真空管太陽能熱水器VS 平板差異
摘要
太陽能具有無污染、安全、取之不盡等優點，國內太陽能熱水器安裝戶數約有二十萬戶，普及率僅有3％，雖然很低，但每年因此省下的瓦斯燃料費用總計竟高達八、九億元，減少排放的二氧化碳每年也高達近九公斤，對能源消耗與溫室效應的舒緩有絕對正面的幫助。不過，傳統太陽能集熱板碰上連續二、三天都不出太陽，熱水器就會無用武之地，隨著科技不斷進步，傳統太陽能熱水器的集熱板技術越來越多元化，為了解決陰天也能使用太陽能熱水器的問題，利用熱媒及真空管保溫技術，即使太陽躲在雲層裡沒有露臉，都能靠著自然的亮光加熱，讓家中全天候都有熱水可用，達到只要有亮度就可加熱的目標。
一、簡介:
太陽能熱水器的作用原理是將來自太陽的輻射能量吸收下來並用以加熱水溫。以平板式太陽能熱水器為例，說明其熱吸收及傳導的原理。當一物體本身之溫度在絕對零度以上時，就會對外以電磁波的方式釋放出輻射能量，稱為熱輻射；而放射之能量則與絕對溫度四次方成正比。太陽輻射能之波長約在0.2 ～4μm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之電磁波，當陽光照射其上時，其溫度將隨著所吸收之輻射能量而上升。實務上，當熱輻射入射到一個物質表面時，僅部分能量會被吸收，其他部分能量會被反射或透射 (對非透明體，透射率為零)。 其次，太陽輻射經由太陽能熱水器之集熱板吸收後，所吸收的熱能則經集熱板藉由熱傳導模式傳到分佈其間的水管外壁。熱傳導的原理在於物體中的分子及自由電子分別因受熱產生之振動及移動，帶動能量由高溫傳至低溫；其熱通量(單位面積上熱傳量)與熱傳方向的溫度梯度成正比(傅利葉傳導定律，Fourier's heat conduction law)。 接下來再藉由熱對流模式將傳至水管管壁之高溫能量傳送給流經管內之液體，完成加熱水溫的目的。
台灣目前使用較多的為金屬材料作成的板管式集熱板，金屬板面應用電鍍或烤漆技術附上一層選擇性吸收膜，專門吸收陽光中熱能光波，以加熱管中的熱水。為了保存所吸收的熱能不致散失，裝集熱板的矩形不銹鋼框架，上表面裝有玻璃面板，底層則鋪上保溫玻璃纖維棉和保麗龍等絕緣物。但近幾年真空管式集熱器的安裝量也有明顯的增多，真空管式集熱器其基本構造為內外雙層玻璃管套，中間為真空層，外層玻璃為透明，內層玻璃鍍有深色吸收膜，太陽輻射光波經由外層玻璃進入，經過真空層，被吸收膜吸收進入內層玻璃管中，並加熱其中流通的熱水，而鍍膜 與真空層皆具有阻斷熱能散失的功能，其所得到的熱水溫度比上述的板管式為高，所以適合高緯度的北部 地區及高山地區使用。
二、產品:
真空管保溫 + 熱媒加熱，冬天或陰雨天等陽光微弱時期，也能利用熱媒升溫，充份使用熱水。熱媒分離間接循環，效率高，永不結水垢。
1.圓形強化玻璃，結構特強，風阻小，可抗強烈颱風。
2.圓形單支組合式，可採直立，傾斜等多種安裝方式。
3.陽光無污染，可減緩溫室效應，保護環境品質。
4.陽光無一氧化碳之毒氣，無中毒之危險。
5.陽光無瓦斯外洩，爆炸之險。
真空管太陽能熱水器與平板式太陽能熱水器比較表
特性項目: 真空管太陽能熱水器 一般平板式熱水器
吸收率: 高於93% 低於80%
熱損率: 小於 6% 大於20%
總熱效率: 高於85%以上 低於60%以下
空曬溫度: 300℃ 103℃
最高水溫: 125℃(蒸氣化) 75℃
使用地區: 不限任何緯度區域 限熱帶,亞熱帶地區
安 裝: 簡易輕便 免升高水塔 體積重量均大，拆裝複雜
養 護: 簡易方便(DIY) 需專業技術人員
破損處理: 可部份更換不影響系統運作 需整件換修
使用壽命: 永不結水垢，使用年限特長 易結水垢、腐蝕、效率衰減快
吸收特性: 所有波長 紅外線均可吸收 限特定波長紅外線
適用水: 溫泉、海水、地下水均可用 一般正常水質
熱交換方式: 一次交換 光線→玻璃→銅管→（熱媒）→水
保溫方式: 真空管本體具保溫 集熱片須有保溫裝置
結 構: 無毛細孔， 不結水垢 銅管有毛細孔，表面粗糙易結水垢
材 質: 高硬度安全玻璃不腐蝕 銅管會蝕孔產生銅綠
三、模具及機器
真空管防止熱量散失的原理：熱量的傳遞需要介質（例如空氣），一般玻璃管內高熱的水會經由空氣將其熱量向低溫的地方輻射出去，而使熱量散掉流失，因此熱水的溫度會慢慢的降低直到變成冷水。真空的玻璃管內的真空層是沒有空氣的，因此管內的熱水無法經由空氣將熱量輻射出去，所以熱水的熱量不會散掉，而能持續保持高溫的狀態。
真空管太陽能熱水器的基本構造為內外雙層玻璃管套，中間為真空層，外層玻璃為全透明，內層玻璃鍍有深色吸引膜，太陽光經由外層玻璃進入真空管內，經過真空層，被深色吸引膜吸收進入內層玻璃管中，並加熱流經內層玻璃管的冷水成為熱水，而鍍膜與真空層皆具有阻斷熱量散失的功能，因此真空管太陽能熱水器所得到的熱水溫度會比平板式的太陽能熱水器更高，適合高緯度或高山地區陽光不是很充足的地方使用。玻璃管長度在1.2到2.0公尺之間，玻璃佔總成本８０％，玻璃具有穩定的化學性能、高透光性、穩定的熱性能和高機械強度。
1.集熱器
為太陽能熱水系統的心臟，主要功能是將太陽能輻射能轉換成熱能，再傳給循環工作流體。太陽光穿過透明面蓋到達吸收板，經板面之特殊處理轉換成熱能由吸收管內之流體帶出。整個吸收板、吸收管以及面蓋以外框固定，而中間填塞隔熱材料以防止熱損失。面蓋的作用為防止對流熱損失並可保護吸收板，多使用高強度高透射率強化玻璃製成。吸收板一般的材料為銅板、鋁板或不銹鋼板，也有使用有機聚合體製成者。吸收板表面需經特殊處理，一般常用者有噴漆、烤漆、電鍍等方式，其中以電鍍效果最佳。吸收管多為銅管製成，管內流體一般都直接用水，但亦有使用其它流體為傳熱媒介者。 另一種最近較為流行的集熱裝置為真空管集熱器，其基本構造為內外雙層玻璃管套，中間為真空層，外層玻璃為透明，內層玻璃鍍有深色吸收膜，太陽輻射光波經由外層玻璃進入，經過真空層，被吸收膜吸收進入內層玻璃管中，並加熱其中流通的熱水，而鍍膜與真空層皆具有阻斷熱能散失的功能，其所得到的熱水溫度比上述的板管式為高，所以適合高緯度的北部地區及高山地區使用。
2. 儲水桶
因太陽光並非隨時穩定照射，由集熱器流出之熱水需暫時儲存，以供使用需要。一般儲水槽多用不銹鋼桶加一層或數層絕熱材料而成，在正常情況下，可保持水溫一天下降 3 ℃ 以內 。 儲水槽可分立式、臥式兩種，其結構大致相同，都是內外各一層水桶，中間填塞隔熱材料保溫。一般而言，直立效果較佳，但市面上多使用臥式，因結構上較易固定，外表較美觀，且不佔空間，為減少冷熱水之混合，儲水儲內亦有種種設計，如分層隔板，進水檔板及進水噴管。
3.管路
管路的配置，依不同裝設環境、系統及需求而異，一般用戶如另裝有瓦斯熱水器，可將太陽能熱水器與其串聯，亦即以太陽能熱水器之熱水出口接於瓦斯熱水器之冷水入口，如果太陽能熱水器出水溫度夠高，則可直接使用，如果水溫不夠，可當成預熱設備，再經瓦斯熱水器加熱，亦能節省部分燃料費。 小型太陽能熱水器的管路材質有鍍鋅鋼管、不銹鋼管、 PB 管、銅管。較常用的為銅管與 PB 管。集熱器與儲水槽之間的管路與往浴室之管路，必須要有保溫，且須要有外覆材。對於自然循環或管路，必須避免管路先向上而後向下彎。中大型系統之管路，通常是用鍍鋅鋼管或不銹鋼管， PB 管不適用。管路要有保溫及外覆材（鋁皮、亞鉛皮、塑膠布或橡膠布）每片集熱器之冷水管與熱水管長度和最好相等，且熱水管愈短愈好。至於溫水游泳池，則管路可用塑膠管。最近流行一種新材質－ “ 開泰管 ” 應用於熱水系統管路易於彎曲施工且耐高溫，雖然傳熱性能差但仍須外敷保溫材料，而價錢僅比普通 PB 管略貴一點而已。
4.控制系統
控制系統包括溫度控制及時間控制，可依所選定時間控制儲水槽內水溫。大部分家用太陽能熱水器如單獨使用時，都裝有輔助電熱器，可在日射量不足時，輔助加熱達到所需溫度。在大型強制式熱水系統之儲水桶與集熱器間裝有溫差控制器，如果溫度差達到一定值，將自動啟動泵浦將儲水桶內較冷之水打至集熱器吸收太陽輻射能加熱。
四、製程及安排
1. 真空管的桶子都是開放型的或不耐壓，而且玻璃管也不能耐壓，所以在冷水進口端絕不能用加壓馬達，如果有用冷水加壓馬達就要加裝水壓控制器。
2. 高樓層的房子裝真空管如果不加壓，較高樓層的熱水水量會很小，因此熱水出口端要加裝熱水加壓馬達。
3. 真空管玻璃表面的顏色變淡時，最大的可能原因為漏氣失去真空了，也就是沒有燒熱水的功能了，而且也會失去保溫的效果，使保溫桶的水溫下降很快，必須更換。
4. 不同廠牌的真空管粗細不同，越粗的管子燒熱水的速度越快、溫度較高，相反的，較細的管子燒熱水的速度較慢、溫度較低。
5.空管損壞的判斷方法：
(１)、真空管底部的銀色部份（吸氣劑）變彩色的，表示這支管子失去真空了，必須更換。
(２)、真空管因為塗「選擇性吸收膜」，一般都是藍色的管子，如果藍色變淡或變白色，表示這支管子失去真空了，必須更換。
(３)、真空管如果破裂一定會失去真空，必須更換。
(４)、在晴天檢查真空管，不管太陽有多大，真空管應該都是冷的，如果真空管變熱，表示這支管子失去真空，內管的熱水溫度已經可以透過空氣傳到外管來，則這支管子有吸熱的能力但沒有保溫的能力，會影響保溫桶?的熱水無法保溫，必須更換。
6. 真空管的腳架有高腳架及低腳架，一般來說高腳架的效率會比低腳架的高。腳架的高低和冷水塔的高低有關，水塔有架高才能用高腳架。另外，對台灣地區來說，低腳架的水溫夏天太高，但冬天卻會不夠高，３０度腳架的水溫夏天不會太高，冬天卻夠熱，是較適合台灣地區的角度。但安裝３０度腳架必須要升水塔，否則水壓會不夠。
7. 真空管的的溫度會比平板式的高，在夏天高溫的天氣，平板式的最高約８５度，真空管可到９５以上甚至１００度達到沸騰。
--真空管的水壓控制器
五、討論及結論
1.在台灣太陽能熱水器主要分為三種類型：
(1)、平板式集熱板：一般為銅板銅管、銅鰭片銅管、不鏽鋼板管、非金屬板管（高分子化合物）等經過電鍍或噴烤漆製成的，底部是PU泡綿或玻璃綿的保溫層，整個集熱器上方以強化聚光玻璃覆蓋之。
(2)、真空管式：集熱板形式有玻璃管、銅鰭片銅管、銅管等。集熱板周圍以透明材（玻璃管）包覆，內部抽製成真空狀態，以降低內部空氣造成之傳導熱損。由於真空管式集熱器之上下四周均為透明材，因此，有些產品配合聚光用反射板，將太陽光有效集中在集熱板上，提高收集能力。
(3)、熱泵：其實它就是我們經常使用的冷氣機，主要的差別，冷氣機的需求端是冷能，而熱泵的需求端是熱能：對外排出冷氣或冷水，對內產生熱水或熱氣。當然這個移動熱能的作用需要借助電能才會發生，如能結合此種特性配合適當的應用場所，其能源效益，將可發揮到最高。若不能則反而較浪費能源，且不耐壓，易故障....目前不建議使用於家庭個人用。
2.優缺點為何?
(1)、平板式集熱板：
平板太陽能熱水器工作原理：可區分為自然循環式及強制循環式，一般以自然循環式系統為主，其循環之動力方式係利用虹吸原理，以工作流體之密度因溫度改變造成之對流動力，驅動工作流體循環傳輸熱能，水溫升高時，密度減小，熱水向上運動進入集熱桶，而比重大的冷水下降回到集熱板下方。
一般平板(缺點)：因水質的不同易結水垢、成本較高、銲接不良導致熱損、保溫效果不良。
一般平板(優點)：吸熱面積大、自然流體循環能集中熱能、堅固耐用、可做大型系統。
只要找到良好的方式克服水垢問題及品質問題，缺點只剩成本較高但相對的使用年限會加長幾倍了。
(2)、真空管式：
普遍的真空管式太陽能熱水器工作原理：真空管是太陽能熱水器的核心，他的結構如同一個拉長的暖瓶膽，內外層之間為真空。在內玻璃管的表面上利用特種工藝塗有光譜選擇性吸收塗層，用來最大限度的吸收太陽輻射能。經陽光照射，光子撞擊塗層，太陽能轉化成熱能，水從塗層外吸熱，水溫升高，密度減小，熱水向上運動，而比重大的冷水下降。熱水始終位於上部，即水箱中。採用磁控油射工藝沈積漸變選擇性吸心塗層高硼矽玻璃真空管，具有強度大，可經受φ20mm冰雹襲擊。目前市面上之真空管大多為大陸製造。
真空管式：(缺點)：怕衝擊、吸熱面積小、墊片易老化、水的進出口只有一個、易失去真空。
真空管式：(優點)：價格便宜、真空絕熱佳、玻璃分子係數小不易結水垢、吸熱效果好、熱損失小、適合在寒帶地區、號稱在零下18℃的天氣仍可?熱水。
真空管太陽能熱水器的優點 :
安 全－沒有瓦斯爆炸、中毒的危險，也無漏電的顧慮。
方 便－全天候供應免費熱水。
材 料－全不鏽鋼機體。
特 性－管徑大，永不結水垢，不怕水質、酸雨及海風鏽蝕。
省 錢－成本回收率特高，可在一年回收。
集熱效果－特佳。
保養維修－容易，真空管若因外力而破損，只要更換破損的部份，不必整
片換掉，經濟省錢又方便。
應用範圍－廣泛，如家庭、學校、工廠、宿舍、飯店、部隊、醫院、健身
休閒中心、農牧養殖場、工業區、高溫預熱、溫水游泳池、及其他熱水用途。
壽 命 長 －使用可達15年以上年。
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