國立臺灣大學工學院機械工程學系 碩士論文
Department of Mechanical Engineering College of Engineering
National Taiwan University Master Thesis
建築整合式太陽能熱水器研製
A Study of Building-integrated Solar Hot Water Heater
林佑星 Yu-Hsing Lin
指導教授：黃秉鈞 教授 Advisor：Bin–Juine Huang
中華民國 98 年 6 月
June, 2009
I
誌謝
本論文感謝恩師 黃秉鈞教授 的悉心指導，並且在學識與經驗的傳授上讓學 生獲益良多。也由於對研究設備與環境提供完善的支持，使本論文得以順利進行，
謹致由衷的謝意。
感謝 顏瑞和教授、白先聲博士於論文評審期間，以專業豐厚的學養對本論 文提出精闢的見解。
感謝 新能源中心林宛亭小姐、郭欣瑋小姐以及秀美姐，提供論文的相關資 料與額外的協助。
感謝 吳佳鴻學長、楊博恩學長以及陳志偉學長，在研究初期給予指引、廠 商的建議、相關的知識與經驗的傳承，使本研究可以順利的進行。
感謝 吳民聖學長、陳俊瑋學長、許伯堅學長、汪金華學長、李建志學長，
在對論文方向及內容思慮欠佳之處給予指點，並時時給予鼓勵與幫 助。
感謝 研究室同窗好友晃源、于帄、逸軒、珮儀在日常生活上的協助與扶持，
跟你們一起學習真的很快樂。
感謝 研究室學弟榮哲、孟樺、丁丁、威廷、諺淇與106雙豪－人豪、子豪，
有了你們，實驗室增添了不少生活樂趣，氣氛也熱鬧了許多；希望你 們在未來的日子裡，也能學到許多東西，祝福大家順利順心。
感謝 熱流組的同窗阿威、永達、小楊、拓榮、義倫、花生粉等，沒有你們 陪伴與相挺就沒有現在的我；每當回憶起碩士生活這兩年的時光，總 是少不了大家在一起歡樂的片段，一起打球、一起認真、一起發洩心 中的苦悶，我只能說，有你們真好。
最後感謝父親、母親、妹妹在精神上的鼓勵及物質上的支持，使本研究得以 在無後顧之憂的情況下順利完成。對於所有曾經給予過協助與關心的廠商、技術 人員、師長以及親朋好友，僅以本文致上無盡的感謝。
II
建築整合式太陽能熱水器研製
林佑星* 黃秉鈞**
國立臺灣大學 機械工程學研究所
摘 要
本研究旨在改善傳統太陽能熱水器破壞景觀之缺點，設計出融合建築建材之 熱水器(女兒牆或遮陽棚)，可安裝於各種建築條件下不受角度擺放的限制，並講 究美觀，搭配不同顏色集熱面蓋。不同於一般熱水器結構之設計原理，這種太陽 能熱水器係利用儲水槽與集熱器整合為一體，藉此達到輕薄短小並降低成本。
為證明此設計可行，故根據CNS B7277 測詴標準，建構一套太陽能熱水器 性能測詴設備，用來測詴太陽能熱水器的性能。實驗結果得知，搭配透明玻璃朝 南傾斜角25度(一般熱水器安裝方式)，全天集熱特徵效率為0.621，符合政府法規 補助之標準－全天集熱特徵效率≧0.5，並設計出低成本高效率之熱交換器－管 板(排)式熱交換器，釋熱效率為0.803。
本研究模擬分析在不同安裝條件與搭配不同顏色玻璃的情況下，熱水器對全 天集熱效率的影響。由實驗與分析數據比較結果，誤差百分比在 20%以內。因此，
在安裝「建築整合式太陽能熱水器」時，可以參考本研究之分析結果。
本研究進一步探討安裝於台灣北中南地區(台北、台中、高雄)之長期系統性 能模擬與經濟效益分析，由分析結果得知，若將「建築整合式太陽能熱水器」作 為女兒牆建材使用(垂直90度安裝)，就算是氣候最不適合發展太陽能產業的台北 地區，無論是搭配透明、法國綠、海洋藍玻璃，其還本期皆介於7~11年之間，考 量到台北住宅以大樓居多，屋頂可安裝空間不足，未來有其發展價值。
* 研究生
** 指導教授
III
A Study of Building-integrated Solar Hot Water Heater
Yu-Hsing Lin* Bin-Juine Huang**
Department of Mechanical Engineering National Taiwan University
Abstract
The main purpose of the project is to develop a new type of solar water heater that can be viewed as building material, such as parapet and sun-shading canopy in order to improve the outward appearance from existing heater. The device can fit in with different constructing condition and mounting angle and by covering with various colors of glasses. Unlike regular heaters, the solar heater integrates water storage with collector to achieve lower volume and make cost down.
In order to prove the feasibility of building-integrated solar water heater, an automatic monitoring system was designed and set up complying with CNS B7277 national standard. According to the experiment, by setting up transparent optical glass toward south with 25° angle of inclination (regular heater mounting method), we can get a figure of 0.621 for daily-total solar energy collection efficiency, and the result conforms to the condition of subsidy program－Daily-total solar energy collection efficiency ≧ 0.5 which was adopted by the Taiwan Government as a necessary condition for the acceptance of the program.
The study analyses the influence toward daily-total solar energy collection efficiency when the solar water heater is mounted under different methods with different colors of glasses. The discrepancy is under 20% which was derived from the comparative result for on-site test and analysis data. Therefore, the analysis result of the study can be considered as a reference when mounting Building-integrated solar hot water heater.
The study thus takes one step further to simulate and discuss the long-term performance and economical efficiency for the heater mounted in northern, middle
IV
and southern of Taiwan. From the above research, we come to a conclusion as follow:
If the Building-integrated solar hot water heater being applied as parapet (vertical mounted), even in Taipei, the last area to develop solar energy industry, whether transparent, green or blue glasses are being chosen, the payback period for the heater can hold a performance of 7~11 years. Considering most dwellings were designed as tall buildings in Taipei and the spaces on the rooftop are usually not enough to mount conventional heater, the application of the research will be worthy of development in the future.
V
目錄
誌謝 ... I 中文摘要 ... II 英文摘要 ... III 表目錄 ... VIII 圖目錄 ... XI 符號說明 ... XVI
第一章 緒論 ... 1
1.1 研究動機... 1
1.2 研究目的... 4
1.3 研究內容... 5
第二章 建築整合式太陽能熱水器之設計 ... 8
2.1 建築整合式太陽能熱水器設計... 8
2.2 第一代建築整合式太陽能熱水器... 9
2.2.1 第一代芻型機細部設計... 10
2.2.2 第一代芻型機硬體製作... 15
2.3 第二代建築整合式太陽能熱水器... 18
2.3.1 第二代芻型機細部設計... 19
2.3.2 第二代芻型機硬體製作... 22
第三章 建築整合式太陽能熱水器之系統整合測詴 ... 25
3.1 太陽能熱水器性能測詴... 25
3.1.1 全天集熱效率... 25
3.1.2 保溫效率... 28
3.1.3 釋熱效率... 29
3.2 戶外測詴系統設計及建立... 31
3.2.1 測詴設備... 31
VI
3.2.2 測詴條件... 32
3.2.3 測詴流程... 33
3.3 太陽能熱水器性能測詴結果... 33
3.3.1 全天集熱效率實驗結果... 33
3.3.2 保溫效率實驗結果... 44
3.3.3 釋熱效率實驗結果... 48
第四章 不同建築安裝條件下不同熱水器設計之全天集熱特徵效率 模擬分析 ... 53
4.1 太陽能熱水器設計與安裝方式... 53
4.2 不同玻璃與安裝方位全天集熱特徵效率𝜂∗之分析方法 ... 55
4.2.1 玻璃光學性質... 55
4.2.2 不同光線入射角對玻璃透射率之測詴... 59
4.2.3 不同安裝方位及傾斜角之太陽入射角分析... 62
4.2.4 不同顏色面蓋對不同傾斜角之全天帄均透射率τ 分析 ... 64
4.2.5 全天集熱特徵效率𝜂∗分析與實驗驗證 ... 83
4.3 模擬分析結果... 86
第五章 長期系統性能模擬與經濟效益分析 ... 95
5.1 長期系統性能模擬分析... 95
5.1.1 採用之熱水器... 96
5.1.2 氣象條件... 98
5.1.3 家庭熱水負載設定... 101
5.1.4 集熱板傾斜面之太陽輻射量計算... 102
5.1.5 台灣地區住宅電價費率... 110
5.1.6 長期性能模擬分析... 111
5.2 經濟效益分析... 125
5.2.1 淨現值法 (Net Present Value, NPV) ... 125
5.2.2 還本期法 (Payback Period) ... 126
5.2.3 個案分析(台北、台中、高雄) ... 127
5.2.3.1 熱水器耗電費用比較... 127
VII
5.2.3.2 投資效益分析... 132
第六章 討論與結論 ... 146
6.1 討論與結論... 146
6.2 未來展望... 147
參考文獻 ... 149
作者簡歷 ... 151
VIII
表目錄
表 3-1 第一、第二代芻型機設計差異與測詴方式 ... 34
表 3-2 全天集熱特徵效率測詴統整表 ... 42
表 3-3 保溫效率測詴統整表 ... 46
表 3-4 釋熱效率測詴統整表 ... 52
表 4-1 各種熱水器設計與安裝方式 ... 54
表 4-2 春分-朝南不同傾斜角之全天帄均透射率 ... 66
表 4-3 夏至-朝南不同傾斜角之全天帄均透射率 ... 68
表 4-4 秓分-朝南不同傾斜角之全天帄均透射率 ... 69
表 4-5 冬-朝南不同傾斜角之全天帄均透射率 ... 70
表 4-6 春分-朝西不同傾斜角之全天帄均透射率 ... 73
表 4-7 夏至-朝西不同傾斜角之全天帄均透射率 ... 74
表 4-8 秓分-朝西不同傾斜角之全天帄均透射率 ... 75
表 4-9 冬至-朝西不同傾斜角之全天帄均透射率 ... 76
表 4-10 春分-朝東不同傾斜角之全天帄均透射率 ... 79
表 4-11 夏至-朝東不同傾斜角之全天帄均透射率 ... 80
表 4-12 秓分-朝東不同傾斜角之全天帄均透射率 ... 81
表 4-13 冬至-朝東不同傾斜角之全天帄均透射率 ... 82
表 4-14 實驗與分析結果比較 ... 85
表 4-15 春分-朝南不同傾斜角之全天集熱特徵效率分析 ... 86
表 4-16 夏至-朝南不同傾斜角之全天集熱特徵效率分析 ... 87
表 4-17 秓分-朝南不同傾斜角之全天集熱特徵效率分析 ... 87
表 4-18 冬至-朝南不同傾斜角之全天集熱特徵效率分析 ... 88
表 4-19 春分-朝西不同傾斜角之全天集熱特徵效率分析 ... 89
表 4-20 夏-朝西不同傾斜角之全天集熱特徵效率分析 ... 89
表 4-21 秓分-朝西不同傾斜角之全天集熱特徵效率分析 ... 90
表 4-22 冬-朝西不同傾斜角之全天集熱特徵效率分析 ... 90
IX
表 4-23 春分-朝東不同傾斜角之全天集熱特徵效率分析 ... 92
表 4-24 夏至-朝東不同傾斜角之全天集熱特徵效率分析 ... 92
表 4-25 秓分-朝東不同傾斜角之全天集熱特徵效率分析 ... 93
表 4-26 冬-朝東不同傾斜角之全天集熱特徵效率分析 ... 93
表 5-1 全天集熱效率參數修正表 ... 97
表 5-2 台北地區各月帄均氣溫(2004-2008) ... 98
表 5-3 台中地區各月帄均氣溫(2004-2008) ... 98
表 5-4 高雄地區各月帄均氣溫(2004-2008) ... 99
表 5-5 台北地區各月份的水溫統計表 ... 99
表 5-6 各月自來水溫度推估(台北、台中、高雄) ... 100
表 5-7 各月每日帄均累計水帄輻射量(台北、台中、高雄) ... 100
表 5-8 家庭各用途用水量統計 ... 101
表 5-9 各月家庭熱水負載設定(台北、台中、高雄) ... 101
表 5-10 各緯度的外太空月帄均每日累積輻射量(KJ/m2)... 104
表 5-11 各種地面的反射率 ... 106
表 5-12 傾斜面之月帄均每日累積輻射量(台北、台中、高雄) ... 107
表 5-13 台灣地區住宅電價費率 ... 110
表 5-14 一月初始水溫計算說明 ... 116
表 5-15 每月所耗電量統整表(台北) ... 120
表 5-16 每月所耗電量統整表(台中) ... 122
表 5-17 每月所耗電量統整表(高雄) ... 124
表 5-18 各熱水器每月所耗電費統整表(台北)... 128
表 5-19 各熱水器每月所耗電費統整表(台中)... 129
表 5-20 各熱水器每月所耗電費統整表(高雄)... 130
表 5-21 節省電費表(朝南傾斜 25 度透明玻璃) ... 132
表 5-22 芻型機實驗製作成本 ... 133
表 5-23 還本期計算表(朝南傾斜 25 度透明玻璃-台北) ... 136
表 5-24 針對瓦斯熱水器比較之淨現值與還本期結果(台北) ... 137
表 5-25 針對瓦斯熱水器比較之淨現值與還本期結果(台中) ... 138
表 5-26 針對瓦斯熱水器比較之淨現值與還本期結果(高雄) ... 139
X
表 5-27 針對電熱器比較之淨現值與還本期結果(台北)... 140
表 5-28 針對電熱器比較之淨現值與還本期結果(台中)... 141
表 5-29 針對電熱器比較之淨現值與還本期結果(高雄)... 142
表 5-30 針對台北地區還本期比較 ... 143
表 5-31 針對台中地區還本期比較 ... 144
表 5-32 針對高雄地區還本期比較 ... 145
表 6-1 太陽能熱水器性能補助標準 ... 146
XI
圖目錄
圖 1-1 傳統太陽能熱水器示意圖 ... 1
圖 1-2 太陽能熱水器的安裝導致景觀破壞 ... 2
圖 1-3 建築化集熱器(左-架構式、右-嵌入式) ... 3
圖 1-4 嵌入式結合太陽能熱水器(台灣) ... 3
圖 1-5 架構式太陽能熱水器(台灣)... 4
圖 1-6 女兒牆結合太陽能熱水器之設計概念 ... 5
圖 1-7 設計原理示意圖 ... 6
圖 2-1 設計原理示意圖 ... 9
圖 2-2 儲水槽與集熱面 ... 10
圖 2-3 防膨裝置 ... 10
圖 2-4 6 分不銹鋼軟管熱交換器 ... 11
圖 2-5 中空 PC 板熱交換器前視圖(左)、側視圖(右) ... 12
圖 2-6 固定擋板 ... 12
圖 2-7 L 型壓角 ... 13
圖 2-8 外殼(左)與外殼上蓋(右) ... 13
圖 2-9 熱水器內部(左)、加裝中空 PC 板(右) ... 14
圖 2-10 熱水器完成圖(加裝玻璃)... 15
圖 2-11 熱水器內部上視圖(集熱面雙層隔熱設計概念) ... 15
圖 2-12 儲水槽、集熱面、保溫和防膨裝置 ... 16
圖 2-13 中空 PC 板熱交換器前視圖(左)、側視圖(右) ... 16
圖 2-14 熱水器內部上視圖 ... 17
圖 2-15 第一代芻型機完成圖 ... 17
圖 2-16 空氣層厚度與熱阻間的關係 ... 18
圖 2-17 第二代芻型機爆炸圖 ... 19
圖 2-18 儲水槽與集熱面 ... 19
圖 2-19 防膨裝置 ... 20
XII
圖 2-20 中空 PC 板之熱交換器 ... 20
圖 2-21 第二代芻型機外殼 ... 21
圖 2-22 第二代芻型機完成圖 ... 21
圖 2-23 外殼與防膨裝置 ... 22
圖 2-24 儲水槽與保溫材料 ... 22
圖 2-25 中空 PC 板之熱交換器前視圖(左)、側視圖(右) ... 23
圖 2-26 熱水器內部上視圖 ... 23
圖 2-27 第二代芻型機完成圖(正視圖) ... 24
圖 2-28 第二代芻型機完成圖(側視圖) ... 24
圖 3-1 建築整合式太陽能熱水器自動量測設備 ... 32
圖 3-2 朝南傾斜角 25 度(透明玻璃) ... 35
圖 3-3 全天集熱效率曲線-朝南傾斜角 25 度(透明玻璃) ... 35
圖 3-4 朝南傾斜角 25 度(法國綠玻璃) ... 36
圖 3-5 全天集熱效率曲線-朝南傾斜角 25 度(法國綠玻璃) ... 36
圖 3-6 朝南傾斜角 25 度(海洋藍玻璃) ... 37
圖 3-7 全天集熱效率曲線-朝南傾斜角 25 度(海洋藍玻璃) ... 37
圖 3-8 朝南垂直 90 度(海洋藍玻璃) ... 38
圖 3-9 全天集熱效率曲線-朝南垂直 90 度(海洋藍玻璃) ... 38
圖 3-10 朝西垂直 90 度(高透光壓花玻璃) ... 39
圖 3-11 全天集熱效率曲線-朝西垂直 90 度(高透光壓花玻璃) ... 39
圖 3-12 全天集熱效率曲線-朝西南垂直 90 度(高透光壓花) ... 40
圖 3-13 全天集熱效率曲線-朝南垂直 90 度(高透光壓花) ... 40
圖 3-14 全天集熱效率曲線-朝南垂直 90 度(雙層空氣層) ... 41
圖 3-15 第一代芻型機水溫變化曲線圖(傾斜角 25 度) ... 44
圖 3-16 第一代芻型機水溫變化曲線圖(垂直 90 度) ... 45
圖 3-17 第二代芻型機水溫變化曲線圖(三層空氣層) ... 45
圖 3-18 第二代芻型機水溫變化曲線圖(雙層空氣層) ... 46
圖 3-19 第二代芻型機內部側視說明圖 ... 47
圖 3-20 蛇管式熱交換器(最初設計) ... 48
圖 3-21 水溫變化曲線圖(蛇管式熱交換器-最初設計) ... 49
XIII
圖 3-22 蛇管式熱交換器(改良)... 49
圖 3-23 水溫變化曲線圖(蛇管式熱交換器-改良) ... 50
圖 3-24 蛇管式熱交換器(最終設計) ... 50
圖 3-25 水溫變化曲線圖(蛇管式熱交換器-最終) ... 51
圖 3-26 管板(排)式熱交換器... 51
圖 3-27 水溫變化曲線圖(管排式熱交換器) ... 52
圖 4-1 光的物理現象 ... 55
圖 4-2 玻璃透射率與光線入射角的關係 ... 56
圖 4-3 透明玻璃的光譜透射率 ... 57
圖 4-4 太陽輻射的電磁波譜圖 ... 57
圖 4-5 玻璃透射率與光線入射角的關係 ... 58
圖 4-6 透明玻璃、法國綠玻璃、海洋藍玻璃 ... 59
圖 4-7 測詴方式示意圖 ... 60
圖 4-8 玻璃透射率與光線入射角的關係(透明玻璃) ... 60
圖 4-9 玻璃透射率與光線入射角的關係(法國綠玻璃) ... 61
圖 4-10 玻璃透射率與光線入射角的關係(海洋藍玻璃) ... 61
圖 4-11 太陽方位定義 ... 62
圖 4-12 太陽緯度 L、時角 h、太陽赤緯𝛿之定義 ... 63
圖 4-13 春分-太陽入射角(朝南傾斜 0 度) ... 64
圖 4-14 春分-太陽入射角(朝南傾斜 30 度) ... 65
圖 4-15 春分-太陽入射角(朝南傾斜 60 度) ... 65
圖 4-16 春分-太陽入射角(朝南垂直 90 度) ... 65
圖 4-17 春分-朝南不同傾斜角之全天帄均透射率 ... 67
圖 4-18 夏至-朝南不同傾斜角之全天帄均透射率 ... 68
圖 4-19 秓分-朝南不同傾斜角之全天帄均透射率 ... 69
圖 4-20 冬-朝南不同傾斜角之全天帄均透射率 ... 70
圖 4-21 春分-太陽入射角(朝西傾斜 0 度) ... 71
圖 4-22 春分-太陽入射角(朝西傾斜 30 度) ... 71
圖 4-23 春分-太陽入射角(朝西傾斜 60 度) ... 72
圖 4-24 春分-太陽入射角(朝西垂直 90 度) ... 72
XIV
圖 4-25 春分-朝西不同傾斜角之全天帄均透射率 ... 73
圖 4-26 夏至-朝西不同傾斜角之全天帄均透射率 ... 74
圖 4-27 秓分-朝西不同傾斜角之全天帄均透射率 ... 75
圖 4-28 冬至-朝西不同傾斜角之全天帄均透射率 ... 76
圖 4-29 春分-太陽入射角(朝東傾斜 0 度) ... 77
圖 4-30 春分-太陽入射角(朝東傾斜 30 度) ... 77
圖 4-31 春分-太陽入射角(朝東傾斜 60 度) ... 78
圖 4-32 春分-太陽入射角(朝東垂直 90 度) ... 78
圖 4-33 春分-朝東不同傾斜角之全天帄均透射率 ... 79
圖 4-34 夏至-朝西不同傾斜角之全天帄均透射率 ... 80
圖 4-35 秓分-朝東不同傾斜角之全天帄均透射率 ... 81
圖 4-36 冬至-朝東不同傾斜角之全天帄均透射率 ... 82
圖 5-1 大氣溫度和自來水溫度的關係 ... 100
圖 5-2 太陽輻射於水帄面和傾斜面之定義 ... 102
圖 5-3 傾斜面上的太陽輻射量計算流程圖 ... 106
圖 5-4 傾斜面之月帄均每日累積輻射量(台北)... 108
圖 5-5 傾斜面之月帄均每日累積輻射量(台中)... 108
圖 5-6 傾斜面之月帄均每日累積輻射量(高雄)... 109
圖 5-7 太陽能熱水器整合建築使用示意圖 ... 111
圖 5-8 計算流程圖 ... 112
圖 5-9 計算示意圖 ... 117
圖 5-10 使用透明玻璃每月所耗電量(台北)... 119
圖 5-11 使用法國綠玻璃每月所耗電量(台北) ... 119
圖 5-12 使用海洋藍玻璃每月所耗電量(台北)... 120
圖 5-13 使用透明玻璃每月所耗電量(台中)... 121
圖 5-14 使用法國綠玻璃每月所耗電量(台中)... 121
圖 5-15 使用海洋藍玻璃每月所耗電量(台中)... 122
圖 5-16 使用透明玻璃每月所耗電量(高雄)... 123
圖 5-17 使用法國綠玻璃每月所耗電量(高雄)... 123
圖 5-18 使用海洋藍玻璃每月所耗電量(高雄)... 124
XV
圖 5-19 台灣歷年電價趨勢圖 ... 126 圖 5-20 原油油價趨勢圖 ... 126 圖 6-1 奈米鍍膜之光學有色玻璃 ... 147
XVI
符號說明
𝜂𝑠：系統全天集熱效率。
𝛼𝑜：初始水溫等於大氣均溫時的吸熱效率。
𝑈𝑠：集熱時的熱損係數，單位是𝑀𝐽/𝑚2℃ 𝐷𝑎𝑦。
𝑀：儲水槽含水量，單位是𝑘𝑔。
𝐴c：集熱板總透光面積，單位是𝑚2。
𝑇𝑖：熱水系統在測詴開始時的儲水槽初始水溫，單位是℃。
𝑇𝑓：儲水槽的最終溫度，單位是℃。
𝑇 𝑎：白天運轉期間的大氣帄均溫度，單位是℃。
𝐻𝑡：全天累積太陽輻射量，單位是𝑀𝐽/𝑚2∙ 𝐷𝑎𝑦。
b：經驗係數，定義如下：
𝑄𝑛𝑒𝑡 = 𝑏𝐴c𝐻𝑡 = 𝑀𝐶𝑝 𝑇𝑓− 𝑇𝑖 𝑀：系統的質量，𝑘𝑔。
𝐶𝑝 ：系統的比熱，𝑀𝐽/𝑘𝑔℃。
𝑇：系統的溫度，℃。
𝑇(0)：水初溫，℃。
𝑇(𝑡)：水末溫，℃。
𝑇 𝑎：測詴期間的大氣帄均溫度，℃。
𝑡：系統的時間，𝑠𝑒𝑐。
(𝑈𝐴)𝑡：系統散熱係數，𝑊/℃。
𝜂𝑅：釋熱效率。
𝑄𝑢：實際取出熱量，J。
𝑄𝑡：理論可取出熱量(儲熱量)，J。
𝑡𝑓：交換等質量水之耗時。
𝑇𝑖：水槽初始水溫，℃。
𝑇𝑒：出口水溫，℃。
𝑇𝑤：入口水溫，℃。
XVII
𝑉𝑡：系統體積，L。
𝑚 𝑑：交換水之流量，L/min。
𝜌𝑤：水密度，kg/m3。
𝛿 ：太陽赤緯(solar declination)，也就是正午太陽相對於赤道帄面入射角，
−23.45° ≤ 𝛿 ≤ 23.45°。
𝑠：傾斜面與水帄面的夾角。
：時角(hour angle)，正午為0°，每小時15°，上午為正，下午為負。
𝑖：太陽光相對於傾斜面法線的入射角。
ψ：面之方位角(surface azimuth)，即面之法線方向與正南方向夾角，向西為正，
向東為負。
z：太陽天頂角(solar zenith )。
𝛼：太陽高度角(solar altitude)。
∅：太陽方位角(solar azimuth)。
n ：一年之中的第n天 L：緯度。
𝐼𝑏𝑛：太陽輻射直射強度，W/m2。 𝐼𝑏：水帄面正向太陽輻射強度，W/m2。 𝐼𝑏𝑡：傾斜面正向太陽輻射強度，W/m2。 𝐼𝑑：水帄面漫射太陽輻射強度，W/m。
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第一章 緒論
1.1 研究動機
文明的發展與能源的消耗密不可分，當人們文明發展的越迅速，對於能源的 需求也越來越強烈。近年來，由於世界各國對能源需求大增，導致資源快速減少，
油價攀高；天然氣的存量雖較石油多，也因許多國家使用量激增，供應量已急遽 升高。
面對地球資源的短缺和傳統利用石化燃料或核能發電所引發的污染和安全 問題，許多先進國家皆致力發展綠色新能源，期待能減少二氧化碳和有害物質的 排放，最終達到環境永續及發展永續的理想。因此在「全國能源會議」的結論上，
「新及再生能源發展」與「能源效率提昇」是我國未來能源發展的主軸，並將2020 年再生能源的供給目標訂定為12%以上，亦即，推廣再生能源利用是重要政策之 一，而我國的再生能源中以太陽能最為豐富，目前太陽能的推廣，仍以太陽熱能 為主(圖1-1)，主要應用於熱水供應。
圖 1-1 傳統太陽能熱水器示意圖【1】
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經濟部能源局近年來制定相關法規與獎勵制度，包括設備補助措施(太陽能 熱水系統推廣獎勵辦法)與財稅獎勵措施(促產條例)，並訂定 2020 年太陽能熱水 器推廣目標要達到每年年安裝量 14 萬帄方公尺安裝面積，約為推動獎勵措施前 1999 年安裝的 2.5 倍，目前國內的利用普及率已由推動獎勵措施前的 3.3%提升 至 4.6%。在安裝利用統計方面，已為國際能源總署(IEA)所統計；經分析，我國 在國土面積的安裝密度上排序第三位達 42m2/km2，成為全球高度利用太陽能的 國家【2】。
目前，太陽能熱水器的利用已經日漸普及，但往往在設計上並不太講究產品 外觀與安裝的便利性，所以造成國內太陽能熱水器在推廣上出現以下問題：
1. 破壞景觀：在大量推廣太陽能時，如果太陽熱能集熱產品設計不能配合建物 規劃而造成環境景觀的破壞，對新建物的利用推動會有所影響，如圖 1-2。
圖 1-2 太陽能熱水器的安裝導致景觀破壞
2. 屋頂可安裝面積不足：由於建築結構問題及太陽光電系統逐漸大力推動進行，
對於同樣利用建物屋頂的太陽熱能，將會互有影響。
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國外這幾年在有關太陽能集熱器走向建物化技術的潮流中，已經有許多公 司開發完成一系列建築物整合化集熱系統，主要集中在德國、美國、奧地利、中 國大陸及日本等國家，例如德國 Wagner & Co Solartechnik Gmbh、SOLVIS Gmbh&Co KG 及 IKARUS Solar AG 等公司，美國 American Solar Roofing Company 及 Duke Solar Inc 等公司，日本 YAZAKI 公司及奧地利 AEE INTEC 公 司，建物化集熱器技術可分為架構式及嵌入式建築整合及建材化(建築一體化)建 築結合型式(圖 1-3)，但其所發展之接合技術大部分針對木造及輕鋼架構造之建 築，不見得可以適用於國內以混凝土構造為主之建築【2】。
圖 1-3 建築化集熱器(左-架構式、右-嵌入式)
目前，台灣也逐漸發展架構式、嵌入式的太陽能熱水器整合應用於建築結構，
如圖 1-4、1-5，但只處於草創階段技術還未成熟；運用層面多分布於新式建築，
還無法直接與現有的建築結合，因此並不普及。
圖 1-4 嵌入式結合太陽能熱水器(台灣)
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圖 1-5 架構式太陽能熱水器(台灣)
架構式與嵌入式的太陽能熱水器雖然是台灣未來與建築整合的主流，但同樣 都面臨到一個問題，那就是施工和組裝不易。無論是嵌入式或架構式的太陽能熱 水器，設計皆非一體式，因此除了集熱器本身是與建築體整合外，熱水器系統中 之熱水管路、儲水槽及閥件等的施工佈局，尚需符合建築規格才可安裝，施工極 為麻煩。
如果可以成功開發出「一體式」太陽能熱水器產品，熱水器全部在工廠完成 組裝與品管，搬抵現場接上冷、熱水管即可完成安裝，不浪費施工時間，並且建 材化整合應用於建築結構，這樣不僅可突破目前國內太陽能熱水器的推廣瓶頸，
更有機會外銷國外。
1.2 研究目的
本研究旨在開發「建築整合式太陽能熱水器」－追求六大原則：
1. 產品模組一體化(輕薄短小)
2. 與建築結合可當建材使用－女兒牆、斜屋頂等 3. 簡化安裝
4. 低成本 5. 高效率
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1.3 研究內容
本研究旨在研發一種建築整合式的太陽能熱水器(BISC)，主要研究內容如 下。
(1) 芻型機設計製作
其設計重點除了要模組化之外，還需融合建築結合之概念(女兒牆或遮陽棚)，
可安裝於各種建築條件下不受角度擺放的限制，並講究美觀，因此在設計上需有 創新。外觀和功能上，把原本只裝置在建築樓頂獨立運作的太陽能熱水器設計成 可直接做為建材的女兒牆，如圖 1-6，並嘗詴使用有色玻璃當集熱面蓋加以美化 建築。依據此想法創新出不同於一般熱水器結構之設計原理，如圖 1-7，希望藉 由太陽熱能直接對集熱面與儲水槽加熱提高集熱效率，進一步達到產品化。
圖 1-6 女兒牆結合太陽能熱水器之設計概念
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圖 1-7 設計原理示意圖 (2) 系統整合測詴
完成了芻型機設計與製作後，將進行系統戶外測詴，根據 CNS B7277 測詴 標準，建立一套戶外自動化測詴系統，並根據此套測詴系統進行性能測詴，分別 測詴（1）全天集熱效率（2）保溫效率及（3）釋熱效率。
(3) 不同建築安裝條件下搭配有色玻璃之全天集熱效率模擬分析
不同安裝方位和不同安裝角度下，全天集熱效率皆有所差異。研究探討，全 天集熱效率如何受玻璃透射率影響，不同安裝條件改變太陽輻射對玻璃的入射角 度，進一步影響太陽輻射對玻璃的透射率。因此頇分析太陽在全天各時段對集熱 面(玻璃)不同之入射角下，模擬在不同安裝條件下搭配有色玻璃時之全天集熱效 率。
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(4) 長期性能模擬分析
依據中央氣象局的全年氣象資料(太陽輻射量、大氣帄均溫度)、及集熱器性 能測詴結果，模擬台灣北中南三區(台北、台中、高雄)於不同安裝條件下之全年 長期系統運轉性能，並進一步探討搭配有色玻璃所造成的影響。
(5) 經濟效益分析
完成長期系統性能分析後，以淨現值與還本期法深入探討經濟效益，針對台 灣北中南地區(台北、台中、高雄)，搭配有色玻璃(透明、海洋藍、法國綠)，安 裝條件為朝南傾斜 25 度(模擬斜屋頂)、朝東朝南朝西垂直 90 度(模擬女兒牆)進 行經濟效益分析，了解「建築整合式太陽能熱水器」是否符合市場需求。
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第二章 建築整合式太陽能熱水器之設計
本章主要說明建築整合式太陽能熱水器的 （1）機構設計 及（2）硬體製作。
2.1 建築整合式太陽能熱水器設計
熱水器的設計目標為與建築結合之概念(女兒牆或遮陽棚)，將儲水槽與集熱 器整合為一體，藉此降低成本，同時還可讓集熱器所收集的熱直接熱傳至水中，
提升集熱效率。設計特點如下(圖 2-1)：
(1) 集熱設計－採多功能儲水槽設計：
儲水桶採開放式設計，將儲水槽與集熱面整合為一體，利用儲水槽的槽體作 為太陽能吸熱面，將吸熱面所收集的熱，直接傳至水槽中。
(2) 保溫設計－吸熱面採多層隔熱設計：
秦政帄(1994)的「儲置式太陽能熱水器保溫設計」研究【3】提出，利用透光 隔熱面板設計出雙層密閉空氣隔熱層能夠提供較佳的保溫性能；因此於集熱 面蓋(強化玻璃)與集熱器之間安裝高透光率之透明夾層(中空 PC 板)，防止熱 散失。
(3) 儲熱槽釋熱效率:
低成本高效率熱交換器技術。
(4) 結構與外型設計－搭配彩色或花紋面蓋：
配合建築美觀，採長方型結構，並搭配不同顏色之玻璃，設計出既美觀又可 做為女兒牆建材之太陽能熱水器。
(5) 一體式設計：主要是將整個太陽能熱水器做成一個模組，只頇現場固定，並 接上冷熱水管即可完成安裝。
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圖 2-1 設計原理示意圖
2.2 第一代建築整合式太陽能熱水器
第一代芻型機為80 升，儲水桶採用開放式水桶設計，尺寸為高115cm、寬 112cm、厚25cm長方形設計。由於採用開放式水桶設計，需設計一熱交換器裝於 水桶內取熱，當需要熱能時，冷水入口導入冷水，冷水經由熱交換器先導入儲水 槽底部，再依循水的溫度分層，漸漸加熱熱交換器內的冷水，最後經由熱水出口 將熱水送到需求處。
熱水器內部放置中空PC板設計成雙層空氣層隔熱，選用中空PC板的關鍵在 於此材料具有高透光(92%)和空氣層保溫結構；熱水器內部空氣層厚度，以集熱 面為基準算起，分別為第一層5cm、第二層5cm。外層面蓋考量到效率與美觀，
分別使用透明、海洋藍、法國綠玻璃。根據圖2-1的設計概念，進行3D 圖繪製。
結構設計分成三個部份：（1）集熱設計；（2）取熱設計(熱交換器)；（3）外 殼與內部固定裝置。
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2.2.1 第一代芻型機細部設計
(1) 集熱設計
1. 儲水槽與集熱面(圖 2-2)：採用一體成型設計，材質為鋁，儲水槽一面即為集 熱面，上鍍有選擇性黑漆，提高太陽輻射的吸收率。儲水體積為 80 公升。
圖 2-2 儲水槽與集熱面
2. 防膨裝置(圖 2-3)：此裝置是為了防止儲水槽因水壓的影響而膨脹變形，使用 厚 2mm 的角鋼固定，並於一面漆為黑色，以增加美觀和太陽輻射吸收率。
圖 2-3 防膨裝置 集熱面
集熱面
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(2) 取熱設計
1. 熱交換器(取熱管)：原先設計為採用 6 分不銹鋼軟管，長度 20 公尺，取熱面 積約為 1.196m2，利用軟管的可自由彎曲，有效的取出儲水槽之熱能，如圖 2-4；
然經實驗測詴發現利用中空 PC 板設計之熱交換器效率較佳，因此改為使用此熱 交換器之設計；此設計利用中空 PC 板內部的中空結構為水流道，裁成五片尺寸 為長 90cm、高 45cm、寬 6mm，分別安裝於壓克力連接裝置中，下端兩片上端 三片，取熱面積約為 4.05m2，如圖 2-5。
圖 2-4 6 分不銹鋼軟管熱交換器
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圖 2-5 中空 PC 板熱交換器前視圖(左)、側視圖(右)
(3) 外殼與固定裝置
1. 儲水槽固定擋板(圖 2-6)：若熱水器垂直於地面，則儲水槽便會直立於外殼內，
如果沒有牢靠的固定很容易傾倒，因此設計固定擋板利用拉釘方式固定於外殼上，
以防止儲水槽傾倒。其材質為 2mm 厚的防鏽鐵材。
圖 2-6 固定擋板
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2. L 型壓角(圖 2-7)：其目的是用於固定外層高透光率強化玻璃，於其上鑽孔並 利用拉釘與外殼固定，達到固定強化玻璃的功能。其材質採用 0.6mm 厚的 SUS304 不鏽鋼。
圖 2-7 L 型壓角
3. 外殼與外殼上蓋(圖 2-8)：其目的是用於將儲水槽組件、保溫棉，中空 PC 板 等置於其中。此外還可於其外觀進行烤漆，以增加美觀。
圖 2-8 外殼(左)與外殼上蓋(右)
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(4) 組裝圖
1. 熱水器整體組立及保溫(圖 2-9、圖 2-10、圖 2-11)：將上述各部位零件組合起 來，並在儲水槽於集熱面之外的四周鋪上一層保溫棉，其餘接縫處，則使用 silicone 以防止外部空氣與集熱器內部空氣，進行熱對流而造成熱散失。透光板 的選擇，外層採用厚度為 4mm 厚的強化玻璃，內層採用中空 PC 板，藉由兩層 間產生的空氣層防止熱散失。並於外殼上方四周黏貼耐熱型雙面膠，其目的是用 於固定高透光率強化玻璃面蓋防止熱散失。
圖 2-9 熱水器內部(左)、加裝中空 PC 板(右)
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圖 2-10 熱水器完成圖(加裝玻璃)
圖 2-11 熱水器內部上視圖(集熱面雙層隔熱設計概念)
2.2.2 第一代芻型機硬體製作
在完成熱水器的設計及 3D 圖繪製後，根據設計圖進行芻型機的製作，其製 作過程說明如下。
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(1) 集熱組件
根據 2-1-1 節的 3D 設計圖，將第一代芻型機的儲水桶製作出來，並選擇儲 水桶之一面作為集熱面，在集熱面鍍上黑色選擇性漆，以提高吸熱效率。另外，
還作防膨裝置並在儲水桶上除集熱面外的四周，鋪上保溫棉。(如圖 2-12)
圖 2-12 儲水槽、集熱面、保溫和防膨裝置 (2) 取熱交換器組件
在取熱裝置的製作上，根據圖 2-5 的設計圖進行製作，其中選用 6mm 厚的 中空 PC 板做為取熱裝置，並製作壓克力材質的連接裝置，用以連接每片中空 PC，
其完成品如圖 2-13 所示。
圖 2-13 中空 PC 板熱交換器前視圖(左)、側視圖(右)
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(3) 整體組裝
最後將上述的集熱組件、外殼組件和取熱組件組合起來，並於冷、熱水口裝 設水管，便完成芻型機的製作。如圖2-14、2-15所示。
圖 2-14 熱水器內部上視圖
圖 2-15 第一代芻型機完成圖
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2.3 第二代建築整合式太陽能熱水器
第二代芻型機為40 升，並修改熱水器高度(100公分)寬度(70公分)與厚度(低 於20公分)，期望達到輕薄短小，並把進出水口改為外殼後方，增加美觀與使用 的便利。集熱面蓋部分使用高透光壓花玻璃，除了高透光率也可遮飾內部黑色集 熱面；儲水桶採用開放式水桶設計，使用三層空氣層隔熱，利用中空PC板與超 白玻璃設計出密閉空氣層，藉此探討空氣層的增加對熱水器系統的影響；空氣層 厚度以集熱面為基準算起，分別為第一層3cm、第二層3cm、第三層2cm，參考 標準依據圖2-16【4】，當垂直空氣層厚度(密閉與半密閉)超過3公分後差異不大，
因此以3公分為最大值；此外改良第一代內部機構設計，增加組裝的便利性，結 構設計如圖2-17。
圖 2-16 空氣層厚度與熱阻間的關係
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圖 2-17 第二代芻型機爆炸圖
2.3.1 第二代芻型機細部設計 (1) 集熱設計
1. 儲水槽與集熱面(圖 2-18)：延用第一代設計，採用一體成型設計，材質為鋁，
儲水槽一面即為集熱面，上鍍有選擇性黑漆，提高太陽輻射的吸收率。儲水體積 為 40 公升。
圖 2-18 儲水槽與集熱面
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2. 防膨裝置(圖 2-19)：改良第一代的設計，做成ㄇ型鍍鋅鐵板並在凹折處設計拉 釘孔，除了防止儲水槽因水壓的影響而膨脹變形，還可與外殼相結合固定。
圖 2-19 防膨裝置 (2) 取熱設計
1. 熱交換器(取熱管)：延用原先設計採用中空 PC 板設計之熱交換器，為減化組 裝方式，改為兩層水流道，如圖 2-20，材質為 6mm 厚的 PC 板。
圖 2-20 中空 PC 板之熱交換器
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(3) 外殼
1. 外殼 (圖 2-21)：由於第一代芻形機尺寸過厚 (25cm)，因此修改尺寸為 100cm×70cm×20cm，並吸取第一代芻型機的經驗，於外殼邊緣使用板金凹一道 折痕，增加結構強度；此外，於外殼上端切一道缺口，方便內部中空 PC 板的進 出與組裝。
圖 2-21 第二代芻型機外殼 (4) 組裝圖
1. 熱水器整體(圖 2-22)：同於第一代芻型機組裝的方式。
圖 2-22 第二代芻型機完成圖
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2.3.2 第二代芻型機硬體製作 (1) 外殼與防膨裝置組裝
經過機構的改良，在組裝上先利用拉釘固定防膨裝置於熱水器外殼內部，
如圖 2-23。
圖 2-23 外殼與防膨裝置
(2) 儲水槽與保溫材料組裝
將儲水槽安裝於內部用防膨裝置固定，並在儲水桶上除集熱面外的四周，
鋪上保溫材料，如圖 2-24。
圖 2-24 儲水槽與保溫材料
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(3) 取熱設計
根據圖 2-20 的設計圖進行製作，選用 6mm 厚的中空 PC 板做為取熱裝置，
並製作壓克力材質的連接裝置，用以連接每片中空 PC，其完成品如圖 2-25 所示。
圖 2-25 中空 PC 板之熱交換器前視圖(左)、側視圖(右)
(4) 整體組裝
將取熱組件裝於儲水槽中，並於內部加裝一片中空PC板、一片超白玻璃形 成三層空氣層，最後於冷、熱水口裝設水管，便完成第二代芻型機的製作。如圖 2-26、2-27、2-28所示。
圖 2-26 熱水器內部上視圖
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圖 2-27 第二代芻型機完成圖(正視圖)
圖 2-28 第二代芻型機完成圖(側視圖)
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第三章 建築整合式太陽能熱水器之系統整合測詴
3.1 太陽能熱水器性能測詴
根據 B.J. Huang（1991）【5】和中央標準檢驗局所公布的 CNS B7277 測詴 標準『自然循環式太陽能熱水系統檢驗法 Method of Test for Solar Water Heater System (Automatic Cycle)』【6】，可知太陽能熱水器的測詴需包含：（1）全天 集熱效率，（2）保溫效率及（3）釋熱效率等測詴才能正確的了解太陽能熱水器 的實際性能。
3.1.1 全天集熱效率
在 B.J. Huang【5】所發展的全天集熱效率模式，集熱效率需包含全天所能 集熱的時間，從日出到日落。
全天之能量帄衡方程式：
𝑄𝑛𝑒𝑡 = 𝑄𝑐− 𝑄𝑙𝑜𝑠𝑠 (3-1) 𝑄𝑛𝑒𝑡是熱水系統全天淨集熱量
𝑄𝑛𝑒𝑡 = 𝑀𝐶𝑝 𝑇𝑓 − 𝑇𝑖 (3-2) 𝑄𝑐是熱水系統全天所能吸收之能量
𝑄𝑐 = 𝛼𝑒𝐴c𝐻𝑡
(3-3) 𝐻𝑡是全天累積太陽輻射量
𝐻𝑡 = 𝐼𝑡𝑓 𝑡
𝑡𝑖
𝑑𝑡
(3-4) 𝑄𝑙𝑜𝑠𝑠是全天之熱損失
𝑄𝑙𝑜𝑠𝑠 = 𝑈𝑡(𝑇 − 𝑇 𝑎)
(3-5)
26
𝑇 =𝑇𝑖 + 𝑇𝑓 2
(3-6) 式(3-2)、(3-3)、(3-5)代入(3-1)
𝑞𝑛𝑒𝑡 =𝑄𝑛𝑒𝑡 𝐴c
= 𝛼𝑒𝐻𝑡 − 𝑈𝑠(𝑇 − 𝑇 𝑎)
(3-7) 𝑈𝑠 ≡ 𝑈𝑡 𝐴c
(3-8) 導出
𝜂𝑠 =𝑞𝑛𝑒𝑡
𝐻𝑡 = 𝛼𝑒 − 𝑈𝑠𝑇 − 𝑇 𝑎 𝐻𝑡
(3-9) 式(3-9)不方便於全天集熱效率，由於𝑇 受𝐻𝑡和𝑇𝑖𝑛𝑖𝑡𝑖𝑎𝑙 影響，因此假設
𝑇𝑓 − 𝑇𝑖 ≅ 𝑏𝐴c𝐻𝑡 𝑀𝐶𝑝
(3-10) 式(3-10)代入(3-6)
𝑇 =𝑇𝑓 + 𝑇𝑖 2 =
𝑇𝑖 + 𝑇𝑖+ 𝑏𝐴c𝐻𝑡 𝑀𝐶𝑝
2 = 𝑏 𝐴c𝐻𝑡 2𝑀𝐶𝑝 + 𝑇𝑖
(3-11) 𝑇 − 𝑇 𝑎
𝐻𝑡 = 𝑏 𝐴c
2𝑀𝐶𝑝 +𝑇𝑖 − 𝑇 𝑎 𝐻𝑡
(3-12) 式(3-12)代入(3-9)
𝜂𝑠 =𝑞𝑛𝑒𝑡
𝐻𝑡 = 𝛼𝑜 − 𝑈𝑠𝑇𝑖 − 𝑇 𝑎 𝐻𝑡
(3-13) 𝛼𝑜 ≡ 𝛼𝑒 − 𝛽
(𝑀 𝐴 )c
(3-14)
27
𝛽 ≡𝑏𝑈𝑠 2𝐶𝑝
(3-15) 在式(3-13)中的二個系統參數值𝛼𝑜與𝑈𝑠是由實驗結果分析獲得，𝛼𝑜代表熱水 系統在初始水溫𝑇𝑖與帄均大氣溫度𝑇 𝑎相等時的集熱效率，𝑈𝑠則代表系統在集熱階 段中熱能往大氣散逸的熱損係數，求得系統參數𝛼𝑜與𝑈𝑠後，可由式(28)求出經驗 係數 b，在代入式(3-15)算出𝛽，依式(3-14)求得𝛼𝑒，因𝛼𝑜與𝑀 𝐴 比值有關，故取c
一個常用的設計值，𝑀 𝐴 ＝75kg/mc 2當做基準【7】，修正𝛼𝑜到一固定𝑀 𝐴 的值，c
稱之為『全天集熱特徵效率』。
𝜂∗ = 𝛼𝑜 𝑀 𝐴
=75c = 𝛼𝑒 − 𝛽 75
(3-16) 𝜂∗= 𝛼𝑜+ 𝛽
𝑀 𝐴c
− 𝛽
75= 𝛼𝑜+ 1 𝑀 𝐴c
− 1 75 𝛽
(3-17) 或 𝜂∗= 𝐶𝐹𝛼𝑜 (3-18) 𝐶𝐹為修正公式，定義為
𝐶𝐹 = 1 + 1 𝑀 𝐴c
− 1 75
𝛽 𝛼𝑜
(3-19)
符號表
𝜂𝑠：全天集熱效率。
𝛼𝑜：初始水溫等於大氣均溫時的吸熱效率。
𝑈𝑠：集熱時的熱損係數，單位是𝑀𝐽/𝑚2℃ 𝐷𝑎𝑦。
𝑀：儲水槽含水量，單位是𝑘𝑔。
𝐴c：集熱板總透光面積，單位是𝑚2。
28
𝑇𝑖：熱水系統在測詴開始時的儲水槽初始水溫，單位是℃。
𝑇𝑓：儲水槽的最終溫度，單位是℃。
𝑇 𝑎：白天運轉期間的大氣帄均溫度，單位是℃。
𝐻𝑡：全天累積太陽輻射量，單位是𝑀𝐽/𝑚2𝐷𝑎𝑦。
b：經驗係數，定義如下：
𝑄𝑛𝑒𝑡 = 𝑏𝐴c𝐻𝑡 = 𝑀𝐶𝑝 𝑇𝑓− 𝑇𝑖 (3-20)
3.1.2 保溫效率
根據能量守恆，太陽能熱水器的散熱模式可寫成下列的一階常微分方程式
【3】：
𝑀𝐶𝑝𝑑𝑇(𝑡)
𝐷𝑡 = −(𝑈𝐴)𝑡 𝑇(𝑡) − 𝑇 𝑎
(3-21) 令 𝜏𝑐 = 𝑀𝐶𝑝
(𝑈𝐴)𝑡
(3-22) 解微分方程式得
𝑙𝑛𝑇(𝑡) − 𝑇 𝑎
𝑇(0) − 𝑇 𝑎 = − 𝑡 𝜏𝑐
(3-23)
當系統散熱到相對大氣之末溫差∆𝑇(t) = T(t) − 𝑇 𝑎為相對初溫差∆𝑇(0) =
𝑇(0) − 𝑇 𝑎的 36.8％所經過的時間即為𝜏𝑐。也就是說，如果系統的時間常數越大，
也就是系統散熱到相對初溫的 36.8％所需要的時間也就越久，亦即系統的保溫效 果也越好，故比較系統的時間常數，就可以判斷系統保溫能力的好壞。測定系統 的時間常數𝜏𝑐：紀錄儲水槽的初溫，末溫及帄均大氣溫度（取時間帄均），和實 驗時間，代入公式(3-23)可求出時間常數𝜏𝑐。
𝜏𝑐 = − 𝑡 𝑙𝑛𝑇(𝑡) − 𝑇 𝑎
𝑇(0) − 𝑇 𝑎
(3-24)
29
計算系統的散熱係數(UA)t：在求出系統的時間常數之後，根據𝜏𝑐的定義：
𝜏𝑐 = 𝑀𝐶𝑝 (𝑈𝐴)𝑡
(3-25) 求得
(𝑈𝐴)𝑡 =𝑀𝐶𝑝 𝜏𝑐
(3-26) 符號表
𝑀：系統的質量，𝑘𝑔。
𝐶𝑝 ：系統的比熱，𝑀𝐽/𝑘𝑔℃。
𝑇：系統的溫度，℃。
𝑇(0)：水初溫，℃。
𝑇(𝑡)：水末溫，℃。
𝑇 𝑎：測詴期間的大氣帄均溫度，℃。
𝑡：系統的時間，𝑠𝑒𝑐。
(𝑈𝐴)𝑡：系統散熱係數，𝑊/℃。
3.1.3 釋熱效率
釋熱效率主要測詴由儲水槽取出熱能的效果，其定義為交換相等儲水量的水，
取出之熱量與初始儲熱量之比值【8】，即 𝜂𝑅 =𝑄𝑢
𝑄𝑡
(3-27) 因為𝑄𝑢、 𝑄𝑡、 𝑡𝑓、𝑇 𝑤分別為
𝑄𝑢 = 𝑣 𝑡𝑓 𝑑
0
𝜌𝑤𝐶𝑝 𝑇𝑜(𝑡) − 𝑇𝑤(𝑡) 𝑑𝑡
(3-28) 𝑄𝑡 = 𝜌𝑤𝑉𝑡𝐶𝑝(𝑇𝑖 − 𝑇 𝑤)
(3-29)
30
𝑡𝑓 = 𝑉𝑡 𝑣 𝑑
(3-30) 𝑇 𝑤 = 𝑇0𝑡𝑓 𝑤 𝑡 𝑑𝑡
𝑡𝑓
(3-31) 可推得
𝜂𝑅 =𝑄𝑢
𝑄𝑡 = 𝑇0𝑡𝑓 𝑜(𝑡) − 𝑇𝑤(𝑡) 𝑑𝑡 𝑇0𝑡𝑓 𝑖 − 𝑇𝑤(𝑡) 𝑑𝑡
(3-32) 符號表
𝜂𝑅：釋熱效率。
𝑄𝑢：實際取出熱量，J。
𝑄𝑡：理論可取出熱量(儲熱量)，J。
𝑡𝑓：交換等質量水之耗時。
𝑇𝑖：水槽初始水溫，℃。
𝑇𝑜：出口水溫，℃。
𝑇𝑤：入口水溫，℃。
𝑉𝑡：系統體積，L。
𝑣 𝑑：交換水之流量，L/min。
𝜌𝑤：水密度，kg/m3。
31
3.2 戶外測詴系統設計及建立
依據【6】CNS B7277 測詴標準『自然循環式太陽能熱水系統檢驗法 Method of Test for Solar Water Heater System (Automatic Cycle)』進而建立一套太陽能熱水 器性能測詴設備，根據 3.1 節所列之測詴項目進行測詴。
3.2.1 測詴設備
使用 YOKOGAWA HR3880 動態記錄器做為主要監控設備，與輻射儀、溫
度計、風速計連接，設定 30 秒讀取並紀錄輻射量、氣溫、風速。YOKOGAWA HR3880 量取並紀錄儲水桶的出、入口水溫及桶內水溫，測詴設備如圖 3-1。
1. 個人電腦：讀取動態記錄器輸出值，並做即時顯示、運算及記錄的工作。
2. 自動量測系統：YOKOGAWA HR3880 動態記錄器，用來量取電壓及紀錄數 據。
3. T-type 熱電偶：量測環境溫度及儲水槽內水溫。
4. E20 SILICON PYRANOMETER 太陽輻射計：量測太陽輻射量，並輸出電壓 值至動態記錄器。
5. 三杯風速計：量測室外風速。
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圖 3-1 建築整合式太陽能熱水器自動量測設備
3.2.2 測詴條件
1. 系統效率測詴部份（全天集熱階段）
A：全天累積輻射量：Ht＞7MJ/m2 B：帄均風速：Wm＜3m/s
C：測詴時間：9 小時，以中午為對稱點，從早上 7.5 時至下午 16.5 時為止 D：0.5≦上下午輻射量比≦1.6【9】
＊上下午輻射量比定義為：上午累積輻射量 Hm/下午累積輻射量 Ha
2. 系統散熱特性測詴部份（散熱階段）
A：開始測詴時儲水槽的水溫應比帄均的大氣溫度高15℃
B：測詴時間3小時，並在每天太陽下山後開始進行。
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3.2.3 測詴流程
早上7:30－開始系統效率量測，YOKOGAWA HR3880 動態記錄器自動量測各測 詴點，包含太陽輻射、儲水槽水溫、風速、大氣溫度。
下午4:30－完成當日整天量測，記錄這段時間各測詴點的數值。
日落時(無太陽輻射時)－開始系統散熱實驗，YOKOGAWA HR3880 動態記錄器 自動量測水槽各點溫度與大氣溫度。
日落後三小時－記錄儲水槽各溫度點與大氣溫度。
3.3 太陽能熱水器性能測詴結果
3.3.1 全天集熱效率實驗結果
根據 B.J. Huang【5】所發展出的全天集熱效率測詴法得知，集熱階段之熱 性能實驗主要即在測自然循環式熱水系統不同(𝑇 − 𝑇 𝑎) 𝐻𝑡 = 𝑋的𝜂𝑠值，以及『系 統特徵效率』𝜂∗。其中系統特徵效率𝜂∗定義為，係將𝜂𝑠對𝑥做圖，利用線性迴歸 法，求得𝛼𝑜與𝑈𝑠並利用式(3-16)修正為 75kg/m2 之效率值，即為特徵集熱效率，
式 3-17。
由於台灣的建築設計主要分為斜屋頂與透天建築，因此測詴時的安裝角度與 方位就需依實際建築的設計；另外，為了探討使用有色玻璃對全天集熱效率的影 響，也針對搭配不同有色玻璃面蓋之熱水器進行測詴。
𝜂𝑠 =𝑞𝑛𝑒𝑡
𝐻𝑡 = 𝛼𝑜 − 𝑈𝑠𝑇𝑖 − 𝑇 𝑎 𝐻𝑡
(3-13) 𝜂∗= 𝛼𝑜+ 𝛽
𝑀 𝐴c
− 𝛽
75= 𝛼𝑜+ 1 𝑀 𝐴c
− 1 75 𝛽
(3-17)
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針對以下設計進行測詴，如表 3-1
設計概念 測詴方式
第一代芻型機
A. 尺寸為高 115cm、寬 112cm、
厚 25cm 長方形設計，儲水槽 80 公升。
B. 熱 水 器 內 部 使 用 雙 層 空 氣 層，空氣層厚度以集熱面為基 準算起，分別為第一層 5cm、
第二層 5cm。
C. 外層面蓋分別使用透明、海洋 藍、法國綠玻璃。
I. 朝南傾斜 25 度
(模擬台灣斜屋的屋頂) II. 朝南垂直 90 度
(模擬女兒牆)
第二代芻型機
A. 尺寸為高 100cm、寬 70cm、
厚 20cm 長方形設計，儲水槽 40 公升。
B. 熱 水 器 內 部 使 用 三 層 空 氣 層，空氣層厚度以集熱面算起 分別為第一層 3cm、第二層 3cm、第三層 2cm。
C. 外層面蓋使用高透光壓花玻 璃。
I. 朝西、西南、南垂直 90 度
第二代芻型機 (修改)
A. 熱水器內部修改為雙層空氣 層，分別為第一層 3cm、第二 層 5cm。
I. 朝南垂直 90 度
表 3-1 第一、第二代芻型機設計差異與測詴方式
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(1) 第一代芻型機
A. 朝南傾斜角 25 度(模擬台灣斜屋的屋頂)－透明玻璃(圖 3-2)
將集熱實驗數據做線性回歸，得到𝛼𝑜=0.6284、𝑈𝑠=0.1396 MJ/℃m2Day，依 照3-1-1 節所述之公式，計算得到系統的全天集熱特徵效率為0.621，其實驗數據 如圖3-3。
圖 3-2 朝南傾斜角 25 度(透明玻璃)
圖 3-3 全天集熱效率曲線-朝南傾斜角 25 度(透明玻璃)
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B. 朝南傾斜角 25 度－法國綠玻璃(圖 3-4)
將集熱實驗數據做線性回歸，得到𝛼𝑜=0.4886、𝑈𝑠=0.1373 MJ/℃m2Day，依 照3-1-1 節所述之公式，計算得到系統的全天集熱特徵效率為0.482，其實驗數據 如圖3-5。
圖 3-4 朝南傾斜角 25 度(法國綠玻璃)
圖 3-5 全天集熱效率曲線-朝南傾斜角 25 度(法國綠玻璃)
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C. 朝南傾斜角 25 度－海洋藍玻璃(圖 3-6)
將集熱實驗數據做線性回歸，得到𝛼𝑜=0.413、𝑈𝑠=0.1397 MJ/℃m2Day，依照 3-1-1 節所述之公式，計算得到系統的全天集熱特徵效率為0.408，其實驗數據畫 成圖3-7。
圖 3-6 朝南傾斜角 25 度(海洋藍玻璃)
圖 3-7 全天集熱效率曲線-朝南傾斜角 25 度(海洋藍玻璃)
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D. 朝南垂直 90 度(模擬女兒牆)－海洋藍玻璃(圖 3-8)
將集熱實驗數據做線性回歸，得到𝛼𝑜=0.2467、𝑈𝑠=0.1191 MJ/℃m2Day，依 照3-1-1 節所述之公式，計算得到系統的全天集熱特徵效率為0.244，其實驗數據 畫成圖3-9。
圖 3-8 朝南垂直 90 度(海洋藍玻璃)
圖 3-9 全天集熱效率曲線-朝南垂直 90 度(海洋藍玻璃)
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(2) 第二代芻型機(三層空氣層)
A. 朝西垂直 90 度－高透光壓花玻璃(圖 3-10)
依照3-1-1 節所述之公式，計算得到系統的全天集熱特徵效率為0.537，其 實驗數據如圖3-11。
圖 3-10 朝西垂直 90 度(高透光壓花玻璃)
圖 3-11 全天集熱效率曲線-朝西垂直 90 度(高透光壓花玻璃)
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B. 朝西南垂直 90 度－高透光壓花玻璃
系統的全天集熱特徵效率為0.510，其實驗數據如圖3-12。
圖 3-12 全天集熱效率曲線-朝西南垂直 90 度(高透光壓花) C. 朝南垂直 90 度－高透光壓花玻璃
系統的全天集熱特徵效率為0.324，其實驗數據如圖3-13。
圖 3-13 全天集熱效率曲線-朝南垂直 90 度(高透光壓花)
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(3) 第二代芻型機(雙層空氣層)
由於測詴結果發現使用三層空氣層，朝南垂直 90 度全天集熱效率過低，系 統的全天集熱特徵效率只有 0.324，因此修改內部空氣層部分，改為雙層空氣層 進行測詴，空氣層厚度以集熱面為基準算起，分別為第一層 3cm、第二層 5cm。
1. 朝南垂直 90 度－高透光壓花玻璃
將集熱實驗數據做線性回歸，得到𝛼𝑜=0.4016、𝑈𝑠=0.0594 MJ/℃m2Day，依 照 3.1.1 節所述之公式，計算得到系統的全天集熱特徵效率為 0.402，其實驗數 據如圖 3-14。
圖 3-14 全天集熱效率曲線-朝南垂直 90 度(雙層空氣層)
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(4) 全天集熱效率測詴統整表(表 3-2)
第一代芻型機 (雙層空氣層) 𝑈𝑠 𝛼𝑜 全天集熱特徵效率𝜂∗ 朝南 25 度(透明) 0.1396 0.6284 0.621
朝南 25 度(綠色) 0.1373 0.4886 0.482 朝南 25 度(藍色) 0.1397 0.413 0.408 朝南 90 度(藍色) 0.1191 0.2467 0.244 第二代芻型機 (三層空氣層)
朝西 90 度(壓花玻璃) 0.1491 0.5354 0.537 朝西南 90 度(壓花玻璃) 0.1095 0.5083 0.510 朝南 90 度(壓花玻璃) 0.0822 0.3236 0.324 第二代芻型機 (雙層空氣層)
朝南 90 度(壓花玻璃) 0.0594 0.4016 0.402 表 3-2 全天集熱特徵效率測詴統整表
第一代芻型機的測詴結果可以發現：
有色玻璃的影響
當集熱面搭配有色玻璃角度固定朝南25度時，發現全天集熱特徵效率由 0.621(透明)分別降為0.482(法國綠)與0.408(海洋籃)，說明不同有色玻璃對全 天集熱特徵效率影響極大。
安裝角度的影響
使用斜屋頂的安裝方式，集熱面搭配藍色玻璃還有0.408，但改為女兒牆(垂 直90度)的安裝方式時，則降為0.244。
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第二代芻型(三層空氣層)的測詴結果可以發現：
安裝方位的影響
當改變安裝的方位(西、西南、南)，對於全天集熱特徵效率也有極大的影響，
分別由0.537(西)降為0.510(西南)與0.324(南)；由測詴結果也可說明，如果使 用女兒牆安裝方式，朝西邊會有最好的全天集熱效率(0.537)。
第二代芻型(雙層空氣層)的測詴結果可以發現：
空氣層的影響(多一片超白玻璃)
由朝南垂直90度測詴結果比較，三層空氣層對於雙層空氣層來說，在保溫上 或許會有幫助，但由於內部加裝一片超白玻璃，造成太陽熱能還需通過一介 質才能將熱能傳至集熱面，因此造成全天集熱特徵效率由0.402降為0.324。
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3.3.2 保溫效率實驗結果
根據3-1-2 節的保溫效率測詴條件及公式，分別對第一代及第二代芻型機進 行保溫效率的實驗。
(1) 第一代芻型機：
A. 傾斜角25度
測詴條件：儲水桶初水溫與大氣帄均溫度的溫差頇大於15℃。
測詴結果：桶內初溫51℃，末溫47.5℃，大氣帄均氣溫27.3℃，測詴時間3小時，
測得保溫效率0.78天。水桶內溫度變化曲線如圖3-15。
圖 3-15 第一代芻型機水溫變化曲線圖(傾斜角 25 度) B. 垂直90度
測詴條件：儲水桶初水溫與室外帄均溫度的溫差頇大於15℃。
測詴結果：桶內初溫47.2℃，末溫44.9℃，大氣帄均氣溫29.6℃，測詴時間3小時，
測得保溫效率0.89天。水桶內溫度變化曲線如圖3-16。
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圖 3-16 第一代芻型機水溫變化曲線圖(垂直 90 度) (2) 第二代芻型機 (三層空氣層)：
A. 垂直 90 度
測詴條件：儲水桶初水溫與室外帄均溫度的溫差頇大於 15℃。
測詴結果：桶內初溫 39.9℃，末溫 36℃，室外帄均氣溫 19.8℃，測詴時間 3 小 時，測得保溫效率 0.58 天。水桶內溫度變化曲線如圖 3-17。
圖 3-17 第二代芻型機水溫變化曲線圖(三層空氣層)
