成功的再生能源運用–太陽能熱水器
99/02/06
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張克勤｜
成功大學航空太空工程學系
鍾光民｜
成功大學航空太空工程學系
李清安｜
成功大學航空太空工程學系
人類日常使用的能源依來源可區分為兩類：一是地球上儲存的能源，稱為非再生能源，又稱耗竭能源，例如煤炭、石油、核燃料等；另一種是非耗竭能源或稱再生能源，包括太陽能、水力、風力、生質能、潮汐等。嚴格地說，除了地熱、潮汐和核燃料以外的能源都源自太陽能，譬如化石燃料中的煤炭，就是生態系中食物鏈底層的植物，吸收太陽能行光合作用成長，後遭天災、地變被深埋在地底下演變而來的。
地球得自太陽的輻射能量，僅是太陽本身向外輻射能量的二十億分之一，且其中約 30％ 反射回太空，47％ 轉變成低溫熱能再輻射出去，僅 23％ 可被地球上的生物利用，而這微乎其微的能量卻是所有生物生命的泉源。目前太陽能的使用主要分為光電和光熱兩大部分，其中太陽能熱水器是目前太陽能運用最成功的範例。
人類利用太陽能來加熱物體可追溯遠古，但遲至 1920 年左右，在美國加州才開始大量使用太陽能熱水器。國內則自民國62年第１次能源危機發生後，才開始有廠商引進國外的太陽能熱水器銷售。經濟部能源委員會（現已改制為經濟部能源局）於民國 75 年頒布「太陽能熱水系統推廣獎勵辦法」，至民國 80 年止進行第１階段的獎勵補助民眾購置太陽能熱水器，引領了國內安裝使用太陽能熱水器的風潮，也奠定了國內太陽能熱水器製造、安裝產業的基礎。
在民國 87 年 5 月全國能源會議的「新能源及淨潔能源研究開發規劃」議題中，倡議再度針對太陽能熱水系統實施獎勵措施，為此經濟部能源局於民國89年開始實施第２階段的獎勵補助民眾購置太陽能熱水器，期待能大幅提高國內使用的普及率。在2階段的獎勵補助期間，截至 98 年底已補助 180,675 件，折合安裝集熱面積達 900,054 平方公尺，成效斐然。
來自太陽的能量
太陽是一團主要由氫組成，直徑約 1.39 × 106 公里，質量約 2.2 × 1027 公噸的火球，它比地球大 1,300,000 倍、重 332,000 倍，和地球的平均距離是 1.5 × 108 公里。太陽每秒把 6.57 × 108 公噸的氫藉核融合反應轉化成 6.53 × 108 公噸的氦，也就是說太陽內部每一秒鐘消耗掉 400 萬公噸的質量，並把它轉變成能量，而透過這個核融合反應，可產生 3.91 × 1023 kW 的功率。這些釋放出來的能量，藉由電磁波的形式以每秒 3 × 108 公尺的速度向四周射出，而僅其中的二十億分之一到達地球上空（即 1.73 × 1014 kW）。
由於地球除自轉外並沿橢圓形軌道繞行太陽，兩者間的距離並非固定，近日點和遠日點的距離相差約 3％，加上地球自轉軸和繞太陽公轉軌道面的垂直線成 23.5° 角，一年中的春分、夏至、秋分和冬至，太陽直射區域會在赤道和南北回歸線間移動，造成地球表面因時、因地所接收的太陽輻射能量都不相同。
再考慮太陽輻射能量在穿越地球表面30公里厚的大氣層所受到的影響（大氣組成成分的吸收、放射、漫射等作用），能直接抵達地表的太陽能僅及到達大氣層上空的三分之一左右。而其中的 70％ 照射到海洋上，只有一小部分可被居住在陸地上的人類利用。影響地表上所能利用的太陽輻射能量多寡的因素，除了四季、緯度外，還包括日射量、日照時數、地形標高、氣候（雲量、溼度）等。
臺灣（含澎湖、金門及馬祖）橫跨北回歸線，在北緯 21 至 25 度間，就地理位置而言，位居陽光充沛處。依據中央氣象局分布於全國的測候站 1993 至 2002 年所測得日射量的分析研究結果（《建築學報》，64 期，103 − 118 頁，2008 年），全國的平均日射量僅 11,746 kJ／m2day，低於日本（位於北緯 31 至 43 度間）的 17,608 kJ／m2day和德國（位於北緯 34 至 52 度間）的 21,013 kJ／m2day，可見臺灣是一個氣溫高且潮溼但並非日射量高的地區。
臺灣本島的日射量在海拔 500 公尺以下的區域，大致上呈現從東北往西南遞增的趨勢。值得注意的是金門（緯度約等於臺中）的平均日射量是 13,593 kJ／m2day，約和本島的高雄相當；而馬祖（緯度略高於臺灣最北端的基隆）的平均日射量是 11,355 kJ／m2day，約和本島的苗栗相當。
太陽能熱水器的熱吸收
太陽能熱水器的作用是吸收來自太陽的輻射能量並用於水的加熱。以下以平板式太陽能熱水器為例，說明其熱吸收和傳導的原理。所有物體（溫度都在絕對零度以上）都會以電磁波的方式輻射出能量，稱為熱輻射，輻射的功率和絕對溫度的四次方成正比。太陽輻射的波長約在 0.2 ~ 4 μm 間，涵蓋紫外線到紅外線範圍。若一個物質可以吸收這個波長範圍內的電磁波，當陽光照射其上時，其溫度便會隨著所吸收的輻射能量而上升。
實務上，當熱輻射射到一個物質表面時，僅部分能量被吸收，其他部分的能量會被反射或透射（對非透明體而言，透射率是零）。太陽輻射被太陽能熱水器的集熱板吸收後，便藉由熱傳導傳到分布其間的水管外壁。熱傳導的原理是物體中的分子和自由電子因受熱產生振動和移動，使能量由高溫處傳至低溫處，而熱通量（單位時間單位面積上的熱傳量）和熱傳方向的溫度梯度成正比（傅利葉傳導定律）。
然後，再藉由熱對流把傳至水管管壁的能量傳送給流經管內的液體，完成加熱水溫的工作。發生在流體和固體表面間的熱傳機制，稱為熱對流，其中包含了流體的能量儲存、熱傳導、流體分子間的混合運動3種現象。熱對流量正比於溫差，對流的結果取決於對流熱傳係數，或稱薄膜熱傳係數的大小，這又和流體種類、接觸面的幾何形式、表面狀態、流速和流動狀態（穩或紊態）等因素有關。
流經附設於集熱板上集水管路中的水，經所吸收太陽能加熱後產生一個溫度梯度，位置愈高，溫度也愈高。反映在管內流水的密度上，就是形成一個隨著位置上升而下降的比重梯度，導致較熱的水（比重較小）經集水管路往置放在集熱板上方的儲熱桶流動。而儲熱水桶內，也因水溫差異形成比重梯度，底部較低溫、較冷（密度較大）的水往下經輸送管路流至集熱器底部，形成一連續加熱的自然循環模式，這模式稱為「自然循環太陽能熱水器」。
若儲熱水桶的位置並非在集熱器的上方，則須輔以幫浦加壓，形成上述的循環加熱系統，這方式稱為「強制循環太陽能熱水器」。通常這種熱水器的集水管內水流速較快，因而集熱效率較佳，且可順應特殊屋頂環境或安裝大型系統，但較耗電（幫浦需用電）。此外，因其管路長期處於加壓狀態，轉接處或和集熱器接縫處較可能漏水。
發生在太陽能熱水器上的熱傳機制，包含了所有的熱傳模式：熱輻射、熱傳導和熱對流。一般而言，集熱板是選擇較高熱傳導係數的物質，如銅、鋁等金屬，做為基板，並在上方塗裝一層具高熱輻射吸收率材質的近黑色薄膜，以利太陽熱能的吸收。通常太陽能熱水器都安裝在室外空曠處（避免遮蔭降低陽光的照射量），為降低升溫後的集熱板因室外颳風所引起的熱對流散失，一般市售的太陽能熱水器會在集熱板外加設一個外罩，上覆一片高透光性（即高輻射透射率）的玻璃。
太陽能熱水器知多少
國內目前每年新裝的太陽能熱水器在 26,000 套以上，市場上銷售的太陽能熱水器可分為 4 種。
面蓋式平板太陽能熱水器 利用表面漆成黑色的金屬板吸收太陽輻射，並在金屬板下面焊上集水管，把集熱板所吸收的熱量傳至管內的冷水。其次，由於集熱板直接暴露在大氣中，為減少熱量的散失，在集熱板底面包覆隔熱材料，並在框架上方覆以玻璃面蓋，既不妨礙陽光入射，又可減少集熱板表面的熱對流損失。面蓋式太陽能熱水器是我國目前安裝的主要形式，以安裝件數計，約占全國總安裝量的 93％ 以上。
無面蓋式太陽能熱水器 無面蓋式太陽能熱水器是由一體成形的非金屬集熱板（大多是非剛性材質且內含輸水管路）直接吸收太陽輻射，因為少了玻璃面蓋、金屬框架和內部的保溫材，所以系統的重量較輕。雖然集熱效率不似其他形式的太陽能熱水器高，但因成本優勢和材質特性，適合大面積屋頂的舖設。國內安裝無面蓋式太陽能熱水器的案例不多，且都用在溫水游泳池的加熱上。在國外，這種形式的太陽能熱水器也主要分布在北美地區供游泳池加熱使用。
儲置式太陽能熱水器 儲置式太陽能熱水器是把儲熱水桶和集熱板合而為一，太陽輻射直接加熱於儲熱水桶內的儲水。這種裝置構造簡單，價格低廉，但集熱效率較低，在日射量充足的地方，或許適合使用這系統。國內很少安裝這類產品。
真空管式太陽能熱水器 真空管式太陽能熱水器使用雙層玻璃透明管，中間抽真空以防止對流作用，形成隔熱保溫效果。而太陽輻射在穿透外層玻璃和真空層後，由內層玻璃上塗裝的吸收膜吸收並傳導至內管玻璃中，再藉由熱對流傳至管內的作用流體。因雙層玻璃間的真空層有避免熱能散失的功能，所得到的熱水溫度較其他形式的太陽能熱水器高，適合高緯度地區和高山地區使用。
近年來，中國投注甚多研究力量在發展真空管式太陽能熱水器上，已成為這類型太陽能熱水器的全球最大製造和安裝國家。在臺灣，真空管式太陽能熱水器的安裝件數，目前雖僅占全國總安裝量的 6％ 左右，但因其價格略低於面蓋式平板太陽能熱水器，安裝比率有逐年增加的趨勢。
必要知識
太陽能熱水器因用途不同（如家庭、宿舍、旅館的沐浴使用，餐館廚房的洗碗使用，工業預熱用，溫水游泳池的加溫使用等），使用水量、所需水溫、裝置環境，甚至是用水的習慣也都不同。因此在規劃安裝太陽能熱水器時，須考量下列一些重要的因素。
使用熱水量 裝設太陽能熱水器前，首先要估計使用的熱水水量。若是一般沐浴用的太陽能熱水器，可透過使用人數來估算所需的設備容量（包括集熱器和儲熱水桶），基本上以一個人每次盥洗大概需要 50 ~ 60 公升左右的熱水（約略等於在台灣地區 1 平方公尺的集熱板所能產生的熱水）為設計準則。
熱水使用習慣 一般洗澡方式是淋浴或沐浴，通常淋浴用水量較省，但隨使用時間延長而增加；沐浴泡澡的用水量較多，且浴缸越大熱水需求量就越多。若是老人安養院的沐浴使用，因老人通常會在白天分批洗澡，而非如一般家庭大多在太陽下山後洗澡，所耗費的熱水可及時由太陽能補充，所需裝設的集熱板面積相對較低。工業預熱用的太陽能熱水系統，也大多在白天使用熱水，在規劃估算集熱板面積時都需列入考量。
熱水使用設備 大型按摩浴缸、花灑、淋浴水柱、SPA 等特殊的衛浴設備，需要對等功能的熱水設備。按摩浴缸因容量較大，熱水器的出口管徑應較大才能縮短供水時間。至於 SPA 的噴出水柱，則需要強大水壓才能達到應有的按摩效果，這時須裝設加壓機供水。但是當加壓供水時，必須維持冷熱水壓平衡，才不會有忽冷忽熱的現象，因此太陽能熱水器出水必須包括定壓的設計。
架設方向和位置 臺灣橫跨北半球的北回歸線，為能吸收太陽輻射的最大值（陽光直射且在冬天時有較多的照射量），安裝時以集熱器朝南，傾斜角約在 25° ~ 30° 間的安裝方位效能較高。此外，應注意鄰近建物是否有遮蔭現象，以及在遭強風吹襲下的系統結構安全。臺灣地處環太平洋亞熱帶，夏、秋兩季常有颱風侵襲，集熱器的結構安全是另一項特別需要注意的議題。
使用水質 影響太陽能熱水器使用壽命的主要原因，除了上述颱風吹襲損害外，水質是另一重要因素。水質的問題可分為結垢和腐蝕二種，特別是後者對於熱水器的破壞尤其嚴重。由以往的調查顯示，使用地下水為熱水系統的水源時，常發生較明顯的腐蝕傾向，因此須選擇抗腐蝕性較強的產品（如不銹鋼、玻璃或非金屬材質所製）。金門地區則不論使用地下水或自來水為熱水系統的水源，都須考慮腐蝕問題。
至於結垢方面，它對於太陽能熱水器的影響雖不似腐蝕來得快且明顯，但日積月累會讓熱水系統集熱效率減低，最後甚至阻塞，無形中縮短使用年限。因此若水質有結垢傾向，最好每隔一段時間，請專業技術人員進行除垢作業，或在熱水入口處安裝軟水設備、採用間接加熱的系統等，都可有效防止系統管路內部結垢的產生。
安裝成效
自民國 75 年政府實施第１階段的太陽能熱水系統獎勵補助以來，總安裝量約 47 萬戶，占全國總戶數（7,794,786 戶）的6％左右，其中主要安裝在南部地區（約占 54％），中部地區次之（約占 29％）。而安裝每一平方公尺集熱面積的太陽能熱水系統，每年約可節省 80 公升的燃油，或 60 公斤的液化石油氣（即家用 20 公斤裝瓦斯桶 3 桶），並可減少 220 公斤的二氧化碳排放量。
以臺灣自民國 75 年迄今的總安裝面積約 190 萬平方公尺估算，每年約可節省 15 萬 2 千公秉的燃油，或 11 萬 4 千公噸的液化石油氣（即家用 20 公斤裝瓦斯桶 570 萬桶），並可減少 42 萬公噸的二氧化碳排放量。臺灣目前每年新安裝用戶約 2 萬 6 千戶，折合集熱面積是 12 萬 5 千平方公尺，每年約可再節省 1 萬公秉的燃油，或 7 千 5 百公噸的液化石油氣（即家用 20 公斤裝瓦斯桶 37 萬 5 千桶），並可再減少 2 萬 7 千公噸的二氧化碳排放量。
依臺灣對於外來能源依存度極高的情況來看，太陽能熱水器的推廣安裝，不論在節能或減碳上都有十分顯著的成效，可視為一個非常成功的綠色能源運用示範。
