太陽能熱水器在斜式屋頂建築的應用

□陳文杰／工業技術研究院能源與環境研究所 研究員
□謝鎮州／工業技術研究院能源與環境研究所 研究員

摘要
        太陽能熱水器在國內應用已相當普遍，以往在建築物上的應用以取得熱水盥洗為目的，並不太講究外觀問題。但隨著時代的進步，人們對舒適生活的要求日漸重視，建築物的整體美學規劃也隨著都市進步、生活品味的提高而逐漸被高度要求。又因近年來、及可預測的未來，綠色能源與環保的議題將逐漸融入並影響人類的日常居家生活，所以如何結合綠色節能設施於日常生活中，並規劃一個舒適生活的建築宅院，也是一項考驗。太陽能熱水器是一種安全、可靠的再生能源利用設施，她可以給予一個家庭提供免費的熱水，並減少因瓦斯燃燒或電熱等而產生的二氧化碳，徒增溫室效應。
        國內透天住宅建物，近年來採用斜式屋頂建築的個案相當多，若能考量綠色能源建築的設計概念，引用綠建築評議項目，多加採行太陽能熱水器應用於斜式屋頂上，不但可為建物特色加分，又可獲得免費、安全的家用熱水，並成為響應環保、戮力抑制溫室氣體排放的現代化都會人代表，一舉數得。

一、太陽能熱水器節能應用

        太陽能熱水器是利用太陽能來製造熱水，其原理如圖（一）、（二）【1】所示。圖（一）為自然循環式太陽能熱水器，是利用熱虹吸的原理。集熱器因吸收太陽光的熱能而加熱集熱器內的流體-水，熱水因密度較冷水低的原因，所以往上浮移到儲熱桶，儲熱桶中較低溫的冷水，因質量密度較大，所以往下循環進入集熱器中，再進行向太陽光取熱的動作。依循反覆此一動作，儲熱桶中的水溫將逐漸提高，最終會完成太陽能熱水器的熱水製備工作。
        圖（二）為強制循環式太陽能熱水器，其原理是利用幫浦的驅動，強制的將集熱器中已取熱升溫的流體-水，定時的置換成來自於儲熱桶中較低溫的水，並將此已接受太陽光而升溫的熱水循環至儲熱桶中。因為圖（二）系統係利用幫浦來驅動工作流體，所以在集熱器處的熱傳遞效率較佳，而且儲熱桶的放置位置亦無如圖（一）系統的情況-必須高於集熱器高度。因此，圖（二）系統對於斜式屋頂建築的應用產生了實用性-有效收納儲熱桶，配合透天住宅外觀規劃，成為能源節約的創意建築，利人利己。
        圖（一）之自然循環式太陽能熱水器，應用的場合常見有以下幾種應用：
        (一) 平屋頂：國內前期的透天厝建築常見的的應用【2】，如圖（三）所示，係利用頂樓開放式的空間安裝太陽能熱水器，對於建築物外觀的影響不大。
        (二) 斜屋頂：圖（四）所示乃為透天斜屋瓦建築的太陽能熱水器應用【3】，其中鋼架平台係為安裝太陽能熱水器而新增的，雖然有效的獲得太陽能熱水使用，唯從建築外觀上是可再改進的。另外一種的斜屋瓦建物的太陽能熱水器應用【4】，如圖（五）所示，它是將集熱器與集熱桶安裝放置於建物斜屋瓦上，在建築外觀上已有所改善。
        以上介紹的透天厝太陽能熱水器應用，因儲熱桶安裝位置往往較高於集熱器，所以一般屬於自然循環式太陽能熱水器的技術應用。

二、建築整合應用工法

        太陽能的利用可分為太陽光電及太陽能熱水器兩大類，由於其具有安全、節能、長效使用的特性，所以近年來國內外對此技術的利用推展方式，都有異曲同工之妙，著重在建築整合的工藝上，用以結合民生日常居家用途；因此，有關太陽能利用的建築整合技術發展便漸為所重視。
        歐洲地區發展太陽能利用的建築整合技術時間較早，目前已發展出架構式、嵌入式及壹體化的建築物整合化集熱系統應用於建築結構體的屋頂、牆面及遮陽板等地方。如圖（六）、（七）為斜屋瓦的架構式、嵌入式太陽能熱水器與建築整合的利用情形【5】，不僅可製作熱水供居家使用，同時亦阻隔太陽的照射，減輕室內空調能源耗用。
        國內太陽能熱水系統對於新建物採用斜屋頂建築的設計，亦逐步針對架構式、嵌入式及壹體化等建築物整合化集熱系統做技術利用開發，以為建築師規劃綠建築方案時採行，目前已完成如圖（八）、（九）之嵌入式及架構式太陽能熱水器於透天住宅斜屋瓦建築的應用【6】，提供免費的日常浴室盥洗或廚房洗滌用熱水。由圖（六）~（九）可知，本文所介紹的架構式或嵌入式等之建物整合化太陽能熱水系統，從建物的外觀上只有集熱器，並沒有看到儲熱桶，所以建物外觀上可能來得整齊、調和些；因此，系統上一般採行如圖（二）之強制循環式太陽能熱水系統，利用幫浦來驅動系統中的流體-水。
        對於嵌入與架構方式的太陽能熱水器，主要的技術差異性在於集熱器與斜式屋頂的接合方式不同，其中嵌入式者為取代部分屋瓦，在置裝外觀上為潛入斜式屋頂的屋瓦中，然後以收邊蓋板修飾集熱器與屋瓦接合的整體外觀，如圖（八）；而架構式者為利用金屬支撐架構物，將太陽能集熱器架構或置放於斜式屋頂的屋瓦上，不為屋瓦的一部分，所以施工上較為簡便，如圖（九）所示。另外，無論是嵌入式與架構式的太陽能熱水器建築整合方案，除集熱器本身與建築體的整合構案選擇外，整體系統中之熱水管路、儲熱桶及閥件…等的施工佈局，尚需利用建築及水電工程的施作工藝方式，在符合太陽能熱水系統的設計、施工要求上要求來進行。所以，未來對於建築師、空調、水電技師來說，可在既有的專業技術上，利用建築物件的空間規劃來收納儲熱桶及幫浦、隱蔽管線及閥件；而太陽能熱水系統的應用介面上，則在拓增暸解太陽能熱水系統的應用與原理後，結合國內既有的太陽熱能合格廠商即可。

三、國內應用潛力

        太陽能熱水器能夠收集太陽光的熱能來製作熱水使用，依臺灣的太陽日照量來推估節能效益；以一戶5口之家為例，每天用水量需求為55℃的熱水250公升(每人每天用水量需求50公升)，則每年由太陽能熱水器所製得的熱水供應量為(假設一年可工作天數為85%，遇陰、雨天氣時，輔以電熱方式提供熱水，以為全年使用太陽能熱水器)：
        50 Liter /人 * 5人 * 310 天/年 = 77,500 Liter/年
        每年取自太陽的總能量為：
        77,500 Liter/年 * 1 kcal/(Liter-℃) * (55-25)℃ = 2.325 * 106 kcal/年
        若將此取自太陽的熱能替代成其他熱水製造方式的能源耗量分析如下表（一）所示；由表（一）的分析中得知，一戶五口之家，採用電熱水器或以液化瓦斯熱水器製造日常居家用盥洗熱水，一年當中所需要的熱水費用分別為9,000元與7,740元不等，如換算為初級能源的耗用量來看，則分別為800LOE與344LOE。這也是說明，居家用戶採用太陽能熱水器時，不但每年可節約相當300~800LOE的初級能源耗用及減少其衍生之二氧化碳溫室氣體排放，每年亦可為用戶自己節省8,000~9,000元的生活費用開銷。又當能源價格變動時(未來的趨勢為向上調整的機率較高)，則太陽能熱水器時將更具經濟採用價值。
        至於台灣有多少的透天屋可為太陽能熱水器的安裝市場量能；依內政部營建署全國新增住宅數量及類型統計資料(民國91年~94年)【7】，如表（二）所示，得知國內四年期間共新增337,248戶新住宅，其中新透天屋住宅共佔187,163戶，比例55.5%。內政部營建署亦針對住戶未來3年內期望居住之住宅類型統計，如表（三）所示，得知未來3年內預計購建之住戶中，所期望之住宅類型以透天式住宅最多，所占比率為49.46%。同時，佐以以往國內的安裝經驗，如圖（十）所示，得知國內目前安裝太陽能熱水器的建築類型主要以透天住宅建築為主，佔總量96%比重。綜整以上分析，及國內斜屋頂建築物件的增多趨勢，我們可以明白太陽能熱水器在斜式屋頂建築的應用，將有機會成為國內建築師、空調、水電技師等，未來主要拓增的事業、技術領域。

        太陽能熱水器在斜式屋頂建築的應用，除了透天屋市場方面具有發展潛力外；大型太陽能熱水系統方面，如大樓、宿舍等的應用場合，亦可結合現代化的屋舍建築加以規劃利用。如圖（十一）便是為學校學生宿舍向陽面的斜式屋頂建築結合太陽能熱水系統的應用實例【4】。從宿舍建築物的水平地面，觀看整座宿舍建築外觀，視覺感受相當協調，不會令人覺得有所唐突。

四、國內太陽熱能建築整合推動

        在技術開發上，國內研究機構於經濟部能源局的計畫支持下，已陸續建立太陽能熱水系統的建物整合應用技術，如架構式、嵌入式等之建築整合技術應用在獨棟透天建築物的斜式屋頂中，並也融合生活構面完成車庫型態的太陽能熱水系統示範實體。
        為進一步落實建築整合技術應用時的經濟競爭力及誘因，目前國內業已開發完成採用建築整合方案時，系統的製作成本僅比傳統的太陽能熱水系統增加20%的價格(註:根據國內用戶對新產品開發與意願調查，有效降低新產品的製作成本至一般未利用整合化結構的系統價格的1.2倍以內，太陽熱能整合化產品才有較大的利基來推廣至應用市場)。因此在技術應用上，國內技術業已足夠提供國內建築業界引用、推展，創意出符合未來舒適生活空間的斜式屋頂建築與太陽能熱水系統整合之節能建築屋舍。
        為積極、有效推動太陽能熱水系統應用於國內的建物屋舍中，中部及南部地區的建築開發商、建築技師與及建築水電空調技師等建築相關業者，如高雄市建築開發商業同業公會、建築公會、建築經營協會，台灣省建築公會、台中市建築開發商業公會、建築品管協會等，已積極透過「建築築物與太陽能熱水系統整合化應用技術研討」工作，如圖（十二），進行建物整合化太陽能熱水系統的相關技術、訊息了解及新觀念的引入、建立，以為未來提供適切的施工及建物整合化方案的規劃設計做準備，用以建立舒適生活、綠色節能的新建築物件。

五、結論

        太陽能熱水器在國內已普遍應用，而歐盟地區、中國等因太陽熱能的投入產出效益比高，而且可貼近民眾日常生活、永續經營，所以除大力推廣太陽能熱水器外，已積極推動太陽能熱水器建物整合化技術於斜式屋頂建築上。基於未來能源趨勢及透天屋舍的整體建築美學考量，國內的建築產業可以引他山之石用為攻錯。
        對於建築物件最原始的規劃構思，往往就置入性的決定未來新建物使用者的能源使用分配。因此，在國內透天屋舍的市場潛力不容小覷的情況下，國內建築產業事先佈局、掌握技術的使用性及建築物的綠色節能創新性，結合國內太陽熱能產業及業已開發、成熟的建物整合技術，可為建物創造建築新意。
        居家用戶方面，日常居家能源開銷將逐漸面臨考驗，太陽能熱水器一般使用年限一般概稱有15至20年以上，所以在斜式屋頂建築當中，投資安裝建築整合型式的太陽能熱水系統，在經濟考量上是能夠回收，長期來說是具有實質獲利效果的，在居家生活安全上是具價值的，在愛護地球、響應環保上是付諸具體的行動。■

參考文獻

1. 太陽能熱水系統甲類技術人員講習班講義，經濟部能源局，77.4
2. 財團法人成大研究發展基金會，照片提供
3. 合泰居實業有限公司，照片提供
4. 和利斯特企業股份有限公司，照片提供
5. European Solar Thermal Industry Federation (ESTIF)網站，http://www.estif.org
6. 陳文杰等，“太陽熱能利用技術開發及推廣”計畫，96年能源局委辦計畫期末報告
7. 內政部營建署網站