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現有技術成果簡介

建築物鋼板屋頂整合太陽能空氣集熱器之隔熱與集熱性能研究

摘要

本研究以戶外足尺模型實驗來探討建築物雙層鋼板屋頂整合太陽能空氣集熱器,在隔熱性能與集熱性能之性能。經實驗證明,在隔熱性能部分單層鋼板屋頂之熱傳透率U值為1.48W/m2‧。C,而鋼板屋頂整合太陽能空氣集熱器之U值為0.81 W/m2‧。C,隔熱性能改善為45.27%。在集熱性能部分,當集熱面在上午8:00~下午4:00之間累積日射量為4,006.86kcal/m2時,此空氣集熱器可收集到3337.20kcal之熱水熱量。

由於此系統可整合於透天厝、學校建築、體育館、旅館、工業廠房等建築之屋頂,為太陽能集熱系統與屋頂整合之範例,有助於建築屋頂景觀之改善,又有再生能源的利用與建築節約能源之意義。

關鍵詞:雙層通風屋頂、太陽能空氣集熱器、屋頂隔熱

一、前言

為了有效吸收太陽熱能,傳統太陽能熱水器多半安裝在屋頂面,除了造成對建築的美觀影響外,還有防颱、耐震等問題。因此運用建築設計手法,改良建築物屋頂構法,利用既有的材料並且考慮美觀問題,將太陽能設備與建築構造結合一體化,不但有改善建築屋頂景觀之突兀現象,又有利用太陽能之意義。

本研究針對台灣地區普遍使用之鋼浪板屋頂為主要實驗對象,擬利用屋頂層間之熱空氣與冷水進行熱交換之原理,製造出可用之熱水,經由足尺模型實驗,分析太陽能空氣集熱器整合於屋頂構造之可行性。

二、實驗裝置說明

整體裝置如圖1所示,雙層鋼板斜屋頂面向正南傾斜25度角,屋簷高度為50cm,屋頂高度約20cm。另外為了有更好的集熱效果,利用固定角鋼在上層屋面覆蓋3mm的強化玻璃,與外氣隔絕,形成一玻璃面蓋保溫裝置,如圖2所示。

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圖1、戶外足尺模型透視圖

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圖2、雙層屋頂組合示意圖

三、隔熱與集熱性能試驗方法

(一)、隔熱性能試驗方法

本研究採用資料紀錄器自動接收量測計所傳送之電壓訊號,量測參數包括溫度、濕度、空氣流速、熱流及太陽輻射強度,主要分析室內外溫度與熱流量的變化,計算出屋頂的熱傳透量U值。

(二)、集熱性能試驗方法

參考CNS 12555住宅用太陽能熱水器之屋外試驗法,以給水溫度15。C以上,平均氣溫15。C以上,1天之集熱面日射量4,000kcal/m2以上之條件進行試驗,將集熱面向南,與地面成22度傾斜,於太陽正午時間前4小時完成給水,白天繼續受熱,至太陽午後4小時為止,如實驗過程中遇下雨則該天實驗不予計入,使用資料紀錄器長時間監測,紀錄初始水桶內水溫分布情形,量測每10秒量測一次,10分鐘後加總平均。

(三)、實驗構造與操作變項

為了解空氣集熱器整合於雙層鋼板斜屋頂之性能,本研究分析相關影響因子,界定出五組操作項目,如表1所示。

表1、實驗組別與操作變項

 

組別

操作變項

操作值

探討主題

1

屋頂形式

a.單層屋頂之熱傳透率U值

隔熱性能

b.雙層自然通風屋頂之熱傳透率U值

2

上層鋼浪板形式

a.無背覆保溫材之鋼浪板

集熱性能

b.面蓋玻璃複合式之鋼浪板

3

空氣加熱路徑

a.冷空氣由雙層屋頂間加熱

集熱性能

b.冷空氣由上層屋頂與玻璃間加熱

4

熱空氣與儲熱水桶水溫之溫度差

a.溫差5度啟動循環泵浦

集熱性能

b.溫差10度啟動循環泵浦

5

集熱器是否開啟

a.集熱器關閉之雙層屋頂U值

隔熱性能

四、實驗結果與分析

(一)、隔熱性能

雙層屋頂之熱傳透率U值較單層屋頂之熱傳透率U值低,降低幅度高達55.41%,證明雙層通風屋頂可以有效改善屋頂之隔熱性能。

雙層屋頂集熱器開啟時之熱傳透率U值較關閉集熱器時低,降低幅度達14.74%,證明雙層屋頂整合集熱器可以有效改善屋頂之隔熱性能。

(二)、集熱性能

根據日射計所測得之集熱面累積日射量kcal/m2(本實驗取太陽正午時刻前後四小時,合計八小時為一天)與儲熱水桶一天所收集到的熱量kcal之後,繪出曲線圖來做分析與比較。

1.無面蓋玻璃雙層鋼浪板屋頂(第一型):

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圖3、第一型實驗構造圖(溫差5度啟動循環泵浦)

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圖4、第一型集熱器集熱面日射量與溫升曲線

圖4顯示在上午儲熱桶累積溫升穩定成長,下午則因為無面蓋玻璃之鋼浪板屋頂,容易受到外界氣流影響,造成集熱性能下滑,整體溫升14.86度。

2.有面蓋玻璃雙層鋼浪板屋頂(第二型):

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圖5、第二型實驗構造圖(溫差5度啟動循環泵浦)

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圖6、第二型集熱器集熱面日射量與溫升曲線

圖6顯示有面蓋玻璃之鋼浪板屋頂,在上午儲熱桶內溫升已達15.37度,下午過後持續上升5.63度,整體溫升達21度,證明有面蓋玻璃之集熱效果遠高於無面蓋之鋼版屋頂。

3.冷空氣由上層鋼板與面蓋玻璃間加熱(第三型):

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圖7、第三型實驗構造圖(溫差5度啟動循環泵浦)

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圖8、第三型集熱器集熱面日射量與溫升曲線

由於上層屋頂表面直接受到太陽輻射,為直接加熱冷空氣,集熱效果又比第二型好,集熱性能一路攀升,整體溫升高達24.72度。

4.冷空氣由上層鋼板與面蓋玻璃間加熱(第四型):

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圖9、第四型實驗構造圖(有面蓋玻璃)

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圖10、第四型集熱器集熱面日射量與溫升曲線(溫差10度啟動循環泵浦)

由於此組實驗當天集熱面日射量,遠高於先前三組,圖10顯示加熱至13:00時,溫升已達24.42度,最後至16:00整體溫升累積達26.19度。

(三)、綜合比較分析

表2為四型空氣集熱器,在集熱面累積日射量為5000kcal/m2時所收集到之集熱量。

表2、四型集熱器集熱性能分析

類別

集熱器名稱

熱空氣與儲水水溫之溫度差

集熱量

第一型

無面蓋玻璃雙層鋼浪板屋頂

5。C

2,506.36kcal

第二型

有面蓋玻璃雙層鋼浪板屋頂

5。C

3,445.09 kcal

第三型

冷空氣由上層鋼板與面蓋玻璃間加熱之雙層鋼浪板屋頂

5。C

4,164.36 kcal

第四型

冷空氣由上層鋼板與面蓋玻璃間加熱之雙層鋼浪板屋頂

10。C

3,545.78 kcal

 

表3為實驗當日之總集熱量除以當日集熱面累積日射量的比值,效率比值越高代表集熱的效果越好,從表中可以發現本實驗之第三型(冷空氣由上層鋼板與面蓋玻璃間加熱之雙層鋼浪板屋頂,溫差5度啟動循環泵浦),效率比值達0.83,為本實驗中效率最好的一型。

表3、四型集熱器集熱效率分析

類別

當日集熱面累積日射量

總集熱量

效率比值

第一型

4002.05 kcal/m2

2,006.10 kcal

0.50

第二型

4114.55 kcal/m2

2,835.00 kcal

0.69

第三型

4006.86 kcal/m2

3,337.20 kcal

0.83

第四型

4985.71 kcal/m2

3,535.65 kcal

0.71

 

最後將本實驗第三型之雙層鋼板與市售金屬平板集熱器(銅板銅管),在相同外界氣候環境下作分析比較,來了解兩者之集熱性能差異,表4為兩者之構成比較分析表。

實驗量測時間為2006年6月30日,集熱面累積日射量為4,659.98W/m2(4,006.86kcal/m2>4,000 kcal/m2),由於本實驗擷取8:00~16:00之數據,第三型空氣集熱器在8:00之前的加熱幅度比傳統型來的大,所以在圖11顯示兩儲熱水桶初始水溫不相同的情況,16:00實驗終止時,第三型集熱器的水溫達54.29。C。

由於兩集熱器之儲熱水桶水量不同,第三型採用135公升,傳統型採用125公升,表5分析比較兩者之差異。最後顯示第三型集熱器之總集熱量,些微高出傳統型集熱器之總集熱量,證明雙層屋頂整合空氣集熱器之實用性。

表4、雙層鋼板屋頂集熱器與金屬平板集熱器構成比較

類別

使用材料

面積

形式

整體外觀照片

第三型

玻璃面蓋黑色鋼浪板鐵皮

6m2

與屋頂整合

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圖11、第三型與傳統型集熱器溫升曲線

表5、雙層鋼板屋頂集熱器與金屬平板集熱器性能比較

類別

累積溫升

儲熱水桶水量

總集熱量

效率比值

第三型

24.72。C

135L

3,337.20kcal

0.833

傳統型

26.55。C

125L

3,318.75kcal

0.828

五、結論

台灣地區建築物之屋頂構造,使用鋼板屋頂之例子越來越多,例如工廠、體育館、大賣場,有許多建築物為了屋頂之防水與隔熱,也多採用鋼板構造之屋頂,如圖12、13所示,因此本研究提出鋼板屋頂與太陽能集熱系統結合應該有很多機會去實現與推廣。

經由實驗證明本整合方式,可以達成收集供使用之熱水。本構想之最大特點,為集熱器與屋頂整合成一體化,具有避免造成屋頂景觀之衝擊,且有防風與防震等安全之優點,另一方面整個鋼板屋頂面皆可作為集熱面,因此配合大型的儲熱水槽總合之熱水收集量將會很大。

至於本整合方式,因為增加一個鋼板或玻璃所增加的構造費用,與獲得太陽能利用與降低屋頂熱輻射之節能費用,其經濟效益如何,需要後續進一步之研究。但是本整合方式已經改善了傳統鐵皮屋,因為日曬造成室內酷熱的情形,以節能與舒適之觀點,是可以採行之屋頂節能設計方案。

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圖12、舊有建築物設計鋼板屋頂

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圖13、新設學校建築雙層鋼板屋頂