行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
建築物生活熱水耗能分析與節能設計之研究
計畫類別： 個別型計畫
計畫編號： NSC92-2211-E-011-044-
執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 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： 鄭政利
計畫參與人員： 李孟杰、林晏旬
報告類型： 精簡報告
處理方式： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢
中 華 民 國 93 年 10 月 12 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
建築生活熱水耗能分析與節能設計之研究
計畫類別：■ 個別型計畫□ 整合型計畫
計畫編號：NSC 92－ 2211 － E － 011 － 044 － 執行期間： 92 年 08 月 01 日 至 93 年 07 月 31 日 計畫主持人：鄭政利 博士
共同主持人：
計畫參與人員：李孟杰、林晏旬
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告□完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、
列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
□涉及專利或其他智慧財產權，□一年■二年後可公開查詢
執行單位：國立台灣科技大學建築系
中 華 民 國 93 年 08 月 31 日
■ 成 果 報 告
□期中進度報告
I
中文摘要
熱水設備是建築物必要的設備系統項目之一，但是長期以來建築物熱水設備性能 課題並未受到國人重視。因應地球環境惡化、資源能源枯竭的危機課題，我國政府也 積極投入永續發展政策之推動，國內建築節約能源歷經十數年的研究發展，目前已朝 全方位整體綠建築的方向發展。建築的節能策略是必須全面而長期的執行，才能達到 預期之效益。由大環境觀之，水的處理、加熱、輸送、排除等都會消耗能源，同時也 有環境污染的問題。建築物給排水的整個過程，事實上都是在消耗能源，同時也排放 二氧化碳或成為其他污染源。配合國內綠建築政策之推動，從節能觀點來看熱水設備 課題，台灣地區日常生活用水，每使用一度（m 3 ）同時也消耗大約一度（kWh）的電力，
而若是家戶使用熱水，根據理論推估使用一度熱水（m 3 ） ，消耗能源約相當於 6.5 度(kWh) 的電力，一般民眾日常生活用水基準以每人每日 250 公升計，其中洗澡用熱水約 50 公升，台灣地區家用熱水使用之電力一年約消耗能源相當於 715 萬度電力，在節約能 源的效率上也是值得關注之課題。本計畫擬透過建築熱水設備之研究，探討建築物內 熱水使用之情況並分析其設備性能與耗能之關係，藉由理論分析與現況調查驗證，建 立建築物生活熱水設備數量化耗能評估方法系統，並以實際調查案例驗證評估方法之 可行性。本計畫也將探討建築物生活熱水設備系統之節能設計技術與規劃策略，並量 化分析推估熱水設備系統節能設計在建築規劃上之具體效益。同時整理出台灣地區的 熱水設備節能設計規劃具體方案，提供建築師、設計工程師或使用維護者實務應用參 考，配合政府正大力推動之全方位水與綠的永續發展政策，加強國內綠建築整體規劃 概念。
關鍵詞：熱水設備、耗能分析、節能設計、生命週期、設備性能
ABSTRACT
Energy consumption for residential water supply and drainage systems involves numerous variables. Our previous research presented an overview of residential water use, and provides a simple equation for analyzing energy consumption with regard to the electric power of urban water treatment systems. According to the objectives of green building policy, this research explores the energy consumption of domestic heat water utilization, especially in the residential buildings of the municipal area. The findings of previous research reveal that each unit of domestic water use (1 m 3 ), for example, a six-story height residential building, will directly consume about 0.95 kWh electricity, including the energy used by the water pump, municipal water and sewage systems. The energy consumed by the water heating equipment inside a house is about 5.55 kWh. In other words, each unit of domestic water use will consume 6.5 kWh electricity. We may, therefore, see that an introduction of water-efficiency in domestic hot water system can save large amount of water and energy. This project will focus on the heat water utilization of residential building. First of all, we will investigate the situation and arrange the data base of heat water utilization in domestic residential building, and analyze the data by statistic method and calculation tool. The second, we will set up an evaluation system and study the principle of heat water utilization for residential building planning included energy consumption and energy conservation. At the last, we will perform one real case study and select the critical objects to promote and evaluate the efficiency of heat water utilization for energy conservation.
Keywords：heat water, energy consumption, energy conservation, life cycle, equipment
performance
1
報告內容
一、究動機與目的
建築設備之熱水系統設置目的，主要在 於提供建築物內需要使用熱水之場所，滿足 其用途所需要的熱水溫度、充足的熱水水 量、適當的供給水壓以及適切水質要求。從 設備性能的觀點而言，加熱裝置設備除了機 械設備性能要求外，也是能源消耗應該探討 之主要課題。
經初步研究得知熱水系統因設備種類、
規模不同，其複雜程度亦不相同，影響耗能 的部分可約略分為（1）使用熱水溫及熱水 量、（2）地區的冷水溫度、（3）配管及貯熱 水槽等周圍溫度、 （4）貯熱水槽的熱損失、 （5）
連結配管的熱損失、（6）接閥（頭）的熱損 失、（7）各種機器的效率（如加熱器、循環 泵等）、（8）其他外加設備的耗能率。
其中影響較大的因素為使用熱水溫度及 熱水量、連結配管的熱損失與加熱器損耗之 能源量，本研究擬從建築物因熱水使用所造 成之能源消耗點切入，透過現況調查掌握使 用行為及連結配管設置情況，分析能源損耗 因素並建立生活熱水耗能評估模式予以控 制，希能透過評估模式之建立達到節能設計 之目的，以減少能源之消耗降低對地球環境 之衝擊。
二、 方法與步驟
本研究以探討熱水設備使用現況出發，
探討系統耗能為依歸，將對象鎖定於住宿類 建築，透過現況調查、相關建築法令規劃檢 討，分析台灣地區生活熱水使用行為與設備 類別及性能檢討，現況問題的掌握在方法上 主要採取現況調查及統計分析兩部分工作來 進行。在熱水使用型態與使用行為方面之探 討，擬先採用發放問卷填寫的方式，掌握初 步熱水使用行為，再選定實際案例安裝量測 儀器，實地量測熱水使用溫度及流量、計算 分析熱水使用能源負荷，最後將所有可能影 響熱水耗能的因素，建立一耗能評估模式。
本研究對熱水加熱處理的估計能量耗用 計算，是以熱水的使用量乘上熱水加熱上升
之溫度所需的能量（kcal）求得，再換算成加 熱的能源。使用之耗能量計算公式如下：
÷ 860
∆
×
×
×
= Q c T
E h h ρ （kWH）…（1）
台灣的年溫差冬天與夏天大約 10 度，就 熱水的耗能來看，溫度在台灣明顯並不是主 要的影響因素，而耗能公式中的用水量多寡 因人而異，才是台灣熱水耗能的真正影響因 素。所以本研究擬從熱水用量的問題點切 入，探討水量（流量） 、水壓與沐浴行為、沐 浴時間的相互關係，歸納出熱水耗能量的評 估公式。此外，一般民眾在每次沐浴或使用 熱水時，原殘留於管路中的水，因與使用需 求的溫度不符往往需先排除，造成用水量之 浪費以及加熱所消耗的能量。以長期的觀點 評估，此無效熱水耗能量相當可觀，需加以 納入耗能考量。
根據上述之研究方法與大致研究內容，
本計畫擬分為三個階段來進行，分別為 1.現 況調查、實地量測與問題點歸納分析、2.建 築物生活熱水負荷計算方法檢討、3.耗能分 析與評估方法建立及驗證，研究之進行流程 及工作架構如圖 1-1 所示。
研 究 課 題 重 要 性 與 預 期 成 果 確 立 文 獻 回 顧
生 活 熱 水 使 用 現 況 調 查 （ 以 台 北 市 或 台 灣
省 抽 樣 調 查 ）
相 關 建 築 規 劃 法 令 規 範 檢 討
建 築 給 熱 水 設 備 規 劃 設 計 準 則
熱 水 負 荷 計 算 分 析 與 設 計 規 劃 策 略 檢 討
建 立 生 活 熱 水 耗 能 評 估 模 式
（ 以 住 宿 類 建 築 為 對 象 驗 證 分 析 ） 現 況 問 題 整 理 分 析
結 論 與 建 議 類 型 比 較 與 特 性 檢 討
結 束 開 始
熱 水 耗 能 分 析 設 備 性 能 檢 討 建 築 給 熱 水 設 備 類
別 與 使 用 行 為 檢 討
統 計 分 析 與 基 礎 資 料 建 立
熱 水 需 求 與 設 備 設 計 / 給 熱 水 溫 度 / 給 熱 水 量 / 設 備 決 策 / … … . .
綜 合 檢 討 與 生 活 熱 水 設 備 節 能 設 計 策 略 歸 納
圖 1-1 研究架構流程與工作要點組 織
三、現況調查：
本研究以隨機方式，以戶為單位抽樣調 查，共發問卷 700 份，回收問卷 622 份，有 效問卷 546 份。其中男生佔 1040 人、女生佔 1168 人，共計人數 2208 人，年齡介於 1-90 歲（平均＝42.7 歲） ；另透天住宅建築 244 戶，
公寓住宅建築 302 戶，採樣比例相當，以便 針對各類型住宅建築，探討熱水使用之現況 問題與耗能關係。
本研究針對現況部分探討三個方向：
一、熱水設備選用及現況問題，二、使用熱 水習慣及方式，三、熱水器連接管線型式與 距出水口距離。
1.熱水設備選用及現況問題
根據調查的結果發現：台灣地區的住宅 建築皆使用獨立式熱水給水系統，且有 70%
採用瞬間型瓦斯熱水器作為加熱器使用（圖 3-1） 。使用獨立式熱水給水系統可明確釐清 各戶消耗能源量，進而轉換費用繳交，避免 不必要的麻煩，且獨立式系統在整棟大樓未 住滿前，能源使用較為節省。另外，就能源 的角度來看，瓦斯為一次能源，所轉換燃燒 的能源損失較少，不像電力能源為二次能 源，需經過發電、輸電的過程，損耗掉較多 的能源，此亦為選用瓦斯作為燃燒能源的優 點。雖然瓦斯熱水器帶來了使用上的方便 性，卻常因使用不當或疏忽，造成瓦斯氣爆、
一氧化碳中毒等事件。在過去許多人因為住 宅空間不夠，常將瓦斯熱水器置於屋內，引 起燃燒不完全而導致中毒。隨著政府的宣導 以及知識水準的提高，目前將熱水器設置在 屋內的數量已逐漸減少，從圖 3-1 中可明顯 看出大概約占一成八左右。
瞬間型電熱, 8.2%
電熱水爐, 16.5%
太陽能, 3.8%
室內, 13.9%
室外, 55.9%
瓦斯, 69.8%
其它, 1.6%
圖 3-1 熱水器使用型式現況與設置位置 為了能夠更瞭解熱水器選擇的方向與 能源使用關係，本研究針對熱水器型式選擇
的考量方向加以分析，所得資料，如圖 3-2 所示，多數人選擇因素以安全為主，價位次 之；而安全部分，又以瓦斯漏氣為優先考量，
其次是電器漏電。所以就安全這項課題來 看，瓦斯與電所產生能源的熱水器皆有其安 全顧慮。因此發展安全性高、又省能源的熱 水器成了未來趨勢。
安全, 77.7%
一氧化碳中毒, 12%
瓦斯漏氣, 49%
故障率低, 0.7%
經濟, 10.3%
礙於空間, 1.2%
效率高, 0.8%
方便, 9.4%
氣爆, 13%
漏電, 25%
圖 3-2 熱水器選擇考量及安全考量 安全上的考量除了選用安全性高的熱水 器外，熱水器的使用年限也可能造成安全上 的疑慮，當熱水器的使用年限越長，則可能 因熱水器老舊產生故障加增安全上之疑慮。
根據調查顯示（圖 3-3）在熱水器的更換方 面，有 75.5%的人都是等到熱水器不堪使用 後才進行更換，其中熱水器的使用年限大多 在 5-10 年之間，在 5 年之內即損壞的熱水器 也為數不少，熱水器的損壞可能因熱水器的 品質，或安裝使用上的因素而有不同的使用 期限，因此需定期檢修熱水器，以防熱水器 發生故障造成熱水使用上的不舒適或安全上 的威脅。其次因家裡整修重新裝璜而更換熱 水器者占 10.4%，因安全考量而更換熱水器 者儘占 3.1%。
不願使用, 6.1%
安全考量, 3.1%
整修, 10.4%
其他, 4.9%
未滿5年, 25.2%
5-10年, 40.5%
10-15年, 5.5%
15-20年, 2.5%
20年以上, 1.8%
不堪使用, 75.5%
圖 3-3 熱水器選擇考量及安全考量
多數家庭所更換的熱水器類型會與原來
的相同，少部分安裝於室內的熱水器會因安
全上的考量將瓦斯熱水器更換為電熱水器或
是選擇更換為安全性更高更省能源的太陽能
熱水器。
3
台灣目前住宅的給水方式可歸納為由自 來水公司直接接管的直接給水式，與透過給 水設備接管的間接給水式。目前台灣地區以 間接給水方式的建築佔大多數（約 95％），
由於設備設置的因素，常會造成水壓不穩的 情況，造成使用熱水時感覺熱使忽冷忽熱或 水壓忽大忽小的不舒適性，甚或使目前使用 最多的瞬間型瓦斯熱水器熄火，導致需重新 開熱水而造成的能源的損耗。
2.使用熱水方式及習慣
通常不同的沐浴方式，會造成不同的用 水量。根據本研究調查的結果，台灣地區目 前採用淋浴的人數約佔八成四，將水盛於盆 中，再進行沐浴或泡澡者約僅佔一成六（圖 3-4） 。由於淋浴者佔大多數，所以經過初步 觀測後發現，沐浴習慣影響用水量很大，必 須針對沐浴習慣進行進一步探討。
1.3%
15.3%
83.4%
0% 20% 40% 60% 80% 100%
泡澡 盆浴 淋浴 沐浴方式
調查結果(%)
圖 3-4 沐浴方式之比例關係
探討後發現，沐浴習慣與用水量較有關 係者大致上分為三點：沐浴時是否洗髮、沐 浴時塗抹肥皂時是否關水、沐浴時是否會再 做其他非沐浴行為（如刷牙、刮鬍、洗衣等） 。 調查結果如圖 3-5 發現：沐浴時會有大量耗 水習慣的人大致上約佔 15％左右，而較不會 有大量耗水習慣的人約佔 85％，此為重要的 評估判斷依據。
3.熱水器連接管型式與距出水口距離
根據建築技術規則設備篇第三十條的 規定，大部分的熱水使用設備採用最小接管 管徑為 13mm，給水器具多半也依據此管徑 生產，因此住宅熱水配管方面多採 13mm 管 徑之水管以滿足法令規定，其比率約佔八成。
由於台灣地區過去對於獨立式熱水器
連結的管線距離不像中央式熱水器那麼長，
且不重視保溫材的設置。因此傳送過程造成 的熱損較少，絕大部分為擱置長時間而變冷 的情況較多。
14%
86%
15%
85%
0% 20% 40% 60% 80% 100%
是 否 是 否
使用肥皂時 不關水沐浴時做其他 非沐浴行為
人數比例(%)
沐浴習慣
圖 3-5 大量耗水習慣與否之比例關係 在集合住在中由於空間配置之影響配 管多在 5-10 公尺之間，而在透天住宅及獨棟 住宅中，熱水器之位置則能較靠近熱水使用 空間，配管長度以 5 公尺以下居多。而在獨 棟或透天住宅中，當熱水器位在建築物頂樓 或屋頂，熱水使用空間散佈在各個樓層時，
則會造成配水管線長度的增加。在本調查 中，配管長度最短為 0.5 公尺，最長則長達 為 22 公尺，平均熱水配管長度為 6.56 公尺，
如圖 3-6。解決方法建議將需用熱水的單元 平面盡量集中以及盡量在單位時間內用熱 水，以避免水資源與能源的損耗。
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
透天住宅 集合住宅 獨棟住宅
住宅型式
配管長度分佈比例（％）
5公尺以下 5-10公尺 10-15公尺 15公尺以上
圖 3-6 不同型式住宅建築配管長度分佈
四、耗能實驗與分析
利用浴缸收集沐浴用水並以標尺量測
水深。根據 150 個沐浴者在沐浴後量測用水
量 Q T 。用水量包含沐浴用水 Q B 及原留於管
內的冷水 Q P 其與之後留在管內的熱水量相
同。實驗裝置如圖 4-1 所示。
圖 4-1 利用標尺量測沐浴水深
浴沐用水量與每人的沐浴習慣有很大 的關係。本實驗計錄每一案例沐浴所消耗的 水量。利用統計方法分析沐浴用水量及習慣 間的關係，如圖 4-2 所示。根據觀察，沐浴 行為可區分為省水及耗水兩種模式。結果顯 示兩種模式均為常態分佈，約有 15%的沐浴 是耗水，其為夏天 9%、冬天 22%的平均值。
耗水模式的平均耗水量為 53.2L，標準偏差 為 11.4L ； 而 省 水 模 式 的 平 均 耗 水 量 為 28.8L，標準偏差為 9.4L。若平均 85%省水模 式及 15%耗水模式的用水量，則每個人的平 均用水量為 40L。
W as t ed = obs .= 27, Mean = 53. 2, St d. dev .= 11.4 E c onom ic = obs . = 123, Me an = 28.8, St d. dev .= 9. 4
W at er v olum e of bat hing (l)
0 10 20 30 40 50 6 0 70 80 90
0 10 20 30 40 50 60 70
No of obs
W as t ed Ec on om ic
圖 4-2 沐浴習慣差異性與用水量關係
熱 水 溫 度 是 常 被 討 論 的 另 一 重 要 因 素。因此在實驗裝置中，於蓮蓬頭部分設置 溫度感測器。在沐浴前開啟冷水量測冷水溫 度，取得 T C 值。然後在沐浴或盆浴過程中，
取得沐浴水溫 T B 。實驗裝置如圖 4-3 所示。
本實驗先行於 2003 年 3-4 月施作，共 進行 150 人次之實驗，平均氣溫為 25.0℃，
平均冷水溫為 22.5℃。所得到的沐浴用水溫 度經統計分析後如圖 4-4 所示。大多數的沐 浴用水溫度介於 35.0°C-40.0°C 之間，平均沐
浴用水溫度為 38.4℃，中數為 40.0℃，標準 偏差為 4.71℃。
38.14℃
Thermal Couple
圖 4-3 溫度感測器置於蓮蓬頭出處
另一實驗於 2003 年 10-12 月間進行，
共進行 763 人次。如圖 4-5 所示，平均熱水 溫度為 38.5℃，多數的沐浴熱水溫度落在 35.0℃-40.0℃這個群落。雖然沐浴溫度介於 2.0℃-50.0℃之間，然而超過 50℃以上的溫 溫接觸 1 分鐘以上便會對人體皮膚造成傷害 及不舒適性，因此實際溫度為 22.0℃-45.0℃
之間。根據 JSHASE [7]中指出，在日本地區 適合人體沐浴溫度為 40.5℃，而台地於屬於 亞熱帶區域，合適的沐浴溫度為 38.5℃。
Using Heat Water Temp.
Mean=38.4, Median=40, Std. dev. = 4.71 K-S d=.16752, p<.01 ; Lilliefors p<.01
Expected Normal
20 25 30 35 40 45 50
Water Temp.(°C) 0
10 20 30 40 50 60 70 80 90
No. of obs.
圖 4-4 台灣地區春季沐浴熱水溫度統計圖
在先前的研究中對住宅用水的概述，提 出從水的供應到排水的處理能源消耗的基本 計算。大部分的能源耗損來自於熱水加熱設 備，當建築物使用大量熱水時，必需考量熱 水加熱器所耗損的能量，不可忽視。
根據先前的研究，利用公 2 計算熱水使 用所消耗之能源：
T c
Q
E H = H × × ρ × ∆ （kcal）---（2）
5
Norma l Dis tribu tio n in Temperature o f B athing Obs. = 763, Mean = 38.45, Std.dev.=2.975
15 20 25 30 35 4 0 45 50 55
Te mpe ra ture of Bathing ( C) 0%
13%
26%
39%
52%
66%
79%
92%
Percent of obs
圖 4-5 台灣地區冬季沐浴熱水溫度統計圖
根據能量守恆定律，沐浴用水耗能 E B
包括熱水器耗能 E H 及冷水中和耗能 E C ，可 簡化如下例公式 3
( B C )
B
B Q c T T
E = × × ρ × − （kcal）---（3）
從實驗中，量測沐浴用水量 Q B ，沐浴 水溫 T B ，冷水溫度 T C ，然後依公式 3 計算 沐浴用水耗能 E B 。
而使用後留於配管內的熱水會慢慢冷 卻，直到下一次的使用，且會將這部分的水 排除。在長期的觀察下，這樣的情況浪費大 量的水及能源。因此提出公式 4 計算這部分 用水的耗能。
T c
P A
E P = P × L × × ρ × ∆ （kcal）---（4）
最後，根據先前的研究成果 [1]，冷水用 水 1 m 3 =0.948kWh 的電力=817kcal 的能量，
因此每人每次沐浴整體熱水耗能量 ET 可由 下列公式 5 計算，耗能計算的步驟如圖 4-6 所示。
T P
H
T E E Q
E = + + 0 . 817 × （kcal）---（5）
依據分析的結果即用水量 40.0L 及沐浴 水溫 38.5℃，計算台灣地區的沐浴耗能量。
當冷水溫度為 22.5℃而熱水溫度為 55.0℃
時，基於這個調查結果沐浴用水耗能 E B 為 0.728kWh，殘留於管內熱水的耗能為 0.03 kWh，熱水的總耗能量 E T 為 0.798kWh/人(即 19.948 kWh/m 3 )。
在對位寒帶地區的日本其沐浴用水量 及溫度的文獻中，每人沐浴耗能約為 1.311 kWh/人，用水量為 51.0L，沐浴水溫為 40.5
℃，冷水溫度為 20.0℃，熱水溫度為 60.0℃，
配管內的水量為 1.0L。由此可知，日本地區 的熱水耗能高於位於亞熱帶地區的台灣。
五、熱水耗能評估模式之建立
假設整個建築物生活熱水系統所需損耗 的能源部份為 CE，而耗能量計算公式（1）
所計算出之熱水耗能量值為 EH，CE 與 EH 之比值即為熱水耗能係數，整理成耗能係數 公式如下：
/ EH =
CE ……….（6）
所謂的「熱水系統耗能量」包含整個熱 水供應系統中所有設備的能量損耗。若將所 有的熱水系統耗能量展開，則熱水耗能係數 公式將可改寫成下列公式：
∑
∑ +
× + + + +
=
=
=
121 12
/
1M M
M
M M M M M
