行政院國家科學委員會專題研究計畫 期末報告
農村再生與鄉村永續發展之研究--農村再生與太陽能節能 建材於農村建築應用之研究(I)
計 畫 類 別 ： 整合型
計 畫 編 號 ： NSC 101-2621-M-011-001-
執 行 期 間 ： 101 年 08 月 01 日至 102 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學營建工程系
計 畫 主 持 人 ： 楊錦懷
計畫參與人員： 碩士級-專任助理人員：王運婷
博士班研究生-兼任助理人員：陳弈霖
公 開 資 訊 ： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 102 年 10 月 26 日
中 文 摘 要 ： 本子計劃＂農村再生與太陽能節能建材於農村建築應用之研 究＂，主要工作為配合整合型總計劃＂農村再生與鄉村永續 發展之研究＂與各子計劃間相互合作配合以促進整體農村地 區之發展。本子計劃共分兩年，工作重點第一年含:(1) 研發 農舍之屋頂可使用太陽能光電系統與太陽能節能採光罩；(2) 光電屋頂改造結構應用，可行性評估及軟件數值分析；(3)舊 有屋頂改建計劃；(4)分析導光、隔熱建材與通風之設計，創 造出提供建築再生能源供給與節省耗能之建築型式；(5)建構 鄉村太陽能節能建築現代農舍，改變農村之面貌與居住型 式。第二年含: (1)應用太陽能節能玻璃作為農漁牧業與養殖 業大棚，改善夏天過熱與冬天寒害，提升產能；(2)應用太陽 能節能玻璃作為農業與養殖業大棚，將電力賣給台電，增加 農漁民收入；(3)應用太陽能節能玻璃作為農業與養殖業大 棚，將原有農漁牧與養殖業產值由原本之單純作物收入轉成 再加上賣電收入之雙重產值，改善農村生活。
中文關鍵詞： 農村,太陽能,節能,建材,太陽能節能玻璃
英 文 摘 要 ： The project named “A study of rural regeneration and rural sustainable development and the application of heat insulation solar materials on the rural
buildings＂ is one sub-project of the main project named “A study of rural regeneration and rural sustainable development＂. The main purpose of this project is to finish the target of main project and cooperate with other sub-projects. It takes two years to finish the project, which includes (1) solar roof and solar sky-light application on the rural
buildings; (2) the structure analysis of solar roof of rural buildings;(3) the re-construction of old roof of rural buildings;(4) heat insulation
construction materials application on the rural buildings;(5) a new style of solar rural building design in the first year and (1) application of heat insulation solar glass sky-light on the green house;
(2) power generation from the solar sky-light of green house;(3) more income for the rural people due to selling solar electricity to Tai-Power from the solar power roof system on the green house.
英文關鍵詞： rural, solar energy, energy saving, construction materials, heat insulation solar glass
101 101
101 101 年度國科會自然處永續學門 年度國科會自然處永續學門 年度國科會自然處永續學門－ 年度國科會自然處永續學門 － － －永續發展 永續發展 永續發展 永續發展 整合研究計畫成果報告
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整合型計畫名稱: :: :農村再生與鄉村永續發展之研究 農村再生與鄉村永續發展之研究 農村再生與鄉村永續發展之研究 農村再生與鄉村永續發展之研究
農村再生與太陽能節能建材於農村建築應用之研究 農村再生與太陽能節能建材於農村建築應用之研究 農村再生與太陽能節能建材於農村建築應用之研究 農村再生與太陽能節能建材於農村建築應用之研究(I) (I) (I) (I)
計畫類別：□ 個別型計畫 ■ 整合型計畫 計畫編號：NSC 101-2621-M-011-001-
執行期間：2012 年 08 月 01 日至 2013 年 07 月 31 日
計畫主持人：楊錦懷 共同主持人：
計畫參與人員： 陳弈霖，王運婷，葉時逢，許清松
目錄 目錄 目錄 目錄
一 一 一
一、 、 、 、 前言 前言 前言 前言 ... 1 二
二 二
二、 、 、 、 研究目的 研究目的 研究目的 研究目的 ... 2 三
三 三
三、 、 、 、 文獻探討 文獻探討 文獻探討 文獻探討 ... 3 四
四 四
四、 、 、 、 研究方法 研究方法 研究方法 研究方法 ... 25 五
五 五
五、 、 、 、 結果與討論 結果與討論 結果與討論 結果與討論 ... 40
一 一 一
一、 、 、 、 前言 前言 前言 前言
政府為促進整體農村地區之發展，於民國九十九年頒佈「農村再生條例」， 並且設置新台幣 1500 億元農村再生基金，執行農村再生計畫。明定農村再生之 推動以現有農村社區為基礎，兼顧生產、生活、生態之三生整體規劃原則(農村 再生條例第四條)，並注重農村文化之保存與維護及農村景觀之綠美化。同時依 據居民之需要擬定農村再生計畫(農村再生條例第九至十條)，推動由下而上的村 民參與制度，以落實社區參與之機制(農村再生條例第十六條)，使農村規劃建設 之結果，符合村民之期許。「農村再生」政策理念以現有「農村聚落社區」為再 生標的，推動由下而上的共同參與制度，強調農業生產、生活、生態之三生環境 規劃及建設，並注重農村文化之保存與維護及農村景觀之綠美化。「農村再生條 例」及相關配套措施正積極進行中，該條例配合現行土地發展制度，考量農村聚 落社區發展型態，分別對推動機制與原則、農村規劃及再生、農村土地活化、農 村文化及特色等訂定相關條文，作為農村整體發展及規劃建設之基礎。實務上，
農村再生之發展規劃與建設，仍然面臨許多再生推動方式、理念、目標、手段與 策略等諸多問題，有待釐清，避免產生未來台灣農村能否確實再生及永續發展的 疑慮。
近年全球氣候變遷，農業生產環境遭到破壞，造成糧食短缺、糧價高漲，出 現糧食危機，因而農業生產環境的維護與糧食安全的問題不可忽視。再者，歐美 國家體認到農業不僅是生產糧食的經濟產業，同時也具有環境、社會方面的功能，
如休閒遊憩、農村文化、維護生態。而農村具有其面積廣大之地利條件，若配合 建築或大範圍之土地面積，廣泛應用太陽能，其產出電能，能供應農村部分供電，
或其將多餘之能源販售回國家能源處，其為農村生態之永續發展新型態。因此，
兼顧農業多功能性，與發展永續農業，故農地利用與城鄉農業發展具備相當的重 要性。本計劃提出「農村再生與太陽能節能建材於農村建築應用之研究」構想，
以新建農舍規劃成太陽能節能建築；改善舊有農舍之鐵皮屋頂以及農漁牧業養殖 環境改造為主要目標，盼農村建築中能導入太陽能源之應用，並進行整合計劃，
以落實執行。
二 二 二
二、 、 、 、 研究目的 研究目的 研究目的 研究目的
本計畫希望將新建農舍規劃成太陽能建築，以及給予舊有農舍一些環境改善 之建議，因此，計畫中主要內容分為兩大部分：第一部分是根據實驗小屋做相關 環境監測試驗，用以得知不同外殼玻璃材料用於實際屋子上會出現何種差異性，
可以提供傳統農村將太陽能源導入之環境評估參考；第二部分則是利用實驗數據 和模擬軟體進行驗證並且設計出一個太陽能建築形式，此部分則提供新建農舍一 個完整模型以此做為參考。
第一部分主要針對玻璃建材對建築物室內環境舒適性的影響來做試驗，玻璃 建材對建築物來說是不可或缺的材料，主要為建築物採光及通風用的窗戶，但普 通的玻璃由於傳導太陽輻射熱的關係，且玻璃對室內熱負荷具有相當大的影響，
是屬於高耗能的材料，故現今有各種不同的節能玻璃來取代傳統的玻璃，可以有 效降低太陽幅射熱及熱傳導，而在現代建築裡也越來越多具美觀兼採光的玻璃帷 幕大樓如台北 101 大樓，玻璃的節能效果直接變成室內環境舒適的關鍵因素，因 此選擇三種不同的玻璃建材來做為研究對象，分別為一般玻璃、LOW-E 複層玻璃 及台科大楊錦懷教授所研發的太陽能節能玻璃，用以了解三種玻璃對室內環境舒 適度之影響及三種玻璃的節能效益為目的。
第二部分利用本團隊自行研發之太陽能節能玻璃應用於建築物上之發電、隔 熱及耗能分析，並整合太陽光電、節能設計與環境評估，配合台灣海島型氣候，
設計出適合台灣的太陽能光電建築模型，目的在希望不影響人類生活品質下，降 低我國建築能源的使用，達成能源使用上可自給自足的零耗能建築模式。本研究 針對太陽能光電以及建築節能這兩方面去做規劃設計，研究中，利用太陽能節能 玻璃(Heat Insulation Solar Glass，簡稱 HISG)及太陽能模組達到發電之目的，
以平衡建築物之耗能，建築節能的主要對策可分為建築外殼、空調、照明、設備 等主軸，其中建築外殼為最主要的影響因素，建築設計上，只要掌握建築環境及 外殼本身之節能因子，同時減少空調及照明設備使用，便可得到良好的節能效益，
故本研究運用太陽能節能玻璃特有的節能因子，加入建築節能設計並進行模擬分 析比較，以完成新能源型式的建築模型。
三 三 三
三、 、 、 、 文獻探討 文獻探討 文獻探討 文獻探討
台灣地理環境與氣候類型 台灣地理環境與氣候類型 台灣地理環境與氣候類型 台灣地理環境與氣候類型
台灣位於亞洲大陸東南沿岸，本島長約 380 公里，寬約 144 公里，面積 35759 平方公里，極東-三貂角 東經 121 度 59 分，極西-曾文溪口 東經 120 度 04 分，
極南-鵝鑾鼻 北緯 21 度 54 分，極北-富貴角 北緯 25 度 18 分，北部為副熱帶季 風氣候，南部為熱帶季風氣候，台灣中央山脈南北走向，與季風相交，夏季主要 受太平洋高壓影響，盛行西南季風如圖圖 三-1 所示，冬季主要受西伯利亞的大 陸冷高壓影響，盛行東北季風如圖 三-2 所示，氣候主要特徵為夏季悶熱冬季溫 暖，且台灣於屬海島型國家，相對濕度每月平均皆超過 70%，為潮濕氣候特徵如 表 三-1 所示。
表 三-1 台北地區氣象站月平均溫度、相對濕度表
一月 二月 三月 四月 五月 六月 七月 八月 九月 十月 十一月 十二月 平均 統計期間 溫度
(℃) 16.1 16.5 18.5 21.9 25.2 27.7 29.6 29.2 27.4 24.5 21.5 17.9 23 1981-201 0
濕度
(%) 78.5 80.6 79.5 77.8 76.6 77.3 73.0 74.1 75.8 75.3 75.4 75.4 76.6 1981-201 0
圖 三-1 夏天氣流太平洋高壓
圖 三-2 冬天氣流大陸冷高壓 太陽能電池
太陽能電池 太陽能電池 太陽能電池
太陽位於太陽星系的中心，距離地球約 1 億 5000 萬公里，供應著地球的光 與熱，而光與熱是以電磁波方式傳遞至地球表面。電磁波共分成成伽瑪射線、X- 射線、紫外線、紅外線等，這些射線經過大氣吸收、散失能量，最後達到地表，
形成地表上的輻射光熱來源。在地表上之輻射光譜以圖 三–之粗線表示，而細 線表示從宇宙來的太陽輻射，進入大氣圈時，紫外線及青色等高能量部分極易與 空氣分子產生散射而喪失能量，所以我們由地表所看到的天空為藍色；再經過大 氣中水蒸氣分子之吸收，所以最終到達地表之太陽光，其光譜之分布為圖中減掉 灰色部分之粗線。
圖 三–3 太陽輻射光譜
針對太陽輻射之能量大小而言，從太陽表面所放射出來的能量，按照地球的 截面積是 127,400,000 平方公里，因此整個地球接收到的能量約為 3.8×1026 W 左右。這些能量其輻射源密度約為 1400W/m2，就是所謂的太陽常數(solar constant)，由於太陽表面常有太陽黑子活動的緣故，太陽常數並不是固定不變 的，一年當中的變化幅度在 1 %左右。然而，到達地球上之太陽光線，其實隨著 當地的緯度，時間與氣象狀況而改變。此大氣圈所通過空氣量稱為空氣質量(Air Mass , AM)。其單位以從天頂垂直入射之通過空氣量為基準，稱為 AM-1。比如
說大氣圈外為 AM-0，而晴天時之日間直射日光為 AM-1.5。
圖 三–4 球表面所受的太陽輻射量轉換
因此，到達地球之總輻射能為太陽常數與地球之投影面積之乘積，地球為一 長半徑 6378 km，短半徑 6356 km 之近似橢圓球。投射到地球之太陽能以 100 % 計算時，以短半徑來計算時，約為 177×1015 W。而這些能量在地球表面上分配 之可在圖 三–看出，所有能量約 30 % ( 52×1015 W)以光的形式再反射至太空。
其餘約 70 %雖然可以通過大氣層，以直射光或散射光到達地球表面。其中約 47 % 變成直接熱，而剩下約 23 %能量，一部分反射回大氣層，一部分則蓄積在海水 或冰中，其一部分做為水蒸發成雲或雨之能量。在這些能量中，與人類生活有直 接關係之風、波浪與對流等所用之能量僅佔 0.2 %，約 0.37 × 1012 kw；而用在 地球上動植物成長者，亦即所謂光合作用之生物能，僅 0.02 ％左右，約為 400×108 kw。雖然所餘下的能量占整體少數，卻還是對於維持地球環境之平衡有 著重要的影響，假若我們可以善用一部分的太陽能資源取代部分的能源使用，就 可以解決能源不足的問題以及降低對自然環境的傷害。
太陽能光電轉換及發電原理
太陽能電池顧名思義就是將太陽產生的光能轉換成電能加以運用。當光照射 在物體表面上，部分的光會被物質吸收，此外的部分會由物體表面反射出去或者 穿透物體，這是光的特有性質。故太陽能電池利用吸收的光能使其內部半導體發 生作用，進而產生電能，這種光能轉換成電能的現象是為光伏效應(photo voltaic effect)。
太陽能電池能夠將光能轉換為電能主要因素：一是光導效應(photo
conductive effect)，做為太陽能電池之材料，必須同時考慮吸光效果以及導光 效果，吸光效果越好，發電功率相對表現較好，導光效果亦同；二是內部電場，
太陽能電池大多由半導體製程的方式製作，半導體當中之價電子獲得足夠的能量 後，便會跳脫共價鍵之能階，進入傳導帶變成自由電子，與電洞產生作用形成內 建電場，而利用物質介面中的電場所產生的電位差來發電。
目前太陽能電池產業多以矽做為主要原料，矽原子外層有四個價電子，在外 來的太陽光能照射下，就可以跳脫能階形成自由電子，而電子空出來的空間形成 電洞，自由電子會因為碰撞和摩擦損失能量，與電洞相吸引又再結合。
純淨的矽晶體中，電子和電洞的數目是相等的，這種沒有摻雜其他種類原子 之半導體，稱為純半導體，又稱本質半導體(Intrinsic Semiconductor)。此種 半導體雖太陽光照射下就可以產生電子電洞對，但由於自由電子與電洞之濃度太 低，不利於產生大量電流，故在本質半導體中加入微量的雜質原子，提高電子電 洞對的數目，相對也提高半導體之導電效果。在純半導體中加入雜質原子的過程 稱為摻雜，經過摻雜處理過後之半導體是為外質半導體(Extrinsic
Semiconductor)，典型的外質半導體則可分為 N 型半導體與 P 型半導體。
N 型半導體摻雜五價元素原子，如磷 P、砷 As、銻 Sb 等，來取代一小部分 的矽，這類原子擁有五個價電子，與臨近矽原子形成共價鍵時，會多出一個自由 電子帶負電，因此成為 N 型半導體。P 型半導體則是摻雜三價元素原子，如硼 B、
鋁 Al、銦 In 等，與矽原子結合成共價鍵時會產生空缺為電洞，這些額外的電洞 帶正電，故為 P 型半導體。
圖 三–5 P 型半導體與 N 型半導體
N 型半導體與 P 型半導體雖然各帶有自由電子或電洞，但是本身仍保持電中 性。假若將 N 型半導體及 P 型半導體接和在一起，會因為兩邊自由電子與電洞的 濃度差異產生擴散，N 型半導體中自由電子濃度較高，因此自由電子由 N 型半導 體向 P 型半導體擴散，反之亦同。擴散的結果使得接面附近的 N 型半導體失去電 子得到電洞而帶正電，P 型半導體失去電洞得到電子而帶負電，導致電荷密度不 均因而在接面產生電場，此時若有電子電洞在電場內產生，則會受到電場的作用 而移動，電子趨向於 N 型半導體，電洞趨向於 P 型半導體，電子電洞對會因為電 場作用而使電池內的電荷往兩端集中，此時只要外加電路將兩端連接即可利用電 池內的電力，這就是所謂的太陽光電池的轉換原理如圖 三–。
圖 三–6 太陽能電池之光電轉換原理架構 太陽能電池及種類
太陽能電池及種類 太陽能電池及種類 太陽能電池及種類
太陽能電池一般稱為 Solar Cell，亦可稱為 PV Cell。市面上太陽能電池種 類繁多，如
表 三–。目前市面上較常見之太陽能電池，以矽系的太陽能電池居多，矽 系的太陽能電池還可以分為晶矽跟非晶矽，晶矽可再細分為單晶矽跟多晶矽，兩 者發電效率會有所不同；而非晶矽之太陽能電池又可稱為薄膜矽太陽能電池。
表 三–2 太陽能電池種類
本論文主要是採用晶矽以及非晶矽之太陽能電池相互搭配，做為發電來源，
以下就晶矽與非晶矽之太陽能電池種類進行介紹。
1.單晶矽
單晶矽的組成原子均按照一定的規則，週期性的排列，而它的製作方法是將 矽金屬熔融於石英坩鍋中，再將晶種插入液面，以每分鐘轉 2~20 圈的速率旋轉，
同時以每分鐘 0.3~10mm 的速度緩慢的往上拉引，如此即可形成一直徑 4~8 吋單 晶矽錠。
用單晶矽製成的太陽能電池，效率高且性能穩定，目前已廣泛應用於太空及 陸地上，但製程上比較昂貴，雖然發電量比較好，但礙於晶圓型式，大多在四角 為圓弧造型，鋪設時面積上無法達到最佳效應。
2.多晶矽
以單晶矽或多晶矽製造的太陽能電池統稱結晶矽太陽能電池，多晶矽太陽能 電池與單晶矽太陽能電池，發電原理相同但結晶結構不同，由於多晶矽太陽能電 池形成結晶速度快，矽原子沒有足夠的時間形成單一的晶格而形成許多結晶顆粒，
所以具有晶界及排列上的缺陷，導致在光電轉換效率上遠低於單晶矽，但由於多 晶矽太陽能電池的製造過程簡單，成本甚低為其發展上之優勢。
多晶矽發電量略遜於單晶矽，但製程上比單晶矽便宜，形狀上可以截為正方 型，鋪設時可以達到最大面積的利用吸收，多晶矽的矽原子堆積方式不只一種，
它是由多種不同排列方向的單晶所組成，多晶矽是以熔融的矽鑄造固化製成，因 其製程簡單，所以成本較低，目前多晶矽所製造出的太陽電池，使用上已經逐漸 超越單晶矽太陽電池。
3.非晶矽材料
非晶矽乃指矽原子的排列非常紊亂，沒有規則可循，一般非晶矽是以電漿式 化學氣相沉積法製程，非晶矽對光的吸收性比晶矽強 500 倍，所以對非晶矽而言 只需薄薄的一層就可以把光子能量有效的吸收，而且不需要使用價格昂貴的結晶 矽基板，改採價格較低廉之玻璃、陶瓷等基板，如此不僅可以節省大量材料成本，
也使得提升太陽電池面積。
非晶矽所需成本最為便宜，但因為其結晶構造比單晶矽以及多晶矽要來得差，
所以發電效率最差，且發電率容易下降，但由於可利用玻璃及塑膠做為基材，與 建築物可做最佳組合，可做太陽光電模組。非晶矽薄膜光電板特性並不需要很充 足的光及直射角度就可以有發電效率，雖然光電轉換效率不高，光電轉換較不受 日照角度限制，因而陰天也可以達到發電效果。
表 三- 3 晶矽與非晶矽太陽能電池種類比較
太陽能電池種類 優缺點 製造技術 製造成本 模組 轉換效率 單
晶 矽
發電量佳
成熟 高 15-20%
製程貴 造型受限制
多 晶 矽
製程較便宜
成熟 高 10-18%
發電量較單晶 矽低
非 晶 矽
成本便宜
漸成熟 較低 5-10%
可以取代部分 建築材料 發電量較差
太陽能節能玻璃 太陽能節能玻璃太陽能節能玻璃 太陽能節能玻璃
太陽能節能玻璃，是由我們團隊所研發出來，一塊結合發電、隔熱等功能的 複層玻璃。外側層利用可透光之薄膜矽(非晶矽)的太陽能電池達到發電及可視的 效果；中間夾入空氣層與金屬氧化之薄膜反射層，達到隔絕熱源且保存內部溫度 的功能；內側層則用一般強化玻璃作為透光結合之用，如圖 三–。
圖 三–7 太陽能節能玻璃展示圖
經本團隊於頂樓實驗小屋實驗結果證明，太陽能節能玻璃相較於一般玻璃之 使用，擁有較高的隔熱性能，以維持舒適之室內溫度，如圖 三–；由於優越的 隔熱性能，相對來說，屋子內的冷氣耗能也會相對降低，如表 三–；而另一方 面，因為有空氣層與隔熱膜與半導體膜對輻射熱與傳導熱之隔絕，因此在冬天有 室內保暖之作用，也可以減少室內暖氣耗能，如表 三–。
圖 三–8 實驗屋室內溫度比較圖
表 三–4 冷房試驗結果(左:節能玻璃屋;右:一般玻璃屋)
表 三–5 暖房試驗結果(左:節能玻璃屋;右:一般玻璃屋)
太陽能節能玻璃的適用範圍很廣，尤以作為建築材料見長，本研究係以太陽 能節能玻璃為主軸，分析其運用在零耗能建築外殼上之發電與節能效益。
建物一體太陽光電
建物一體太陽光電(Building Integrated Photovoltaic，簡稱 BIPV)，一 般所指將建築上的部分建材利用可發電之光電模組，以建築設計手法結合在一起，
配合光電模組既有之發電功能，進行鋪設，讓原本建材不再只是遮風避雨的建築 外殼一部份，進而可以用來發電儲存能源自給自足。選用太陽能光電板取代部分 建材之好處有：產電過程中不會有噪音、使用保證期限都在 20 年以上使用壽命 長等，因此，配合系統施作可以進行廣泛的運用。
鋪設光電板須考慮發電效益同時具備不失美觀性之考量，又 PV 為一種以光 作為觸媒之材料，故鋪設地點通常是以屋頂、牆面、遮陽設備、天井不等，凡屬 建築多光照區域會較適合鋪設錯誤錯誤錯誤錯誤! ! ! ! 找不到參照來源找不到參照來源找不到參照來源找不到參照來源。。。。為了讓其光電材料能真。 正達到效益，且與建築外殼達到相互結合之藝術，應予以配合屋頂牆面隔熱、遮 陰、採光照明、通風等設計手法、技術，進一步達到建築節能之效益。
安裝光電模組前，所需考慮到下面幾項要點：
太陽的方位、角度、日射量與日照時數。
太陽方位角度與日射量 太陽方位角度與日射量 太陽方位角度與日射量 太陽方位角度與日射量
影響太陽能光電系統之擺放以及發電性能的主要因素為太陽照射之方位及 角度，太陽高度角(h)，通常高度角之值為 0～90 度之間，夏至時太陽角度為最 高，反之，冬至為最低。太陽方位角(A)，太陽方位角是以正南向為基準 0 度，
南向東為負值，南向西為正值，其值介於-180～180 度之間，如太陽高度角(h) 與方位角(A)所示。
圖 三–9 太陽高度角(h)與方位角(A)
當光電板垂直於來源光線時，所產生之電能大於任何一個受光角度，所以將 太陽能光電板安置於室外時，需考量到設置地方的緯度位置。台灣地區裝設光電 板的最佳仰角角度介於 22 至 25 度間，此角度依據台灣南北地區緯度之不同而有 些微差異，南部光電板傾斜角度較小，北部傾斜角度需較大；也就是說緯度相對 較高的國家太陽能光電板安裝之傾斜角也會越大，而越靠近赤道低緯度的地方，
安裝之傾斜角度會趨近於水平。
為考量到建物一體太陽光電 BIPV，是太陽能光電板與建築物之結合，故太 陽能板之擺放必須遷就於建築物的設置。台灣因地屬北半球亞熱帶氣候區，太陽 照射角度會隨著氣候四季之不同而變化，如圖 三–台灣地區日徑圖所示。台灣 地區對南面之日照以春秋分為最大，對北面之日照以夏至為最大，冬至時太陽直 射角度較為傾斜，夏至時太陽直射角度接近垂直。圖 三–3 為台灣依照季節不 同變化所需設置光電板之仰角。
圖 三–10 台灣地區日徑圖
圖 三–3 台灣季節變化光電板設置仰角
而另一方面，光電建築設計中，日射量與日照時數對於光電板之發電量也是 重要的影響因素。太陽的日射量是指入射於水平面之直達日射、擴散輻射及反射 輻射三者之總稱，亦可稱為全天空輻射。日射量是用來度量在給定的時間和區域 內太陽輻射能量的數值，它通常被表達成每米平方的太陽輻射功率(W/m2)，若以 一小時，或一日之累積量表示為 MJ/m2h、MJ/m2 day。日射量通常在早上 10 時 到下午 2 時最為強烈，也是太陽能電池發電功率最好的時段。
另一個與太陽能發電有關的計算參數即為日照時數。日照時數為一地實際所 受日光照射之時間，以小時為單位。根據世界氣象組織的定義，當地面量測的太 陽輻射量超過 120 W/m2 時，即達到計算日照時數的標準，而若低於 120 W/m2 時 則不列入計算。
以台灣地區為主要考量，中央氣象局在台灣各地皆設有氣象觀測站，許多觀 測站都有日照時數及日射量方面的量測，這部份與太陽能光電系統發電量有密切 的關係。而日照時數之觀測通常較為單純，其量測數據通常較日射量數據具有較 高的信賴度，因此利用日照時數來預測當地的日射量，或光電系統的發電效益，
也比較可靠。
建物一體太陽光電之應用 建物一體太陽光電之應用 建物一體太陽光電之應用 建物一體太陽光電之應用
建物一體太陽光電形式種類繁多，但其主要原理大致相同，是以建築設計手 法，將太陽能光電板加入建築物建材中，由於台灣環境地狹人稠之限制，沒有足 夠空間配置大量太陽能板，假若太陽能光電板能依附或者更甚而取代部分建材，
不但解決的設置上的問題，也讓建築外殼形式多了不同選擇，使建築物本體更具 有價值。
常見之 BIPV 型式，大致可分為下列幾種形式：
1.帷幕牆式：帷幕牆的材料通常安裝為石材、金屬板、玻璃、磁磚等，依據規範 所指，帷幕牆除承載本身重量及其所受之地震、風力外，不再承載或傳導其它載 重之建築物外牆。如此 PV 光電板即可加入考量。
2.屋頂式：綜觀台灣建築其屋頂包括平面屋頂與斜屋頂，其中光電板受光角度將 會影響發電結果，所以安置在何種屋頂必須依照其設置地方緯度做為考量比較適 當，譬如台灣於北緯 23.5 度之位置，欲求其最佳發電量則應將光電板向南仰角 23.5 度垂直日照角度。
3.遮陽板式：將太陽能板設置在外與遮陽板做結合，亦可避免過度採光而造成眩 光的問題，在安裝設計上由於可更換原有的建築外觀結構而不影響主結構。
4.中庭式：中庭式的裝設做為天窗採光仍是一個不錯的考量選擇，但為了防止過 度採光而產生眩光問題，所以在使用中庭式 BIPV 時，應儘可能選擇低透光性光 電板作為中庭的 BIPV 構造材料。
由於本研究主要為太陽能玻璃應用於零耗能建築之模擬，其中以自行設計之 房屋，配合模擬軟體，尋求適合於台灣氣候之零耗能屋原型，為求設計之完善，
將參考國際成功案例，做為設計之基礎，以下便為國內外典型 BIPV 建築案例。
國內外相關案例 國內外相關案例 國內外相關案例 國內外相關案例 1.台灣易購宅
台灣易購宅是內政部建築研究所智慧化居住空間展示中心，它位於台北市文山區 景福街 102 號，此節能建築由 22 家節能建材相關企業贊助而成。建築本體為 SSC 構造，總室內總坪數 108 坪，屋高 2 樓半，而這棟房屋早期名稱為 MEGA House，
而 MEGA House 的定義為：Material（永續化建材）、Electronic（電子化管理）、 Green（綠建築設計）、Automation（營建自動化）。隨著時間的推演，為使此建 築能更深入民間，故而重新命名 EAG House，使其中文名字易購宅激起投資慾望，
此地區本為鄰近建築研究中心的一塊空地，經由教育推廣，將原先空地建置為低 碳型式建築，一方面深耕教育發展，一方面展示台灣之低碳決心。
圖 三–4 台灣易購宅外觀
易構住宅顧名思義，就是很容易建構的住宅，其各部位之構件， 包括：框 架式結構單元、內外牆、樓版、門窗、管線等，都是在工廠預先以標準化、模矩 化製造，再於現場進行組裝。
易購住宅的主要結構利用特殊隔熱建材，漸少內部能量損耗，達到節電、節 能之效果，此外易購住宅還有加入智慧型設備，對於設備用電等進行控管，也能
達到節電之功效。值得一提的是，易購宅引進本團隊研發之三合一太陽能節能玻 璃（兼具發電、隔熱、自潔）進行太陽能發電，以減少電力使用。利用隔熱玻璃 降低室外溫度對室內溫度的影響，再透過浮力通風設計與地中管的空氣對流，如 圖 三–5，引進地下較低溫的空氣，維持室內恆溫，達成冬暖夏涼節省能源的目 的。
圖 三–5 室內空氣循環示意圖
2.貝丁頓零耗能社區
貝丁頓零能源開發社區（BedZED），位於倫敦南郊的蘇騰行政區內（London Borough of Sutton），為貝丁頓零耗能發展計畫（The Beddington Zero Energy Development）的縮寫。此社區不僅是全英國最大的混合使用「零碳社區」，也是 英國最早發展的環保社區。
本社區開發目的在於創造一個滿足居民需求並能與地球資源和平共享的社 區。本社區於 2002 年完工並有居民進住，共有 82 戶住宅單元，17 棟公寓式住 宅，工作室與商業空間共 2,500 平方公尺，為英國目前最大的永續社區之一，
也是此類社區中的典範與標竿。
貝丁頓零耗能社區之建築設計特色使用被動式建築設計規劃方式，包含隔熱 保溫設計及材料應用、通風系統設計概念(「風杓」設計)、節能生態屋頂設計、
太陽能發電、廢棄建材再生計畫、水電錶設置方式、使用節能電器設備、水資源 再生使用策略以及綠色運輸系統等，社區整體設計概念如圖 三–。
圖 三–14 社區整體設計概念
位於高緯度的貝丁頓社區，在建築設計上，建築師巧心安排讓建築物都面向 南方，以便獲得充分日照並更有效率的儲存太陽能。利用建築設計手法，使工作 以及居室個空間在白天盡量利用自然採光，以減少人工照明之使用電量；房屋走 向則是配合季風氣流考慮，使屋內空氣保持通風對流。而由於英國氣候環境影響，
暖氣以及熱水需求大約佔英國當地住家能源使用的 85%，約佔英國整體能源需求 的 25%，故在外殼建材上，對於熱隔絕有相當程度的要求，因此，在貝丁頓零耗 能社區之建築，其屋頂、牆體及地面均採用高質量的絕緣材料，以保證冬天住房 的舒適温度，在夏天，這些設計又可以减少室外高温的傳導，避免了空調的使用。
貝丁頓零耗能社區中，利用風杓設計，如圖 三–6，有效調整室內空氣品質 以及維持室內的自然通風，是一項相當有趣的設計。另一個保持室内温度的方法 則是屋頂的綠化，如圖 三–6，這也是住户在空調部份比一般住宅節省 90％能 源耗用的主要原因，屋頂設計為 30 公分厚，搭配一種名為"景天”的植物植披覆 蓋於頂上成為綠色屋頂，大大减少了冬天室内的熱量散失。社區中所有的房屋皆 朝南向，為的是能讓安裝在屋頂及窗戶上之太陽能板能取得充足的陽光照射，提 供屋內設備之用，圖 三–為貝丁頓零耗能社區之實際太陽能裝設圖。
圖 三–6 風杓設計
圖 三–7 貝丁頓社區綠色屋頂
圖 三–17 太陽能發電屋頂
建築環境建築環境 建築環境建築環境
建築環境可分為「建築物理」及「建築設備」兩部份，「建築物理」之內容 包含了氣候、空氣、熱、光、聲音等與居住有關之物理現象，並以自然人為控制 之手法來達到居住者舒適、健康之需求；「建築設備」之內容則在說明空氣調節、
給排水、電氣、輸運、消防安全等設備，主要係以機械人工之手法來強制彌補「建 築物理」之不足，此種以自然或人工之手法來控制建築環境，即為一般所稱之「建 築環境控制」。一般而言，無論是「建築物理」或是「建築設備」，其基本出發點 均是以人的生理、心理感受為其主要之考量，並且以達成居住者舒適、健康及安 全為其主要之目的。
建築物理環境
本研究主要是在探討太陽能節能玻璃應用於零耗能建築之模擬，故對於建築 物理環境必須有基本的認識，尤其在光、熱、空氣等環境上，對於模擬模型與模 擬環境之建構為必要之參考資料，以下為光、熱、空氣等環境之概略敘述。
光環境：
建築物之光環境一般而言分成利用太陽光線之自然採光以及利用人工光源 之照明兩部分。自然採光會受到太陽日照、環境、建築物等因素影響，故通常無 法獲得均一且穩定之照明效果，但因室內之各項工作必須依靠持久而穩定的照明，
故必須以人工照明之方式輔助之，因此在從事建築設計時，採光及照明兩項因素 必須同時被考慮。
一般而言，為達節約能源之目的，白天盡量以自然採光為主人工照明為輔，
到了晚上使用照明器具時，應以燈具選擇、配置、照明方式等因素做為設計上的 依據。良好的採光照明不但有助於工作效率之提升，而且還有助於居住者心理上 之舒適，反之，不良之照明環境會造成工作情緒及居住時的不快，甚至造成人體 之損害。
熱環境：
熱由高溫流向低溫處即為傳熱現象。傳熱狀態包括了熱輻射、熱傳導、熱傳 透等三種基本現象，而自然界物質之傳熱狀態大都屬於這三種現象之綜合狀態，
其意義如下表 三–所示。
表 三–6 傳熱狀態
傳熱種類 狀態 代表符號及單位
熱傳導 固體內部之熱流動
熱傳導係數 k(kal/mh℃，w/m℃) 熱傳導率 C=k/d(kal/m2h℃，
w/m2℃)
熱傳遞 固體與流體間之熱流動 對流+輻射
熱傳遞係數 h=hc+hr
熱對流係數 hc(kal/m2h℃，w/m2℃) 熱輻射係數 hr kal/m2h℃，w/m2℃
熱幅射 無需介質存在，有溫度即 會依電磁波形式放射熱量
輻射係數 C(kal/m2hK4，w/m2 K4) 輻射率 ε
有效輻射係數 Cab 熱傳透 綜合之熱流動
傳導+傳遞+輻射
熱傳透係數 U(kal/m2h℃，w/m2℃) 熱傳透抵抗(熱阻)R=1/U
熱傳導：是以固體為介質的熱傳遞作用，如圖 三–所示，當溫度提升，其熱能 會不分材質漸進式傳遞，將其熱能量傳至下一材質，即為熱傳導。
圖 三–18 熱傳導示意圖
熱傳遞：是以固體與氣體之間的傳熱現象，如圖 三–所示，當固體加熱到一定 程度後，其溫度會溢散到氣體空間，使其氣體升溫，即為熱傳遞。
圖 三–19 熱傳遞示意圖
熱輻射：唯一無須介質之傳導，直接由熱源向四方傳熱出去，輻射是以直線向傳 遞，遇到障礙及被吸收、反射、穿透，如圖 三–。
圖 三–20 熱輻射原理
熱傳透：簡易來講，是為一連串之熱傳導與熱傳遞，使材料、空氣熱能量等同，
熱能直接穿透過，即為熱傳透，如圖 三–所示。
圖 三–21 熱傳透示意圖
建築物本身的受熱及失熱也是上述現象之綜合，如圖 三–，而由於這些建築熱 傳行為，影響人在建築物內所感受之舒適度，而為了保持良好的舒適度，就必須 改善熱對於室內環境的影響，做適當合理之控制，如此，才能達到室內居住環境 之舒適，且對於節約能源方面也可有所助益。
圖 三–22 建築傳熱行為
室內熱負荷來源 室內熱負荷來源室內熱負荷來源 室內熱負荷來源
影響室內熱負荷的因素主要分為三項表 三-：
1.建築外殼熱負荷(33%) 玻璃、外牆、屋頂、隔間牆 2.室內負荷(40%)
照明設備、人員 3.外氣通風負荷(27%) 通風、室內外溫濕度差
其中窗戶在這些要素中獨占了 18%，若加上窗戶在通風上的幫助，接近一半的熱 負荷要素與窗戶相關，窗戶在建築節能上是絕對重要的一點。
表 三-7 室內熱負荷之構成
外殼熱負荷
玻璃面傳透熱 顯熱
玻璃面輻射熱 顯熱
壁體傳透熱 顯熱
間隙風 顯熱、潛熱
室內熱負荷
人體發散熱 顯熱、潛熱
照明發散熱 顯熱
室內機械發熱 顯熱、潛熱
搬運損失 顯熱、潛熱
新風熱負荷 新風熱負荷 顯熱、潛熱
圖 三-23 築物熱負荷來源圖
2%
14%
4%
10%
3%
9% 20%
7%
27%
4%
屋頂 玻璃幅射 玻璃傳導 外牆 隔間牆
燈 人員 辦公器具 外氣 風車
空氣環境：
建築內之空氣環境，對於人體的健康及舒適度影響很大，而建築通風就是在 改善建築內之空氣環境：引進溫度較低的外氣，以帶走室內所產生的熱量；利用 局部空氣循環以增加空氣的對流，提高人體散熱能力；提供足夠的新鮮空氣來稀 釋室內產生的所有污染物，以控制濃度。因此，良好的通風可以達到室內換氣及 人體舒適之要求。
一個通風良好之建築環境，關鍵在於門窗的配置，可以分建築平面以及建築 剖面來解析。建築平面設計上，為獲得適當之自然通風效果，每個空間至少應有 兩個以上可啟閉之開口，例如窗戶或門；風向與牆面開口不垂直時，可獲得比風 向與牆面開口垂直多 20%之通風效果；此外，應避免單面牆開窗以及不當隔間牆 之使用錯誤錯誤錯誤! 錯誤! ! 找不到參照來源! 找不到參照來源找不到參照來源。找不到參照來源。。。 。
圖 三–8 自然通風效果較佳之開口配置
圖 三–9 自然通風效果較差之開口配置
建築剖面設計上，建築平面設計若沒有相對應之通風氣流引入口之設計，則建築 物室內空間亦無法獲得有效之通風冷卻效果，再者，有時氣候條件可能較為安定 平靜，沒有較為可利用之自然風，所以具有煙囪效應之建築垂直剖面結構設計可 以改善平面設計上的不足。
圖 三–26 建築垂直剖面結構具有煙囪效應之氣流通道設計
建築舒適環境 建築舒適環境建築舒適環境 建築舒適環境
建築之舒適環境取決於人對於環境之感受，人體之代謝與能源儲存量藉由身 體表面與外界環境之熱輻射、熱對流及蒸發的熱傳機制，彼此間達成身體能量與 溫度之平衡，當其中有一因素有所變化時，則人體即產生冷熱之感受。
過去數十年來有非常多熱舒適的標準被提出，其中最受注目的為以西元 1970 年，P.O Fanger 首度提出熱舒適理論，說明人體內淨熱量、四個環境因素(室 內溫度、相對濕度、熱輻射及風速)及兩個人為因素(衣著量及工作量)之間的熱 平衡關係。有鑑於本研究涉及空間舒適度與建築能耗之相關聯性，因此，對於舒 適環境之界定有所探討，而良好的舒適環境應包含舒適的溫度、風速、濕度。
室內溫度：
影響人體主觀熱舒適感受的主因素雖有六大項，但經過其研究證明，其各項 變數中僅室內空氣溫度改變對室內熱舒適度的影響較大。由於台灣氣候冷熱分明，
故在夏季或固定時節，須以空調系統做室內氣溫調節。
根據美國冷凍空調協會(American Society of Heating，Refrigerating，
and Air-conditioning Engineer，簡稱 ASHRAE) ASHRAE Standard 55 的建議，
人體在坐著時的新陳代謝率為 1.2Met (1Met=58.15W/m²) 及典型衣著量(夏天衣 服絕緣值為 0.5 clo，冬天為 0.9 clo)條件下，夏季舒適溫度為 24.5℃tb[註: tb
=運轉溫度] (RH=50%，10%不滿意度下)舒適溫度範圍 23~26℃ET*[註: ET* =有 效溫度]；冬季舒適溫度為 22℃tb (RH=50%，10%不滿意度下) 舒適溫度範圍 20~22
℃ET*，夏季與冬季重疊區域為 22~24℃ET*。因夏季與冬季氣候條件之差異，上 述為其室內溫度舒適度範圍。
室內相對溼度：
空氣濕度會直接影響人體的蒸發散熱，一般認為最適宜的相對溼度應為 50
％~60％。在多數情況下，即氣溫在 16~25℃時、相對溼度應在 30％~70％範圍內 變化，對人體的熱感覺影響不大。但是在 Serra(1995)的研究報告得知當氣溫較 高或較低時，其波動對人體的熱平衡和溫熱感就變的非常重要。由於高溫高濕影 響人體汗液的蒸發，機體的熱平衡受到破壞，因而人體會感到悶熱不適。隨著溫 度的升高，這種情況將更趨明顯。當相對濕度在 50％時感到舒適，若濕度值越 高則表示越來越熱，反之則越來越冷。相對濕度與熱舒適之關係如下圖 三–。
圖 三–27 相對濕度與熱舒適之關係圖
台灣因地理環境影響，四周環海而受海洋調節氣候，濕度範圍常在 70～80
％間，隨著夏季溫度偏高，常讓人感覺到悶熱且不舒適。故以台灣之氣候條件，
根據美國冷凍空調協會之建議，相對溼度範圍在 30%~65%為較舒適相對濕度。
室內風速：
室內氣流狀態影響人體的對流熱交換和蒸發熱交換，也影響室內空氣的更新。江 哲銘(1997)指出在一般情況下，對人體舒適的氣流速度應小於 1m/s，但在夏季 利用自然通風的房間，由於室溫較高，舒適的氣流速度也應較大。一般住宅在夏 季使用情況的調查結果，室內風速在 0.5~1m/s 之內，多數人會感到愉快，但當 室內風速大於 1.5m/s 時，多數人會認為風速太大而感覺到不舒適。
表 三–8 室內環境參數建議值
參數 範圍 參考資料
溫度 夏季 23~26℃ ta* (24.5)
冬季 20~22℃ ta* (22) ASHRAE Standard 55 相對溼度 30%~65% ASHRAE Standard 55 氣流流速 0.5 m/s 建築物理
(江哲銘，1997)
* ta 表示室內溫度，有別於運轉溫度以 tb 表示
四 四
四 四、 、 、 、 研究方法 研究方法 研究方法 研究方法
試驗流程 試驗流程 試驗流程 試驗流程
第一部份主要針對太陽能節能玻璃在 BIPV 試驗屋上，比較 LOW-E 玻璃屋及 一般玻璃屋，對其室內環境舒適度之評估，以及冷氣空調節能試驗、暖氣空調節 能試驗來分析三間試驗屋之節能效益，並長期監測太陽能節能玻璃屋之發電量，
參照台灣舒適度指數之計算公式，可影響室內環境舒適度主要變數取決於室內溫 度和濕度，故以量測三試驗屋的室內溫濕度進行分析，根據量測結果了解三種不 同介質玻璃屋的情況下，室內溫濕度變化之情況。
三間玻璃試驗屋建置於台灣科技大學 E2 大樓頂樓如圖 四-1，其擺放位置由 左至右分別為 LOW-E 複層玻璃屋、太陽能節能玻璃屋及一般玻璃屋圖 四-2
圖 四-1 三間試驗屋位於台灣科技大學 E2 大樓樓頂
圖 四-2 三間試驗屋於 E2 大樓屋頂擺放位置
圖 四-4 流程圖
第一部分主要分為三項試驗，溫濕度對環境舒適度之監測試驗，冷氣空調節能分 析試驗，以及暖氣空調節能分析試驗。
試驗用之小屋 試驗用之小屋 試驗用之小屋 試驗用之小屋::::
在小屋屋頂斜面及立面裝設建築玻璃如下所示：
1. 一般玻璃屋如圖 四-5 所示。
圖 四-5 一般玻璃屋
2. LOW-E 複層玻璃屋如圖 四-6 所示。
圖 四-6 LOW-E 複層玻璃屋
3. 太陽能節能玻璃屋如圖 四-7 所示。
圖 四-7 太陽能節能玻璃屋 室內環境測量
室內環境測量 室內環境測量
室內環境測量：：：：在三間試驗屋內側，東南西北中五量測點如圖 四-、圖 四-所示，
佈下溫度量測點，量測其室內空氣溫度，三間共 15 個室內溫度量測點，以及試 驗屋內中間佈下濕度量測點，與溫度量測點中間的位置一樣，三間共 3 個濕度量 測點，因為是量測空氣溫度，故為避免太陽輻射直接照到溫濕度線，每個量測點 皆利用板子遮蓋住。
室外環境測量 室外環境測量 室外環境測量
室外環境測量：：：：在太陽能節能屋屋頂如圖 四-所示，設置溫度量測點共 2 點，分 為直接曝曬的輻射溫度及有用板子遮蓋住的空氣溫度。
圖 四-7 室內西面北面溫度量測點位置圖
圖 四-8 室內東面南面及中間點溫度量測點位置圖
圖 四-9 戶外測溫度量測點位置圖
150CM室內中間濕度量測點
位於太陽能節能屋屋 頂的室外測溫度量測
模擬軟體模型建置 模擬軟體模型建置 模擬軟體模型建置 模擬軟體模型建置
耗能軟體為與實體屋耗能相比較，繪製相同大小形狀之模型如下圖 四–8，
設定相同之外殼材料參數，對照試驗之設計，室內舒適溫度暖房設定為 20℃~22
℃、冷房設定為 24℃~26℃(如圖 四–9)，並更替三種不同外殼玻璃材料，以此 設定完成耗能模擬，所得到之模擬數據再與實驗實體屋之耗電量結果相互比較分 析。
圖 四–8 模擬軟體模型建置
圖 四–9 Ecotect 室內溫度設定
發電模擬試驗驗證結果 發電模擬試驗驗證結果 發電模擬試驗驗證結果 發電模擬試驗驗證結果
發電模擬試驗驗證是由工程二館頂樓做模組的單日累計發電量實驗與 Solar Pro ver4.1 模擬出的數據做比較驗證。同一時間所量測的模組共有兩片，
所得到的單日累積發電量分別為 0.7298 度與 0.71712 度，如下表 四–1 所示。
表 四–1 模組實驗所得單日累計發電量 時間 模組 1 累積發電
(kwh)
模組 2 累積發電 (kwh)
07:30 0.000283333 0.00025 08:00 0.01135 0.0109 08:30 0.036816667 0.03535 09:00 0.0715 0.068433333 09:30 0.113333333 0.108783333 10:00 0.161033333 0.154983333 10:30 0.21305 0.20595 11:00 0.26875 0.260766667 11:30 0.326466667 0.317666667 12:00 0.384833333 0.375533333 12:30 0.4434 0.4335 13:00 0.501916667 0.491566667 13:30 0.55925 0.548583333 14:00 0.614166667 0.6024 14:30 0.646916667 0.63515 15:00 0.675 0.66335 15:30 0.693133333 0.681433333 16:00 0.705766667 0.693816667 16:30 0.7163 0.704116667 17:00 0.723066667 0.71075 17:30 0.727083333 0.714583333 18:00 0.7294 0.7168 18:15 0.72980.72980.72980.7298 0.7171166670.717116667 0.7171166670.717116667
設定相同模組，相同環境條件下，模擬所得到之單片模組單日累計發電量為 0.7 度，如下表 四–2 所示。
表 四–2 模擬所得單日累計發電量
將所得之數據整理計算誤差值及誤差率如下，發現誤差值範圍在 0.01~0.03 之間，相對所得到之誤差率範圍為 2.4%~4.3%之間，誤差率算是相當小，顯示模 擬所得之結果與實驗結果是可以相互應證的，同時也證實發電模擬之可靠度。
表 四–3 發電模擬驗證結果
模擬數據 實驗模組一 實驗模組二 發電量 0.7 0.7298 0.71712 誤差 -- 0.0298 0.01712 誤差率 -- 4.26% 2.45%
Number of Parallel 1 Number of Series 1
Inverter Efficiency 0.945
Shadow effect Shadow Effect:ON
Reduction Coefficient 0.95
Temp characteristic Temp Characteristic:ON Amorphous (Anneal) Anneal Effect:OFF
Array Name Manufacturer Model Tilt Azimuth Shape Number of Modules
PV Array-001 NexPower NT-130AX 23.5 0 Rectangle 1
Name Total Irrad. Direct Irrad. Diffuse Irrad. Reflected Irrad. Horizontal Irrad. PV Energy
Unit kWh/m2 kWh/m2 kWh/m2 kWh/m2 kWh/m2 kWh
00:00 0 0 0 0 0 0
01:00 0 0 0 0 0 0
02:00 0 0 0 0 0 0
03:00 0 0 0 0 0 0
04:00 0 0 0 0 0 0
05:00 0 0 0 0 0 0
06:00 0 0 0 0 0 0
07:00 0.16 0.06 0.1 0 0.15 0.02
08:00 0.4 0.21 0.18 0 0.36 0.05
09:00 0.62 0.38 0.24 0 0.56 0.07
10:00 0.79 0.5 0.29 0.01 0.72 0.08
11:00 0.89 0.56 0.32 0.01 0.81 0.09
12:00 0.92 0.58 0.33 0.01 0.84 0.09
13:00 0.88 0.56 0.32 0.01 0.8 0.09
14:00 0.78 0.49 0.28 0.01 0.71 0.08
15:00 0.61 0.37 0.24 0 0.55 0.07
16:00 0.39 0.2 0.18 0 0.35 0.04
17:00 0.15 0.06 0.09 0 0.13 0.02
18:00 0 0 0 0 0 0
19:00 0 0 0 0 0 0
20:00 0 0 0 0 0 0
21:00 0 0 0 0 0 0
22:00 0 0 0 0 0 0
23:00 0 0 0 0 0 0
Max Value 0.92 0.58 0.33 0.01 0.84 0.09
Max Term 12:00 12:00 12:00 12:00 12:00 12:00
Mean Value
Sum Value 6.6 3.98 2.57 0.05 5.98 0.70.70.70.7
耗能模擬試驗驗證結果 耗能模擬試驗驗證結果 耗能模擬試驗驗證結果 耗能模擬試驗驗證結果
耗能模擬試驗驗證是由工程二館頂樓的三間實驗小屋做單日累計耗電量實 驗與 Ecotect Analysis 2011 模擬出的耗能數據做比較驗證。頂樓實驗小屋共分三 種玻璃材質，分別於冬天、夏天進行暖房以及冷房實驗，以此，也做相對應的耗 能模擬試驗。
冬天暖房耗能試驗模擬驗證結果如下：
頂樓三間實驗小屋冬天暖房實驗部分，主要分為白天實驗(8:00am-6:00pm) 和晚上實驗(8:00pm-6:00am)，所設的溫控範圍為 20℃-22℃。
在白天平均溫度 14.25℃的狀況下，三間小屋所得到的耗電量分別為節能屋耗電 2.74 度、LowE 屋耗電 2.53 度、一般屋耗電 2.9 度；所計算的省電率是與一般 玻璃屋做比較，相較於一般屋，節能屋的省電率為 5.52%， LowE 屋的省電率為 12.76%，如下表 四–所示。
表 四–4 冬天白天頂樓小屋暖房實驗結果 冬天冬天冬天
冬天白天白天白天耗能白天耗能耗能(耗能(((實驗實驗實驗)實驗))) 環境溫度環境溫度環境溫度
環境溫度 14.2514.2514.2514.25 材質
材質材質
材質 節能屋 LOW-E 一般
耗電度數 耗電度數耗電度數
耗電度數 2.74 2.53 2.9 省電
省電省電
省電%%%% 5.52% 12.76% 0.00%
耗能模擬數據部分，選取白天平均溫度為 14.2℃的進行模擬數據比對，所 模擬出的三種材料屋之耗電量分別為節能屋耗電 1.7235 度、LowE 屋耗電 1.587 度、一般屋耗電 2.2791 度；所計算的省電率是與一般玻璃屋做比較，相較於一 般屋，節能屋的省電率為 24.38%，LowE 屋的省電率為 30.37%，如下表 四–所 示。
表 四–5 冬天白天頂樓小屋暖房模擬結果 冬天
冬天冬天
冬天白天白天白天耗能白天耗能耗能(耗能(((模擬模擬模擬)模擬))) 環境溫度環境溫度環境溫度
環境溫度 14.214.214.214.2 材質材質材質
材質 節能屋 LOW-E 一般
耗電度數 耗電度數耗電度數
耗電度數 1.7235 1.587 2.2791 省電
省電省電
省電%%%% 24.38% 30.37% 0.00%
在晚上平均溫度 16.67℃的狀況下，三間小屋所得到的耗電量分別為節能屋 耗電 1.29 度、LowE 屋耗電 1.5 度、一般屋耗電 1.84 度；所計算的省電率是與 一般玻璃屋做比較，相較於一般屋，節能屋的省電率為 29.89%，LowE 屋的省電 率為 18.48%，如下表 四–所示。
表 四–6 冬天晚上頂樓小屋暖房實驗結果 冬天晚上耗能
冬天晚上耗能冬天晚上耗能
冬天晚上耗能((((實驗實驗實驗)實驗))) 環境溫度環境溫度環境溫度
環境溫度 11116.676.676.676.67 材質
材質材質
材質 節能屋 LOW-E 一般
耗電度數 耗電度數耗電度數
耗電度數 1.29 1.5 1.84 省電
省電省電
省電%%%% 29.89% 18.48% 0.00%
耗能模擬數據部分，選取晚上平均溫度為 16.6℃的進行模擬數據比對，所 模擬出的三種材料屋之耗電量分別為節能屋耗電 0.9878 度、LowE 屋耗電 1.1324 度、一般屋耗電 1.4896 度；所計算的省電率是與一般玻璃屋做比較，相較於一 般屋，節能屋的省電率為 33.69%，LowE 屋的省電率為 23.98%，如下表 四–所 示。
表 四–7 冬天晚上頂樓小屋暖房模擬結果 冬天晚上耗能
冬天晚上耗能冬天晚上耗能
冬天晚上耗能((((模擬模擬模擬)模擬))) 環境溫度環境溫度環境溫度
環境溫度 16.616.616.616.6 材質材質材質
材質 節能屋 LOW-E 一般
耗電度數 耗電度數耗電度數
耗電度數 0.9878 1.1324 1.4896 省電
省電省電
省電%%%% 33.69% 23.98% 0.00%
夏天冷房耗能試驗模擬驗證結果：
頂樓三間實驗小屋夏天冷房實驗部分，主要分為白天實驗(8:00am-6:00pm) 和晚上實驗(8:00pm-6:00am)，所設的溫控範圍為 24℃-26℃。
在白天平均溫度 35.55℃的狀況下，三間小屋所得到的耗電量分別為節能屋耗電 3.06 度、LowE 屋耗電 4.73 度、一般屋耗電 5.23 度；所計算的省電率是與一般 玻璃屋做比較，相較於一般屋，節能屋的省電率為 41.49%， LowE 屋的省電率 為 9.56%，如下表 四–所示。
表 四–8 夏天白天頂樓小屋冷房實驗結果 夏天白天耗能
夏天白天耗能夏天白天耗能
夏天白天耗能((((實驗實驗實驗)實驗))) 環境溫度環境溫度環境溫度
環境溫度 35.5535.5535.5535.55 材質
材質材質
材質 節能屋 LOW-E 一般 耗電度數
耗電度數耗電度數
耗電度數 3.06 4.73 5.23 省電
省電省電
省電%%%% 41.49% 9.56% 0.00%
耗能模擬數據部分，選取白天平均溫度為 34.5℃的進行模擬數據比對，所 模擬出的三種材料屋之耗電量分別為節能屋耗電 4.2541 度、LowE 屋耗電 5.6592 度、一般屋耗電 6.6027 度；所計算的省電率是與一般玻璃屋做比較，相較於一 般屋，節能屋的省電率為 35.57%，LowE 屋的省電率為 14.29%，如下表 四–所 示。
表 四–8 夏天白天頂樓小屋冷房模擬結果 夏天
夏天夏天
夏天白天白天白天耗能白天耗能耗能(耗能(((模擬模擬模擬)模擬))) 環境溫度環境溫度環境溫度
環境溫度 34.534.534.534.5 材質材質材質
材質 節能屋 LOW-E 一般
耗電度數 耗電度數耗電度數
耗電度數 4.2541 5.6592 6.6027 省電
省電省電
省電%%%% 35.57% 14.29% 0.00%
在晚上平均溫度 27.02℃的狀況下，三間小屋所得到的耗電量分別為節能屋 耗電 0.92 度、LowE 屋耗電 1.06 度、一般屋耗電 1.08 度；所計算的省電率是 與一般玻璃屋做比較，相較於一般屋，節能屋的省電率為 14.81%，LowE 屋的省 電率為 1.85%，如下表 四–所示。
表 四–9 夏天晚上頂樓小屋冷房實驗結果 夏天晚上耗能
夏天晚上耗能夏天晚上耗能
夏天晚上耗能((((實驗實驗實驗)實驗))) 環境溫度環境溫度環境溫度
環境溫度 27.0227.0227.0227.02 材質材質材質
材質 節能屋 LOW-E 一般 耗電度數耗電度數耗電度數
耗電度數 0.92 1.06 1.08 省電省電省電
省電%%%% 14.81% 1.85% 0.00%
耗能模擬數據部分，選取晚上平均溫度為 27.05℃的進行模擬數據比對，所 模擬出的三種材料屋之耗電量分別為節能屋耗電 0.9255 度、LowE 屋耗電 0.9921 度、一般屋耗電 1.0773 度；所計算的省電率是與一般玻璃屋做比較，相較於一 般屋，節能屋的省電率為 14.09%，LowE 屋的省電率為 7.91%，如下表 四–0 所 示。
表 四–10 夏天晚上頂樓小屋冷房模擬結果 夏天晚上耗能
夏天晚上耗能夏天晚上耗能
夏天晚上耗能((((模擬模擬模擬)模擬))) 環境溫度環境溫度環境溫度
環境溫度 27.0527.0527.0527.05 材質
材質材質
材質 節能屋 LOW-E 一般 耗電度數
耗電度數耗電度數
耗電度數 0.9255 0.9921 1.0773 省電
省電省電
省電%%%% 14.09% 7.91% 0.00%
耗能模擬試驗結果發現，實際量測之耗電度數與模擬出的耗電度數趨勢大致 相同，由於日照影響冬日實驗小屋室內溫度，因此，造成冬天白天實驗及模擬結 果之省電率差異，其餘的省電率相差都在 3%~7%之間，為合理之誤差範圍，證明 模擬軟體確實有一定之準確性及可靠性。
模擬模型建置構想 模擬模型建置構想 模擬模型建置構想 模擬模型建置構想
研究模型主要由 Autodesk 公司所開發之 Revit 2013 所繪製，將零耗能建築 模型架構，以 3D 顯影之方式展示出來。會選用 Revit 2013 主要是由於兩點，第 一繪製房屋模型較簡易方便，第二對後續耗能、溫度場等模擬分析之相容性高，
故以此為主要建模之軟體。
模擬模型假設設置在台中，為一家四口小家庭住的房屋，以獨棟建築為依據，
再來，考慮到房間格局乃至於空間使用，配置出三房兩廳兩衛及外陽台等空間規 劃，而設計成獨棟兩層樓建築，總使用面積為 149.21 平方公尺。以下圖 四–、
圖 四–為模型屋平面空間配置。
圖 四–12 模型屋 1F 平面規劃
圖 四–13 模型屋 2F 平面規劃
空間規劃之後，接著繪製牆體、屋頂，並考慮窗戶及太陽能板之擺設，為了 使太陽能板取得較高之日射量得到良好之發電效益，故將發電效益較高之單晶矽 太陽能板放置於屋頂，而太陽能節能玻璃較不受光照角度限制，以及為了發揮他 優異的隔熱特性，故設置於 1F 客廳作為天窗及帷幕、1F 側邊陽台、1F 大門遮陽 棚、2F 房間外圍之圍欄，作為增加發電之用。窗戶擺設則是考慮通風節能設計，
故盡量在同一空間內設置兩扇窗於不同向之牆面，以確保通風效果；並且在 1F 與 2F 連通之樓梯空間上方開設一透氣窗口，讓整體空間可以透過煙囪效應達到 自然通風之用，所完成設計如下圖 四–、圖 四–15。
圖 四–14 建築設計原型(1)
圖 四–15 建築設計原型(2)
發電模擬分析 發電模擬分析 發電模擬分析 發電模擬分析
第二部分選用之發電模擬軟體 Solar Pro ver4.1 可以模擬市售各種型式、
廠牌的光電板，不同廠牌及模組形式的光電板只需更改資料庫中參數設定，即可 進行發電模擬。
耗能模擬分析 耗能模擬分析 耗能模擬分析 耗能模擬分析
由於建築熱環境的探討，我們知道建築外殼對於建築內部環境溫度之影響甚 大，也直接影響到建築物空調設備之耗能。模擬部分將選用 Ecotect Analysis 2011 作為主要耗能分析依據，Ecotect Analysis 的 3D 圖形介面較為直觀，且 建構模型容易，與 Revit 相容性高，此外，對於外殼材質設定自由度很高，可以 自行選定設定所要之材料參數，空間配置設定上也跟實際情況差異不大，因此，
作為建築耗能之判定有一定的準確度。
利用耗能模擬軟體分析建築物之能耗，進而與溫度場模擬相互驗證，再與發 電模擬結果配合並比較分析，得出結論。
溫度場分析試驗 溫度場分析試驗 溫度場分析試驗 溫度場分析試驗
此部分針對零耗能模型屋建築內部溫度場作模擬分析，我們熟知的外在環境 溫度會影響人的舒適感受也會影響人體熱蓄積程度。
所選用軟體為 CFdesign 2011，此軟體專門為各種流體流場狀態之分析所設 計，可以用來模擬建築物室內風場及溫度場的變化，設定不同的邊界條件例如(環 境溫度、內、外部風速)以及不同的時間季節如(春、夏、秋、冬以及時間從早上 到晚上各個時段)，了解建築物內部風速、壓力及溫度情況。
五 五 五
五、 、 、 、 結果與討論 結果與討論 結果與討論 結果與討論
農舍模型於台中之發電與耗能 農舍模型於台中之發電與耗能農舍模型於台中之發電與耗能 農舍模型於台中之發電與耗能分析分析分析 分析
將零耗能模型屋參考地點設置於台中，由於使用 LowE 玻璃與一般玻璃取代太陽 能節能玻璃會失去部分的發電量，將會造成發電量減少，但還保有屋頂的單多晶 矽太陽能板發電量。加入空調、照明及家電耗能，所得的綜合比較分析如下
表 五–所示，並以下圖 五–、圖 五–、圖 五–詳細列出各項數據。
表 五–1 零耗能模型於台中綜合比較分析
台中 台中台中 台中
Solar Pro Solar ProSolar Pro Solar Pro 年總發電量 年總發電量年總發電量 年總發電量 (kwh)
(kwh)(kwh) (kwh)
Ecotect Ecotect Ecotect Ecotect 空調空調空調 空調 年總耗電量 年總耗電量 年總耗電量 年總耗電量 (kwh)
(kwh) (kwh) (kwh)
加入照明家電 加入照明家電加入照明家電 加入照明家電
年總耗電量 年總耗電量年總耗電量 年總耗電量
(kwh) (kwh) (kwh) (kwh) HISGHISG
HISGHISG 22350.0222350.0222350.0222350.02 8126.4968126.4968126.4968126.496 12917.35612917.356 12917.35612917.356 LowELowE
LowELowE 玻璃玻璃玻璃 玻璃 17397.3217397.3217397.3217397.32 9928.1949928.1949928.1949928.194 14719.05414719.05414719.05414719.054 一般玻璃一般玻璃
一般玻璃一般玻璃 17397.3217397.3217397.3217397.32 17657.82417657.824 17657.82417657.824 22448.68422448.684 22448.68422448.684
圖 五–1 零耗能模型於台中綜合比較分析(HISG)
圖 五–2 零耗能模型於台中綜合比較分析(LowE 玻璃)
圖 五–3 零耗能模型於台中綜合比較分析(一般玻璃)
農舍農舍
農舍農舍模型之溫度場分析結果模型之溫度場分析結果模型之溫度場分析結果模型之溫度場分析結果
零耗能模型屋溫度場分析結果分為兩部分，一部分為冷房模擬分析，另一部 分為暖房模擬分析，並使用 LowE 玻璃與一般玻璃替換太陽能節能玻璃作為模擬 分析之比較。冷房模擬分析是由台中夏天之環境條件下，先進行密閉溫度場分析 評估，再加入冷氣做冷房模擬分析；暖房模擬分析則是由台中冬天之環境條件下，
做相同之評估與後續模擬分析。台中夏季環境條件設定，平均溫度為 29℃、外 界風速為 3m/s，濕度為 71%；冬季環境條件設定，平均溫度為 17.2℃、外界風 速為 3m/s，濕度為 73%。
冷房模擬分析結果：
先進行全密閉冷房溫度場評估，所得結果分樓層來看，使用太陽能節能玻璃 的模型屋(圖 五–)1F 平均溫度在 30.6℃、2F 平均溫度在 46.7℃；而使用 LowE 玻璃的模型屋(圖 五–)1F 平均溫度在 31.5℃、2F 平均溫度在 46.5℃；使用一 般玻璃的模型屋(圖 五–)1F 平均溫度在 33.6℃、2F 平均溫度在 48.1℃，如下 表 五–所示。
表 五–2 零耗能模型於台中夏天溫度場模擬評估 台中夏天溫度場模擬評估 (密閉無風)
HISG LowE 玻璃 一般玻璃 1F 室內溫度 30.6℃ 31.5℃ 33.6℃
2F 室內溫度 46.7℃ 46.5℃ 48.1℃
圖 五–4 零耗能模型於台中夏天溫度場模擬評估(HISG)
