I-Shou University Institutional Repository:Item 987654321/11545

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(1)義守大學機械與自動化工程學系碩士論文. 雙層屋頂整合太陽能集熱器之效率研究 A Study of the Efficiency of a double-layer Roof in Collecting Solar Energy. 研究生：陳慶偉指導教授：王曉剛教授中華民國九十九年六月.

(2) 雙層屋頂整合太陽能集熱氣之效率研究 A Study of the Efficiency of a Double-layer Roof in Collecting Solar Energy 研究生：陳慶偉. Student：Chin-wei Chen. 指導教授：王曉剛. Advisor：Shou-Kong Wang 義守大學機械與自動化工程學系碩士論文 A Thesis. Submitted to Department of Mechanical and Automation Engineering I-Shou University in Partial Fulfillment of the Requirements for the Master degree in Mechanical and Automation Engineering June , 2010 Kaohsiung, Taiwan, Republic of China. 中華民國九十九年七月.

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(4) 雙層屋頂整合太陽能集熱器之效率研究摘要本研究應用在建築物雙層通風屋頂構造整合太陽能集熱裝置。內置流動空氣層並與外界環境通風，將太陽輻射熱產生的熱能加入熱空氣層並導出熱空氣，並且進行量測、評估效率以及利用價值，以建築物雙層通風屋頂構造進行實體模型量測。實驗可區分為六種設定條件於屋頂操作變異進行理論和實驗整合，針對階段性變動參數，設定條件如下：吸收層為鋁板、吸收層上方加蓋玻璃、鋁板塗黑並加蓋玻璃、改變實驗模組尺寸、在流道內加入填充物以及改變實驗模組吸收層的傾斜角度，進行效率比較與討論。其結果分別為 0.6％、 0.9％、6.5％、9.7％、5.7％以及 11％，並得知各項變動參數下對於集熱效率都有不等的提升。本研究使用數值模擬，在空氣流道內添加鳍片的設計，增加空氣流道內的加熱面積，以達到整體實驗集熱效率的提升，最後整體理想實驗集熱效率為 21.7％。關鍵字: 雙層屋頂構造整合太陽能集熱裝置、太陽能集熱效率、節能. I.

(5) A Study of the Efficiency of a double-layer Roof in Collecting Solar Energy Abstract The purpose of this study is to investigate the efficiency of a double-layer roof in collecting solar energy in the applications to the areas such as relief of building air-conditioning loads. The experimental apparatus were arranged to evaluate the effects of absorbing solar energy. The flow channel is basically formed by an aluminum plate on top of a plywood plate. The geometric configurations in which the effects of absorbing energy is analyzed include: a bare uncovered aluminum plate, a glass-covered aluminum plate, a glass-covered-black-painted aluminum plate, a plate with variable lengths, a flow channel with stuffed material (in the light of enhancement of heat conduction), and a flow channel with variable slanted angles. The experimental results show that the efficiency varies from 0.6 % to 11 % for the geometric configurations mentioned above. An additional study was carried out using CFD simulation to investigate the effects of fins on the aluminum plate. It shows that due to a vastly enhanced heat conduction the efficiency can reach 21.7 % if 50 fins are installed in the channel. The study shows that a double-layer roof can efficiently absorb solar energy and substantially reduce building air-conditioning loads. Keywords: solar energy collection, double-layer roof, energy conservation.. II.

(6) 誌謝. 首先誠摯的感謝指導教授王曉剛博士及洪祖全博士，兩位老師細心的教導使我得以一窺太陽能領域的深奧，不時的討論並指點我正確的方向，使我在這些年中獲益匪淺。老師對學問的嚴謹更是我輩學習的典範。本論文的完成另外亦得感謝口試委員的陳建霖老師大力協助。因為有你的體諒及幫忙，使得本論文能夠更完整而嚴謹。兩年裡的日子，實驗室裡共同的生活點滴，學術上的討論、言不及義的閒扯、讓人又愛又怕的宵夜、趕作業的革命情感、因為睡太晚而遮遮掩掩閃進實驗室，感謝學長、同學、學弟的共同砥礪，你們的陪伴讓兩年的研究生活變得絢麗多彩。感謝鎮宇學長們不厭其煩的指出我研究中的缺失，且總能在我迷惘時為我解惑，也感謝家豪、易融、宏仁、淵淙同學的幫忙，恭喜我們順利走過這兩年。實驗室的瑞祥、韓韜、奇甫、長輝、恭賢、育韋、柏村、佳揚、學弟們當然也不能忘記，你們的幫忙及搞笑我銘感在心。最後，謹以此文獻給我摯愛的雙親。. III.

(7) 總目錄摘要...................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................... II 誌謝................................................................................................................... III 總目錄............................................................................................................... IV 圖目錄............................................................................................................... VI 表目錄.............................................................................................................VIII 符號表示........................................................................................................... IX 第一章緒論 ...................................................................................................... 1 1.1 研究動機與目的 ........................................................................................ 1 1.1.1. 研究動機 ................................................................................................ 1. 1.1.2. 研究目的 ................................................................................................ 2. 1.2 研究範圍與方法 ........................................................................................ 2 1.2.1. 研究範圍 ................................................................................................ 2. 1.2.2. 研究方法與流程 .................................................................................... 3. 1.3 文獻回顧 .................................................................................................... 4 1.4 組織與章節說明 ........................................................................................ 8 第二章理論分析 .............................................................................................. 9 2.1 熱效率........................................................................................................ 9 2.2 數值方法.................................................................................................. 10 第三章實驗模組架構 .................................................................................... 14 IV.

(8) 3.1 雙層屋頂構造原理 .................................................................................. 14 3.2 實驗方法(戶外實驗實體架構) ............................................................... 14 3.3 實驗地點選擇與草圖設計 ...................................................................... 14 3.3.1. 實驗地點選擇 ...................................................................................... 14. 3.3.2. 實驗草圖設計 ...................................................................................... 15. 3.4 實驗方法 .................................................................................................. 15 3.4.1. 實驗構造與操作變項 .......................................................................... 15. 3.4.2. 實體實驗施工與測量裝置 .................................................................. 18. 3.5 實驗方法(數值模擬分析) ....................................................................... 18 第四章數據整理與討論 ................................................................................ 22 4.1 實驗數據整理 .......................................................................................... 22 4.2 集熱性能理論分析方式 .......................................................................... 24 4.3 實驗模組集熱性能分析 .......................................................................... 24 4.4 綜合分析比較 .......................................................................................... 27 4.5 與論文回顧的效率比較 .......................................................................... 27 4.6 節約能源估算 .......................................................................................... 28 第五章結論與未來工作 ................................................................................ 32 參考文獻........................................................................................................... 35 圖表................................................................................................................... 37. V.

(9) 圖目錄圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖. 1-1 研究流程圖 ....................................................................................... 37 1-2 建築物的熱獲得與熱損失 ............................................................... 38 1-3 台灣地區（24°N）各方位日射量 .................................................. 38 1-4 集熱器整合雙層屋頂構造剖面圖 ................................................... 39 1-5 太陽能屋構造示意圖 ....................................................................... 39 3-1 本實驗示意圖 ................................................................................... 40 3-2 本實驗熱能運用示意圖 ................................................................... 40 3-3 太陽熱能運用圖 ............................................................................... 41 3-4 研究流程圖 ....................................................................................... 41 3-5 實驗模組平、剖面圖 ....................................................................... 42 3-6 雙層屋頂組合完成圖 ....................................................................... 42 3-7 空氣集熱器運作示意圖 ................................................................... 42 3-8 實驗測量點選擇 ............................................................................... 43 3-9 側面透視內部量測點 ....................................................................... 43 3-10 實體實驗測量點與鋁板溫度 ......................................................... 44 3-11 實驗器材長度為 20m 模擬圖 ........................................................ 44 3-12 溫度分佈圖 ..................................................................................... 45 3-13 模擬模組各長度溫度分佈 ............................................................. 45 3-14 實驗模組吸熱層裝置 ..................................................................... 46 3-15 不同緯度最佳仰角 ......................................................................... 46 3-16 實驗流程圖 ..................................................................................... 47 3-17 數值模擬流程圖 ............................................................................. 47 4-1 第一型集熱器實驗數據曲線圖 ....................................................... 48 4-2 第二型集熱器實驗數據曲線圖 ....................................................... 48 4-3 第三型集熱器實驗數據曲線圖 ....................................................... 49 4-4 第四型集熱器實驗數據曲線圖 ....................................................... 49 4-5 第五型集熱器實驗數據曲線圖 ....................................................... 50 4-6 第六型集熱器實驗數據曲線圖 ....................................................... 50 4-7 無鰭片數值模擬圖 ........................................................................... 51 4-8 無鰭片溫度分佈圖 ........................................................................... 51 4-9 鰭片（1）模擬圖 ............................................................................. 52 4-10 鰭片（1）溫度分佈圖 ................................................................... 52 4-11 鰭片（3）模擬圖 ........................................................................... 53 4-12 鰭片（3）溫度分佈圖 ................................................................... 53 4-13 鰭片（5）模擬圖 ........................................................................... 54 VI.

(10) 圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖. 4-14 鰭片（5）溫度分佈圖 ................................................................... 54 4-15 鰭片（10）模擬圖 ......................................................................... 55 4-16 鰭片（10）溫度分佈圖 ................................................................. 55 4-17 鰭片（20）模擬圖 ......................................................................... 56 4-18 鰭片（20）溫度分佈圖 ................................................................. 56 4-19 鰭片（40）模擬圖 ......................................................................... 57 4-20 鰭片（40）溫度分佈圖 ................................................................. 57 4-21 鰭片（50）模擬圖 ......................................................................... 58 4-22 鰭片（50）溫度分佈圖 ................................................................. 58 4-23 數值模擬出口溫度與鋁板溫度 ..................................................... 59 4-24 出口熱量與提升比 ......................................................................... 59 4-25 各集熱器的集熱效率與提升比 ..................................................... 60 4-26 各集熱器的集熱效率與提升比 ..................................................... 60 4-27 現有集熱器示意圖 ......................................................................... 61. VII.

(11) 表目錄表表表表表表表表表表表表表表表表表表表. 3-1 實驗操作變數 ................................................................................ 61 3-2 金屬發射與吸收率表[17] ............................................................. 62 3-3 實驗實體圖 .................................................................................... 62 4-1 集熱效率和提升比 ........................................................................ 65 4-2 集熱效率和提升比 ........................................................................ 65 4-3 集熱效率和提升比 ........................................................................ 66 4-4 集熱效率和提升比 ........................................................................ 66 4-5 模擬與戶外實驗數據比較 ............................................................ 66 4-6 數值模擬出口平均溫度與質流量 ................................................ 67 4-7 鰭片數量不等出口熱量與提升比 ................................................ 67 4-8 集熱效率和提升比 ........................................................................ 68 4-9 整體實驗平均集熱效益與提升比 ................................................ 68 4-10 整體實驗平均集熱效益與提升比 .............................................. 68 4-11 實驗模組效率比較 ...................................................................... 69 4-12 各集熱器累積集熱量數據 .......................................................... 69 4-13 熱能製造成本比較表 .................................................................. 69 4-14 散熱性節約成本 .......................................................................... 70 4-15 太陽能熱水器與本實驗的比較 .................................................. 70 4-16 節約能源費用比較 ...................................................................... 70. VIII.

(12) 符號表示ｆ. 自由液面面積面積表面面積向量體膨脹係數定壓比熱. 〃. 定容比熱. 〃. 重力加速度自然對流系數質流量微小體積面數數量 P. 剪應力產生項. p. 流體壓力. nb. 鄰近微小控制體積. Pa. 總集熱量熱通量太陽輻射熱能空氣層總集熱量 Re. 雷諾數每單位之源項溫度環境溫度 IX. s.

(13) 入口溫度出口溫度 t. 時間. u. 速度向量. V. 體積速度黏滯系數. ρ. 密度熱膨脹係數熱傳導係數的線性化係數的線性化係數速度向量ｆ. 通過面之質量通量. ｆ. 控制體積面上的物理量擴散係數的擴散係數的梯度實驗裝置集熱效率. X. ℃.

(14) 第一章. 緒論. 近年來地球資源日益枯竭，環境保育與再生能源議題逐漸被重視，況且台灣能源仰賴進口的比例高達 98％以上，發展再生能源與節約能源的趨勢刻不容緩，世界各先進國家無不積極的開發潔淨能源，其中以太陽能的應用最為普遍。台灣地區夏季隨著太陽起伏與地球溫暖化現象日益顯著，且用電量年年屢創新高，電力供應持續吃緊，而再多的電廠都無法解決此現象，與其在建築物完成後的使用階段，利用空調設備來降低室內溫度與改善舒適度，不如在規畫設計階段就引入環境控制的觀念與手法來解決。. 1.1 研究動機與目的 1.1.1 研究動機在現今社會經濟不斷發展，能量需求也越來越大，電能來自發電廠，在台灣大部分電能仰賴火力發電，火力發電會排放大量二氧化碳，而過量的二氧化碳正是氣候暖化的原因之一，因此地球環境惡化的警訊已受世人關注， 1987 年「蒙特婁公約」、1992 年「里約宣言」、1997 年「京都議定書」…等，再生能源與永續經營的精神越來越受到重視。對於缺乏自有能源的台灣來說，尋求適合而有效的節能措施，尤其重要。台灣地處亞熱帶濕熱氣候地區，夏日為追求室內環境的舒適，必頇透過大量能源的消耗來進行冷房空調，來改善室內的熱環境。根據相關空調冷房負荷的計算，太陽輻射經外殼構造和窗戶進入室內的熱量，約佔建築物冷房負荷的 30%以上，其中外殼佔的熱傳透量，正是造成建築物熱負荷的最主要來源。由於建築物水平方位的日照量為其它各項立面的 2~3 倍，如此巨大的水平日照量，會迫使建築物室內環境無法滿足舒適的要求，但若能在屋頂部分利用材料與建構方法加以改良，避免太陽輻射熱能直接接觸屋頂表層，除了能降低室內溫度減少使用空調設備，也能兼具集熱功能，達到能源再生與獲得等效果。 1.

(15) 1.1.2 研究目的本研究從建築節約能源與再生能源開發的觀點出發，主要探討雙層屋頂整合太陽能集熱器應用於建築物屋頂的可能性。擬透過國內外雙層屋頂構造與太陽能集熱器的原理和構造等相關文獻的收集與回顧，採以台灣地區常見且容易取得的材料，提出可實際應用的設計概念，藉由相關實驗方法來評估其性能與效果，本研究的目的如下： 1.. 提出建築構造與設備整合的概念系統，並實際應用在舊有的建築物上，探討屋頂太陽能利用效益。對舊有建築物更新時，提供新的參考和選擇。. 2.. 針對建築物建構法不同，利用相關物理參數架構和方法進行實驗模組詴驗與數值模擬，由結果進行太陽熱能系統整合房屋構造可行性評估。. 1.2 研究範圍與方法 1.2.1 研究範圍台灣地區在五月至十月的炎熱季節中，建築物外殼以水平方位的日照取得量為最高，對屋頂層室內環境熱負荷影響甚鉅。因此，本研究擬以不透光實體屋頂外殼進行構造改良，以雙層屋頂太陽能集熱器構造能充分發揮其效能，研究的過程受到時間氣候與構造材料等因素有諸多限制，相關說明如下： 1.. 時間與氣候：受到研究時程的限制，無法取得整年的觀測數據，故實驗量測時間選定較具代表性的七至十月，因本研究主要在探討構造的集熱性能，故相關因子均應在日照量充分的晴天下量測，使得量測作業將頇視氣候狀況進行。. 2.. 構造與材料：本研究主要在探討建築物雙層屋頂整合太陽能集熱器的應用於屋頂構造的可行性，在回顧相關文獻後，考量材料價格和取得的普遍性，並兼顧屋頂的使用機能等因素綜合設計而成。. 2.

(16) 1.2.2. 研究方法與流程圖 1-1 為研究流程圖，其各步驟說明如下所示。. 收集文獻收集文獻主要目的為對國內外有相關的研究方向進行瞭解，並對實驗模組的設計與效率分析做充分的學習與探討，盡可能找尋其中的最佳化設計。. 設計實驗模組如步驟一所提及國內外相關研究之構想，再以電腦繪圖軟體(Solidworks)繪製草圖，並實際製做實驗模組，而且適度調整參數，獲得各種應用對於整體實驗系統總體熱效率的影響，綜合評估做出最佳選擇。實驗模組設計條件列舉如下： 1.. 無蓋玻璃無塗黑. 2.. 蓋玻璃無塗黑. 3.. 蓋玻璃塗黑. 4.. 改變實驗模組尺寸(蓋玻璃塗黑). 5.. 流道內加入填充物. 6.. 改變實驗模組的傾斜角度. 數值模擬分析本步驟先使用模擬前置軟體（Gambit）繪製上述步驟的數值模型，再將實驗模組從 Gambit 匯至模擬分析軟體（Fluent）進行數值分析，並將模擬數據與實際量測數據，加以驗證比對增加其可信度。本研究為增加空氣流道內的加熱面積，因此在空氣流道內加入數量不等的鰭片，以達到整體實驗集熱效率的提升，並找出整體實驗模組的最佳化設計。在數值模擬分析方面，本實驗實體模組，在於添加填充物（鋁製鰭片）的製作上有所困難度，所以使用數值模擬分析來進行研究。. 進行實驗承接上述步驟進行研究，在各測量放置量測儀器進行數據資料擷取以利於日 3.

(17) 後分析比較。. 整理數據本步驟將所有實驗數據進行整理，主要探討數據是否正確與合理性。如果不符合正確與合理性，就再退回數值模擬分析進行修改與模擬。. 探討效率承接上述步驟將所有數值與圖表進行效率分析，主要是探討本實驗各參數變異之可行性，再進行比較不同參數間的優劣性。. 1.3 文獻回顧 Bradshaw[1]曾經指出，建築物的熱平衡應評估熱獲得與熱損失兩部份，如圖 1-2 所示。為取得建築物的熱平衡，讓室內維持穩定舒適，應使以下各項熱獲得量的總和相等於熱損失量的總和。熱獲得的部分： 1. 通過牆體與屋頂的太陽輻射熱。 2. 通過窗的太陽輻射熱。 3. 居住者人體的熱散射。 4. 燈具或其他設備的產熱。 5. 暖房設備的產熱。熱損失的部分： 6. 通過外殼構造的傳導與熱對流輻射向室外的散熱。 7. 空氣滲透與通風所帶走的熱量。 8. 地面的傳熱。 9. 室內水分蒸發並排至戶外所帶走的潛熱熱量。 10. 冷房設備的吸熱。日射量即為太陽的輻射量，係表示太陽照射至地面上的單位面積在單位時間的受熱量，為氣候變化的最主要原因。因此，日射量對於太陽熱能應用的效益具 4.

(18) 有重要影響，同時亦影響著人類居住環境的舒適度，為太陽熱能應用與建築熱環境的重要數據。日射量的多寡，乃受到太陽常數、太陽透過率、太陽的高度角和方位角等諸多因素影響，夏季太陽高度極高為夏季高溫的主要原因。圖 1-3 為台灣地區北緯 24∘春分至夏至的日射量變化。如圖所示，各方位中以水平面之熱受量最大，因此對於房屋建築之室內熱環境極為不利，如何改善其室內熱環境並利用其特性發展再生能源，進而營造出更加舒適與節能的空間，為現今環保意識高漲下值得探討的課題。建築物雙層屋頂設計應用，在國外已出現許多實際案例，但台灣地區建築物在這方面的應用實例仍為少見，在此引述國內外相關學術實驗文獻，做為本實驗之參考。建築師 Touichi Aliyama[3]在日本 Hamamatsu 利用誘導式設計建造一棟太陽能屋。在冬夏季節交替時溫差變化大，為改善室內環境，利用屋頂太陽能集熱器來加熱雙層通風屋頂內的空氣，除加速雙層屋頂空氣層內的空氣流動外，加熱後的空氣可與水進行熱交換而獲得熱水供建築物人員使用，在寒冬季節熱空氣亦可做為暖房功能。此建築物完成後長期使用下來，確實明顯改善濕熱氣候在季節交換時的溫度變化對室內環境的影響。其構造剖面示意如圖 1-4 所示，圖中圓圈數字為空氣流動路徑的順序。日本學者 Jiang[4]，於中國南方城市設計建造一棟太陽能屋並進行量測研究分析。建築物外殼設計包括雙層牆及三層式屋頂，使其能發揮自然通風功能來將室內熱量移除。此屋頂同時具有太陽能集熱的功能，可藉以加熱空氣，然後利用熱空氣與水進行熱交換獲得熱水供居住人員使用。此建築完成後，進行為期一年的實驗監控紀錄，該數據經過分析顯示，此屋頂構造設計應用於濕熱氣候地區的建築物，對於建築物得通風效果有顯著效益，可增進室內環境的舒適度。構造示意如圖 1-5 所示。邱繼哲[5]在碩士論文中，以實驗證明不需任何機械通風設置，以雙層外殼構造內置流動空氣層的自然對流換氣的能力，即可以減少 76%的外殼輻射熱獲得冷房負荷，實驗箱體實際熱獲得量減少了 74.3%。雙層外殼內置流動空氣層的構造 5.

(19) 可有效並大幅減少建築物及生物成長設施的外殼輻射熱獲得冷房負荷。 Khedari [6]從事雙層屋頂被動式冷卻(Passive Cooling)相關研究，為了讓新居住房屋提供舒適的熱環境，又以不使用額外的機械能所增加的費用，使用來自同樣熱濕氣候的歐洲屋頂太陽能收集器（Roof solar Collector：RSC）當作屋頂構造，構照的上層是混土屋瓦，中間是 14 陽輻射強度為 150-350. 的空氣層，下層是石膏板，在太. 狀態下，RSC 的通風率可達 0.08~0.15. 。. 黃敬元[7]在碩士論文中說到，雙層屋頂是被動式冷卻技術應用的一種，利用屋頂受熱後加熱兩板之間空氣產生熱浮力，達到自然對流通風的效果。。 Susanti[8]等人研究指出，屋頂角度越大能產生越大之熱浮力流場，進出口開口斷面積等於空氣層斷面積，其隔熱效果優於進出口開口斷面積小於空氣層斷面積。 Mistriotis [9]之相關研究指出：當外部風速＞2 響遠大於熱浮力，可忽略熱浮力之影響；當 2. ，風力對於自然通風的影＞外部風速＞0.5. ，風力. 之影響仍較熱浮力大，但不可忽略熱浮力之影響；當外部風速＜0.5. ，熱浮. 力之影響就相當顯要。 Khedari [10]等人指出，斜屋頂相同大小之出入口產生最佳之空氣流率。 Timmons [11]利用一層聚乙烯薄裝入屋頂閣樓形成雙層構造，希望可增加對流熱傳遞的熱阻值，以增加屋頂太陽集熱之效果，結果顯示雙層構造具有約原來單層兩倍的集熱效率，聚乙烯薄膜雙層構造最高可增加及熱效率 45%。 Koon[12]等人研究發現，在冬天使用雙層簾幕構成禽舍外牆，中間空氣層厚度約 15. ，暖房加熱用之總油料比單層簾幕外牆禽舍節省 21.2%。. 陳柏宏[13]在碩士論文中，藉由相關數據量測，量化出流動空氣層的隔熱效果。得知使用通風式流動空氣層模組，其隔熱效果最佳可節省 66%的空調能源在整體系統降溫上。 Chen[14]利用模型實驗觀察斜屋頂形成的 Solar Chimney 其空氣流動現象， 6.

(20) 並以煙霧示追蹤法發現當空氣流道寬度過大時(超過 40. )，出口處會有空氣逆. 流的現象產生。 Sandberg[15]等人指出，當屋頂斜度改變時，空氣流率亦以正弦角度的關係改變：在相同熱得下，aspect ratio(屋頂長度/流道寬度)越高，則空氣流速越大。 Aboulnagay[16]在實驗中發現，Solar Chimney 的斜角介於 25-30 度之間，在平均日照量為 850 為 1.1. 時可以提供 0.81. 的空氣流率，流道中最大的流速. 。在屋頂斜角 25 度時，空氣的質流率為 1.5. 空氣的質流率為 1.6. ：在斜角 30 度時，. ：在斜角 35 度時，空氣的質流率則到達最高值 1.75. ：而後再增加屋頂的斜度時，空氣流率不再增加。. 1.4 組織與章節說明設計模組草圖是先用 Solidwork 軟體作為工具，再以草圖為基準建構實體實驗模組和數值模擬模組，分析數據來自於實體實驗模組之測量和數值模擬分析，重點在於驗證雙層屋頂整合太陽能集熱器的可行性與效能的提升。全文分為五章節，每章節內容簡介如下：第一章：包含研究動機、目的以及論文回顧，此章說明目前世界在能源危機中所面臨到的共同問題，其次是針對研究步驟與方法逐一解釋。第二章：理論分析。第三章：本章內容是在描述實驗草圖設計概念、實驗實體材料採購建構以及數值模擬建構。第四章：本章為研究結果呈現與討論，將測量各項數據資料以圖形或表格的方式進行分析與探討。第五章：分析研究中尚待討論的地方和未來研究發展的趨勢。. 7.

(21) 第二章. 理論分析. 2.1 熱效率實驗裝置熱量本研究透過能量守恆定理，量測本實驗模組在一段時間內（11:00~14:00）出口溫度、入口溫度以及出口流量，利用熱量公式計算出實驗過程中，本實驗模組，能夠帶走多少經由太陽光照射屋頂並傳入屋內提升屋內溫度的熱能，達到集熱和散熱的功能。. ．. ．. （2-1）. ：總集熱量（W）。：質流率（. ）。. ：空氣定壓比熱 1007（. 〃）。. ：入口溫度（K）。：出口溫度（K）。：實驗所經過的時間（）. 實驗裝置集熱效率計算以論文[20]為例，本研究將上述時間內本實驗裝置所收集的熱能，其結果除以太陽輻射熱能（為測量當天的太陽輻射熱能），即可計算出本研究裝置的集熱效率。〃. 〃. （2-2）. ：實驗裝置集熱效率。：太陽輻射熱能（W）。：空氣層總集熱量（W）. 8.

(22) 2.2 數值方法離散法則 Fluent 採用的數值方法是先用有限體積法模式，把計算域切割為許多控制體積，控制體積法的取法，是以方程式將物理問題的數學模式由原先連續轉換成非連續之代數式，並配合適當的隔點，在每一個微小控制體積內應用守恆原理（Conservation principle）將統御方程式化為一通式，描述各控制體積的離散方程式。此法將每一個控制體積的統御方程式積分，並控制體積為基本量，且仍保有每一分量之離散方程式。每一個控制體積都可以以下列通式表示：（2-3）其中、以及分別為密度、速度向量、表面面積向量以及為的擴散係數，是的梯度，. 為每單位之源項。. 離散後的控制體積可表示為；. 其中為. 微小體積面數數量，ｆ為通過面的質量通量，. （ｆ為ｆ的面積、. ）為垂直面的. ｆ為穿過ｆ面的. 值，. 大小、Ｖ為控制單元的體積。至於時間項. 的離散可表示為一階或二階的隱式運算法則（Implicit scheme）或顯式運算法則（Explicit scheme）來作為離散，本研究使用一階隱式運算法。為能順利用數值分析求解，離散方程式的線性化如下：（2-5）其中. 、. 分別為與. 的線性化係數，nb 是指鄰近微小控制體積. （Neighboring cell）。對於對流項（Convective term），Fluent 提供四種離散方法，其中本研究使用的是二階逆向法，它有較高準確性與穩定性。. 9.

(23) 1.. 一階逆向法（First-order upwind scheme）（2-6）其中. 2.. 為控制體積面上的物理量. 二階逆向法（. -order upwind scheme）. 其中 3. 幕級數法（Power-law scheme）（2-8）其中 4.. QUICK 法（QUICK scheme）（2-9）. 其中第一大項中央二階法（central 法（. -order interpolation），第二大項為二階逆向. -order upwind）。. 本研究所用工作流體為空氣，流速低可視為不可壓縮流場，因此流體的密度可以做為常數處理（但考慮溫度影響，本研究模擬使用了 Boussinesq approximation 來處理因溫度變化造成的自然對流），所以求解連續方程式與 XYZ 方向的動量方程組；因此統御方程組為無狀態方程式，用以連結連續與動量方程組，故常用壓力基準（Pressure-based）之數值方法進行模擬，壓力基準法是將速度與壓力視為變數的數值方法，如下表示：（2-10）其中. 與. 度的影響，其中. 是相鄰兩小體積中的壓力，，. 是. ｆ為面流率，. 的平均值。. 10. 包含微小體積中速.

(24) 但壓力只出現在動量方程式中，而動量方程式的變數是速度，壓力並無專屬的方程式。為了要求解壓力，頇要一個壓力方程式，因此產生了壓力聯結方程式（Pressure-linked equation）的概念。壓力聯結方程式是將離散後的動量方程式（Discretized momentum equations）代入離散後的連續方程式（Discretized continuity equations），所形成的方程式。連續方程式離散後之表示如下：. 解壓力連結方程式有不少方法，最著名的便是 SIMPLE（Semi-Implicit Method for pressure-Linked Equations）系列的數值法則。其中包括 SIMPLER 與 SIMPLEC 法，上述兩者皆是針對穩態問題而發展的。以下概略介紹 SIMPLE 和 SIMPLEC 的算法：. SIMPLE 考慮式為穩態並忽略源項，經離散化後：. 其中. ｆ為通過ｆ面的質量通量（mass. flux），. 。. 考慮式為穩態經離散化後：. 利用下列關係：（2-14）（2-15）和. 為鄰接控制體積面上的壓力值。. SIMPLE 先猜一壓力值讓動量方程式解出 11. ，利用式(2-13)的關係式：.

(25) （2-16）如果壓力值所求解出來的速度場並沒有使質量方程式達到守恆，則修正值將會加到. 內，原本的. 修正後由下列表示：（2-17）. 如果滿足質量守恆方程式，SIMPLE 將. 定義為：（2-18）. 為壓力修正值，將式(2-15)和式(2-16)帶入式（2-11），得到離散化的方程式：. 原項ｂ為進入控制體積的淨流率：. SIMPLEC SIMPLEC 對於壓力與速度的耦合算法大致上跟 SIMPLE 一樣，唯一不同的地方是在於的修正項. 定義不同，就 SIMPLE 的定義則：（2-21）. 然而. 在 SIMPLEC 將定義成：（2-22）. 12.

(26) 第三章. 實驗模組架構. 3.1 雙層屋頂構造原理根據邱[5]得知，雙層屋頂內置流動空氣層的構造可有效並大幅減少建築物外殼輻射熱，以減輕冷氣的負荷。故雙層屋頂設計如圖 3-1，利用第一層吸收層吸收熱能後，加熱空氣層，使空氣層溫度升高，藉由空氣流動帶走空氣層的熱空氣，以降低太陽輻射熱能對屋內溫度的影響。根據黃[7]得知，利用屋頂受熱後加熱兩板之間的空產生熱空氣流至出口，藉由 Roaf [3]得知，這些產生的熱空氣可以加以收集利用，如圖 3-2 和圖 3-3 所示，產生最佳的經濟利用價值。. 3.2 實驗方法(戶外實驗實體架構) 一般來說實驗性研究可分為戶外實體實驗與數值模擬計算兩大部分，本小節先對於戶外實體實驗建構的部份做個說明。本研究詴著讓實驗環境條件在相同的狀態下，運用不同方法的雙層屋頂的組合，透過資料紀錄器與相關儀器來瞭解各種不同型態屋頂組合所獲得之集熱性能。整體操作流程如圖 3-4 所示。. 3.3 實驗地點選擇與草圖設計 3.3.1 實驗地點選擇在台灣中南部不論在氣候條件與建築環境上，均較北部地區適合發展太陽能。而本研究之實驗模組在理論上為一兼具隔熱與太陽熱能再利用的屋頂構造，基於地理條件優越與方便之下，經過義守大學認同這樣實驗計畫，再與校方溝通獲得同意後，隨即積極展開各項作業，在地點的選擇，主要以場地空曠、無遮蔽物以及安全性為主要考量，最後選定學生宿舍男二宿屋頂為實驗地點。此地點約高度為海拔兩百三十公尺，因位於宿舍頂樓附近無更高的遮蔽物，所以能確 13.

(27) 保本實驗能得到良好的日照量，最後本實驗地點鮮少人出入並含有攝影機，即可確保本實驗實驗器材與儀器的安全性。. 3.3.2 實驗草圖設計實驗屋面是由兩片 1.2 7.2（. ）的鋁板和木板所組合而成，上層為一般市. 售鋁板，下層為環保合成木板，中間隔出空氣流道為 2（. ），如圖 3-5 所示，. 為本實驗模組平、剖面圖。整體實驗模組如圖 3-6 所示，面向正南傾斜大約 10 度角，屋簷高度 30（cm），屋頂高度約 310（cm），為了有更好的集熱效果，在上層屋頂上蓋 3（mm）的玻璃，與吸熱層鋁板間隔約 3（mm），減少鋁板表面的熱對流，形成玻璃面蓋保溫系統。如圖 3-7 所示，藉由上層鋁板屋頂面吸收太陽的熱輻射，透過雙層屋頂間的流動空氣層，將熱空氣緩慢的往出口流動以便於收集。. 3.4 實驗方法本實驗採用資料紀錄器(data logger)自動接受量測儀器所傳送之電壓訊號，量測參數包括空氣流道與鋁板內外溫度，如圖 3-8 和圖 3-9 所示，使用風速計與太陽日射計量測其出口風速、外界風速與太陽日射量。來探討屋頂集熱的性能，主要分析太陽日射量與出口熱流量的變化，計算出雙層屋頂整合集熱器的實際效益。. 3.4.1 實驗構造與操作變項為了瞭解集熱器整合於雙層屋頂的效益，本研究分析相關影響因子並定出五組分區為六種操作項目，操作項目的選擇是以建築物理原理、施工難度性、材料普遍性以及使用機能等各方面而決定，再進行實驗量測，以利於資料分析比較，如表 3-1 所示。戶外實驗模組主要在探討不同設計對建築物整合空氣集熱器所產生的集熱效益，詴著找出集熱性能的最佳化設計，各操作意義如下列所示： 14.

(28) 第一組. 有無玻璃罩. 為了探討更高的集熱效率，在上層屋面添加玻璃蓋來增加保溫，讓上層屋面的溫度不會因為外界對流的影響而減少集熱效率，最後分析出有無玻璃面罩的太陽熱能集熱效率。. 第二組. 有無塗黑吸收層(鋁板). 本實驗模組，雙層屋頂的上層屋面選用鋁板，本階段將上層屋面的鋁板塗為黑色，以利於探討吸收層的顏色改變對於太陽熱能收集的效益比較，如表 3-2。透過上表可得知，將鋁板塗為黑色，其放射率與吸收率有明顯的提升，並達到提升整體實驗太陽熱能收集的效益。本研究因方便性和經費上的考量，在選用黑色塗料方面，本實驗採用一般市售的耐熱黑色油漆。. 第三組. 改變實驗模組尺寸. 因實驗測量結果，會發現空氣流道內空氣在加熱一段距離之後，其熱空氣溫度會到達一個緩慢上升的平衡點，如圖 3-10 所示。本實驗模測量點相隔距離為 150（. ）。. 在實驗測量之後，使用數值模擬，如圖 3-11 和 3-12 所示。分析結果發現，如圖 3-13 所示，在數值模組尺寸約 2（）後其溫度提升有趨緩的現象，在數值模組尺寸約 7（m）後溫度已無明顯的提升。在此模擬分析，本實驗可得知，如要得最高溫度數值模組尺寸約 7（m）即可，要提升模擬效率則其實驗尺寸約為 2 －4（m）為其優化設計。邊界條件設定 [1]. 穩態流場 [2]. 層流模式 [3]. 不可壓縮流場 [4]. 忽略牆表面粗糙度 15.

(29) 針對基本假設的說明如下： [1]. 穩態流場（Steady Flow）：假設流動呈現穩定狀態，亦即在流場中任意位置，任何物理性質（密度、速度等），均不會隨時間而改變，而產生局部的流場。實際上幾乎所有流動均呈現不穩定型態，亦即物理性質（速度）會隨時間變動。通常不穩定流動分析均較穩定流動困難，因此只要不損及結果有效性的原則下，對於問題處理均假設穩定流動而得以簡化形式。 [2]. 層流流場（Laminar Flow）：依照實驗的結果計算出雷諾數，其雷諾數皆小於一千，所以判定為層流。 [3]. 不可壓縮流場（incompressible flow）：當流體受到壓力時，皆具有相當程度的壓縮性，即體積的變化。若體積變化非常小，不會影響流體密度值（密度為定質或變化很小甚至可忽略不計的話），則該流體稱為不可壓縮流體。本實驗裝置計算其流速小於馬赫數（流速除以音速） 0.3，最大密度變量低於 5％，所以視為不可壓縮流。 [4]. 忽略牆表面粗糙度（wall roughness）：由於牆壁及氣體之間會產生黏滯性，但因牆壁粗糙程度對表面的數值（速度值、溫度值）的影響極為細微，故為研究簡化起見，予以忽略。數值模組邊界條件如圖 3-11 所示，本研究依照雙層屋頂整合太陽集熱器（第四型）繪製模組，繪製長 2000（. ），寬 120（. 外界風速固定為 0.3（（），其放射率為. ），高 875（. ）的實驗模組尺寸。本研究設定，. ），入口風速固定為 0.25（. ），太陽溫度固定為 5800. ，吸熱層為鋁板，其它部分邊界為木板（絕熱）。. 因本實驗吸熱模組裝置為三片 240（以本階段將實驗模組尺寸從 1.2 7.2（. ）的鋁板所組成，如圖 3-14 所示，所）改為 1.2 2.4（. 組尺寸對於太陽熱能收集效益的比較。. 16. ），探討改變實驗模.

(30) 第四組. 加入填充物. 根據理論判斷，在於流道內加入填充物，雖會降低流道內的流速，但會增加其加熱時間與其吸熱面積以利於產生更高溫的熱空氣，本組在於探討在於加入填充物，對於太陽熱能收集效益的比較。. 第五組. 改變實驗模組傾角. 在於論文回顧可發現改變傾斜角度會增加太陽日射量的吸收。最佳仰角的探討在現階段中，大部分都認為緯度與仰角有一定的關係，根據文獻[18]研究之後，會發現其實在於台灣緯度 25 度的時候，仰角 22 度卻比 25 度吸取的太陽照射還要多，所以去探討之後，如下圖 3-15 所示。. 3.4.2 實體實驗施工與測量裝置如下表 3-3 所示，此為戶外實驗模組的建構。實驗過程為：先固定角鋼且預留尺寸以供上層鋁板放置，並在角鋼上放置木頭當做下層屋頂，下層屋頂固定，在其中間隔出一空氣流道後，在上方放置鋁板當作吸熱層使用，鋁板安裝完成後，開始架設測量儀器並開始進行第一階段測量與矯正，經過第一階段的測量後，接著進行安裝玻璃、鋁板塗黑、改變實驗尺寸、放入填充物以及改變仰角等各階段測量。. 3.5 實驗方法(數值模擬分析) 本實驗詴著讓實驗環境條件在相同的狀態下，運用數量不等的鰭片在於雙層屋頂流道中，透過數值分析模擬來瞭解各種不同型態屋頂組合所獲得的集熱性能，以找尋其最佳化設計。其模擬流程如圖 3-16 所示：. 參數選定本研究設定參數為在流道內添加鰭片的設計，主要目的在於增加空氣流道內的加熱面積，使得實驗模組的出口流體溫度上升，進而達到整體實驗集熱效率的提升。在數值模擬分析方面，探討改變空氣流道內的鰭片數量對於雙層屋頂流道 17.

(31) 內熱流現象的影響，相關變數為鰭片數量（1、3、5、10、20、40 以及 50），最後藉此得知整體實驗的最佳化設計。. 建立數值模組本模擬中雙層屋頂整合太陽能集熱器之熱流問題，在 CFD 技術已經證實是個成熟且可以提供完整解答之利器。本模擬是要使用 CFD 技術模擬雙層屋頂整合太陽能流道內的熱流問題，因此所要數值求解的物理模型會相當複雜，其為三維不規則空間之非暫態、有熱傳導以及自然對流等。本研究所用 CFD 軟體是為美國 Fluent （Fluent,Inc.USA）公司所發展之 Fluent6.2 流場計算軟體進行數值模擬[19]。主要分為兩個架構，如圖 3-17 所式： (1)Gambit：屬於前處理部份，用以建構物理之模型、格點建立以及邊界型態的定義，最後將網格檔案輸出。 (2)Fluent：屬於後處理部份，為程式運算核心，將網格檔案輸入，依設定的數值計算模式描述流場各個的統御方程式、設定邊界與初始條件，進而執行數值運算，再將計算結果以數據、圖表以及圖形等方式輸出。 Fluent 程式可分析範圍涵蓋層流、紊流、多相流、可壓縮與不可壓縮流、自然與強制對流流場、共軛熱傳流場、輻射流場、濃度擴散流場、穩態與暫態流場以及多孔性介質流場等。其主要統御方程式為連續方程式、動量方程式、能量方程式以及濃度方程式等。在數值分法方面，在對流部分可選擇逆向差分法（Upwind differencing）、QUICK（Quadratic Upstream Interpolation of Convective Kiematics）以及 Power Law 等差分法。在速度與壓力求解的方程式中使用的便是 SIMPLE 系列的數值法則。其中包括 SIMP LER 與 SIMPLEC 法，上述兩者接是針對穩態問題。因此，即便藉由疊代方式修正，對於暫態問題的處理，其滿意度仍差強人意。因此針對暫態流場的求解是以 PISO 數值法，雖是同樣屬於 SIMPLE 系列的數值方法，但 PISO 藉由兩個修正步驟（Corrector step）進行流場中壓力的求解，而獲得良好的數值結果。 18.

(32) CFD 技術是藉由電腦來計算流體運動過成的一門學問，其內容主要是流體力學、數學、數值方法以及電腦科技等的整合。本研究使用 CFD 技術計算實際模擬雙層屋頂流道內的熱流問題，此數值求解之物理模型相當複雜，其為三維不規則空間之非暫態流場，有熱傳導、自然對流等。而一般所使用的數值方法，可以區分為有限差分法（Finite DifferenceMethod,FDM）、和有限體積法（Finite Element Method,FEM）以及有限體積法（Finite Volume Method,FVM）這三種。目前已有限元素法和有限體積法兩種方式為熱模擬套裝軟體最常用的方式。使用數值方法進行數值模擬分析時，為了簡化數值模擬計算時的複雜性，作以下幾點基本合理的假設： 1.. 穩態（Steady state）. 2.. 流體為不可壓縮流（Incompressible flow）. 3.. 流體與牆邊界為無滑動條件（No-slip condition）. 4.. 流場為層流（Laminar flow）. 數值模擬運算本研究數值的運算是採用 Fluent 套裝分析程式，由數值分析軟體 Fluent 輸入 Gambit 所匯出帶有網格的圖檔，設定其數值模式與邊界條件，在經由收斂的條件進行判斷是否滿足數值結果。數值求解流程如下： 1.. 將以建構好的物理模型和格點輸入於後處理軟體（Fluent）. 2.. 設定物理性質的初始條件，如溫度、速度以及邊界設定等。. 3.. 解動量方程式，採用二階逆向法進行動量方程式之離散。. 4.. 藉由連續方程式和動量方程式進行壓力和速度的偶合運算。. 5.. 解能量方程式。. 6.. 檢查是否合乎收斂條件與物理現象，若未達到標準，則重複步驟（1）到（5）。. 數據整理求解結果必頇符合本研究的收斂條件與物理現象，如不滿足結果或物理現象， 19.

(33) 必頇更新物理性質與調整設定，待滿足後，再輸出最終模擬結果，並將其與實際狀況進行分析與探討。. 20.

(34) 第四章. 數據整理與討論. 4.1 實驗數據整理 1.. 第一型無蓋玻璃雙層屋頂實驗數據：實驗測量時間為 2008 年 7 月 20 號，如圖 4-1 所示，當日 11:00~14:00 外界. 環境溫度介於 27.3~32.3 ℃之間，流道出口溫度介於 37.3~50.7 ℃之間，流道出口流速介於 0.05~0.15. 之間，太陽平均日射量為 0.713. 。. 從圖 4-1 可看出，出口溫度隨著時間變化有所提升，但在 11：50、12：20、 13：00 以及 13：20 等時間點，因雲遮日或外界風速變大等氣候因素影響，而造成出口溫度的下降。 2.. 第二型有蓋玻璃雙層屋頂實驗數據：實驗測量時間為 2008 年 8 月 12 號，如圖 4-2 所示，當日 11:00~14:00 外界. 環境溫度介於 27.3~33.5 ℃之間，流道出口溫度介於 37.3~45.9 ℃之間，流道出口流速介於 0.10~0.20. 之間，太陽平均日射量為 0.724. 。. 從圖 4-2 可看出，出口溫度隨著時間變化有所提升，但在 11：10、11：50、 12：20 以及 12：40 等時間點，因雲遮日或外界風速變大等氣候因素影響，而造成出口溫度與風速的下降。 3.. 第三型有蓋玻璃與塗黑雙層屋頂實驗數據：實驗測量時間為 2008 年 8 月 24 號，如圖 4-3 所示，當日 11:00~14:00 外界. 環境溫度介於 30.7~34.9 ℃之間，流道出口溫度介於 70.6~78.3 ℃之間，流道出口流速介於 0.30~0.45. 之間，太陽平均日射量為 0.752. 。. 從圖 4-3 可看出，出口溫度隨著時間變化有所提升，但在 11：50、12：20、 12：50 以及 13：40 等時間點，因雲遮日或外界風速變大等氣候因素影響，而造成出口溫度與風速的下降。 4.. 第四型改變尺寸（1.2m 2.4m）、蓋玻璃和塗黑雙層屋頂實驗數據：實驗測量時間為 2009 年 3 月 14 號，如圖 4-4 所示，當日 11:00~14:00 外界 21.

(35) 環境溫度介於 27.4~32.1 ℃之間，流道出口溫度介於 48.7~60.1 ℃之間，流道出口流速介於 0.15~0.25. 之間，太陽平均日射量為 0.513. 。. 從圖 4-4 可看出，出口溫度隨著時間變化有所提升，但在 11：30、13：00 以及 13：40 等時間點，因雲遮日或外界風速變大等氣候因素影響，而造成出口溫度與風速的下降。 5.. 第五型改變尺寸（1.2m 2.4m）、蓋玻璃、塗黑與雙層屋頂流道內加入填充物實驗數據：實驗測量時間為 2009 年 4 月 4 號，如圖 4-5 所示，當日 11:00~14:00 外界環. 境溫度介於 27.2~33.6 ℃之間，流道出口溫度介於 40.7~49.2 ℃之間，流道出口流速介於 0.10~0.15. 之間，太陽平均日射量為 0.313. 。. 從圖 4-5 可看出，出口溫度隨著時間變化有所提升，但在 11：40 與 13：10 等時間點，因雲遮日或外界風速變大等氣候因素影響，而造成出口溫度與風速的下降。 6.. 第六型改變尺寸（1.2m 2.4m）蓋玻璃、塗黑、雙層屋頂流道內加入填充物和改變其傾斜角度實驗數據：實驗測量時間為 2009 年 4 月 11 號，如圖 4-6 所示，當日 11:00~14:00 外界. 環境溫度介於 29.3~33.6 ℃之間，流道出口溫度介於 49~61.8 ℃之間，流道出口流速介於 0.20~0.30. 之間，太陽平均日射量為 0.562. 。. 從圖 4-6 可看出，出口溫度隨著時間變化有所提升，但在 11：30、13：10 以及 13：40 等時間點，因雲遮日或外界風速變大等氣候因素影響，而造成出口溫度與風速的下降。. 4.2 集熱性能理論分析方式為了更精準的計算出雙層屋頂整合空氣集熱器的集熱效率，本實驗透過資料記錄器連接熱電耦線、風速計與日射計，量測連續四小時（11:00 ~ 14:00）的出口風速、外界空氣流速、出入口空氣溫度與太陽日射量等基本數據之後，利用基 22.

(36) 本公式計算出空氣集熱器所能產生的熱量，進而找出最佳化設計。其熱通量計算公式如下所示：（4-1）（4-2）：熱量（. ）. ）。. ：質流率（：密度（：面積（：速度（. ）。）。）。. ：空氣定壓比熱 1007（. 〃）。. ：入口溫度（K）。：出口溫度（K）。. 4.3 實驗模組集熱性能分析每組實驗的太陽日射強度與氣候狀況皆不完全相同，本研究為了更清楚的探討不同構造型式對於空氣集熱器的集熱性能，在此本節利用集熱性能理論公式來換算，得出操作變異其五組的比較：第一組本實驗在於探討實驗模組有無加蓋玻璃，其集熱效率的比較，從下表 4-1 得知，第一型集熱器平均集熱效率為 0.6％，第二型集熱器其平均集熱效率為 0.9％，第一型集熱器比第二型集熱器平均效率提升比為 1.5。在上表可看出，加蓋玻璃層以減少吸熱層表面熱對流的影響，探討加蓋玻璃層對於整體實驗模組太陽熱能收集的效益，改變此參數對其整體實驗模組效益提升比為 1.5。第二組本實驗在於探討實驗模組其吸熱層鋁板是否有塗黑，其集熱效率的比較，從 23.

(37) 下表 4-2 得知，第二型集熱器平均集熱效率為 0.9％，第三型集熱器其平均集熱效率為 6.5％，第三型集熱器比第二型集熱器平均效率提升比為 7.2。在上表可看出，將吸熱層鋁板塗黑，增加吸熱層吸收率和放射率，探討吸熱層塗黑對於整體實驗模組太陽熱能收集的效益，其結果發現改變此參數對其整體實驗模組效益提升比為 7.2。第三組本實驗在於探討改變實驗模組尺寸，從 1.2 7.2（. ）縮短為 1.2 2.4（. ），. 其集熱效率的比較，從下表 4-3 得知，第三型集熱器平均集熱效率為 6.5％，第四型集熱器其平均集熱效率為 9.7％，第四型集熱器比第三型集熱器平均效率提升比為 1.5。在上表可看出，將實驗模組尺寸縮短為 1.2 2.4（. ），探討改變實驗模組尺. 寸對於整體實驗模組太陽熱能收集的效益，其結果發現改變此參數對其整體實驗模組效益提升比為 1.5。第四組本實驗在於探討實驗模組流道內有無加入填充物，其集熱效率的比較，從下表 4-4 得知，第四型集熱器平均集熱效率為 9.7％，第五型集熱器其平均集熱效率為 5.7％，第五型集熱器比第四型集熱器平均效率提升比為 0.59。在上表可看出，將實驗模組流道內加入填充物（鐵屑），探討實驗模組流道內加入填充物（鐵屑）對於整體實驗模組太陽熱能收集的效益，結果發現改變此參數對整體實驗模組提升比為 0.59。從結果得知，填充物（鐵屑）無法達到準確的放置、材料選擇以及與吸熱層緊密接觸的話，這就會造成實驗模組出口流量的降低，而無法增加其空氣流道內的加熱面積和出口溫度，以至於降低整體實驗模組效益。本階段實驗為增加空氣流道內的加熱面積，進而達到提升出口溫度與整體實驗的集熱效率。因實體實驗模組無法達到原先預期太陽熱能收集效益的提升，本小節使用數值模擬分析給予加強（改為添加鰭片的設計）。在數值模擬方面，流 24.

(38) 道內的填充物本小節是使用鰭片（鋁）做為參數變動，鰭片數量為：1、3、5、 10、20、40 以及 50。數值模擬集熱分析可從上章節得知，此方式數值模擬無誤之後，本節開始在雙層屋頂集熱器流道內添加數量不等之鋁製鰭片（1~50），可從圖（4-9~4-23）與表 4-6 得知，在流道內添加鰭片，對其整體實驗模組出口的溫度有所提升。由上圖表可看出，增加流道內鰭片會造成出口溫度增加和出口質流量的減少，當鰭片數量到達 50 時，其出口溫度無明顯的提升，所以對於本實驗模組只需要配置數量 50 的鰭片數量，即可在經濟考量下，達成集熱效率提升效果。本實驗在於探討改變其實驗模組流道內填充物之數量，其出口熱通量的比較，從下圖 4-24 與表 4-7 得知，鰭片數量為 0、1、3、5、10、20、40 以及 50，其出口熱通量為 255.9（w）、257.2（w）、259.9（w）、261.9（w）、286（w）、299.2（w）以及 301.13（w），提升比為 1、1、1.02、1.02、1.05、1.12、1.17 以及 1.18。第五組本實驗在於探討改變實驗模組的傾斜角度（將實驗模組傾斜改為 22 度），且集熱效率的比較，從下表 4-8 得知，第五型集熱器平均集熱效率為 5.7％，第六型集熱器平均集熱效率為 11％，第六型集熱器比第五型集熱器平均效率提升比為 1.9。在上表可看出，將實驗模組傾斜為 22 度，增加太陽日照量，探討改變實驗模組傾斜角度對於整體實驗模組太陽熱能收集的效益，結果發現改變此參數對整體實驗模組效益提升比為 1.9。. 4.4 綜合分析比較本實驗可區分為六種設定條件於屋頂操作變異進行理論和實驗整合，針對階段性變動參數，設定條件如下：吸收層為鋁板（1）、吸收層上方加蓋玻璃（2）、鋁板塗黑並加蓋玻璃（3）、改變實驗模組尺寸（4）、在流道內加入填充物（5） 25.

(39) 以及改變實驗模組的傾角（6），進行效率比較與討論。如下圖 4-25 與表 4-9 所示。由上圖表可看出，本實驗模組其平均集熱效率與提升比，分別為 0.6％、0.9 ％、6.5％、9.7％、5.7％以及 11％。各階段提升比為 1、1.5、10.8、16.2、9.5 以及 18.3，結果得知各項變動參數下對於集熱效率都有不等的提升。數值模擬部分，對於屋頂流道內之鰭片數量在於 1、3、5、10、20、40 以及 50 其提升比為 1、1.02、1.02、1.05、1.12、1.17 以及 1.18，在鰭片數量為 50 時，出口溫度與熱通量已無明顯的提升，所以對於本實驗模組只需要配置數量為 50 個鰭片，即可達成集熱效率提升效果。最後本研究整合戶外實體實驗數據與數值模擬第五型集熱器（改為加入數量 50 的鰭片），可從圖 4-26 與表 4-10 得知，理想整體集熱器集熱效率為 0.6％、0.9 ％、6.5％、9.7％、11.4％以及 21.7％，其提升比為 1、1.5、10.8、16.2、19 以及 36.2。. 4.5 與論文回顧的效率比較現有的實驗模組還未出現鰭片的設計，本研究除了對於各參數變動的集熱效益和提升比做仔細比較，也添加流道內放置鰭片的構思，如圖 4-27 和表 4-11 所示，本實驗模組沒有在流道內添加填充物，集熱效益與現有的雙層屋頂整合太陽能集熱器模組效益極為相近。本實驗在流道內添加鋁製鰭片（數值模組）之後，本研究理想集熱效率為 21.7％，就較優於現有的雙層屋頂整合太陽能集熱器模組。. 4.6 節約能源估算由於地球資源日益減少，環境保護議題也開始受到重視，但人類為了滿足自我的物質需求，擁有更好的生活品質，能源的消耗卻逐年增加，從一個簡單的生活經驗可以觀察出來，以台灣的都會區來說，此地區工作的人，工作時數明顯高於其它地區的人，收入相對的比非都會區的人來的高，但生活所花費的成本也較其它地區來的高，尤其是近年來世界原油價格一路攀升，連帶的影響到其它能源 26.

(40) 的製造成本，像電費、瓦斯費以及天然氣等，直接衝擊到一般社會大眾最基本也最受關注的民生消費問題。在此對於本實驗的節約能源估算，本小節以實驗模組對於一般住宅加裝之後，所得到的集熱性與散熱性做為效益比較。. 集熱性節能估算對於實驗模組加裝於一般住宅，集熱效益最普遍的應用，就是用於民生熱水使用。下表是以論文[20]為例，以 2006 年 5 月 12 日，當天（正午時刻前後四小時，合計八小時）累積日射量約為 5500. ，本實驗中模組轉換效率為基. 準，如表 4-12 和表 4-13，換算出一天本實驗模組可以吸收多少熱能已供於民生熱水的使用。透過上表來比較生活中所必需的基本消費，分析不同能源製造相同數量的熱能所需耗費的成本，換算各種能源的總花費，結果得知，在住宅屋頂設計加入本實驗模組尺寸，其吸熱效益一天即可省下約 14 元的能源消耗。. 散熱性節能估算對於實驗模組加裝於一般住宅，其散熱性最直接的應用，就是用於減少屋內的溫度、達到屋內舒適度的提升以及減少使用冷氣機的時數，達到節約能源的效益。下表是以論文[20]為例，以 2006 年 5 月 12 日，當天（正午時刻前後四小時，合計八小時）累積日射量約為 5500. ，本實驗中模組轉換效率為基準，. 如表 4-14，換算出一天本實驗模組可以排放多少熱能已減少房屋內的溫度提升。透過上表來比較生活中所必需的基本消費，分析市售冷氣機降低相同數量的熱能所需耗費的成本，換算市售冷氣機所需耗費的總花費，結果得知，在住宅屋頂設計加入本實驗模組尺寸，其散熱效益一天即可省下約 12 元的能源消耗，但透過觀察，本實驗模組其排放的熱能並不是全部都會傳入屋內並造成屋內的溫度上升，固本階段假設估計進入屋內的熱量占排熱的 8%，所以最終可得其散熱效益 27.

(41) 一天即可省下約 1 元。. 綜合節能估算由上兩小節可得知，將此實驗模組安裝於一般住宅，集熱性效益一天可節省約 14 元的能源消耗，在於散熱性效益方面，一天可節省約 1 元的能源消耗。本實驗安裝於一般住宅之後，即可同時發揮其集熱性和散熱性的效益，所以一天即可節省約 15 元的能源消耗。. 與太陽能熱水器比較目前在台灣地區太陽能產業大致上可分為太陽能光電產業與太陽熱能相關產業，若以投資成本與回收年限的考量來分析，太陽熱能產業平均回收年限較光電產業來的低，推廣應用的範圍也較為廣泛，容易被一般社會大眾所接受，尤其以太陽能熱水器的推廣最為普遍，行經中南部地區隨處可見自用住宅屋頂上設置太陽能熱水器。本實驗裝置的功能和太陽能熱水器極為相似，所以本小節為探討本實驗裝置與市售太陽能熱水器的比較。由下表 4-15 可看出，在相同規格下本實驗裝置費用比市售太陽能熱水器便宜許多。雖然太陽能熱水器轉換效率遠大於本實驗裝置，在相同規格的建造價格比本實驗多出許多，所以本小節以節約能源估算方式，討論本實驗裝置與市售太陽能熱水器節約能源的效益。以論文[20]為例，以 2006 年 5 月 12 日，當天（正午時刻前後四小時，合計八小時）累積日射量約 5500. ，市售太陽能熱水器. 轉換效率為基準，如表 4-16，換算出一天市售太陽能熱水器可以提供多少熱能，以供住宅熱水使用。透過上表可看出，在相同規格下，市售太陽能熱水器一天約可節約 39 元，本實驗裝置一天約可節約 15 元，雖然市售太陽能熱水器一天節約能源費用比本實驗裝置多，除了市售太陽能熱水器裝置費用遠大於本實驗裝置外，其中還隱含許多問題，除了破壞建築物本身的美觀，還需考量是否防颱和耐震等潛在危險。 28.

(42) 為了因應上述種種問題，本研究運用建築設計手法，改良建築物屋頂構造，使用既有且普遍的材料來施工，並且考量美觀問題，除了有效的利用太陽熱能產生熱水外，並且可降低太陽輻射對室內環境的影響，減少室內的冷房負荷，符合再生能源的開發利用與建築節約能源的意義。. 回收年限(Year of Return) 本實驗建材方面，鋁板、玻璃、木頭以及支撐角鋼，大約花費六千元左右，在上小節所得知，天氣晴朗的情況下，一天可回收 15 元，以此為換算扣除陰天和雨天日，最長兩年內即可回本。由於受場地與經費所限制，此比較只針對面積 2.88（m2）實驗模組進行探討，實際見築物屋頂面積必大於本研究的實驗模組，預計將可帶來更高的集熱效益。各種能源燃料費用分析單位價格在此作以下說明：柴油鍋爐（柴油）中國石油 99 年 5 月 10 號，柴油價格為 27.6 元/公升。【資料來源：中國石油全球資訊網】電熱水器和冷氣機（電價） 99 年表燈非營業（一般住宅用電）：夏月（6 月 1 日～9 月 30 日）1100 度以後部分每度 2.1 元，111 度至 330 度部分每度 3.02 元，331 度至 500 度部分每度 4.05 元，501 度以上部分每度 4.51 元；非夏月（夏月以外的時間）110 度以下每度 2.1 元，111 度至 330 度每度 2.68 元，331 度以上部分每度 3.27 元。在此採用平均電價每度 3.1 元來計算。【資料來源：台灣電力公司全球資訊網】天然瓦斯陽明山瓦斯公司 99 年，新單價為 14.9 元，本計算未加入一般用戶每個月所需繳交的 60 元基本費用和表租金 14 元。【資料來源：陽明山瓦斯全球資訊網】 29.

(43) 桶裝瓦斯高雄縣桶裝瓦斯，99 年四月上旬，零售價格參考資訊，20（公斤/桶）約 767 元，此價格是以運送至目的地 1 樓為基準，本計算未包含超過樓層運送加給費用。【資料來源：高雄市政府建設局】. 30.

(44) 第五章. 結論與未來工作. 根據第四章實體實驗和數值模擬所得到的數值，在本研究中透過雙層屋頂集熱器的設計，進行廢熱回收和隔熱可以得到相當良好的效果，而以下的結論為目前已完成的研究工作結果，所歸納而來的幾項重點。. 1. 本實驗在於數值模擬部分，增加流道內鰭片會造成出口溫度增加和出口質流量的減少，當鰭片數量到達 50 時，其出口溫度無明顯的提升，所以對於本實驗模組只需要配置數量 50 的鰭片數量，即可在經濟考量下，達到最佳化設計。改變此參數對其整體實驗模組效益達成集熱效率提升比為 1.18。 2. 在探討本實驗雙層屋頂集熱器的最佳尺寸設計方面，經過數值模擬分析後，可發現在實驗模組尺寸約 2（）後其溫度提升有趨緩的現象，在實驗模組尺寸約 7（m）後溫度以無明顯的提升。在此模擬分析，本實驗可得知，如要得最高溫度實驗模組尺寸約 7（m）即可，要提升本實驗效率則其實驗尺寸約為 2 －4（m）為其優化設計。. 本實驗以吸收層是銀色鋁板無加蓋玻璃為基準，其實驗模組集熱效率為 0.6％，並探討變動參數對整體研究集熱效率的效益。 3. 吸收層上方加蓋玻璃：加蓋玻璃層以減少吸熱層表面熱對流的影響。加蓋玻璃層對於整體實驗模組太陽熱能收集的效益，改變此參數對其整體實驗模組效益提升比為 1.5。 4. 鋁板塗黑並加蓋玻璃：將吸熱層鋁板塗黑，增加吸熱層吸收率和放射率。吸熱層塗黑對於整體實驗模組太陽熱能收集的效益，其結果發現改變此參數對其整體實驗模組效益提升比為 7.2。. 5. 改變實驗模組尺寸：將實驗模組尺寸縮短為 1.2 2.4（ 31. ），改變實驗模組尺.

(45) 寸對於整體實驗模組太陽熱能收集的效益，其結果發現改變此參數對其整體實驗模組效益提升比為 1.5。 6. 在流道內加入填充物：本研究加入填充物設計，雖造成實驗模組出口流量的降低，但會增加空氣流道內的加熱面積，進而達到提升出口溫度與整體實驗的集熱效率。 a. 實體實驗加入填充物（鐵屑）：實驗結果可得知，發現改變此參數對整體實驗模組提升比為 0.59。實驗結果可發現，填充物（鐵屑）無法達到準確的放置、材料選擇以及與吸熱層緊密接觸的話，這就只會造成實驗模組出口流量的降低，而無法增加其空氣流道內的加熱面積和出口溫度，以至於降低整體實驗模組效益。 b. 數值模擬加入填充物（鋁製鰭片）：因實體實驗無法達到預期的效益和實體實驗模組加入填充物有所困難性，本研究使用數值模擬分析，將填充物改為鋁製鰭片，其結果可發現改變此參數對其整體實驗模組集熱效益提升比為 1.18。 7. 改變實驗模組的傾角：本實驗在於探討改變實驗模組的傾斜角度（將實驗模組傾斜改為 22 度），其集熱效率的比較，其結果發現改變此參數對其整體實驗模組效益提升比為 1.9。 8. 最後本研究整合戶外實體實驗數據與數值模擬，本實驗理想整體集熱器集熱效率為 21.7％，其總提升比為 36.2。結果可得知，將吸熱層鋁板塗黑其結果最佳，吸收層上方加蓋玻璃、改變實驗模組尺寸、空氣流道內添加填充物（鋁製鰭片）以及改變實驗模組的傾角，皆對於整體實驗集熱效益有明顯的提升。 9. 對於節約估算方面，本實驗安裝於一般住宅，對房屋有集熱性和散熱性的效益，一天即可節省約十五元的能源消耗，為地球節約能源盡一份心力。在未來工作方面，本研究利用生活中常見的鋁板，且避免使用較難取得的選擇性吸收塗料，來供作集熱使用，經由實驗分析與歸納之後初步完成雙層屋頂整合空氣集熱器的原型開發，由於時間與實驗場地限制緣故，所以無法以全盤作為考量，詳細的探討每一個細節，在此提出幾個方向供後續研究者參考。 32.

(46) 1. 建築物所使用的屋頂建材相當廣泛，本研究針對鋁板一種材料來作戶外實體實驗與數值模擬，建議未來研究可嘗詴各種不同的屋頂材料來作綜合性的分析與探討。 2. 由於時間上的限制，無法對其他時節的氣候環境做更近一步的分析與探討，目前本研究只對於台灣的夏季與春季其 11：00~14：00 做量測，建議未來能在各時間點與各季節都可做相關討論。 3. 本研究目前只止於探討建築物屋頂集熱性能的層面，並未分析到屋頂隔熱性能與室內環境舒適度的問題，建議未來可加入隔熱性能與室內環境舒適度議題來加以探討評估。 4. 本實驗的雙層屋頂整合空氣集熱器尚未結合熱水設備，建議在未來可針對結合熱水裝置，並評估其整體節能效益。. 33.

(47) 參考文獻 [1]. Bradshaw,V.Building Control System,New York：John Wiley&Sons,1993. [2]. 杜希聖，台灣地區屋頂構造隔熱性能之探討，碩士論文，國立台灣大學工程技術研究所設計技術學程建築設計組，台南，1980。 [3]. Sue Roaf,Manuel Fuentes and Stephanie Thomas,Ecohouse 2：A Design Guide,Boston：Architectural Press,2003. [4]. Jing,H.,Akio,O.,Akira,H.,Kohichi,A.A solar cooling project for hot and humid climates,Solar Energy,71(2),135-145.2001. [5]. 邱繼哲，建築物及生物成長設施之誘導式通風冷卻設計研究－以雙層外殼內置流動空氣層構造為例，碩士論文，國立台灣大學生物環境系統工程學研究所，台北，2002。 [6]. J. Khedari, J. Hirunlabh, T. Bunnag, Experimental study of roof solar collector towards the natural ventilation of new habitations, Renewable Energy, 8(1-5), pp.335-338, 1996. [7]. 黃敬元，雙層屋頂之熱傳分析，碩士論文，國立成功大學機械工程學系碩博士班，台南，2005。 [8]. M. Eng. Susanti Lusi et al, Experimental study on natural ventilation effect of a cavity in an inclined double roof, SB2005 Conference, 2005. [9]. A. Mistriotis, C. Arcidiacono, P. Picuno et al., Computational analysis of ventilation in Greenhouses at zero-and low-wind-speeds, Agricultural and Forest meteorology, 88(1-4), pp.121-135,1997. [10]. J. Khedari, W. Mansirisub, S. Chaima. et al., Field measurements of. performance of roof solar collector, Energy and Buildings, 31(3), pp.171–178, 2000. [11].M. B. Timmons, G. R. Baughman, Double solar attic: an evaluation, Transactions 34.

(48) of the ASAE, 3(2), pp.261-264, 1987. [12].J. L. Koon, C. A. Flood, R. D. Trumbull et al., Energy Savings with Use of. Double Sidewall Curtains on Broiled Houses. Transactions of the ASAE, 36(6), pp.1901-1905, 1993. [13].陳柏宏，台灣地區畜舍屋頂構造應用空氣層隔熱效果研究，台大農業工程所碩論，台北，2001。 [14]. Z. D. Chen, P. Bandopadhayay, J. Halldorsson. et al., Experimental. investigation of a solar chimney model with uniform wall heat flux, Building and Environment, 38(7) , pp.893-906, 2003. [15]. M. Sandberg and B. Moshfegh, Ventilated-solar roof airflow and. heat. transfer investigation, Renewable Energy, 15, pp.287-292, 1998. [16]. M. M. Aboulnaga, A roof solar chimney assisted by cooling cavity for natural ventilation in buildings in hot arid climates: energy conservation approach in AL-AIN city, Renewable Energy, 14(1- 4), pp.357-363, 1998. [17]. Yunus A. Ç engel, Heat and Mass Transfer: A Practical Approach Third Edition (SI Units), McGraw- Hill, pp.864-865, 2006. [18].孫輔笙，高性能太陽光發電系統研究，台灣大學碩士論文，台北，2006。 [19].FLUENT 6.1 Documentation,Fluent Inc,2005. [20].童開澤，建築物雙層屋頂整合太陽能空氣集熱器之隔熱與集熱效益研究-以鋼板斜屋頂構造為例-，台北科技大學碩士論文，台北，2007。. 35.

(49) 圖表. 圖 1-1 研究流程圖. 36.

(50) 圖 1-2 建築物的熱獲得與熱損失. 圖 1-3 台灣地區（24°N）各方位日射量[2]. 37.

(51) 圖 1-4 集熱器整合雙層屋頂構造剖面圖. 圖 1-5 太陽能屋構造示意圖 38.

(52) 圖 3-1 本實驗示意圖. 圖 3-2 本實驗熱能運用示意圖. 39.

(53) 工業預熱(空調) 農、魚業(集熱器). 太陽能熱水應用. 宿舍、商業、家用(儲水桶保溫) 游泳池(系統控制及設計). 太陽熱能應用. 太陽能乾燥應用 (熱空氣). 藥劑、倉庫除濕 (空調) 花卉栽培、農產品乾燥(溫室). 圖 3-3 太陽熱能運用圖. 圖 3-4 研究流程圖 40.

(54) 圖 3-5 實驗模組平、剖面圖. 圖 3-6 雙層屋頂組合完成圖. 圖 3-7 空氣集熱器運作示意圖 41.

(55) 圖 3-8 實驗測量點選擇. 圖 3-9 側面透視內部量測點. 42.

(56) (. 70 60 溫 50 度 40 ℃ 30 20 10 0. ). 1. 2. 3. 4. 各溫度測量點空氣層溫度. 圖 3-10 實體實驗測量點與鋁板溫度. 圖 3-11 實驗器材長度為 20m 模擬圖. 43. 5. 6.

(57) 圖 3-12 溫度分佈圖. 圖 3-13 模擬模組各長度溫度分佈. 44.

(58) 圖 3-14 實驗模組吸熱層裝置. 圖 3-15 不同緯度最佳仰角[18]. 45.

(59) 圖 3-16 實驗流程圖. 圖 3-17 數值模擬流程圖. 46.