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研究生： 鄔豪中
Hao-Jhong Wu
論文名稱： 地中管系統本土化可行性評估-以獨棟透天住宅之地中管系統為例
The Feasibility Study of Earth Tube System in Taiwan for Single-family Detached House
指導教授： 魏浩揚
Hao-Yang Wei
口試委員: 江維華
Wei-Hwa Chiang
張杰
none
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 設計學院 - 建築系
Department of Architecture
論文出版年： 2008
畢業學年度： 97
語文別： 中文
論文頁數： 128
中文關鍵詞： 地熱交換器 、地中管 、淺層地熱運用
外文關鍵詞： earth-air heat exchanger, Earth tube, ground source
相關次數： 點閱：326  下載：2 
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    • 地中管系統於溫、寒帶先進國家已普遍應用在住宅與公共建築之通風冷暖房系統上，被證明具有良好的節能成效。而台灣屬副熱帶季風氣候，潮濕的空氣與較高的年均溫使地中管系統的實用性與效能備受質疑。因此本研究乃以獨棟透天住宅為例，藉由軟體模擬與構法檢討，評估地中管系統於台灣應用之可行性。
    本研究進行程序如下：
    1. 先以國外案例與文獻蒐集，將影響地中管性能之諸多參數系統化分類。
    2. 以地中管模擬專用軟體GAEA進行模擬，以一般獨棟住宅在台灣氣候條件下針對管長、管徑、埋設深度、與建築物距離與換氣次數等參數進行敏感度分析，並依影響程度排序。
    3. 利用敏感度分析結果策略性限制參數範圍後，針對所有可能設定組合全面模擬，求得地中管於台灣可達到之最佳溫度。
    4. 依照台灣的氣候條件，針對地中管系統之可達舒適程度、搭配設備、運轉控制、結露水處理與台灣建築構造外殼現況提出建議與對應方式。
    模擬結果顯示，在台北的氣候條件下，規劃得宜的獨棟透天住宅之單管地中管系統，於夏季可將外氣由38℃降低至23.9℃，冬季可將外氣由8.4℃升高至20.1℃。全年可獲得之熱能與冷能分別為124.9kWh與844.3kWh。本研究得到之結論如下：
    1. 適用性：良好規劃的地中管於台灣可提供獨棟透天住宅相當程度之冷房效果，然而仍需與其他冷房或除濕設備配合方可使人感到完全舒適。
    2. 應用與控制：台灣使用地中管主要用以夏季與冬季，與其他空調設備併用則可減少空調耗能；春、秋直接引入外氣，不需開啟地中管即可達到舒適範圍。
    3. 對應措施：在台灣應用地中管須針對結露水需提出適當排水方式，減少結露水對空氣與土壤熱交換之影響，並以構造手法全面降低內部與外部熱得。
    4. 設計評估因子：本研究建立地中管於設計時所須考量之性能影響因子之完整項目，提供日後設計時可評估與參考之依據。
    本研究藉由定性與定量之評估探討，認為地中管系統於台灣應用時可提供一定程度之冷房效果。後續可對其他建築類型之應用、溫溼度控制與實際表現性能做更精準之驗證，並針對各種應用方式之節能效益與成本進行評估，以建立完整可行之本土化地中管系統。

    Earth tube systems (ETS) have been generally used for heating and cooling in cold and mild climates. The feasibility and efficiency of ETS in Taiwan are questioned because of the hot and humid climate. This study attempts to evaluate the feasibility of ETS for single-family detached houses in Taiwan by computer simulation and construction inquiry. The process of this study was as follows:
    1. Categorized the factors which influence the performance of ETS outside of Taiwan by collecting related references and cases.
    2. Conducted sensitivity analysis of the length, diameter, depth, distance to building and air change rate of ETS in Taiwan by adjusting the parameters in the simulation program “GAEA” and arranged the results in order of significance.
    3. Based on step 2, restricted the parameters reasonably and simulated all possible sets of parameters to know the best performance of ETS in Taiwan.
    4. Recommended a) combined ventilation systems, b) operation control and c) treatment of condensation and building envelopes for application of ETS in Taiwan.
    The simulation results showed that a well-designed ETS can cool the single-family detached house from 38℃ to 23.9℃ in summer and heat from 8.4℃ to 20.1℃ in winter. The annual energy savings are 124.9kWh (heating) and 844.3kWh (cooling). The results of this study are as follows:
    1. Applicability: a well-designed ETS can provide a certain degree of cooling capacity for single-family detached houses in Taiwan. But it needs to be coupled with other cooling systems or dehumidifier to reach thermal comfort.
    2. Operation control: ETS is expected to be used in Taiwan mainly to reduce the energy consumption of air temperature adjustment in summer and winter and not necessarily in Spring and Fall.
    3. Construction treatments: reducing building envelope heat gain and draining the condensation by construction methods to ensure the cooling capacity of ETS.
    4. ETS design guide: providing the design guide for use of ETS in Taiwan by establishing systematic performance-related criteria.
    This study showed by quantitative and qualitative analyses that ETS can provide a certain degree of cooling capacity in Taiwan. Follow-up studies should focus on validation of its performance, its energy saving efficiency, application methods and cost evaluation to validate the use of ETS in Taiwan.

    中文摘要 I 英文摘要 II 謝誌 IV 目次 V 表目錄 IX 圖目錄 XI 第1章 緒論 1 1.1. 研究背景與動機 1 1.2. 研究目的 1 1.3. 研究範圍 2 1.4. 研究方法與進行流程 3 1.4.1. 研究方法 3 1.4.2. 進行流程 4 第2章 地中管系統 7 2.1. 系統原理 7 2.2. 發展沿革 8 2.3. 系統分類 9 2.4. 小結 11 第3章 國外地中管案例分析 13 3.1. 案例分析之目的 13 3.2. 案例資料狀況 14 3.3. 各國地中管案例 14 3.3.1. Media school in Grong，挪威 (溫帶海洋氣候) 15 3.3.2. Wagner in Cölbe，德國 (溫帶大陸氣候) 16 3.3.3. 實驗木構造住宅，日本 (溫帶季風氣候) 17 3.3.4. Warehouse in Hepburn，澳洲 (副熱帶溼熱氣候) 18 3.3.5. 廣州華南理工大學實驗屋，中國 (副熱帶季風氣候) 19 3.3.6. IIMA實驗溫室，印度 (熱乾氣候) 20 3.4. 案例分析結果 21 3.4.1. 於各氣候區之表現能力 21 3.4.2. 適用之建築類型 22 3.4.3. 管道參數設定之影響 22 3.4.4. 埋設方式 24 第4章 地中管性能影響因子 25 4.1. 先天條件端 25 4.1.1. 土壤性質 25 4.1.2. 表面植被 27 4.1.3. 地下水高度 27 4.1.4. 換氣量 28 4.2. 管道參數端 28 4.2.1. 管道數量與管距 28 4.2.2. 管道配置 29 4.2.3. 管徑大小 30 4.2.4. 管內流速 30 4.2.5. 管道長度 31 4.2.6. 埋設方式 32 4.2.7. 埋設深度 34 4.2.8. 管道材質 34 4.2.9. 管壁紋理 36 4.2.10. 管內壓力 36 4.2.11. 臨建築物距離 37 4.3. 附屬設備端 38 4.3.1. 動力模式 38 4.3.2. 進氣口 41 4.3.3. 空氣濾網裝設 43 4.4. 構造技術端 44 4.4.1. 氣密性 44 4.4.2. 結露水 44 4.5. 運轉控制端 45 4.5.1. 搭配設備 45 4.5.2. 運轉控制 46 4.6. 地中管規劃考量要點 48 4.7. 小結 50 第5章 地中管在台灣操作之模擬分析 51 5.1. 模擬分析目的與流程 51 5.1.1. 模擬目的 51 5.1.2. 模擬分析流程 52 5.2. 模擬軟體GAEA介紹 53 5.2.1. GAEA之特性 53 5.2.2. 模擬原則 54 5.2.3. GAEA之侷限性 54 5.2.4. GAEA系統介面 55 5.3. GAEA模擬操作 59 5.3.1. 管道參數(EHX)設定 59 5.3.2. 土壤參數(Soil)設定 59 5.3.3. 氣象資料(Climate)設定 60 5.3.4. 空調換氣設備系統參數(HVAC)設定 60 5.3.5. 成本參數(Cost)設定 61 5.3.6. 初步模擬結果 62 5.4. 敏感度分析 63 5.4.1. 管長敏感度分析 63 5.4.2. 管徑敏感度分析 64 5.4.3. 埋設深度敏感度分析 65 5.4.4. 與建築物距離敏感度分析 66 5.4.5. 換氣次數敏感度分析 67 5.4.6. 分析結果比較 68 5.5. 台灣地中管應用最佳化模擬 68 5.5.1. 參數設定之限制與策略 68 5.5.2. 模擬結果統計 70 5.5.3. 最佳化可達到之溫度效果 71 5.5.4. 出口空氣焓值分析 74 5.5.5. 成本概算分析 75 5.6. 小結 76 第6章 地中管在台灣應用面臨的問題與對策 77 6.1. 舒適度探討 77 6.1.1. 空氣舒適範圍 77 6.1.2. PMV指標 78 6.2. 運轉控制與其他設備搭配策略 79 6.2.1. 全氣式 79 6.2.2. 氣冷分離式 81 6.2.3. 全熱交換器運用 84 6.2.4. 地中管與熱泵系統合用 87 6.2.5. 運轉控制 87 6.3. 結露水的對應 88 6.3.1. 結露水的形成 88 6.3.2. 結露水的排除 90 6.4. 建築物外殼構造檢討 92 6.4.1. 開口部構件 93 6.4.2. 外遮陽系統 94 6.4.3. 外牆隔熱性 94 6.4.4. 屋頂隔熱性 96 6.4.5. 門窗氣密性 97 6.5. 小結 97 第7章 結論與建議 99 7.1. 結論 99 7.2. 建議 103 參考文獻 105 一、中文文獻 105 二、英文文獻 105 三、德文文獻 106 四、網路文獻 107 附錄 109

    一、中文文獻
    C1. 王海山 編 (1998) 科學方法百科，台北：恩凱股份有限公司。
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    C3. 林憲德 (1994) 現代人類的居住環境，台北：胡氏圖書出版社。
    C4. 林憲德 (2003) 綠建築解說與評估手冊，內政部建築研究所。
    C5. 施植明 譯 (1998) 「智慧型玻璃立面─材料•實踐•設計」，台北：田園城市文化事業有限公司。
    C6. 鄭政利 編 (2008) 建築物外遮陽暨屋頂隔熱設計參考手冊，內政部建築研究所。
    C7. 白宝鯤、厉敏、赵波 譯 (2004) 玻璃結構手冊，大連理工大學出版社。
    C8. 鐘基強、陳友剛、葉文裕、林守香 (1998) 「室內空調進排氣口配置熱舒適性探討」，勞工安全衛生研究季刊，第六卷第2期。
    C9. 台富工程顧問有限公司 (2000) 國立台灣科技大學第五綜合實習工廠基地地質調查工程報告書，未出版。

    二、英文文獻
    E1. Andrea Saltelli (2006, October) “The critique of modelling and sensitivity analysis in the scientific discourse,” Transatlantic Uncertainty Colloquium (TAUC) Washington.
    E2. ASHRAE (1976) ASHRAE handbook of Fundamentals. ASHRAE, New York.
    E3. ASHRAE (1993) ASHRAE handbook Fundamentals. ASHRAE, New York.
    E4. Fredrik Ståhl (2002, June) “Preheating of Supply Air through an Earth Tube System: Energy demand and moisture consequences,” Nordic Building Physics Symposium 2002, Trondheim, Norway.
    E5. Girja Sharan (2004) “Development and Some Applications of Earth Tube Heat Exchanger in Gujarat,” Journal of Agricultural Engineering [forthcoming].
    E6. Joseph Lstiburek (2006) “Understanding Ventilation in Hot Humid Climates,” Building Science Digest.
    E7. The Aldo Leopold Foundation (2006) “Green Feature: Earth Tubes,” Leopold Legacy Center Construction Journal Report 15.1.
    E8. Girja Sharan and Ratan Jadhav (2003) “Performance of Single Pass earth-Tube Heat Exchanger: An Experimental Study,” Journal of Agricultural Engineering [forthcoming].
    E9. Kwang Ho Lee and Richard K. Strand (2006) “IMPLEMENTATION OF AN EARTH TUBE SYSTEM INTO ENERGYPLUS PROGRAM,” Berkeley, California: Simulation Research Group.
    E10. F. Al-Ajmi, D.L. Loveday, and V.I. Hanby (2006) “The cooling potential of earth-air heat exchangers for domestic buildings in a desert climate,” Building and Environment, 41: 235-244.
    E11. Girja Sharan, H. Prakash, and R. Jadhav (2003, September) “Performance of Greenhouse Coupled to Earth-Tube-Heat-Exchanger in Closed-Loop Mode,” XXX CIOSTA-CIGR V Congress Proceedings of ‘Management and Technology Applications to Empower Agriculture and Agro-food Systems,’ Turin, Italy, Vol.2: 865-873.
    E12. Huijun Wu, Shengwei Wang, and Dongsheng Zhu (2007) “Modelling and evaluation of cooling capacity of earth-air-pipe systems,” Energy Conversion and Management, 48: 1462-1471.

    三、德文文獻
    D1. AG Solar NRW (2005) “LUFT-ERDWARMETAUSCHER L-EWT Teil 1: Systeme fur Wohngebaude,” AG Solar, Köln.
    D2. AG Solar NRW (2005) “LUFT-ERDWARMETAUSCHER L-EWT Teil 2: Technische Planung,” AG Solar, Köln.
    D3. AG Solar NRW (2005) “LUFT-ERDWARMETAUSCHER L-EWT Teil 2: Standardisierte Datenblätter,” AG Solar, Köln.
    D4. EnergieAgentur NRW (2002) “Erdwärmetauscher – Geothermie intelligent nutzen,” EnergieAgentur NRW, Düsseldorf.
    D5. Eberhard Paul (2005) Der Einsatz von Erdwärmetauschern im Zusammenhang mit Wohnungslüftungsanlagen und Wärmerückgewinnung. PAUL Wärmerückgewinnung GmbH, Mülsen.
    D6. Fachinformationszentrum Karlsruhe (2000) “Raumluftkonditionierung mit Erdwarmetauschern,” BINE, Bonn.
    D7. F.D. Heidt and St. Benkert (2000) “Abschlussbericht zum Projekt Validierung des Programms 'Graphische Auslegung von ErdwärmeAustauschern GAEA', Universität-Gesamthochschule Siegen.
    D8. Hegger, M., Fuchs, M., Stark, Th. and Zeumer, M. (2008) Energy Atlas. Birkäuser, München.
    D9. Margrit Kennedy, Uwe Großmann and Thorsten Schütze (2001) “Erfahrungen mit innovativen Erdwärmetauscher-Lüftungsanlagen,” BINE, Bonn.
    D10. Peter Loose (2007) Erdwärmenutzung, Versorgungstechnische Planung und Berechnung: 2., überarbeitete und ergänzte Auflage. C. F. Müller Verlag, Jüthig Verlag, Heidelberg.

    四、網路文獻
    I1. http://en.wikipedia.org/wiki/Termite
    I2. http://en.wikipedia.org/wiki/Windcatcher
    I3. http://en.wikipedia.org/wiki/Ground-coupled_heat_exchanger

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