本研究探討改變集熱器角度以及改變系統內熱水的流量對大型太陽能熱水系統之效率影響，將使用TRNSYS軟體進行模擬，同時套入台灣的城市(台北、台中及高雄)之TMY2氣象資料。分析五種集熱器傾斜角、七種集熱器方位角以及不同集熱器流量，以取得三個城市(台北、台中和高雄)之太陽能月負荷比(f)與太陽能年負荷比(F)。
　　本研究同時使用TRNSYS-FLUENT結合進行暫態模擬計算方式，將TRNSYS系統內儲水槽模組以Calling-FLUENT模組取代，透過FLUENT軟體進行儲水槽模擬，其餘的元件由TRNSYS內模組模擬。並驗證高雄地區純TRNSYS模擬與TRNSYS-FLUENT模擬之結果得知，TRNSYS-FLUENT之太陽能年負荷比(F)較純TRNSYS高3 %至5 %。
　　本研究設計之改變集熱器角度：模擬傾斜角為 0^°至 35^°，模擬方位角為 〖-45〗^°至45^°。模擬結果可發現當傾斜角設定為當地緯度比設定為 0^°及 35^°最多可高出2 %之太陽能年負荷比(F)；以及方位角設定為 0^°比設定為 〖-45〗^°及 45^°最多可高出4 %之太陽能年負荷比(F)，愈接近最佳角度則誤差愈小。由此可知，改變傾斜角以及方位角對於太陽能熱水系統之效率影響不大。
　　本研究利用TRNSYS模擬改變集熱器流量0.002至0.07 kg⁄(s∙m^2 )，並以TRNSYS-FLUENT輔助模擬0.005~0.03 kg⁄(s∙m^2 )區間。結果顯示當有隔板時，流量為0.005至0.02 kg⁄(s∙m^2 )之結果比最低太陽能年負荷比(F)之流量高出4%至9.2 %。

　　This thesis presents the study of the effect of the angles and the flow rates of the collector on the performance of a solar hot water system. The simulation program TRNSYS is employed to study the system performance for three representative cities in Taiwan, i.e. Taipei, Taichung and Kaohsiung, by varying collector tilt angle, collector azimuth angle and collector flow rate.
　　A more realistic simulation by combining TRNSYS and FLUENT programs for Kaohsiung city is carried out to verify the TRNSYS-along study. The results indicate that TRNSYS-along study is reliable.
　　In the study, the collector tilt angle is varied from 0^° ~ 45^°, and the collector azimuth angle from 〖-45〗^° ~ 45^°. The results show that the best annual performance is indeed for the collector tilt angle at local latitude and 0^° azimuth. However, the results also show that the angles effects are small within the range in the study.
　　The collector flow rate is varied from 0.005~0.07 kg⁄(s∙m^2 ), the results indicate that the system performance is best for 0.02 kg⁄(s∙m^2 ) for non-partitioned storage tank and for 0.005 kg⁄(s∙m^2 ) for three-partitioned storage tank.

目錄
論文審定書………………………………………………………………………i
致謝……………………………………………………………………………ii
摘要……………………………………………………………………………iii
ABSTRACT…………………………………………………………………… iv
目錄………………………………………………………………………..….. v
圖目錄…………………………………………………………………………vii
表目錄…………………………………………………………………………x
符號說明………………………………………………………………………xii
希臘符號………………………………………………………………………xv
第一章 緒論……………………………………………………………………1
1.1　前言…………………………………………………………………1
　　1.2　研究動機與目的…………………………………………………….. 1
　　1.3　文獻回顧…………………………………………………………... 2
第二章　基礎理論………………………………………………………………5
　　2.1　系統簡介……………………………………………………………...5
　　2.2　TRNSYS及TRNSYS-FLUENT模擬方法差異…………………….5
　　2.3　TRNSYS模組元件之理論分析……………………………………...6
　　　2.3.1　平板集熱器(Flat-plate collector) ………………..………………6
　　　2.3.2　儲水槽(Storage tank) ………………………………….……….8
　　　2.3.3　溫差控制器(Controller) ……………………………………….11
　　　2.3.4　泵(Pump) ………………………………………..…………….12
　　　2.3.5　台灣典型氣象年資料（TMY2）……….……………………13
　　2.4　FLUENT儲水槽元件之設計參數………………………………….13
　　　2.4.1　儲水槽幾何設計…………………….…………………………13
　　　2.4.2　儲水槽儲水槽之基本設定……………………………………14
　　　2.4.3　儲水槽之統御方程式…………………….……………………14
　　　2.4.4　儲水槽之邊界條件………….………………………………16
第三章　研究方法………….…………………………. …………..…………23
　　3.1　系統整合概述………….……………………. ………………….…23
　　3.2　太陽能負荷比(Solar Fraction) ……………………………………23
　　3.3　TRNSYS運算方式…………………………………………………25
　　3.4　TRNSYS-FLUENT運算方式……………………………...………25
　　　3.4.1　儲水槽(FLUENT之先導研究) ………………………..………25
　　　3.4.2　網格的使用………………………………..……………………25
　　　3.4.3　TRNSYS-FLUENT月平均代表日…………………….………26
　　　3.4.4　TRNSYS-FLUENT連接策略…………………………..……26
第四章　結果與討論…………………………………………………………31
　　4.1　改變集熱器傾斜角研究結果…………………………..…………31
　　4.2　改變集熱器方位角研究結果………………………………………32
　　4.3　改變集熱器熱水流量之結果………………………………………33
　　4.4　純TRNSYS與TRNSYS-FLUENT之比較………………………34
第五章　結論與未來展望……………………………………………………107
　　5.1　結論………………………………………………………………107
　　　5.1.1　改變集熱器之傾斜角設計之結論……………………………107
　　　5.1.2　改變集熱器之方位角設計之結論……………………………107
　　　5.1.3　改變集熱器流量之結論………………………………………107
　　　5.1.4　TRNSYS 模擬與 TRNSYS-FLUENT 模擬之結論………108
　　5.2　未來展望…………………………………………………………108
參考文獻………………………………………………………………………109
圖目錄
圖2-1　太陽能熱水系統示意圖……………………………………………………17
圖2-2　太陽能熱水系統TRNSYS示意圖…………………………………………17
圖2-3　太陽能熱水系統 TRNSYS-FLUENT 系統示意圖………………………18
圖2-4　集熱器角度示意圖…………………………………………………………19
圖2-5　太陽能平板集熱器結構……………………………………………………19
圖2-6　分層儲水槽(數字為節點代號) ……………………………………………20
圖2-7　控制器之控制訊號與溫度函數……………………………………………20
圖3-1　單隔板儲水槽示意圖………………………………………………………28
圖3-2　三隔板儲水槽示意圖………………………………………………………28
圖3-3　儲水槽示意圖………………………………………………………………29
圖 4-1　台北一月份，模擬不同傾斜角太陽能月負荷比之比較…………………36
圖 4-2　台北四月份，改變不同傾斜角太陽能月負荷比之比較…………………36
圖 4-3　台北七月份，改變不同傾斜角太陽能月負荷比之比較…………………37
圖 4-4　台北十月份，改變不同傾斜角太陽能月負荷比之比較…………………37
圖 4-5　台中一月份，改變不同傾斜角太陽能月負荷比之比較…………………38
圖 4-6　台中四月份，改變不同傾斜角太陽能月負荷比之比較…………………38
圖 4-7　台中七月份，改變不同傾斜角太陽能月負荷比之比較…………………39
圖 4-8　台中十月份，改變不同傾斜角太陽能月負荷比之比較…………………39
圖 4-9　高雄一月份，改變不同傾斜角太陽能月負荷比之比較…………………40
圖 4-10　高雄四月份，改變不同傾斜角太陽能月負荷比之比較………………40
圖 4-11　高雄七月份，改變不同傾斜角太陽能月負荷比之比較………………41
圖 4-12　高雄十月份，改變不同傾斜角太陽能月負荷比之比較………………41
圖 4-13　台北整年，改變不同傾斜角太陽能年負荷比之比較…………………42
圖 4-14　台中整年，改變不同傾斜角太陽能年負荷比之比較…………………42
圖 4-15　高雄整年，改變不同傾斜角太陽能年負荷比之比較…………………43
圖 4-16　台北一月份，改變不同方位角太陽能月負荷比之比較………………44
圖 4-17　台北四月份，改變不同方位角太陽能月負荷比之比較………………44
圖 4-18　台北七月份，改變不同方位角太陽能月負荷比之比較………………45
圖 4-19　台北十月份，改變不同方位角太陽能月負荷比之比較………………45
圖 4-20　台中一月份，改變不同方位角太陽能月負荷比之比較………………46
圖 4-21　台中四月份，改變不同方位角太陽能月負荷比之比較………………46
圖 4-22　台中七月份，改變不同方位角太陽能月負荷比之比較………………47
圖 4-23　台中十月份，改變不同方位角太陽能月負荷比之比較………………47
圖 4-24　高雄一月份，改變不同方位角太陽能月負荷比之比較………………48
圖 4-25　高雄四月份，改變不同方位角太陽能月負荷比之比較………………48
圖 4-26　高雄七月份，改變不同方位角太陽能月負荷比之比較………………49
圖 4-27　高雄十月份，改變不同方位角太陽能月負荷比之比較………………49
圖 4-28　台北整年，改變不同方位角太陽能年負荷比之比較…………………50
圖 4-29　台中整年，改變不同方位角太陽能年負荷比之比較…………………50
圖 4-30　高雄整年，改變不同方位角太陽能年負荷比之比較…………………51
圖 4-31　台北地區，取負荷時間 12:00 至 24:00，不同系統流量太陽能年負荷比之比較……………………………………………………………………………52
圖 4-32　台北地區，取負荷時間 18:00 至 24:00，不同系統流量太陽能年負荷比之比較……………………………………………………………………………52
圖 4-33　台中地區，取負荷時間 12:00 至 24:00，不同系統流量太陽能年負荷比之比較……………………………………………………………………………53
圖 4-34　台中地區，取負荷時間 18:00 至 24:00，不同系統流量太陽能年負荷比之比較……………………………………………………………………………53圖 4-35　高雄地區，取負荷時間 12:00 至 24:00，不同系統流量太陽能年負荷比之比較……………………………………………………………………………54
圖 4-36　高雄地區，取負荷時間 18:00 至 24:00，不同系統流量太陽能年負荷比之比較……………………………………………………………………………54
圖 4-37　高雄地區，TRNSYS-FLUENT 取負荷時間 12:00 至 24:00，各月份儲水槽為單隔板，不同系統流量之太陽能月負荷比比較……………………………55
圖 4-38　高雄地區，TRNSYS-FLUENT 取負荷時間 12:00 至 24:00，各月份儲水槽為三隔板，不同系統流量之太陽能月負荷比比較……………………………55
圖 4-39　高雄地區，TRNSYS-FLUENT 取負荷時間 18:00 至 24:00，各月份儲水槽為單隔板，不同系統流量之太陽能月負荷比比較……………………………56
圖 4-40　高雄地區，TRNSYS-FLUENT 取負荷時間 18:00 至 24:00，各月份儲水槽為三隔板，不同系統流量之太陽能月負荷比比較……………………………56
圖 4-41　高雄地區，TRNSYS-FLUENT 改變系統流量之溫度分布圖…………57
圖 4-42　高雄地區，TRNSYS-FLUENT 改變系統流量之溫度分布圖…………63
圖 4-43　高雄地區，TRNSYS-FLUENT 改變系統流量之溫度分布圖…………69
圖 4-44　高雄地區，TRNSYS-FLUENT 改變系統流量之溫度分布圖…………75
圖 4-45　高雄地區，TRNSYS-FLUENT 改變系統流量之溫度分布圖…………81
圖 4-46　高雄地區，TRNSYS-FLUENT 改變系統流量之溫度分布圖…………87
圖 4-47　高雄地區，TRNSYS-FLUENT 改變系統流量之溫度分布圖…………93
表目錄
表2-1　TRNSYS太陽能平板集熱器Type1設定參數…………………………21
表2-2　TRNSYS儲水槽Type4設定參數………………………………………21
表2-3　TRNSYS溫差控制器Type2設定參數…………………………………22
表2-4　FLUENT儲水槽模型設計參數…………………………………………22
表3-1　大型太陽能熱水系統設定參數…………………………………………29
表3-2　改變不同角度之集熱器參數……………………………………………29
表3-3　改變不同流量之集熱器參數……………………………………………30
表3-4　高雄地區取負荷時間18點到24點之代表日…………………………30
表 4-1 台北地區，純 TRNSYS 改變傾斜角之太陽能年負荷比之比較………99
表 4-2 台北地區，純 TRNSYS 改變方位角之太陽能年負荷比之比較………99
表 4-3 台中地區，純 TRNSYS 改變傾斜角之太陽能年負荷比之比較………100
表 4-4 台北地區，純 TRNSYS 改變方位角之太陽能年負荷比之比較………100
表 4-5 高雄地區，純 TRNSYS 改變傾斜角之太陽能年負荷比之比較………101
表 4-6 高雄地區，純 TRNSYS 改變方位角之太陽能年負荷比之比較………101
表 4-7 台北地區，純 TRNSYS 改變流量之太陽能年負荷比之比較…………102
表 4-8 台北地區，純 TRNSYS 改變流量之太陽能年負荷比之比較…………102
表 4-9 台中地區，純 TRNSYS 改變流量之太陽能年負荷比之比較…………103
表 4-10 台中地區，純 TRNSYS 改變流量之太陽能年負荷比之比較………103
表 4-11 高雄地區，純 TRNSYS 改變流量之太陽能年負荷比之比較…………104
表 4-12 高雄地區，純 TRNSYS 改變流量之太陽能年負荷比之比較………104
表 4-13 TRNSYS-FLUENT 與純 TRNSYS 改變傾斜角太陽能年負荷比之比較
　　　　……………………………………………………………………………105
表 4-14 TRNSYS-FLUENT 與純 TRNSYS 改變方位角太陽能年負荷比之比較
　　　　……………………………………………………………………………105

表 4-15 TRNSYS-FLUENT 與純 TRNSYS 改變流量之太陽能年負荷比之比較
　　　　……………………………………………………………………………106
表 4-16 TRNSYS-FLUENT 與純 TRNSYS 改變流量之太陽能年負荷比之比較
　　　　……………………………………………………………………………106
表 4-17 TRNSYS-FLUENT 與純 TRNSYS 之太陽能月/年負荷比之比較
　　　　……………………………………………………………………………106

[1] John A. Duffie, William A. Beckman,1991.Solar Engineering of Thermal Processes.Wiley USA.
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[6] Camelia Stanciu , Dorin Stanciu,” Optimum tilt angle for flat plate collectors all over the World – A declination dependence formula and comparisons of three solar radiation models”, Energy Conversion and Management 81,133-143,2014.
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[9] Mihaela Andreea Mitiu, Marius Viorel Olteanu,Gyorgy Deak, Natalia Simona Raischi, and Danut Cociorva,” Determination the optimal tilt and azimuth angle of photovoltaic system for maximum energy in Bucharest region, Romania – Case Study”, E3S Web of Conferences 80, 01007,2019.

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[11]Klein,S,A., et al.,1998.TRNSYS 16 User’s Manual