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熱能自足——談德國小區域太陽能應用的作法

2006/05/05 經濟部能源局 點閱人次: 330

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█撰文:翁鳳英 █圖檔來源:BINE Information Service

面對日益緊張的能源危機,小區域的能源自主是有效解決方案之一,尤其是若能利用綠色能源滿足小範圍的能源需求,更是符合能源永續利用的原則。近年來,能源專家發展出許多能源模式,希望能做到小區域電力自給自足。在暖氣熱水供應上,以節省50%傳統能源耗費為目標,同時將周邊費用降至最低。在這樣的思考架構下,儲存太陽能以供應小區域熱能變成一個重要的發展方向。

利用夏季儲存太陽能,以備冬天供應小區域熱能,被認為是一個全新的發展範疇。它需要整合性的觀念和作法,包括改善建築物本身的絕緣設備,以及如何產生具能源效率的熱能並進行分配熱能等要項。

台灣地處亞熱帶,炙熱的夏季陽光雖然讓大家直呼受不了,但若能善加利用,卻是上天送來的最佳禮物。台灣在太陽能的利用上起步較晚,若能配合適當的政策和先進設備,必能增加能源來源的穩定性。就小區域熱能供應而言,先進國家如德國早在20年前即著手相關的實驗研究,直至目前為止,雖然設備與技術尚未達到成熟的階段,但可確定的是,這是一個值得努力的方向。本文提供德國在該範疇中於7個城市內的執行經驗,希望能提供台灣日後在發展太陽能上些許借鏡與參考。

建立示範系統以提供研究基礎

德國在此一範疇的發展開始於1990年代早期,初始計畫為4座太陽能小區域熱能設備,主要的構成機組為短期熱能儲存機與大範圍的熱能收集設備。從1993年開始則發展出7座示範系統,以長期儲存熱能為目標,以大範圍的熱能收集設備為主。德國政府部門一直是推動綠色能源利用的重要推手,因此該7座示範系統是德國聯邦經濟與勞工部(Federal Ministry of Economics and Labor, BMWA)主導的「太陽熱能2000計畫」中的推動要項之一。

相關能源專家在實際運作的條件下測試該7座系統,並將其測試結果做成研究報告,分析做為未來進一步發展該技術的重要參考依據。該7座系統分別位於漢堡(Hamburg)、斐德利奇哈芬(Friedrichshafen)、內卡蘇姆(Neckarsulm)、史丹福特(Steinfurt)、羅斯托克(Rostock)、千姆林芝(Chemnitz)與漢諾威(Hannover)等7個城市。該研究的主要焦點為,釐清不同的熱能儲存概念,取得建構大範圍的熱能收集設備之經驗,降低投資成本,建造區域型的熱能傳輸網Know-how,以及熱能調整技術。現階段而言,已有先進的低溫熱能系統投入相關運作。能源專家認為,適用於100平方公尺大範圍的熱能收集設備,以及具短期與長期熱能儲存的區域型太陽能加熱系統,係能節制二氧化碳排放,抑制地球溫室效應持續惡化,並減少化石能源使用的有效方法。

示範系統效能

據研究結果顯示,短期熱能儲存的區域型太陽能加熱系統可以提供室內暖氣與熱水所需的10~20%的能源;長期熱能儲存的區域型太陽能加熱系統則以儲存夏季太陽能為主,以供冬天室內暖氣使用為目標。從實際執行層面而言,德國示範系統已能供應室內暖氣與熱水所需的40~60%之能源,超過預期目標。

示範系統設計與經濟效能

就長期熱能儲存的區域型太陽能加熱系統的示範計畫而言,共發展出4種類型的熱能儲存設備。依所選的地區之地理環境和水文地質條件而擇定採用何種類型。兩個示範計畫首先在1996年秋天於漢堡和斐德利奇哈芬正式運作,接著在1999年1月的內卡蘇姆進行第3個示範計畫。

由於在漢堡的示範系統測試機組受到電擊,因而無法收集到完整的資料,目前的可靠資料來自斐德利奇哈芬。如能源專家在系統剛開始運作的幾年所預測的一般,有超過平均值以上的熱能消失於地表下,而為使埋設在地下的儲熱槽維持一定的溫度亦花去相當大的能源。除此之外,也發生許多之前未預想的問題。例如,加熱系統的溫度高於之前所預估的熱值,造成系統與區域熱能輸送網之間的不協調情形。

在內卡蘇姆的系統則被安裝了三管網路,在建築物內,熱能被儲存在太陽能收集設備中以供應熱能,如此一來,系統本身不需要加裝連接加熱器與太陽能收集設備之間的管路。

在史丹福特的太陽能加熱系統可供應42個家居單位(1個家居單位以3人為基準),這個社區在地下埋設有可四面流通的儲熱槽以及熱水加熱系統,如此一來區域熱能輸送網不需太高的溫度,也節省許多能源耗費。若需要較熱的熱水,則也可以經由建築物屋頂的太陽能收集設備取得熱能。

羅斯托克的太陽能區域加熱計畫開始於1999年底,它的作法是在地下蓄水層埋藏儲熱槽,該系統供應了108戶大範圍的家計單位熱能用量。同時配有散熱器,在低溫下可運作的加熱系統(50╱30℃)可確保系統良好運作條件。

經驗分享

從示範計畫執行至今,已有超過15年的時間。筆者綜合採訪結果和相關資料,將重點成果與經驗剖析如下:

以短期熱能儲存為主要目標的示範計畫,必須將太陽能收集設備安置於新建屋頂上,現在德國則已開發出此類的適用屋頂。太陽能收集設備可結合於新型的屋頂結構,最現代化的太陽能屋頂則除了太陽能收集設備外,另還結合了天窗和其他隱藏性的構造。所有的太陽能收集設備均有通風考量,避免受潮。而埋設在地下的大型儲熱槽也都必須符合聯邦「蒸汽鍋條款」(Dampfkesselverordnung)。

◎加熱系統與熱水加熱器
加熱系統的設計與熱水加熱器的類型,均視區域熱能輸送網的溫度來決定,也就是說依整座太陽能系統的釋放能量而決定。與傳統加熱系統比較,低溫加熱系統可以在較低的溫度下運作,並取得較高的太陽能能量。由於低溫加熱系統需要較高的成本,大部分取決於建商與策劃者。羅斯托克的示範計畫,代表低溫的太陽能加熱系統,也可在小區域的出租公寓進行。

無槽式的熱水加熱系統通常比有槽式的系統,在區域熱能輸送網的溫度較低。有槽式的系統通常用在大範圍的社區,此類系統可維持50~55℃的溫度。依經驗看來,若能改進各別建築物中的熱能交換器,以降低區域熱能輸送網的溫度,則在這些示範計畫中的溫度也可降低。

◎熱能交換器
在熱能交換的程序中,每座熱能交換器增加的溫度可至5K(Kelvin,絕對溫標或開氏溫度),正因如此,理論上每間房間的暖氣系統應直接連接至區域熱能輸送網。然而實行起來卻有困難,原因在於各別區域管理者希望能以熱能交換器來區分熱能供應區。

未來的展望

以太陽能供應小區域熱能的技術到目前為止仍在測試發展階段,雖然如此,示範計畫仍有它們的指標意義存在:執行所獲得的心得可供往後相關計畫的借鏡,避免重蹈覆轍。直到目前為止,投資成本高昂仍為推行上的最大障礙。已執行的計畫顯示,利用有創意的融資方式,可以克服成本上的難關;而節省下來的成本則可用來改良系統技術。

最新的研究指出,若依1995年的德國聯邦熱能保護條款(Heat Conservation Ordinance)所期望的目標,利用太陽能供應小區域熱能的觀念,而能節省20%的熱能耗損,則大型的太陽能系統可媲美其他節能措施與設備。

目前是德國政府必須支付2倍以上的費用來鼓勵發展利用太陽能,是一項沉重負擔。因此對於長期儲存熱能設備的發展而言,未來的目標在於利用太陽能供應熱能,太陽能變成一般能源來源,政府不再需要提供補助。

就目前德國執行短期太陽能熱能儲存而言,目前可供7~10%之間的熱能需求量,已接近經濟效益的階段。在新興的社區建置短期太陽能熱能儲存設備是值得一試的作法,剩餘不足的能源可配以其他替代性的供熱能源,如燃燒天然木材取得熱能。雖然太陽能儲熱設備造價偏高,但為了解決傳統能源日漸枯竭的危機,仍值得加強推廣。(作者為本刊駐德國特約記者╱有興趣的讀友可參考www.solarthermie2000.de網站)


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