2012/03/05
經濟部能源局
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■撰文╱圖片提供：張文曲*、郭家瑋*、張克勤**
近年來，因政府極力推動低碳島的政策，臺灣離島已有越來越多旅宿業安裝太陽能熱水系統，提供旅客盥洗使用。本文乃以監測馬祖某飯店使用太陽能熱水器為例，分析印證回水之能耗，並提出在未用水期間中斷回水控制，與設置中繼桶等改善方案，將可實質達到節能效益，尤其離島旅遊業之淡、旺季非常明顯，在淡季的效果更形顯著。考量兼顧方便旅客與節能效益，此項節能建議雖為小技巧，長期而言，確有可觀之節能效益，值得相關業界參考與運用。
太陽能熱水系統規劃設計
臺灣離島用電成本與桶裝瓦斯成本，均高於本島，尤其桶裝瓦斯因需附加本島到離島的運輸成本，平均20公斤桶裝瓦斯售價約比本島高3～4％，然而政府為照顧離島居民，離島的電價依離島條例可免5％營業稅，因此，一般離島居民大多選用電熱水器來產生熱水，但因離島發電成本相對昂貴，將更形耗能。為考量節能減碳效益，多年來政府除了積極宣導安裝太陽能熱水器外，同時對離島安裝使用者，提供加倍補助，促使離島旅宿業的安裝量有明顯提升（詳圖1）。
離島地區因氣候因素造成離島的旅遊淡、旺季非常明顯，1年中之旺季大約在每年的4月至10月之間，其餘時間因東北季風較強，旅客大量減少，根據旅宿業所提供的資訊，旺季的住宿率平均約在80％以上，而淡季卻只剩不到20％，若以旺季的熱水需求，進行太陽能熱水系統之安裝規劃、設計，在淡季旅客明顯減少下，將造成浪費；但若以淡季的熱水需求規劃設計，到了旺季期間，太陽能熱水又顯然不敷使用，必須仰賴輔助加熱系統補足提供。因此，對於有別於一般較穩定需求之家用系統，且淡旺季的需求有較明顯差異時，建議平均使用人數之決定，應一併考量當地淡旺季的平均日射量比例。例如：馬祖某飯店旺季最多使用人數為30人，淡季最少使用人數為6人，當地平均日射量與夏季（旺季）、冬季（淡季）的平均日射量比例約為1：1.7：0.5，則可估算出系統規劃設計之全年平均使用人數為15人。
以節能觀點而言，太陽能熱水系統之輔助加熱的啟動頻率，將成為評估系統設計良窳的重要指標。然欲滿足需求溫度且減少啟動輔助加熱系統頻率，除了足夠的日射量外，也與當下的用水量息息相關。
在系統設計上，可考量將整體熱水循環系統切割成若干子循環系統（依旅宿規模而定），每一子循環系統另設1個小容量的中繼儲熱水桶，當使用需求不大時，太陽能熱水系統僅需滿足中繼儲熱水桶即可，即使不足而啟動輔助加熱系統，也會因為所需加熱水量較少而減少能耗。
回水系統
一、循環熱水、回水運作設計
旅宿業為了即時滿足旅客盥洗熱水的需求，一般會在熱水供水管路中加入熱水循環回路，而回水循環流量是為了補償熱水系統在不用水或用水量較小時熱水管道向周圍散失的熱量。其中，循環泵的選用，乃根據系統配水管、回水管的熱損失計算系統所需循環流量，並以此流量計算回路的水頭損失，以決定循環泵的揚程（Hydraulic Head）。
二、回水能耗估算
在控制回水的作法上，較簡單的方式僅需定時定量控制回水間隔時間與流量；另一種較智慧型的控制方式，乃利用監測回水溫度，以自動控制熱水循環的啟動時間與流量，確保供水管路保持恆溫狀態。實例：依據監測馬祖某飯店之太陽能熱水系統（集熱面積3.8m2×2組；儲熱桶300公升×2桶，置於7樓頂）數據顯示，其回水循環係採每隔20分鐘以流量8.3公升╱分鐘每次持續5分鐘之定時定量控制機制，實際監測記錄如圖2所示。
圖中顯示中午近14點的儲水桶溫（出口溫度）約達50℃，因持續回水的關係，直到晚上22點時，在僅零星的用水量下，桶溫已降至約33℃，表示回水確實已造成極大的溫降效應。另經採用動態模擬系統TRNSYS（Transient System Simulation Program，太陽能系統仿真軟體）模擬分析自7樓頂回水至2樓使用端的耗能狀況，在需求之儲水桶溫假設為50℃與未用水的條件下，計算全年定時定量純由回水所散失的熱能約占總啟動輔助加熱能量的88％，若改為定溫（35℃）控制回水，全年所散失的熱能約占總啟動輔助加熱能量的81％，模擬分析結果顯示回水確實會增加相當比例的額外能耗。
三、回水節能措施
以旅宿業的營運型態而言，一般在凌晨1點到5點及中午11點至15點退房整理時段，幾無沐浴使用需求。若在該時段停止回水運作，其回水所散失的熱能約可降低26％的能耗，雖僅為簡單調整控制機制的小技巧，長期而言卻是大節能。
另外，供、回水管路的長短為影響回水能耗的重要因素，以本文所舉馬祖某飯店為例，從7樓頂到2、3樓使用端，因較長的供水管路，易造成較大的回水能耗。對此種回水系統，比較有效的節能作法，可考慮在接近使用端，設置1個具輔助加熱功能的中繼儲熱桶（詳圖3），以降低回水能耗，將可精進節能效益。（作者任職於成功大學能源研究中心*、成功大學航空太空工程學系教授**）
關鍵字：太陽能熱水系統,回水,熱損失,TRNSYS