能源與材料科技系 實務專題論文

能源的使用效率及熱散失之研究

指導老師：揭由志教授

班級 學號 姓名

能材三乙 BB101061 鍾明修

能材三乙 BB101066 蔡宇倫

能材三乙 BB101107 王聖仁

修 平 科 技 大 學 中 華 民 國 一 ○ 四 年 六 月 三 日

I

致 謝

我們要感謝指導老師揭由志教授，在實驗初指導到我們實驗規劃，

並完成一個充滿學問的實驗題目，指示我們明確方向與做法，使本組

能按部就班，在有限的時間裡完成整個實驗取得有需的實驗結果及數

據，當實驗遇上瓶頸或阻礙時為我們解惑，使我們在時間內完成；實

驗後期的報告製作，教導我們正確的且專業的方法與技巧，才能如願

完成這份論文報告，最重要的是在這段時間上我們所學到接觸到的任

何事情，都是在磨練我們並且增加我們的學習經驗。

另外我們要感謝系上給我們這麼寶貴的機會，完成一個團隊的專

題，也讓我們從專題進行過程中了解自己的不足及學問的高深原來一

個看似簡單的生活小實驗也能衍伸出這麼多的高深學問這是我們從前

無法料想到的。

II

摘 要

家庭中經常使用到不同加熱器來加熱液體，卻未曾探討其加熱之

效能高低，並計算加熱器加熱效能及其碳排放量，由於加熱方式及容

器在加熱過程中的密閉性對能源使用效率及碳排放有一定影響，在節

能減碳及注重能源效率的今天，更凸顯此議題的重要性，所以本研究

嘗試以家庭常用之瓦斯爐、電磁爐(間接加熱)及電湯匙(直接加熱)做為

加熱源，以相同容器對固定容量的水進行室溫至沸騰之加熱實驗，並

在加熱過程中使用開放、密閉及隔熱等方式，進行能源消耗、利用效

率以及 CO2排放之計算及探討。

實驗中使用三種不同火力大小之瓦斯爐，三種功率段數的電磁爐，

以及 1000W 及 300W 的電湯匙加熱水至沸騰，紀錄瓦斯及電的消耗度

數，再計算其能源使用效能及 CO2排放量。而實驗結果發現，使用瓦

斯爐的能量效率是最低，但 CO2排放量是最少的，使用電磁爐及電湯

匙加熱水至沸騰所消耗的能量雖然較使用瓦斯要少，而能源利用效率

也較瓦斯爐要高，但是 CO2排放量反而高出許多，主要是因為台灣是

以火力發電為主所造成。此外，加熱過程中容器密閉與否對能源消耗

及 CO2排放量有相當顯著的影響。電磁爐與電湯匙的能源效率與熱源

功率成正比，但是瓦斯爐的能源效率卻與火力大小成反比。

本研究主要探討最有效率與最節能的加熱方法，並藉此將節能減

碳正確的方法推廣給每一個人，希望能在這個綠能時代盡一份心。

III

目錄

致 謝 ...................................................................................................... I

摘 要 ..................................................................................................... II

目錄 ............................................................................................................ III

圖目錄 .......................................................................................................... 1

表目錄 .......................................................................................................... 3

一、緒 論 ............................................................................................. 4

1.1 前言 .................................................................................................... 4

1.2 研究動機 ............................................................................................ 4

1.3 研究目的 ............................................................................................ 5

二、相關理論 ............................................................................................. 5

2.1 加熱方式 ............................................................................................ 5

2.2 不同加熱方式簡介 ........................................................................... 6

2.3 我國電力結構 ................................................................................. 14

2.4 各國電力碳排放 ............................................................................. 15

2.5 各種燃料發電所產生電力的 CO2排放 ......................................... 16

2.6 熱散失定義 ..................................................................................... 17

2.6.1 蒸發熱 ....................................................................................... 17

2.6.2 熱輻射 ....................................................................................... 22

三、研究方法 ........................................................................................... 27

3.1 實驗流程圖 ..................................................................................... 27

3.2 實驗材料 .......................................................................................... 28

3.3 實驗步驟 .......................................................................................... 30

四、結果與討論 ....................................................................................... 31

IV

4.1 以不同功率之電磁爐加熱，水溫度隨時間的變化 ..................... 31

4.2 以不同功率之電湯匙加熱，水溫度隨時間的變化 ..................... 34

4.3 不同功率之電磁爐及電湯匙加熱能量之消耗比較 ..................... 35

4.4 不同功率電磁爐及電湯匙加熱之 CO2之排放量 ......................... 37

4.5 以不同功率電磁爐、電湯匙及瓦斯爐加熱之能量消耗比較 ..... 38

4.6 電磁爐、電湯匙及瓦斯爐不同功率大小及加熱方式之效能比較

................................................................................................................. 40 4.7 電磁爐、電湯匙及瓦斯爐不同功率大小及加熱方式之 CO2排放量

比較 ........................................................................................................ 41

五、結論 .................................................................................................... 44

參考文獻 .................................................................................................... 45

1

圖目錄

圖 2.1 瓦斯爐加熱示意圖 .......................................................................... 8

圖 2.2 電磁爐示意圖及內部構造圖 ........................................................ 10

圖 2.3 以焦耳公式的電功率來解釋的加熱應用示意圖及電湯匙原理電

路示意圖 .................................................................................................... 12

圖 2.4 微波爐內視結構及加熱示意圖 .................................................... 14

圖 2.5 我國 103 年發電量佔比示意圖 .................................................... 14

圖 2.6 熱供應使之蒸發示意圖 ................................................................ 18

圖 2.8 各溫度最大蒸發率 ........................................................................ 19

圖 2.9 各溫度的上升的蒸發量 ................................................................ 20

圖 2.10 水在不同溫度加熱，維持溫度所需能量 .................................. 21

圖 2.11 各溫度對比的汽化熱 .................................................................. 22

圖 2.12 本研究使用之不銹鋼水壺，在不同溫度壺體表面輻射熱散失

..................................................................................................................... 25

圖 4.1 以不同加熱段數之電磁爐(A)210°C, (B)130°C, (C)90°C 進行加熱

之溫度對時間關係圖 ............................................................................... 33

圖 4.2 以不同功率電湯匙(A)1000W(B)300W 進行加熱之溫度對時間關

係圖 ............................................................................................................ 35

圖 4.3 以不同功率之(A)電磁爐及(B)電湯匙的能量消耗關係圖 ......... 37

圖 4.4 以不同功率之(A)電磁爐及(B)電湯匙的 CO2排放量關係圖 ..... 38

圖 4.5 不同功率及加熱方式之能量消耗比較 ........................................ 39

圖 4.6 不同功率及加熱方式之效能比較 ................................................ 40

2

圖 4.7 不同加熱方式之最大功率各項(CO2排放，能量消耗)比較 ...... 42

3

表目錄

表 2.1 天然氣及 LPG 的主成份熱值及 CO2排放量 ................................ 7

表 2.2 各國每千瓦小時(一度電) CO2的排放量 ..................................... 15

表 2.3 各種發電技術的溫室氣體排放量 ................................................ 16

表 2.4 各種材質的放射係數 .................................................................... 24

4

一、緒 論

1.1 前言

環境變遷日益嚴重的影響，再生能源已廣為受到各國重視並積極

發展，然而目前化石燃料仍是人類活動的主力能源，一般家庭在日常

生活使用能源的方式常常缺乏概念，導致使用方式不正確造成不必要

的能源浪費，也增加 CO2的排放量。

一項調查顯示，台灣每人每日的碳足跡高達約 19.6 公斤由於聯合

國建議每人每天的碳足跡是 5 公斤，顯示台灣還有很大的改善空間。

除了家電用品外，家庭最常使用的是瓦斯(天然氣, NG或是液化石油氣,

LGP)，用來調理食物，燒開水，以及洗澡。瓦斯燃燒加熱屬於間接加

熱，但是熱量實際用再加熱的效率以及熱散失是值得研究的課題。在

加熱液體過程中，除了加熱方式以及熱源本身所造成的熱散失之外，

因為容器的密閉性及容器表面的熱輻射造成的散失是影響能源消耗及

效率的重要原因。

1.2 研究動機

目前雖然仍使用化石燃料為主力能源，但在節能減碳的世界趨勢

下，我們直接能做的就是從日常生活上的節能。在我們生活中有很多

能源的消耗是無謂的浪費，通常這種現象是因為大眾對各種能原理及

加熱方式的原理不清楚，造成使用方式不當所造成，如果能知道正確

的使用方法，可找到最有效率條件，就能減少能源的浪費來達到節能

減碳的效果。

先前專題探討熱水管線包覆對節能效果的影響，證實適當的隔熱

可有效的減少燃料消耗及 CO2的排放量。本研究則嘗試探討不同加熱

5

方式以及熱散失對能源使用效益以及 CO2的排放量的影響，進而達到

能源使用減量、合理能源利用、能源使用效率提高等目標。

1.3 研究目的

本研究是以家庭中加熱水至沸騰(即燒開水)作為研究對象，分別以

瓦斯、電磁爐、電湯匙等不同加熱方式對相同容器入定容量的水加熱

至沸騰，並嘗試在加熱過程中容器密閉性及在容器外面加上隔熱裝置

材來紀錄其電量及瓦斯的消耗量，將其轉換成一致的能量單位，並以

能量平衡公式，以蒸發及輻射熱散失之計算結果比較其熱損失的狀況，

進而計算能源使用效率及 CO2的排放量。

二、相關理論

2.1 加熱方式

A.直接加熱

所謂直接加熱就是利用氣體、固體、油脂等物質產生燃燒熱直接

通入液體中，或使用埋入液體的電阻加熱管加熱，例如電湯匙、電熱

水瓶等。而利用電磁波的加熱，包括 γ-射線、X-射線、紫外線、可見

光、紅外線及微波等，亦屬於直接加熱的範圍。

直接加熱的優點是加熱時溫度上升比較快,但是可提供較多的熱能，

但缺點則是由於受熱面比較小熱量大，接觸點的溫度和非接觸點溫度

相差很大，所以容易造成溫度不均勻，對於熱比較敏感的物質就會形

成局部過熱而發生質變。

B.間接加熱

6

所謂間接加熱則是熱源經過介質將物體加熱，例如：利用蒸氣或氣

體在熱交換器中加熱，或利用液體在熱交換中加熱，亦可利用電氣對

流交換加熱。一般瓦斯火焰及電磁爐均為間接加熱，使用電熱管或是

微波則屬於直接加熱。

間接加熱的優點為接觸面比較大，接觸面的溫度距差比較小(幾乎

相同)，所以用在熱敏感的物品,比較能確保不變質.常用於真空濃縮(蒸

鎦)或溫度敏感的實驗。但是溫度上升比較慢，單位時間供給的熱量也

比較小，則是間接加熱的缺點。

2.2 不同加熱方式簡介

A.瓦斯爐

火焰燃燒的熱量或是電磁波會先將金屬水壺壁加熱，水壺的熱量

傳到水，壁面的水會先開始加熱然後壁面的水跟中間的水，溫度不一

樣產生對流。

瓦斯的種類：

(1)液化瓦斯(L.P.G):俗稱瓶裝瓦斯或桶裝瓦斯,是煉製石油之附產

品,由丙烷(C3H8)及丁烷(C4H10)組成,其比重較空氣重(大約為空氣 1.5

～2.0 倍之間),發熱量為 12,000 kcal/kg

(2)天然瓦斯(N.G):是由油氣層生產,國內主要產地在苗栗一帶,主要

成份為甲烷(CH4)其比重較空氣輕(大約為空氣 0.65 倍)發熱量為 8,900

kcal/m3

(3)液化天然瓦斯(L.N.G):是由國外進口目前國內主要是向印尼購

買,為了方便運輸於常壓下降低其溫度至-160°C 之液體燃料,主要成份

為甲烷(CH4)其比重較空氣輕(大約為空氣 0.64 倍)發熱量為 10,500

7

kcal/m3

(4)煤碳瓦斯:是由煤碳提煉而成,國內目前已無生產,目前中國大陸

還有生產,其熱量較低

表 2.1 天然氣及 LPG 的主成份熱值及 CO2排放量 [1]

我國熱值(kcal/kg) CO2排放量

天然氣(NG) 8,000 2.09kg/m3

液化石油氣(LPG) 6,635 1.75kg/L

(1)NG 成分以 CH4為主，熱值為 8,800~11,000 kcal/m3

(2)LPG 成分主要為丙烷(C3)與丁烷(C4)混合氣，熱值約為 28,000

kcal/m3

在臺灣，彰化以北地區，使用的是自產天然氣，熱值為 8,900 kcal/m3。

而彰化以南的用戶則是使用進口之天然氣，熱值為 9,700 kcal/m3。因

為南北部使用的天然氣熱值不同，所以有價格差異，其價錢是由熱值

為基準換算的。

8

圖 2.1 瓦斯爐加熱示意圖

B.電磁爐 [2]

電磁爐是應用電磁感應原理進行加熱的，電磁爐的爐面是耐熱陶

瓷板，交變電流通過陶瓷板下方的線圈產生磁場，它利用高頻的電流

通過環形線圈，從而產生無數封閉磁場力，當磁場那磁力線通過導磁

（如：鐵質鍋）的底部，既會產生無數小渦流（一種交變電流，家用

電磁爐使用的是 15－30 kHZ 的高頻電流），所產生之感應電流會因鍋

具內部的電阻耗損而轉換為熱能，達到加熱的目的；主要熱量產生於

裝置內部，整體效率高。

由於電磁爐是藉由感應電流進行加熱，因此，烹煮器具（鍋子、

容器）必須選擇具備導磁性的材質。以一般的鐵器而言，是屬於強磁

性材質，相對導磁係數（μr）約為 5,000，因此電磁爐常以鑄鐵或不鏽

鋼鍋做為專用鍋具，對於不同材質則有不同的相對導磁係數。鋁鍋或

銅鍋材質是屬於逆磁性，不利於產生感應電流，若要使用電磁爐進行

加熱，應盡量避免。

因此，並非所有烹煮器具材質皆適合用於電磁爐加熱，若要判斷

是否可用於一般電磁爐，最簡單的方式是以磁鐵是否可吸附於該烹煮

器具材質上；若可吸附，則材質具有磁性適用電磁爐加熱。而電磁爐

內部感應線圈為同心圓型（Pancake）線圈，在感應線圈面積範圍內，

鍋具底部接觸面積越大，鍋具的受熱分布會愈均勻，一般適合電磁爐

使用之鍋具，係指鐵質平底鍋具或電磁爐專用鍋具，包含：

1. 鑄鐵鍋：含碳量在 2％以上的鐵碳合金，具備較佳之傳導性與

保溫效果，因此，當進行加熱時，由於鑄鐵鍋經過預熱後本身

保溫性佳，不會因為低溫而降低總整（鍋具）溫度。

9

2. 不鏽鋼鍋：不鏽鋼為鉻含量大於 11.5％的鐵合金，並在鋼中加

入鉻、鎳等元素，使得鋼表面產生防鏽的氧化層。目前不鏽鋼

鍋為了受熱均勻，多採取多層設計之合金鍋。300 系列不鏽鋼

鍋基本上不可用於電磁爐，但材料經過拉伸、沖壓成型重力裁

剪搓牙後，會造成應力集中分子重新排列組合後會略帶磁性，

亦可於電磁爐上使用。

3. 搪瓷鍋：又稱琺瑯或洋瓷鍋，係指在鍋具金屬表面上塗搪瓷釉

所製成的，其特色為能夠讓鍋具平均受熱、加熱快速等，搪瓷

電池爐專用鍋的底部以小磁石置放於鍋具底部，或是鍋具底部

已設計為導磁材質，便可使該鍋具適用於電磁爐烹煮食物。

何謂渦電流：

當金屬塊，處在變化的磁場中或相對於磁場運動時，金屬塊內部

產生感應電流。金屬塊中形成一圈圈的閉合電流線，類似流體中的渦

旋，叫做渦電流。渦電流是法國物理學家 JBL 傅科 發現的，所以，也

叫做傅科電流。對於大塊的良導電體，由於電阻很小，渦電流強度可

以很大。

渦電流在金屬塊內流動時，釋放出大量的焦耳熱。用交流線圈激

發交變磁場，使放置在交變磁場中的金屬塊內產生渦電流而被加熱，

這叫做感應加熱，它是感應電爐所依據的原理，用於加熱、熔化及冶

煉金屬。感應加熱的獨特優點是無接觸，可在真空容器內加熱。

在變壓器、交流電機等交流設備的鐵芯中，線圈中交變電流所引

起的渦電流導致能量損耗，叫做渦流損耗。

10

圖 2.2 電磁爐示意圖及內部構造圖

C.環型浸入式加熱器 [3]

原理：

利用電流通過某些電阻材料時所產生的熱能；電流從電熱絲中流

過，電熱絲便發熱，並且將熱量引導到金屬管上來傳導於水，以達加

溫目的。從圖 2.2 所示流過的電阻電流與電阻造成了熱功率，而熱功

率乘以加熱時間就產生而熱能。

電熱絲材質：

屬於電熱合金，按其化學元素的含量和組織結構的不同，為鎳鉻

合金系列，作為電熱材料。電熱絲的電阻率有一個適當的範圍，如果

電阻率過大過小，就需要很短或很長、很細或很粗的電熱絲，這樣對

大小功率的電熱器都有製造和使用的困難。電熱絲的一個重要參數，

就是表面功率，電阻率過大，通入一定電流後，表面功率也就大。

電熱絲可以產生高熱，不論是加上漆包線的絕緣塗料，或是使用

塑膠披覆的膠膜，都會因為這些外加的材質沒有辦法散熱，造成熱絲

11

不斷地提高溫度最後都會被燒毀，目前採用的辦法是將螺旋形電熱絲

穿入細金屬管中，在金屬管與電熱絲之間密實地充填既絕緣又導熱的

氧化鎂粉，管子兩端需經密封處理，把電熱絲封裝固定在管中間不與

管壁接觸，電熱絲的兩端再分別與電源線相接。通電後，電流從電熱

絲中流過，電熱絲便發熱，並且將熱量引導到金屬管上，如果把電熱

管浸沒在液體中，熱量通過液體很快散發出來，這樣使液體很快被加

熱，而且也不會燒壞電熱絲。這種設計稱為電熱管；就是我們常見的

電湯匙。

(a)

12

(b)

圖 2.3(a)以焦耳公式的電功率來解釋的加熱應用示意圖(b)電湯匙

原理電路示意圖

13

D.微波爐 [4]

微波加熱的方式和傳統由外而內的方式不同，微波是每秒數一次

的電磁波震盪，形成一電磁場。因此將具極性物質（如食品中之水、

脂肪、蛋白質）置於磁場中，分子會隨著磁場的振盪而來回碰撞，互

相摩擦而產生熱。微波爐中產生微波的元件稱為磁控管(magnetron)，

它發射的微波頻率為 2450 MHZ，功率約介於 500 至 100 Watts 之間。

微波爐的磁控管將電能轉化為微波能，當磁控管以 2450 MHZ 的頻率

發射出微波能時，置於微波爐爐腔內的水分子以每秒鐘 24.5 億千次的

變化頻率進行振盪運行，分子間相互碰撞、磨擦而產生熱能，結果導

致食物被加熱。微波爐正是利用這一加熱原理來進行食物的烹飪。

微波爐加熱水的過程中，微波的能量可以破壞水分子間的氫鍵，

但是由於氫原子與氧氣原子彼此對於電子親和力的不同，水分子之間

的氫原子與氧原子又產生鍵結的現象，隨著氫鍵的破壞與重組，使得

水分子不斷地在擾動，水分子重新排列的結果，放出紅外線，使得個

別水分子的平均動能增加，由於是個別的現象，因此外觀上看不出有

明顯的沸騰的現象．但如果外界擾動整杯水，水分子與水分子間產生

碰撞，將釋放出巨大的能量．功率高加熱速度快，比較容易造成突沸

現象。此外，本研究用來加熱水的容器材質為不銹鋼，而微波爐不適

合用金屬材質容器，容易導致火花產生危險，因此基於安全考量，本

研究不使用微波爐作為加熱水的熱源。

14

圖 2.4 微波爐內視結構及加熱示意圖

2.3 我國電力結構 [5]

圖 2.5 我國 103 年發電量佔比示意圖

15

由圖 2.5 可知我國電力結構火力發電量占比高達 74%，火力發電其

中燃煤 38.5%、燃油 2.4%、燃氣 31.0%、汽電共生 4.5%、核能為 18.8%。

再生能源加上水力占比為 3.4%、抽蓄水力 1.4%。

在台灣的電有 74%是由火力發電產生，火力發電會產生大量汙染，

特別是燃煤發電，不管是空氣微粒污染還是 CO2排放量都非常高。台

電公司的火力發電效率，94 年時，發電機組毛熱效率為 40.94%。而

103 年時，已進步為 43.35%。目前經濟部能源局的資料顯示，台灣整

體一度電所產生的 CO2排放量為 0.636 kg。

2.4 各國電力碳排放 [6,7]

爲了了解世界各國發電所產生的 CO2的排放量，將網站所查得之資料

整理於表 2.2。

表 2.2 各國每千瓦小時(一度電) CO2的排放量

國家 KgCO2/kWh

挪威 0.016

法國 0.079

加拿大 0.186

西班牙 0.238

日本 0.416

德國 0.461

美國 0.522

韓國 0.533

◎台灣 0.636

中華人民共和國 0.766

16

印度

古巴

0.912

1.011

由表中得知我國使用一度電產生的 CO2排放量較其他歐美先進國

家為高，只比中國大陸及印度為低，表中國家如法國核能發電佔全國

發電量 77%，然而加拿大主要是水力發電，約佔全國發電量 80%，挪

威更是 98%為水力發電，所以其發電之碳排放極低，而我國發電結構

主要是以燃煤及天然氣來產生電力，所以碳排放量偏高，但是目前情

是何能發電只會減少部會增加，再生能源在未來 20 年內也無法大幅改

變電力結構，這也就是為何節能減碳在台灣是迫切且須立即全民執行

的議題。

2.5 各種燃料發電所產生電力的 CO2排放 [8]

表 2.3 各種發電技術的溫室氣體排放量

發電技術 全生命週期溫室氣體排放量‧單位 g-CO2eq/kWh

平均 低標 高標

燃煤(褐煤) 1054 790 1372 燃煤 888 756 1310 燃油 733 547 935 燃氣 499 362 891 太陽光電 85 13 731 生質能 45 10 101 核能 29 2 130 水力 26 2 237 風力 26 6 124

17

從表 2.3 得知在台灣主要以火力燃燒發電為主，而其中燃煤佔的比

例最高，但是燃煤的 CO2產生量相當高，造成嚴重的溫室效應，近幾

年世界各地大力推廣水力、風力、太陽能等新能源，其主要原因是此

等新能源的 CO2排放量很低，能有效減少 CO2對地球的危害。

2.6 熱散失定義

本研究主要探討加熱液體能源使用效率，除了熱源本身轉換損失

及效率之外，裝置液體容器的熱損失是造成能源使用效率降低的主因，

熱散失是通過溫暖轉移到較冷區域的淨損失熱工作環境通常接近熱力

學平衡。

加熱液體能量平衡式如下:

E=Qh+QR+Qwe (1)

E:熱源提供之能量

Qh:加熱水所需能量

QR:輻射熱損失

Qwe:水蒸發所帶走之熱量

其中 Qh加熱水所需能量即為 ms △T，其中 m 為水質量，s 為比熱，△T

則是溫度差；輻射熱損則是 εσT4，其中 ε為材質的放射率，σ為波茲曼

常數= 5.6697×10-8W/m2K4.，T 則是容器表面溫度。

2.6.1 蒸發熱 [9]

其定義為在標準大氣壓(101.325 kPa)下，使一莫耳物質在其沸點蒸

發(轉化氣體)所需要的熱量。蒸發熱與水蒸發量有關，水溫、蒸發面的

空氣流速、相對溼度等都會影響水蒸發量，如圖 2.6 所示。

18

圖 2.6 熱供應使之蒸發示意圖

水氣在潮濕空氣中的最大飽和蒸汽壓隨空氣混和物的溫度變化

Pws=e(77.3450+0.0057T-7235/T)/T8.2 (2)

Pws=水飽和蒸汽壓

E=定值 2.718

T=濕空氣的乾球溫度

圖 2.7 飽和蒸汽壓示意圖

從圖 2.7 可得知飽和蒸氣壓與水溫程拋物線的關係，，從 60°C 開始其

上升速度明顯提高。

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80 100 120

P sat (k

Pa)

T (oC)

19

水蒸氣的分壓可以被表示為

x = 0.62198 Pw/(Pa-Pw) (3)

Pw = 濕空氣中，水的分壓

Pa = 濕空氣中的大氣壓力

真實氣體中水蒸氣的最大量當 Pw=Pws，即水蒸氣在實際溫度中的飽和

壓力

式(3)可以被修改為

xs= 0.62198 Pws/(Pa-Pws) (4)

xs = 飽和狀態下的具體濕度 (kg.water/kg.air)

Pws = 水蒸氣的飽和壓力

圖 2.8 各溫度最大蒸發率

從圖 2.8可以發現由初始溫度至 80°C前最大蒸發量都無明顯差距，

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 20 40 60 80 100

最大蒸發率

(kgw

/kPa

)

T (oC)

20

當溫度到達 90°C 蒸發率瞬間飆升由此得知當溫度到達 90°C 後因水蒸

發而帶走的熱量劇增，所以需消耗更多的能量才能使水的溫度上升。

水的蒸發量可以表示為：

gs=Θ A (xs-x)/3600 或是 gh=Θ A (xs-x) (5)

gs=每秒水的蒸發量

gh=每小時水的蒸發量

Θ=蒸發係數

A=水面面積

xs=相同溫度下，水表面與飽和的空氣濕度比

x=空氣濕度比

圖 2.9 各溫度的上升的蒸發量

從圖 2.9 可以知道初始溫度到 90°C 時，蒸發量大同小異，達到 90°C

時蒸發量則瞬間增加，也可以從蒸發量的多寡探討出：90°C 時則需要

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0 20 40 60 80 100

蒸發量

(kg/

min

)

T (oC)

21

更多的加熱能量來達到溫度上升。

蒸發大部分的能量需求取自於水本身，供給的熱量可以被計算為：

q = hwe×gs (6)

q = 熱量 (kJ/s , kW)

hwe = 水的蒸發熱 (2270kJ/kg)

從圖 2.10 可以參照圖 2.9 相互比較，蒸發量越高代表所需能量則

會越多，加熱能量要大於蒸發量才能使溫度持續上升，否則會產生平

衡的狀態，溫度不變。

圖 2.10 水在不同溫度加熱，維持溫度所需能量

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 20 40 60 80 100

水蒸

發熱損失

(W)

T (oC)

22

圖 2.11 各溫度對比的汽化熱

從圖 2.11 可以看出這是一條線性函數，當溫度越高時，汽化熱值

就越低，這是因為水溫度越高水分子能量越高，所以要讓水脫離表面

進入空氣中的能量就越小。

2.6.2 熱輻射 [10]

A.放射熱輻射

適用於黑體(black body)，一般的物體以灰體(gray body)稱之，其所

向外放射的輻射量(Eλ)在各波長與同溫度的完全黑體(Ebλ)的輻射量均

成一固定比例(ε=Eλ/ Ebλ)，定義為該物體的放射率(emittance)，所有 Eλ

之積分可用下式計算：

q =εσT4 (7)

q=熱輻射

y = -0.0439x + 45.084 R² = 0.9997

40

40.5

41

41.5

42

42.5

43

43.5

44

44.5

45

45.5

0 20 40 60 80 100 120

汽化熱

(kJ/

kg)

溫度℃

23

ε=物體表面放射率

σ=波茲曼常數(5.6697×10-8W/m2K4)

T=物體表面溫度

例：一個在溫室有 90°C 表面溫度的蒸氣加熱管，表面已經塗上油漆鍍

鋁膜 ε=0.45，有什麼輻射通量會留在表面，如果管道是塗上 0.95°C 輻

射率的油基質或乳膠塗料又有多少通量變化？

解答：

q”=0.45*5.6697*(363.15/100)4 = 444 W/m2

q”=0.95*5.6697*(363.15/100)4 = 937 W/m2

差異 = 937 - 444 = 493 W/m2

B.反射與穿透熱輻射

任一材料在不同波長的入射光線時有不同的放射率 (emittance)、

吸收率(absorptance)、反射率 (reflectance)與穿透率 (transmittance)等光

學性質。前二者彼此相等，稱為克希霍夫定律(Kirchhoff’s law)，後三

者相加為 1。以下證明

Kirchhoff’s law：

假設有相對的一個灰體(ε < 1)與黑體(ε = 1)，兩者溫度相等，等於 T

= Tb。由灰體與黑體輻射出去的能量分別為 E 與 Eb，灰體吸收的能

量為 α *Eb。由黑體吸收的能量為 E + (1-α) * Eb。因為兩者等溫，所

以兩者的竟能量變化應該為 0。

E – α * Eb = 0 (由灰體觀之)

且 E + (1-α) * Eb - Eb = 0 (由黑體觀之)

以上任一式均可導出 E = α * Ebα = E / Eb

由於 E / Eb已被定義為等於灰體的放射率(ε)。

24

最終得證 α = ε

C.放射係數

表 2.4 各種材質的放射係數

表面 放射係數

短波輻射 長波輻射

鋁，拋光 0.15 0.04 銅，細磨光 0.18 0.03 鑄鐵 0.94 0.21 不鏽鋼，301 號，磨光 0.37 0.6 白大理石 0.46 0.95 瀝青 0.9 0.9 紅磚 0.75 0.93 礫石 0.29 0.85 平光黑漆 0.96 0.95 白漆和各種顏料 0.12-0.16 0.90-0.95

放射率確實與吸收率相同，然而有分短波與長波的放射係數，一

般會探討放射係數的多半為長波長範圍(遠紅光)的入射熱輻射線。前例

所言，放射率高達 0.89-0.97 者為長波放射係數，以白漆塗過的表面

其放射係數在短波範圍是很小的，如表 2.6 所示最末一列，範圍在

0.12 – 0.16。高放射係數指的是可見光附近的短波範圍。

依上述資料，將本研究所使用之不銹鋼水壺(總表面積為0.119 m3，

ε=0.6 σ=5.6697)，利用式(7)計算出在不同溫度因壺體表面熱輻射所造

成之熱散失之結果繪製於圖 2.12。

25

圖 2.12 本研究使用之不銹鋼水壺，在不同溫度壺體表面輻射熱散失

由圖 2.10 不同溫度水蒸發造成能量散失，加上圖 2.12 壺璧表面熱輻射

所造成能量散失之總合結果整理於圖 2.13，可看出再 60°C 以下較低溫

時，輻射熱主導著熱散失，然而在超過 80°C 後，水蒸發則是熱散失的

主要原因。

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 20 40 60 80 100 120

輻射熱散失

(W)

T(oC)

26

圖 2.13.不同溫度水蒸發與壺璧表面熱輻射所造成能量散失之總合

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 20 40 60 80 100

總熱散失

(W)

T(oC)

27

三、研究方法

3.1 實驗流程圖

1.紀錄初始溫度及電表度數

2.將水壺加水至刻度(6L)後插

入數位溫度計之熱電偶探棒

3.設定功率並開始加熱

4.每五分鐘記錄數位溫度計

之溫度

5.水沸騰(100°C)即停止加

熱，紀錄時間及電表度數

7.整理數據計算能源效率及

CO2排放量

6.重複以上步驟電磁爐

210.130.90 段數及電湯匙

1000W.300W 並改變水壺已

加蓋.不加蓋及加蓋隔熱進行

28

3.2 實驗材料

器材名稱及規格 器材照片

電磁爐

(尚朋堂 SR-1320，1300W)

環型浸入式加熱器(300W)

環型浸入式加熱器(1000W)

29

電磁爐專用不銹鋼開水壺

數位溫度計(熱電偶)

(DeltaOHM HD 9215，鉑熱電阻

式，-50~199°C)

PP 瓦楞板

量杯 (10L)

30

3.3 實驗步驟

所有實驗均以以容量 6.0L 的電磁爐專用不鏽鋼開水壺水進行加熱，

起始溫度在 20±1°C，沸騰溫度則是以接近 100°C 之穩定溫度為基準(因

為氣壓會影響水的沸點)。無論是以瓦斯或是電力方式加熱，均先確認

室內無其他器材或設備使用該項能源，觀察電表 30 分鐘處於靜置不動

則表示無使用該項能源，而瓦斯表及電表之精確度為 0.1 度。除瓦斯

加熱外，以電磁爐及電湯匙加熱時均以不同之密閉及隔熱方式進行：

1. 開水壺加蓋或不加蓋

2. 開水壺外圍以 PP 瓦愣板包覆隔熱

瓦斯爐加熱首先將記綠當前瓦斯表度數為初始度數，水壺裝 6L 的

水以數位溫度計量測溫度記錄為初始溫度，開火開始記錄時間；至水

沸騰(達 100°C)後關火記錄末溫.時間及瓦斯表度數，重複以上步驟以

大、中、小火來實驗。 電磁爐、電湯匙加熱實驗前先確認室內完全無使用電，接著記錄

電表度數及初始水溫，水壺裝 6L 的水以數位溫度計量測初始溫度接著

開始加熱記錄開始時間，之後每五分鐘以數位溫度計量測溫度變化，

每 10 分鐘以熱影像儀觀測，加熱至水沸騰關閉電源記錄時間.水溫及

電表度數；重複以上步驟改變功率電磁爐 210°C、130°C 及 90°C 段數

和電湯匙 1000W 及 300W 加蓋、加蓋隔熱、不加蓋實驗完成實驗後整

理數據計算效率及 CO2排放量做圖交叉比較。

31

四、結果與討論

本研究主要使以不同的熱源方式(天然氣及電力)，將定量的水加熱

至沸騰，觀察過程中水溫隨時間的變化，紀錄瓦斯或電的消耗度數，

進而計算能源使用效率及 CO2的排放量。另一方面，則以不同密閉及

隔熱方式，探討熱散失造成能量消耗對能源利用及碳排放的影響。

由於以天然氣瓦斯爐加熱無法使用塑膠隔熱板(會燒毀)，加上一般

家庭大多使用瓦斯爐作為主要熱源，所以本研究在瓦斯加熱部分僅探

討不同火力(以瓦斯爐上控制開關的標示為準)對加熱效率及碳排放的

影響。而電磁爐及電湯匙則同樣是以電力方式加熱，主要是比較直接

加熱及間接加熱以及以水壺加蓋/不加蓋以及利用 PP 板隔熱，來探討

不同加熱方式以及密閉隔熱方式對能源效率及碳排放的影響。

4.1 以不同功率之電磁爐加熱，水溫度隨時間的變化

圖 4.1 是以不同加熱段數之電磁爐(a)210°C、(b)130°C 及(c)90°C 進

行加熱之溫度對時間關係圖。由圖中結果可看出在水溫達到約 70°C 之

前不論有沒有加蓋對於溫度上升速率是沒有明顯影響的，但超過 80°C

之後，不加蓋的溫度上升速率明顯較低，而至沸騰所需時間亦明顯比

較長，這是印證了加蓋有明顯的效能提升，尤其在加熱功率越低時加

蓋所提升的效率就越明顯。這可能是在較高水溫尤其是接近水沸騰時，

由於未加蓋使得水汽化所帶走的熱量較多，導致需多的能量(更長的時

間)才能使水沸騰。90°C 段數加熱未加蓋的實驗中，由圖 2.6(e)得知，

接近沸點時熱散失相當大，而電磁爐提供的熱能與散失熱量達到平衡，

所以水無法達到沸騰狀態。

在開水沸騰過程中，由圖 2.10 及圖 2.11 結果可看出，在超過 60°C

32

時，經由水壺壁以輻射方式所造成之熱散失遠小於水汽化蒸發所帶走

之熱量。上述結果說明在沸騰過程中，容器的密閉對能源的消耗有顯

著的影響，然而因為燒開水時間不長，所以因輻射造成的熱損失較不

明顯。而溫度無法持續上升則是因為能量無法供應所需的能量。

上述結果可得到如下的總結：

水溫接近水沸騰時，水汽化所帶走的熱量劇增，導致需更多的能

量(更長的時間)才能使水沸騰，然而加蓋則可大幅減少水蒸發造成的熱

散失，所以可有效的提升加熱效能，尤其在加熱功率越低時加蓋所提

升的效率就越明顯。

(a)

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80

溫度

(OC

)

時間(min)

加蓋

絕熱

未加蓋

33

(b)

(c)

圖 4.1 以不同加熱段數之電磁爐(a)210°C, (b)130°C, (c)90°C 進行加熱

之溫度對時間關係圖

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80

溫度

(OC

)

時間(min)

加蓋

絕熱

未加蓋

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80

溫度

(OC

)

時間(min)

加蓋

絕熱

未加蓋

34

4.2 以不同功率之電湯匙加熱，水溫度隨時間的變化

圖 4.2 是以不同功率之電湯匙加熱的溫度變化，電湯匙是將加熱管

直接浸入水中加熱，屬直接加熱，理論上加熱效果應該最好。由圖 4.2

可知使用 1000W 電湯匙使水沸騰的時間最短，這是因為電湯匙是將加

熱管直接埋入水中屬於直接加熱，如此電湯匙所產生之熱量可幾乎完

全藉由熱傳導傳遞至水中所致。然而 300W 電湯匙在不加蓋時無法超

過 80°C，由圖 4.2(b)可得知，在 80°C 時，水蒸發以及熱輻射造成的熱

散失大約就是 300W，亦即顯示在此溫度水蒸發及熱輻射熱帶走之熱量

與電湯匙提供熱量已達到平衡。所以即使加熱再長時間，水溫依然無

法再升高。

(a)

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50 60

溫度

(OC

)

時間(min)

加蓋

不加蓋

加蓋絕熱

35

(b)

圖 4.2 以不同功率電湯匙(a)1000W(b)300W 進行加熱之溫度對時

間關係圖

4.3 不同功率之電磁爐及電湯匙加熱能量之消耗比較

圖 4.3 是以不同功率之電磁爐及電湯匙的能量消耗關係圖，由圖

4.3 中可知電磁爐在 130°C 段數時未加蓋的能量消耗是最高的，而

210°C 與 130°C段數時加蓋，能量消耗是最低的。另外在以電磁爐 90°C

段數或是以 300W 電湯匙加熱時未加蓋，水是無法沸騰的，所以能量

消耗不能列入討論。由圖 4.3 結果亦可明顯看出不論是以何種熱源加

熱，只要有加蓋即可明顯減少能量消耗，由此可知加熱時容器維持密

閉的重要性。

從上述結果可歸納如下：

電磁爐在 130°C 段數時未加蓋的能量消耗是最高的，而 210°C 與

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100 120 140 160

溫度

(OC

)

時間(min)

加蓋

不加蓋

加蓋絕熱

36

130°C 段數時加蓋，能量消耗是最低的；電磁爐 90°C 段數或是以 300W

電湯匙加熱時未加蓋，水是無法沸騰的，所以能量消耗不能列入討論。

最後不論是以何種熱源加熱，只要有加蓋即可明顯減少能量消耗，由

此可知加熱時容器維持密閉的重要性。

(a)

(b)

0

100

200

300

400

500

600

700

加蓋 加蓋絕熱 未加蓋

能量消耗

(kJ/

kg水

)

210℃ 130℃ 90℃

0

100

200

300

400

500

600

700

加蓋 加蓋絕熱 未加蓋

能量消

耗(k

J/kg水

)

1000W

300W

37

圖 4.3 以不同功率之(a)電磁爐及(b)電湯匙的能量消耗關係圖

4.4 不同功率電磁爐及電湯匙加熱之 CO2之排放量

圖 4.4 是以不同功率之電磁爐及電湯匙的 CO2排放量，由於我國主

要還是由燃煤或天然氣來產生電力，在世界各國電力碳足跡還是屬於

偏高，歐洲地區用電所產生的 CO2排放量為我國的一半不到，而大陸

則較我國要高。我國一度電之 CO2排放量為 0.626 kg CO2/kWh，所以

電力消耗越多 CO2之排放量越大。不論是以電磁爐或電湯匙加熱水至

沸騰，加蓋可減少約 30%~50%的能源消耗及 CO2的排放量，日積月累

相當可觀，所以加熱時容器的密閉性對節能有相當的貢獻。。

(a)

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.10

0.11

0.12

加蓋 絕熱 不加蓋

CO

2(kg

/kg水

)

方式加熱

210℃

130℃

90℃

38

(b)

圖 4.4 以不同功率之(a)電磁爐及(b)電湯匙的 CO2排放量關係圖

4.5 以不同功率電磁爐、電湯匙及瓦斯爐加熱之能量消耗比較

由於家庭最常使用的是瓦斯爐加熱，由於桶裝瓦斯(LPG)的消耗無

法定量，而天然氣的消耗可由瓦斯表的度數來推算，所以本研究就使

用天然氣瓦斯爐，以不同火力大小將相同容量(6 L)的水加熱至沸騰，

由消耗的瓦斯度數(m3)計算能源效率以及 CO2排放。

能源效率(%) = m×S×(100-T)/(瓦斯消耗 m3×8900 kcal/m3)

其中 m 為 6 kg (ρ水 = 1000 kg/m3)，s 是水的比熱(1 kcal/kg°C)

CO2排放(kg) =瓦斯消耗(m3) ×2.09 kg CO2/m3

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.10

0.11

0.12

加蓋 絕熱 不加蓋

CO

2(kg

/kg水

)

不同方式加熱

1000W

300W

39

由圖 4.5 發現以瓦斯爐加熱的能量消耗是比電磁爐及電湯匙要高

出許多，這是因為瓦斯爐是使用燃料產生的燃燒火焰加熱，熱量經由

水壺壁傳遞至水中之熱量本來就不穩定，加上周圍未加隔熱設備，所

以能量散失就會較多，然而電磁爐是以線圈產生渦電流進而使金屬分

子產生震盪加熱，其在各階段轉換過程中均有損失，而能量消耗最低

的是使用電湯匙加熱，因為電湯匙是在水中直接加熱，並無太多熱的

流失。

圖 4.5 不同功率及加熱方式之能量消耗比較

綜合上述結果可知，瓦斯爐的能量消耗是最多的，其次是電磁爐，

最後才是電湯匙；因為瓦斯爐藉由燃燒液化石油氣所放出的熱量，將

其傳遞到鍋子內的方式，會有過多的能量損耗，而電磁爐本身是不會

發熱的，能量損耗只在電磁爐內部金屬線圈的電流熱效應，相較之下，

電磁爐顯得相對的節省能源，且能供給的能量穩定，效率較高；電湯

0

100

200

300

400

500

600

700

800

210℃ 130℃ 90℃ 1000W300W 大火 中火 小火

能量消耗

(kJ/

kg水

)

電磁爐 電湯匙 瓦斯爐

40

匙則是在水中直接加熱，能量直接傳遞至水中，能源效率最高。

4.6 電磁爐、電湯匙及瓦斯爐不同功率大小及加熱方式之效能比較

直接加熱之能源效能一般均大於間接加熱。瓦斯爐屬於間接加熱，

瓦斯在燃燒時，會間接流失掉許多熱能，大火的效能明顯較小火低了

30%左右，意味瓦斯爐火力開的越大，雖然能縮短加熱時間，但效能

就明顯越低，也浪費更多能源；而電磁爐及電湯匙屬於直接加熱，效

能也隨加熱功率而增加。

電湯匙為直接加熱，能源利用效率最大，其次是電磁爐，瓦斯爐最

後；而電磁爐具有別於一般的傳統加熱器具，感應加熱交流電源產生

電磁場後，磁力線切割衍生感應電流，因而將電能轉換為熱能，主要

熱量產生於裝置內部，整體效率較高；瓦斯爐是使用燃料產生的燃燒

火焰加熱，熱量傳遞不穩定，效率最低；瓦斯爐火力與效能成反比。

圖 4.6 不同功率及加熱方式之效能比較

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

210℃ 130℃ 90℃ 1000W300W 大火 中火 小火

效能

(%)

電磁爐 電湯匙 瓦斯爐

41

4.7 電磁爐、電湯匙及瓦斯爐不同功率大小及加熱方式之 CO2排放量比

較

雖然使用天然氣瓦斯爐的能源消耗最大效能最差，但是 CO2排放

量卻遠低於電磁爐及電湯匙，這是由於天然氣屬於一級能源，取得後

不需轉化及可使用，然而使用電力必須考量發電效率(火力發電為 35%)

以及電力輸送損失(約 10%)，所以雖然效能較高但是碳排放量卻高出

許多，這也顯示在台灣以電力方式來加熱是非常不環保的。

從能源局網路得到台灣一度電平均產生0.623kg的CO2以此為標準

計算我們實驗各加熱方式的 CO2排放量並比較，實驗中我們得到電表

度數、時間、溫度以此來計算整體的能源效率並比較三種加熱方法的

能源效率。計算公式如下：

CO2排放量=使用電度數×0.623 kg CO2/度電

能源效率=m×S×ΔT／(使用電度數×861.24 Kcal/度電)×100%

(a) 不同功率及加熱方式之 CO2排放量比較

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

210℃ 130℃ 90℃ 1000W300W 大火 中火 小火

CO

2(kg

/kg水

)

電磁爐 電湯匙 瓦斯爐

42

(b) 不同加熱方式的最大功率之 CO2排放量比較

(c) 不同加熱方式的最大功率之能量消耗比較

圖 4.7 不同加熱方式之最大功率各項(CO2排放，能量消耗)比較

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

電磁爐210℃ 電湯匙1000W 瓦斯爐大火

CO

2(kg

/kg水

)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

電磁爐210℃ 電湯匙1000W 瓦斯爐大火

能量消耗

(kJ/

Kg水

)

43

從圖 4.7 可得知，電磁爐跟電湯匙的 CO2排放都算高，其次是瓦斯

爐；因為使用電力必須考量發電效率(火力發電為 35%)以及電力輸送

損失(約 10%)，所以雖然效能較高但是碳排放量卻高出許多；而天然

氣屬於一級能源，取得後不需轉化即可使用，不僅效能最好，碳排放

也最低；從上述說明：在節能減碳的趨勢下，顯示在台灣以電力方式

來加熱是比較不環保。

44

五、結論

研究結果證實使用瓦斯加熱較使用電加熱更能節能減碳，這是因

為我國發電結構是以火力發電為主，加上發電廠的發電效率為 35-40%

其餘皆為散失，再加上電力傳送的過程造成的損失，使得 CO2排放量

較一次能源天然氣要高出許多。

使用瓦斯爐燒開水時，使用中火是比較好的做法，可以降低熱量

的散失，也能減少能源的消耗與 CO2排放量。使用電磁爐或電湯匙效

能看似較高，但造成 CO2排放量反而較天然氣加熱要高。

此外，以直接加熱方式的電湯匙效能較間接加熱的電磁爐要高。

不論是以何種熱源加熱，只要有加蓋密閉即可明顯減少能量消耗，這

是由於減少了水加熱時蒸發所帶走的熱量。由此可知加熱時容器維持

密閉的重要性，尤其在加熱功率越低時加蓋所提升的效率就越明顯。

實驗證實水壺加上 PP 瓦楞板隔熱後效能差異不大，這是因為經由

水壺壁之熱輻射散失遠小於熱源所提供之能量所致。加熱效能越低碳

排放量則會越高；熱散失大於水蒸發所需能量而導致有無法沸騰的現

象產生，整體的碳排放量也增加非常多。

45

參考文獻

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=28.

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