑。因此本研究乃以獨棟透天住宅為例，藉由 GAEA 軟體模擬，以靜態方式評估地 中管系統於台灣應用之可行性。模擬結果顯示，在台北的氣候條件下，規劃得宜的獨棟透天住宅之 單管地中管系統，於夏季可將外氣由 38℃降低至 23.9℃，冬季可將外氣由 8.4℃升高至 20.1℃。全 年可獲得之熱能與冷能分別為 124.9kWh 與 844.3kWh。本研究之結論如下：

適用性：可提供獨棟透天住宅相當程度之冷房效果，然而仍需與其他冷房或除濕設備配合方可使人 感到完全舒適。

應用與控制：台灣使用地中管主要用以夏季與冬季，與其他空調設備併用則可減少空調耗能；春、

秋直接引入外氣，不需開啟地中管即可達到舒適範圍。

設計評估因子：本研究建立地中管於設計時所須考量之性能影響因子之完整項目，提供日後設計時 可評估與參考之依據。

The Feasibility Study of Earth Tube System in Taiwan for Single-family detached House

Hao-Yang Wei

Hao-Jhong Wu

ABSTRACT

Earth tube systems (ETS) have been generally used for heating and cooling in cold and mild climates.

The feasibility and efficiency of ETS in Taiwan are questioned because of the hot and humid climate.

This study attempts to evaluate the feasibility of ETS for single-family detached houses in Taiwan by computer simulation program “GAEA”. The simulation results showed that a well-designed ETS can cool the single-family detached house from 38℃ to 23.9℃ in summer and heat from 8.4℃ to 20.1℃ in winter. The annual energy savings are 124.9kWh (heating) and 844.3kWh (cooling). The results of this study are as follows:

Applicability: a well-designed ETS can provide a certain degree of cooling capacity for single-family detached houses in Taiwan. But it needs to be coupled with other cooling systems or dehumidifier to reach thermal comfort.

Operation control: ETS is expected to be used in Taiwan mainly to reduce the energy consumption of air temperature adjustment in summer and winter and not necessarily in Spring and Fall.

ETS design guide: providing the design guide for use of ETS in Taiwan by establishing systematic performance-related criteria.

1

國立台灣科技大學建築系副教授

Associate Professor, Department of Architecture, National Taiwan University of Science and Technology, Taiwan.

2

國立台灣科技大學建築學系碩士

Master, Department of Architecture, National Taiwan University of Science and Technology, Taiwan

一、前言

淺層地熱具有可再生性及普遍性，而地中管為其利用於建築上之手法，具有低耗能且對環境影 響程度小之特性，其技術於國外已發展成熟且成為商品販售。而台灣地屬副熱帶季風氣候，較高的 年均溫及潮濕之空氣使地中管應用與冷房節能之可行性與成效令人質疑。因北迴歸線通過台灣島中 南部，將台灣南北劃為兩個氣候區。北部屬副熱帶季風氣候，南部則為熱帶季風氣候。根據經濟部 能源局之節能宣導，將冷房啟動溫度設定為 28℃，暖房啟動溫度則以台灣冬季平均最低溫度 14℃

為設定基準，台灣全年逐時氣溫變動及冷暖房空調啟動時間可如圖 1 所示。以 28°C 作為冷房啟動 基準，全年總時數為 1952 小時；以 14°C 為暖房啟動之基準，全年需啟動暖房時數為 261 小時。可 了解地中管於台灣應用主要被期望用以冷房，及少部份暖房。因此本研究希望藉由軟體模擬方式，

以獨棟透天住宅為研究對象，解析地中管在台灣氣候條件下運作的可行性；藉由對各參數的調整，

對地中管性能進行敏感度分析，找出各參數對地中管表現性能的影響，並求得在台灣氣候條件下最 佳的之參數設定；且從出口空氣之熱焓值及經濟成本角度來分析模擬效果，了解地中管於台灣氣候 之可行性、可達到之最佳效果以及各參數對地中管影響之重要性及相關性。

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

小時 攝

氏 溫 度

外氣溫度 冷房啟動 暖房啟動

圖 1 台北 2007 年逐時氣溫變動圖 【資料來源：本研究繪製】

二、模擬操作

將台灣氣候輸入模擬軟體，設定一組標準參數值，作為敏感度分析之變數對照組。接著進行敏 感度分析，逐一對各參數進行調整，了解單一參數變動後對出口溫度產生的影響程度，計算各參數 與出口溫度的相關性。了解參數對出口溫度之影響程度後，以限制性條件將最重要的參數固定，並

28℃

14℃

以限制性條件將其他參數控制在一定範圍內，有效率地進行所有參數組合之模擬。再將模擬資料以 出口溫度分組，得到分佈曲線，並找出最佳溫度及其參數設定。最後進行可行性分析，以最佳化參 數從經濟性及舒適性兩方面驗證地中管應用於台灣是否可行。

2-1 模擬軟體 GAEA 介紹

「地中管圖像設計」─GAEA (德文：Graphische Auslegung von Erdwärme Austauschern)，被開 發用於建築計畫中協助地中管之設計，為一款簡單易懂且容易操作之軟體。在 1998 年後，在德國 主要被工程師和建築師應用在一些計畫之研究上。而在 AG Solar NRW 的合作計畫中，GAEA 的計 算方式及程式演算之適用性，已經過詳細地測試與檢驗。地中管的基本作用模式是從外氣經由地底 之管道系統，經由管壁與週遭土壤進行熱交換，在進入室內用做冷房或暖房。而 GAEA 係以靜態 的方式模擬上述熱交換行為，即除外氣溫度外，假設所有條件均為穩定不變，將地中管分成 100 段，逐段以熱傳導之數學函數進行模擬計算。以外氣溫度推算出土溫，由埋設深度推算管壁與土壤 的熱交換，加入了地下水高度、與建築基礎距離及風扇產生的廢熱等修正考量，進而求出管壁與空 氣的熱交換，以及最終地中管之出口氣溫 (F.D. Heidt and St. Benkert, 2000)。

圖 2 GAEA 模擬所考量之熱影響 【資料來源：文獻 D7，p11】

GAEA 被廣泛地運用於地中管初期規劃階段，主要因 GAEA 乃以靜態的方程式進行計算模擬，

其具備的優缺點如表 1 所示。

表 1 GAEA 軟體之優缺點

優點 缺點

‧所需資料簡單

‧操作便利

‧模擬迅速

‧自動最佳化參數尋找

‧假設土壤為均質且恆定

‧地中管對土溫所產生的影響

‧無法計算結露水之潛熱

‧以薄管壁管道計算

‧埋設深度低於地下水位時無法模擬

2-2 基本參數模擬操作

設定一組於台灣狀況下之基本參數，並進行模擬，將模擬結果作為稍後對各參數進行敏感度分 析之對照組。此基本參數之設定可分為三類：(1)參照國外案例之設定值、(2)台灣現況資料推算值，

以及(3)程式內定值。對基本參數之模擬結果與台灣目前現況做比較，進行初步的探討。

2-2-1 管道參數(EHX)設定

在地熱交換器管道參數設定部份，由於僅討論單管之埋設情形，因此管數設定為 1。管長設定 部份，則以圍繞單棟住宅所需長度，約 50m 為設定值。管徑與埋設深度則參照日本案例，分別設 定為 200mm，及地下 1.5m (Margrit Kennedy, Uwe Großmann and Thorsten Schütze, 2001)。與建築物 距離則暫不考慮與建築物距離，設定為 20m。風扇位置以管內正壓為考量，設置於地中管前方。

表 2 GAEA 模擬管道參數設定

參數範圍 參數項目 設定值 設定說明

管數 1 僅討論單管情形

管長(m) 50 環繞單棟住宅長度約為 50M 管徑(mm) 200 參照「日本實驗住宅」案例設定

管距(m) - 僅討論單管情形

埋設深度(m) 1.5 參照「日本實驗住宅」案例設定 與建築物距離(m) 20m 暫不考量與建築物距離關係 EHX

管道參數

風扇位置 地中管之前 節能考量 2-2-2 土壤參數(Soil)設定

土壤參數設定部份，假設基地位於台北市大安區公館地帶，根據台灣科技大學第五綜合大樓之 鑽探報告(台富工程顧問有限公司，2000)，此處地表下 0.5m~7.8m 之土壤成分主要為粉質中細砂夾 砂礫石層，因此於土壤種類選擇為 Sandy ground。而土壤密度、熱容量及熱傳導係數，則以 GAEA 對應 Sandy ground 所產生之內定值為設定值。鑽探報告中地下水深度介於地下 4.9m~4.2m，但在此 先不考慮地下水對地中管性能之影響，設定為地下 20m。

表 3 GAEA 模擬土壤參數設定

參數範圍 參數項目 設定值 設定說明

土壤種類 Sandy ground 根據綜五地質鑽探報告 密度(kg/m

) 1520 內部設定

熱容量(kJ/kg·K) 1.65 內部設定 熱傳導係數(W/m·K) 1.24 內部設定 Soil

土壤參數

地下水深度(m) 20 暫不考慮地下水情形。

2-2-3 氣象資料(Climate)設定

氣候設定以匯入外部資料方式，輸入中央氣象局 466920 台北觀測站，於 2007 年所觀測之全年

逐時氣溫，最高溫度發生於 7 月 21 日的 38.0°C；最低溫度則為 1 月 29 日的 8.4°C。

表 4 GAEA 模擬 Climate 參數設定 參數範圍 設定值 設定說明

Climate 資料匯入 依中央氣象局 466920 觀測站，2007 年測得之全年逐時氣溫資料。

2-2-4 空調換氣設備系統參數(HVAC)設定

空調換氣設備系統參數設定包含了建築物、地中管控制方式與氣流設定等三部份。建築物設定 部份，如表 5 所示。建築空間大小約為 350m

，換氣量根據台灣建築技術規則規定之最小換氣量，

每平方米樓地板需 8m

/h，每小時總換氣量為 1075m

，換氣率則為 3.07 次/時。地中管控制部份，

則以定溫方式設定，根據經濟部能源局宣導資料，建議之冷氣設定溫度範圍為 26~28℃，且升高一 度可減少 6%之耗能，因此以 28°C 為冷房啟動之基準溫度，暖房啟動溫度設為 14℃，目標溫度為 25℃，啟動容許反應設為 0℃，即達到啟動溫度立刻開啟。氣流設定部份，由於無法確定實際埋設 方式，因此全部以系統預設值作為設定參數。穩定氣壓下降為 50Pa，管內每米壓力減損為 5.98Pa，

壓力總減損為 348.77Pa，風扇效率為 0.4，風扇電源為 260.41W，特定能源消耗為 0.24 Wh/m 。 表 5 GAEA 模擬 HVAC 參數設定

參數範圍 參數項目 設定值 設定說明

建築空間大小(m

) 350 設 計 之 單 棟 住 宅 室 內 生 活 空 間 ： 33.6m

×4×2.6m=349.44m

≒350m

換氣率(1/h) 3.07 1075.2÷350=3.072≒3.07

建築物

換氣量(m

/h) 1075 台灣建築技術規則規定，每 m

樓地板 需 8m

/hr 換 氣 量 。 33.6m

× 4=134.4m

，134.4×8=1075.2m

目標溫度(°C) 25

暖房啟動溫度(°C) 14

冷房啟動溫度(°C) 28 經濟部能源宣導 EHX

控制

溫度範圍

EHX 啟動容許反應溫差(°K) 0 穩定氣壓下降(Pa) 50 程式預設值 管內壓力減損(Pa/m) 5.98 程式內定值 壓力總減損(Pa) 348.77 程式內定值

風扇效率 0.4 程式預設值

風扇電源(W) 260.41 程式內定值 H

V A C

氣流

特定能源消耗(Wh/m) 0.24 程式內定值 2-2-5 成本參數(Cost)設定

成本參數設定部份，分為設備建置費用、運轉能源費用，以及國內經濟條件三部份。於設備設 置費用方面，管道費用則以台灣市售污水工程用管，管壁 8.5mm 之 8”管為依據，每 5m 價格為 2256.5 元新台幣，歐元對台幣匯率以 2008 年 4 月 24 日匯率 1:47 計算，則每米為 9.42 歐元；土方費用則 參考台北市悅成營造股份有限公司 2008 年四月份報價，每立方米為 495 元，折合歐元為 10.405 歐 元；固定成本所指為進氣口、風扇、檢修口與排水設備等，則以 GAEA 預設值 600 歐元為參數值；

而維護成本及使用年限，也以系統預設值為參數設定值。於運轉能源費用方面，單位為歐分(歐元)，

由於台灣普遍並無鍋爐等設備，暖房與冷房相同，需依賴電力作為能源，因此成本與電價相等，根 據台灣電力公司 2008 年 7 月份電價，每月用電量介於 110 度與 330 度之間為 2.73 元/度，以此為依 據設定電價成本為 5.7 歐分。而國內經濟條件方面，銀行利率以台灣各大銀行一年定存利率為參考，

設定為 2.625%；通貨膨脹率以及能源通貨膨脹率則以預設值為參數設定，分別為 3%及 5%。

表 6 GAEA 模擬 Cost 參數設定

參數範圍 參數項目 設定值 設定說明

管道費用(€/m) 9.42 萬欣配管材料有限公司，8.5mm 厚，8"管，

2256.5 元/5m→451.3 元/m→9.42 歐元/m 開挖費用(€/m

) 10.4 台灣 495 元/立方米，約 0.405 歐元/立方米 固定設備成本(€) 600 程式預設值

維護成本 (%) 2 程式預設值 維護成本(€/a) 12 程式預設值 EHX

可使用期限 (年) 30 程式預設值

暖房成本(kWh) 5.7 電價為 2.73 元/度，約為 5.7 歐分/度 冷房成本(kWh) 5.7 電價為 2.73 元/度，約為 5.7 歐分/度 Energy

電力成本(kWh) 5.7 電價為 2.73 元/度，約為 5.7 歐分/度 利率(%) 2.625 台灣各銀行普遍一年定存利率 通貨膨脹率(%) 3 程式預設值

C o s t

Economic Conditions

能源通貨膨脹率(%) 5 程式預設值 2-2-6 初步模擬結果

基本參數之模擬結果，全年需開啟地中管之時數為 1924 小時，總熱得為 258.6kWh，總熱失為 482.0kWh。經地中管排出的氣體最高溫為 35.5℃(夏季)，最低溫為 12.0℃(冬季)。回收年限為 40.9 年，每年回收金約為-37.71 歐元。由於各項參數僅為初步設定，而非最佳設定，因此成效並不良好。

接下來將對參數進行最佳化設定，以期能達到良好之節能效果。

表 7 GAEA 初步模擬結果 熱得(kWh) 258.6 熱失(kWh) 482.0 最大進氣溫度(°C) 38.0 最大排氣溫度(°C) 35.5 最小進氣溫度(°C) 8.4 最小排氣溫度(°C) 12.0 暖房效率係數 0.31 冷房效率係數 0.13 地

中 管 控 制

使用時間 (h/y) 1924 回收年限 (y) 40.9 年回收金 (€/a) -37.71 內部報酬率 (%) -0.5 成

本

能源成本 (€/kWh)

0.11

2-3 敏感度分析

所謂敏感度分析係指針對數據模型中輸出結果之不確定性，如何對應於不同輸入來源的不確定 性之研究 (Andrea Saltelli, 2006)。找出可能會發生變化或產生估計誤差的因素，分析這些因素變動 後，反映成果效益，從而估計獲益情況影響程度之方法 (王海山，1998)。依照基本參數所得出之 模擬結果，在當地中管參數為基本值時，雖能減少冷暖房之能源消耗，但仍無法僅靠地中管達到舒 適溫度範圍。因此希望藉由對單一參數之控制，了解各參數對地中管性能之影響程度。針對可依實 際基地情況進行調整之五種參數─管長、管徑、埋設深度、距建築物距離、換氣量等，依次進行單 獨調整，其他參數部份維持原標準設定值，來求得各參數變動對出口溫度的影響趨勢並排序，找出 影響最大之參數，作為往後設計時的參考依據。

2-3-1 管長敏感度分析

在「管長」設定部份，針對 GAEA 內部設定之最大值 200m 及最小值 10m 間，以 5m 之間隔，

進行管長(L)對全年最大出口溫度(To)影響程度之敏感度分析，所得結果如表 8 所示。最高出口溫度 為 37.6℃，發生在管長 10m 時；最低出口溫度為 30.5℃，發生在管長 200m 時。其最高溫與最低 溫之溫差(△T)為 7.1℃。當管長越長，全年出口溫度最大值越低。

表 8 管長敏感度分析結果

L(m) To(℃) L(m) To(℃) L(m) To(℃) L(m) To(℃) L(m) To(℃) 10 37.6 50 35.5 90 33.8 130 32.4 170 31.2 15 37.4 55 35.3 95 33.6 135 32.2 175 31.1 20 37.1 60 35.1 100 33.4 140 32.1 180 31.0 25 36.8 65 34.8 105 33.2 145 31.9 185 30.8 30 36.5 70 34.6 110 33.1 150 31.8 190 30.7 35 36.3 75 34.4 115 32.9 155 31.6 195 30.6 40 36.0 80 34.2 120 32.7 160 31.5 200 30.5 45 35.8 85 34.0 125 32.5 165 31.4

37.437.136.8 36.5 36.3

36.0 35.8 35.5 35.335.1

34.8 34.634.4 34.2

34.0 33.833.6 33.4

33.2 33.1 32.932.7 32.5 32.4

32.2 32.1 31.931.8 31.6 31.5 31.4

31.2 31.1 31.030.8 30.7 30.6 30.5 37.6

30 32 34 36 38

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

管長 (m) 出

口 溫 度 ( 度

C )

2-3-2 管徑敏感度分析

於「管徑」設定部份，針對 GAEA 內部設定之最大值 2000mm 及最小值 20mm 間，以市售管 材之尺寸，進行管徑(ø)對全年最大出口溫度(To)影響程度之敏感度分析。但在模擬過程中，GAEA 無法對管徑 152mm 以下進行模擬，因此最小值設定為 152mm(市售 6”管)。所得結果如表 9 所示。

最高出口溫度為 36.9℃，發生在管徑 152.4mm 時；最低出口溫度為 34.7℃，發生在管徑為 508mm、

609mm、700mm、800mm、900mm 及 1000mm 時。其最高溫與最低溫之溫差(△T)為 2.2℃。當管 徑介於 152.4mm~400mm 之間，出口溫度變化明顯；於 400mm 之後，出口溫度則無明顯變化。

表 9 管徑敏感度分析結果

ø(mm) To(℃) ø(mm) To(℃) ø(mm) To(℃) ø(mm) To(℃) ø(mm) To(℃) 152.4 36.9 406.4 34.8 800 34.7 1300 34.8 1800 35.1 203.2 35.5 457.2 34.8 900 34.7 1400 34.9 1900 35.1 254.0 35.1 508.0 34.7 1000 34.7 1500 34.9 2000 35.1 304.8 34.9 609.0 34.7 1100 34.8 1600 35 1600 35 355.6 34.8 700 34.7 1200 34.8 1700 35

35.5 35.1

34.9

34.7 34.7 34.7 34.7 34.7 34.8 34.8 34.8 34.9 34.9 35 35 35.1 35.1 35.1

34.8 34.8

34.834.7 36.9

34.5 35 35.5 36 36.5 37 37.5

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

管徑 (mm) 出

口 溫 度 ( 度 C )

2-3-3 埋設深度敏感度分析

於「埋設深度」部份，針對一般獨棟住宅基礎開挖深度 4m 為最大值，以及內部設定之最小值 0.5m 間，以 0.25m 之間隔，進行埋設深度(De)對全年最大出口溫度(To)影響程度之敏感度分析。所 得結果如表 10 所示。最高出口溫度為 36.7℃，發生在埋設深度 0.5m 時；最低出口溫度為 35.5℃，

發生在埋設深度為 1.5m 至 4.0m 間。其最高溫與最低溫之溫差(△T)為 1.2℃。根據此分析結果，當 埋設深度越深時，熱交換效果越好；而深度大於 1.5m 時，則溫度無明顯變化。

表 10 埋設深度敏感度分析結果

De(m) To(℃) De(m) To(℃) De(m) To(℃) De(m) To(℃) 0.50 36.7 1.50 35.5 2.50 35.5 3.50 35.5 0.75 36 1.75 35.5 2.75 35.5 3.75 35.5 1.00 35.6 2.00 35.5 3.00 35.5 4.00 35.5 1.25 35.6 2.25 35.5 3.25 35.5

36.7

36

35.6 35.6

35.5 35.5 35.5 35.5 35.5 35.5 35.5 35.5 35.5 35.5 35.5

35.4 35.6 35.8 36 36.2 36.4 36.6 36.8

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00

埋設深度 (m) 出

口 溫 度

( 度 C )

2-3-4 與建築物距離敏感度分析

在「與建築物距離」部份，以 0.3m 為最小值，最大值設定為 10m，以 0.5m 之間隔，進行與

建築物距離(Di)對全年最大出口溫度(To)影響程度之敏感度分析。所得結果如表 11 所示。最高出口

溫度為 35.5℃，發生在與建築物距離大於 6m 後；最低出口溫度為 34.7℃，發生在與建築物距離 0.3m 時。其最高溫與最低溫之溫差(△T)為 0.8℃。根據模擬分析結果，距離建築物越近，地中管 之熱交換效果越良好；而超過 6m 後，則對出口溫度影響不大。

表 11 與建築物距離敏感度分析結果

Di(m) To(℃) Di(m) To(℃) Di(m) To(℃) Di(m) To(℃) Di(m) To(℃) Di(m) To(℃) 0.3 34.7 2.0 35.1 4.0 35.4 6.0 35.5 8.0 35.5 10.0 35.5 0.5 34.8 2.5 35.2 4.5 35.4 6.8 35.5 8.5 35.5

1.0 34.9 3.0 35.3 5.0 35.4 7.0 35.5 9.0 35.5 1.5 35.1 3.5 35.3 5.5 35.4 7.5 35.5 9.5 35.5

34.5 35 35.5 36

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0

與建築物距離 (m) 出

口 溫 度

( 度 C )

2-3-5 換氣次數敏感度分析

針對 GAEA 內部設定之「換氣次數」 ，以住宅類普遍換氣次數 0.5 次/h 為下限 (Joseph Lstiburek, 2006)，及參照台灣建築技術規則所訂定之換氣量 8m

/m

-hr，對本設計換算得到之換氣次數 3.07 次/h 為上限；以 0.1 次/h 之間隔，進行換氣次數(ac)對全年最大出口溫度(To)影響程度之敏感度分 析，所得結果如表 12 所示。最高出口溫度為 35.5℃，發生在換氣次數 3.07 次/h；最低出口溫度為 29.4℃，發生在換氣次數 0.5 次/h。其最高溫與最低溫之溫差(△T)為 6.1℃。根據分析結果，換氣 次數越少，地中管內之熱交換效果越良好。

表 12 換氣次數敏感度分析結果

ac (h

) To (℃) ac (h

) To (℃) ac (h

) To (℃) ac (h

) To (℃) ac (h

) To (℃) 0.50 29.4 1.10 32.0 1.70 33.5 2.30 34.6 2.90 35.3 0.60 30.0 1.20 32.3 1.80 33.7 2.40 34.7 3.07 35.5 0.70 30.5 1.30 32.6 1.90 33.9 2.50 34.8

0.80 30.9 1.40 32.9 2.00 34.1 2.60 35.0 0.90 31.3 1.50 33.1 2.10 34.3 2.70 35.1 1.00 31.7 1.60 33.3 2.20 34.4 2.80 35.2

29.430.030.530.931.331.732.032.3 32.6

32.9 33.133.3 33.533.7 33.934.1 34.334.4 34.6 34.734.8 35.035.1 35.2 35.3 35.5

27 29 31 33 35 37

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50

換氣次數 (次/h) 出

口 溫 度

( 度 C )

2-3-6 敏感度分析結果比較

依據上述五種參數所進行之敏感度分析結果，就各單項參數對全年最大出口溫度(To)之影響程 度如表 13 所示。由分析結果顯示，各項參數在設定極限值內，與最大出口溫度的相關程度依序為，

管長(L)> 換氣次數(ac) >管徑(ø)>埋設深度(De)>與建築物距離(Di)，其中以管長及換氣次數兩者為 最大。因此在設計地中管時，應優先決定此兩參數之值，即能有效地影響地中管出口溫度。

表 13 敏感度分析結果總表

參數項目 To

(℃) To

(℃) △T (℃)

管長 (L) 37.6 30.5 7.1

管徑 (ø) 36.9 34.7 2.2

埋設深度 (De) 36.7 35.5 1.2

與建築物距離 (Di) 35.5 34.7 0.8

換氣次數 (ac) 35.5 29.4 6.1

2-4 台灣地中管應用最佳化模擬

2-4-1 參數設定之限制與策略

地中管表現性能受到多種參數影響，但扣除因基地條件而無法調整之參數後，再依照台灣市場 普及性以及實際施工狀態，對剩下可調整的參數，即管長、換氣次數、埋設深度、與建築物距離與 管徑，進行策略性的限定與篩選。先以基地面積與建築物機能將管長與換氣次數固定，再對剩下三 個參數進行合理之限制，參數設定如表 14 所示。因先固定管長與換氣次數，而針對剩下三項設定 參數進行策略性合理限制，參數設定值組合如表 15 所示，總模擬組數為 648 組(9x8x9)。

表 14 最佳化參數設定 參數項目 設定說明

管長 依設計之獨棟住宅平面圖，以 30cm 距離圍繞建築物方式進行埋管，所得到之長度 為 57.64m，但實際埋設時長度仍需調整，因此將模擬之長度訂為 60m。

換氣次數 當 HVAC 系統開啟時，住宅類建築物內部每小時所需之換氣次數約為 0.5 次，折合 換氣量為 175m

/小時，因此換氣次數即以此標準設定。

管徑 實際考量在台灣市售之管材尺寸，將管徑最大訂為 24”，最小為 6”，共有 9 組設定。

埋設深度 因台北公館地區地下水深度為 4.2m~4.9m，因此埋設深度即可限制在地下 4.0m 以 內，以 0.5m 為間距進行模擬測試，共有 8 組設定。

與 建 築 物 距離

依敏感度分析結果，當與建築物距離大於 4m 時，其對地中管性能影響已無明顯差 別。因此將參數「與建築物距離」最小值定為 0.3m，最大值為 4m，以 0.5m 為間 距進行模擬測試，共有 9 組設定。

表 15 最佳化參數設定

組數 1 2 3 4 5 6 7 8 9

管徑(英吋) 6” 8” 10” 12” 14” 16” 18” 20” 24”

埋設深度(m) 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 -

與建築物距離(m) 0.3 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

2-4-2 模擬結果統計

針對不同之管徑、埋設深度、

與建築物距離等參數設定，進行全 面模擬，全年最高出口溫度最高為 33.2℃，發生在當管徑為 609mm，

埋設深度 0.5m，與建築物距離 4m 時；而最低為 23.9℃，發生在當管 徑為 152.4mm，埋設深度 4.0m，與 建築物距離 0.3m 時。以溫差一度為 組距，分成 11 組，出現次數最多的 溫度為 26.1~27.0℃組。

2-4-3 最佳化可達到之溫度效果

在台灣的氣候條件下，地中管被期望作為冷房之用，因此最佳化的定義，乃視其將外氣溫度降 至最低之溫度。此最佳化組設定係以透天獨棟住宅為對象，管長為 60m，埋設深度 4.0m，管徑 152.4mm，換氣率為每小時 0.5 次，其模擬結果如表 16 所示。於夏季冷房使用時，可將最高外氣 溫度從 38.0 降至 23.9℃，下降了 14.1℃(圖 4)；於冬季暖房使用時，能將外氣溫度從 8.4℃提升至 20.1℃，升高了 11.7 度(圖 5)全年熱得為 124.9kWh，全年冷得為 844.3kWh，全年總運轉時數為 2213 小時。然而此溫度結果，係假設室內無其他熱源產生，結露水之潛熱也不列入考量，因此實際經由 地中管冷房後之空氣溫度，勢必高於 23.9℃，需進一步由其他方式驗證。

表 16 最佳化模擬結果 埋設深度(m) 4.0 管徑(mm) 152.4

參數值

與建築物距離(m) 0.3 熱得(kWh) 124.9 熱失(kWh) 844.3 最大進氣溫度(°C) 38.0 最大排氣溫度(°C) 23.9 最小進氣溫度(°C) 8.4 最小排氣溫度(°C) 20.1 暖房效率係數 0.87 冷房效率係數 0.87

地中管控 制

使用時間(h/y) 2213 回收年限(y) 19.8 年回收金(€/a) 95.56 內部報酬率(%) 6.2

成本

能源成本(€/kWh) 0.08

溫度次數圖

3 27

109 171

149

93

37

16 18 24

1 0

20 40 60 80 100 120 140 160 180

23.1-24.0 24.1-25.0 25.1-26.0 26.1-27.0 27.1-28.0 28.1-29.0 29.1-30.0 30.1-31.0 31.1-32.0 32.1-33.0 33.1-34.0 溫度 (度C)

組 數

組數

圖 3 最佳化模擬結果溫度統計圖

7月21日地中管冷房性能

29.9

28.8 28.628.328.9 28.629.530.3 31.9

33.8 36.336.8

38 37.9 36.5

35.7 34.4

33.5 32.532.1

31.5 31.2 30.7 30.5

22.8 22.7 22.7 22.6 22.7 22.7 22.8 22.9 23.123.3 23.623.7 23.9 23.9 23.7 23.6 23.4 23.3 23.2 23.1 23 23 22.9 22.9

15 20 25 30 35 40

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 (時)

溫度 (℃ )

外氣溫度 地中管出口溫度

1月29日地中管暖房性能

9 8.7 8.4 8.4 8.4 8.5 8.8 9.7

11.9 14.3

16.2 16.2 15.9 17.116.5

15.815.2

14.714.1 13.713.4 13.2

12.1 11.1

20.2 20.1 20.1 20.1 20.1 20.1 20.2 20.320.6 20.9 20.8 20.8 20.6 20.5

0 5 10 15 20 25

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 (時)

溫度 (℃ )

外氣溫度 地中管出口溫度

圖 4 最佳化設定於全年最熱時刻之冷房表現 圖 5 最佳化設定於全年最冷時刻之暖房表現

圖 6 顯示經 GAEA 模擬計算之地下 4m 土溫與全年外氣溫度之關係，土溫之平均溫度與外氣 平均溫度相差 1.71℃，且趨於恆定，變化不大。圖 7 則顯示本研究最佳化設定出口溫度與土溫之關 係，顯示管長 60m 之地中管出口溫度與四米之土溫差距為 0.8℃，由於係以獨棟透天住宅為模擬對 象，因此管長限制為 60m，若欲增加冷房能力，可以增加管長方式縮小與土壤之溫差。

圖 6 模擬地下四米土溫與外氣溫度關係 圖 7 模擬地下四米土溫與最佳化出口溫度關係

2-4-4 出口空氣焓值分析

模擬結果顯示，此最佳化設定單就溫度部份雖有明顯成效，但用於室內冷房之實際能力，則須 對照空氣線圖上該溫度所對應之焓值。外氣溫度由全年最高溫發生在 7 月 21 日 13 時之 38.0℃，相 對濕度 46%，焓值為 88.67 kJ/kg，經地中管後降至 23.9℃時，已降至露點溫度，相對濕度為 100%，

此時焓值為 71.41 kJ/kg，空氣熱焓共減少了 17.26 kJ/kg，約佔原熱焓之五分之一(圖 8)。而最大降

溫能力，取決於單位時間內所減少之熱焓值多寡。全年空氣熱焓值最高發生於 7 月 8 日 14 時，氣

溫 35.5℃、相對溼度 60%，焓值為 92 kJ/kg。經地中管後降至 23.5℃時，已降至露點溫度，相對濕

度為 100%，焓值為 69.55 kJ/kg。空氣熱焓共減少了 22.45 kJ/kg，約佔原熱焓之四分之一(圖 9)。

圖 8 空氣經地中管降溫焓值減少(最高溫) 圖 9 空氣經地中管降溫焓值減少(最大熱焓) 2-4-5 成本概算分析

台灣之地中管應用以夏季冷房為主，以最佳化設定運用於獨棟透天住宅為例，計算地中管用於 冷房時，輔助空調設備所做的功。根據最佳化設定結果，全年總熱失為 844.3kWh，以經濟部能源 局規範之 EER 值 2.4 換算，相當於每小時節省 0.155 度電，以 2007 年為例，全年冷房時數為 1952 小時(圖 1)，則可節省 825.9 元之空調費用(表 17)。

表 17 最佳化地中管節能概算表

外氣經地中管降溫空氣 全年總冷房能力 844.3 kWh=726098 kcal

折合冷凍能力 726098 (kcal) ÷ 1952 (hr) = 371.976 (kcal/hr)

電力換算 冷房能力(kcal/hr) ÷ EER(kcal/hr-w)＝定額運轉電力(w) 371.976÷2.4＝154.99 (w) ＝0.155 (kw)

電力成本計算 電費＝基本電價(元/kwh)×運轉電力(kw)×運轉時數(hr) 2.73(元) × 0.155(kw) × 1952(hr)＝825.9 (元)

備註 基本電價以台電 97 年五月公告電價，非營業用電 110~330 度部份，每度 2.73 元。全年冷房運轉時數以 2007 年度、28℃為啟動值計算共 1952 小時。

2-4-6 結露水對應

空氣中的水氣含量，隨著溫度升高而增加。因此當溫度下降至露點溫度時，空氣中過多的水氣 則無法以氣態方式存在，而凝結產生結露水，放出熱量，而降低冷房效果。而地中管在台灣被期望 主要應用於夏季冷房，因土溫較外氣溫度低，高濕度之空氣進入管內勢必有結露水產生。必須先瞭 解結露水之水量，才能於設計時加以控制。計算結露水量之公式如公式 1 所示 (Eberhard Paul, 2005)。

m

= V

‧ϕ

‧[(X

-X

) / (1+X

)] (1) 其中，m

為結露水量(kg/hr)；V

為換氣量(m

/hr)； ϕ

為外氣空氣密度(kg/m

)；X

為外氣之 重量絕對濕(kg/kg)；X

為地中管出口氣體之重量絕對濕度(kg/kg)。以本研究最佳化溫度參數設定 為依據，當室外溫度為 35℃，相對濕度 60%，重量絕對濕度為 0.0215kg/kg；地中管出口溫度為 23.9

℃，相對濕度 100%，重量絕對濕度為 0.019kg/kg。於熱交換過程中每小時產生結露水計算如下：

m

= 175‧1.1389‧[(0.0215-0.019)/(1+0.0215)] = 487.78 [ml/h]。

即每小時有 487.78 毫升之結露水產生，必須有相對應的措施來處理結露水。

三、結論與建議 3-1 結論

1. 換氣次數與管長為影響地中管性能之主要因子

由本研究對管道設定參數操作之敏感度分析結果，換氣次數與管長兩因素影響地中管出口溫度分別 可達 6.1℃與 7.1℃，為最高之兩項因子。因此於地中管設計時，應先於許可範圍內對此兩因子進行 最佳設定，再對其他因子進行設定，方能有效地提升地中管性能。

2. 台灣之適用性

地中管於台灣之適用性，可藉由其應用於透天獨棟住宅之表現性能與節能效果來驗證：

(1) 表現性能

由 GAEA 模擬結果顯示，換氣量 175m

、管長 60m、埋設深度 4m、管徑 152.4mm 且圍繞建築物 30cm 之地中管，於台灣夏季最佳可達到之溫度為 23.9℃，與外氣溫差達 14.1℃，全年可獲得之熱 能與冷能分別為 124.9kWh 與 844.3kWh。由初步模擬顯示，地中管於台灣可達到一定程度之冷房 效果。

(2) 節能效果

根據最佳化設定結果，全年總熱失為 844.3kWh，如以經濟部能源局規範之 EER 值 2.4 換算，相當 於每小時節省 0.155 度電，以 2007 年為例，全年冷房時數為 1952 小時，則可節省 825.9 元之空調 費用。

3. 結露水對應

台灣氣候夏季濕熱，空氣中含有大量水氣，經過地中管冷卻後則以結露水形式析出。因此如於台灣 運用地中管，必須處理結露水問題，於管道設計時，須留設洩水坡度、排水設備與清潔檢修口，防 止結露水產生而降低地中管效果，以及霉菌與惡臭等清潔衛生問題。

3-2 建議

由於本研究對於地中管系統本土化僅為初步之研究，對於實際落實於本土環境仍有一些距離，

以下針對此課題提出建議以供後續研究之參考。

1. 精確地中管性能之驗證

由於操作簡便與模擬快速等優點，本研究藉由 GAEA 軟體來模擬地中管系統於台灣應用之情形，

然而 GAEA 係以靜態數學算式模擬，而非以動態方式，與實際情形存有落差。模擬結果並未將室 內熱源與結露水之潛熱列入考量，因此地中管實際應用最佳溫度勢必會高於 23.9℃。故未來研究可 進一步以動態解析之模擬軟體，如 TRNSYS、ENERGY PLUS 或 DOE2 等軟體，實際以台灣氣候 條件下模擬地中管系統之性能，以提高精確度。

2. 溼度處理之深入探討

地中管系統應用於台灣，除產生大量結露水，須設置排水措施之外，供給室內之空氣相對溼度也高 達 100%，更需額外之空調或除濕設備，方能提供室內較舒適之空氣。然而若開啟除濕或空調設備，

則會因機具運轉而產生熱量，增加室內熱負荷。可針對地中管系統所供給空氣之溫度、溼度、熱焓 值與舒適程度，以及因除濕等輔助設備開啟所產生之熱量，進行評估與檢討，則能有效了解地中管 系統應用於台灣之實際效益。

3. 其他性能影響因子之量化分析

影響地中管性能之其他諸多因子，於本研究並未能全數探討，如多管時之配置、管數、管徑、與建 築物距離、地下水高度、管材等眾多因子，本研究僅能提供定性之手法與建議，並未能針對各項因 子作進一步量化之探討。因此後續研究可針對該等因子之設定值與出口溫度變化進行敏感度分析，

了解各因子對地中管之影響程度，以提供後續設計時之實質量化參考。

4. 其他類型建築應用之研究

由蒐集文獻與案例得知，地中管系統應用於建築物類型並無限制。而本研究之模擬係假設地中管系 統應用於獨棟住宅，換氣率需求較低，僅每小時 0.5 次，於設定之基地條件內，最佳溫度可達 23.9

℃，仍需配合其他設備以達舒適範圍。而其他類型建築，因換氣量需求不同，地中管之設定值也須 有所調整。故未來研究可針對地中管應用於不同建築物時，針對其可達之最佳溫度與參數設定，做 進一步之研究及驗證。

5. 實體模型建造量測

參考模擬最佳化設定，實際建造地中管系統模型，針對地下土溫與冷房性能之關係，以及與不同設

備搭配進行實測，再與模擬結果比對，可驗證模擬結果與地中管於台灣應用之可行性。

6. 成本回收年限之計算

地中管於德國應用之回收年限約為 10 年 (EnergieAgentur NRW, 2002)；然而台灣與德國之氣候條件 與應用方式均不同，雖能以運轉時數與電費計算運轉成本，但無實際案例以推估初期設備花費，因 此無法進行詳細之成本計算。故未來若能以實際案例針對成本進行詳細估計，以計算回收年限，則 可以成本回收之角度對地中管於台灣之可行性進行評估。

參考文獻

王海山 編 (1998) 科學方法百科，台北：恩凱股份有限公司。

台富工程顧問有限公司 (2000) 國立台灣科技大學第五綜合實習工廠基地地質調查工程報告書，未 出版。

Andrea Saltelli (2006, October) “The critique of modelling and sensitivity analysis in the scientific discourse,” Transatlantic Uncertainty Colloquium (TAUC) Washington.

Joseph Lstiburek (2006) “Understanding Ventilation in Hot Humid Climates,” Building Science Digest.

EnergieAgentur NRW (2002) “Erdwärmetauscher – Geothermie intelligent nutzen,” EnergieAgentur NRW, Düsseldorf.

Eberhard Paul (2005) Der Einsatz von Erdwärmetauschern im Zusammenhang mit

Wohnungslüftungsanlagen und Wärmerückgewinnung. PAUL Wärmerückgewinnung GmbH, Mülsen.

F.D. Heidt and St. Benkert (2000) “Abschlussbericht zum Projekt Validierung des Programms 'Graphische Auslegung von ErdwärmeAustauschern GAEA', Universität-Gesamthochschule Siegen.

Margrit Kennedy, Uwe Großmann and Thorsten Schütze (2001) “Erfahrungen mit innovativen

Erdwärmetauscher-Lüftungsanlagen,” BINE, Bonn.

無研發成果推廣資料

98 年度專題研究計畫研究成果彙整表

計畫主持人：魏浩揚 計畫編號：98-2221-E-011-129-

計畫名稱：亞熱帶熱濕氣候區低密度住宅導入尖端熱環境控制技術之研究－以台科一號開放性實驗屋 為例--子計畫一：開放式低層住宅實驗平台統整系統之建構－以台科一號實驗屋為例

量化

成果項目 ^{實際已達成}

數（被接受 或已發表）

預期總達成 數(含實際已

達成數)

本計畫實 際貢獻百

分比 單位

備 註 （ 質 化 說 明：如 數 個 計 畫 共 同 成 果、成 果 列 為 該 期 刊 之 封 面 故 事 ...

等 ） 期刊論文 0 0 100%

研究報告/技術報告 0 0 100%

研討會論文 0 0 100%

論文著作 篇

專書 0 0 100%

申請中件數 0 0 100%

專利 已獲得件數 0 0 100% 件

件數 0 0 100% 件

技術移轉

權利金 0 0 100% 千元

碩士生 3 3 100%

博士生 0 0 100%

博士後研究員 0 0 100%

國內

參與計畫人力

（本國籍）

專任助理 0 0 100%

人次

期刊論文 0 0 100%

研究報告/技術報告 0 0 100%

研討會論文 0 0 100%

論文著作 篇

專書 0 0 100% 章/本 申請中件數 0 0 100%

專利 已獲得件數 0 0 100% 件

件數 0 0 100% 件

技術移轉

權利金 0 0 100% 千元

碩士生 0 0 100%

博士生 0 0 100%

博士後研究員 0 0 100%

國外

參與計畫人力

（外國籍）

專任助理 0 0 100%

人次

其他成果 ( 無法以量化表達之成 果如辦理學術活動、獲 得獎項、重要國際合 作、研究成果國際影響 力及其他協助產業技 術發展之具體效益事 項等，請以文字敘述填 列。)

本研究之成果正與國內廠商(力技公司與傳典公司)洽商產學合作計畫，預計以 三年為期，將進一步具實用性的研究成果進行產業技術轉移。

成果項目 量化 名稱或內容性質簡述

測驗工具(含質性與量性) 0

課程/模組 0

電腦及網路系統或工具 0

教材 0

舉辦之活動/競賽 0

研討會/工作坊 0

電子報、網站 0

科 教 處 計 畫 加 填 項

目 計畫成果推廣之參與（閱聽）人數 0

國科會補助專題研究計畫成果報告自評表

請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用價 值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性） 、是否適 合在學術期刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價值等，作一綜合評估。

1. 請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況作一綜合評估

■達成目標

□未達成目標（請說明，以 100 字為限）

□實驗失敗

□因故實驗中斷

□其他原因 說明：

2. 研究成果在學術期刊發表或申請專利等情形：

論文：□已發表 □未發表之文稿 ■撰寫中 □無 專利：□已獲得 □申請中 ■無

技轉：□已技轉 ■洽談中 □無 其他：（以 100 字為限）

本研究正與力技公司與傳典公司洽商產學合作計畫，預計以兩年為期，將進一步的實用性 研究成果進行技轉。

3. 請依學術成就、技術創新、社會影響等方面，評估研究成果之學術或應用價 值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）（以 500 字為限）

地中管系統於溫、寒帶先進國家已普遍應用在住宅與公共建築之通風冷暖房系統上，被證 明具有良好的節能成效。而台灣屬副熱帶季風氣候，潮濕的空氣與較高的年均溫使地中管 系統的實用性與效能備受質疑。因此本研究乃以獨棟透天住宅為例，藉由 GAEA 軟體模擬，

以靜態方式評估地中管系統於台灣應用之可行性。模擬結果顯示，在台北的氣候條件下，

規劃得宜的獨棟透天住宅之單管地中管系統，於夏季可將外氣由 38℃降低至 23.9℃，冬 季可將外氣由 8.4℃升高至 20.1℃。全年可獲得之熱能與冷能分別為 124.9kWh 與 844.3kWh。本研究之結論如下：

適用性：可提供獨棟透天住宅相當程度之冷房效果，然而仍需與其他冷房或除濕設備配合 方可使人感到完全舒適。

應用與控制：台灣使用地中管主要用以夏季與冬季，與其他空調設備併用則可減少空調耗 能；春、秋直接引入外氣，不需開啟地中管即可達到舒適範圍。

設計評估因子：本研究建立地中管於設計時所須考量之性能影響因子之完整項目，提供日

後設計時可評估與參考之依據。