2010/09/05
經濟部能源局
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▓撰文：簡永和
在全球暖化及都市熱島效應的雙重影響下，都市地區溫度日漸上升，盛夏溫度更是屢創新高的台灣，使得建築空調負荷勢必影響到夏日尖峰負載。
對於總體能源99.34％依賴進口的台灣，在我國住商部門用電占全國電力消費量的31％且用電仍以年成長率7.6％增加速率的壓力下，面對後京都議定書時代，依賴國際貿易的台灣勢必遭受二氧化碳減量的管制。近年來，政府機關在強力推行節能減碳下，用電量已持平且開始減量，然而一般住商建築耗電增長尚無法停止，只能以比預期用電量減少來計算節能，無法達到實質節能目標，工業與運輸耗能亦是如此，如無積極之節能措施，只會有部分成效，難與國際接軌，本文冀希透過在全球暖化下淺談建築物能源管理技術，與各位先進共同探討。
都市氣溫熱烘烘
根據台電統計，夏季尖峰期外氣溫度每上升1℃，空調用電量上升約6％，在台灣大都市中在夏季都會區與郊區之溫度至少相差3～4度，而都市高溫化、乾燥化造成空調能源耗用增加、不舒適熱環境以及空氣品質降低的現象不容小覷，若能有效減少都市排放二氧化碳，增加降溫冷卻作用，將能減低都市高溫化。
在鄉村郊區溫度低於都會區的原因有：海陸風、山谷風交替循環，使得鄉村地區通風良好；植栽多，多蔭植物其葉片的蒸散作用降低溫度；水域較多、透水層多，微氣候環境受冷卻輻射影響；高層建築物少，排熱源少；人口密度相對低，使用汽機車排放廢氣少；陽光作息，夜間活動較少等，是都會區防止都市氣溫持續惡化可以借鏡的地方。
根據李魁鵬的研究顯示：減緩都市熱島效應的基本規劃設計手法，例如：通風、地面覆蓋、遮蔽、外牆隔熱、提高能源利用效率等仍應因地制宜、多管齊下，衡量地區和投入的資源，採取整合式設計導向，避免單一目標導向，以達最全面的改善效益，並提出都市退燒降溫的策略建議，如表1。
以上建議可以做為各大都會區對抗都市熱島效應時參考使用。
以丹麥老舊社區更新為生態城市為例
內政部在2008年10月15日修正發布「都市更新建築容積獎勵辦法」，其中第8條明訂「建築基地及建築物採內政部綠建築評估系統，取得綠建築候選證書及通過綠建築分級評估銀級以上者，得給予容積獎勵，其獎勵額度以法定容積百分之十為上限。」期許將來依該辦法實施更新的建築物能導入生命週期評估的觀點，思考建築能源耗費課題，設計一棟以當地建材建成、能源自給自足、生活廢棄物能納入循環過程、不會對環境造成負擔的綠建築。
現以丹麥哥本哈根之Hedebygade-Block大型都市生態更新示範計畫為例，供大家參考。該示範計畫開始於1995年，到2002年完成，主要是將舊社區更新為具現代化競爭力的新社區，該街廓內建築物為1880至1886年所建造二房平民公寓共350戶，於1994年11月委由SBS Byfornyelse都市更新公司執行並配合丹麥建築暨都市事務部於哥本哈根Outer Vesterbro區推動，於1995年秋確定在建築物更新中納入12 項具有生態親和考量的子計畫，並於1996年3月由哥本哈根市議會通過該12項示範計畫，開始進行施工。
該示範在空間計畫上將原有350戶公寓，重新調整每一單元面積，減少至261戶，使之更能符合當地小家庭平民住戶之需求，這個示範規劃裡運用許多生態更新技術，例如：一、太陽能導光板（這套系統能夠追蹤太陽角度，將太陽光與熱量由垂直通道導入各樓層）；二、太陽光電系統（利用建築物山牆面裝置太陽能光電系統，供應社區庭院照明）；三、將室內採光與太陽能加熱系統做最佳化調整計畫。四、重新規劃社區庭院的機能：垃圾分類計畫、雨水再利用計畫。五、建築物增加外殼氣密性以減少冬天熱量損失。六、社區中心於低層部栽種爬藤植物並搭配通風系統加以淨化空氣。
這麼多項節能技術使社區在完工使用的前2年減少40％的熱消耗量以及10％的電消耗量。雖然更新過程中重新改裝建築立面元素在裡頭，但還是可以看到1880年時社區外觀特色，這個示範計畫是一個大規模生態都市開發案，讓大家看到一個首都中老舊區域如何轉變為第一流的都市生態更新示範區，並藉由此示範計畫促進國際間對都市生態知識的瞭解。
建築物能源管理系統
建築管理的概念自1960年以來便逐漸成形，只不過當時都是以個別的設備系統做管理，強調自動控制的功能，並無法做集中式統一管理。隨著社會發展變化，各種不同功能的大樓越來越多，設備單獨管理的方式已經不敷使用，為了因應時代進步，以符合各種大樓需求，將基礎管理技術活用及整合而成的建築管理系統，就在此種情況下誕生。
以網際網路（Internet）和內部網路（Intranet）為架構，利用Web技術為應用的管理系統，讓管理者不論在工作崗位上或是任何地方，都能藉由網路的協助對建築進行監控，管理的機能更加的自由化，也帶來了更多的便利性。此外，從美國建立標準化通訊規範（BAC Net）後，對於建築設備統一監視、管理及控制之間有了一致性的架構，使得現代化之建築管理系統具有更高價值且完整化之機能。
在建築物能源管理系統（Building Energy Management System, BEMS）架構方面主要包含設計層面、運轉層面及省能對策專家系統3個方面環環相扣而成。
其主要精神在於經由完整而數位化之監控系統，對於建築物之耗能現況進行詳細之診斷。經量測數據與既存資料庫數據之相互比對來發掘問題之所在（Fault Detection）；再經由專家系統擬定省能對策，區分為設計問題、運轉問題或管理問題，再回溯至原系統進行改善，並進行經濟效益評估。如此隨著建築物進行商業運轉之長時間逐步往前推移，直至達成系統運轉最適化為止。 而在傳統之建築物自動化系統（BAS），既為專屬之獨立系統，又缺乏運用外界專家系統擬定改善對策之能力，形成了設計不良、長期運轉於耗能狀態、管理系統鬆散失效之狀況而不自知，有如病人未進行周全的健康診斷，又未能尋求良醫藥方，因此情況每下愈況。經由該BEMS 架構之建立，則建築物不但時時在進行自我偵測，並於異常時將可觸發而啟動自動警報系統，再經由專家系統來擬定及評估改善對策及其效益，且一切可經由遠端透過網際網路來進行，極具效率而準確。
將BEMS區分等級，針對監視機能，控制、操作機能等，做為優先考慮的條件，一般皆以樓地板面積做為指標性的劃分，BEMS系統也隨著總樓地板面積的大小及監控點數在能源使用監控上做為等級上的區別。
我國目前亦以建築物之總樓地板面積做為BEMS等級之劃分，我國之分級制度如表2所示。
總樓地板面積5,000m2以下的建築空調系統通常較為小型及單純，因此主要的監控對象為動力及照明這兩方面，即三相和單相的累計用電。而總樓地板面積在10,000m2以上之建築，不但具有大型且複雜的空調系統，動力及照明系統的能源使用需量也大幅增加，因此不但對各系統做累計用電上的監測，運轉設備的詳細用電情形也一併要求監測。
過去常有建築空調設計者對於大型建築物之空調系統設計，未使用較精確之計算方法或是靠個人經驗來估算空調負荷，或為了防止空調容量不足窘境，因此往往造成超量設計及沒有建立冰水主機台數搭配運轉策略，隨著季節的變化，建築內部的空調負荷也隨著改變，如果沒有良好運轉策略相互配合運轉，常會造成冰水主機處於低負載之浪費能源情形。而空調設備除了冰水主機外，還有冷卻水塔及水泵，這些設備通常隨著冰水主機之運轉而搭配運轉，因此進行冰水主機台數控制時，除了可節省冰水主機耗能外，還可以帶來其它相關設備的省能效果。
現今的變頻技術相當穩定成熟，應用於泵浦或送風機時，可因應空調負荷變化而改變運轉頻率，進而大幅節約能源，也因為變頻技術的廣泛應用，許多智慧化空調系統控制策略也相繼被開發出來，然而這些智慧化的運轉策略，例如：二次變流量控制、二氧化碳濃度控制策略等，在運轉前、後都需要不斷的調整與測試，以達到最佳化之運轉狀態及設定值，例如：二次泵送冰水系統如果壓差的設定沒有經過性能驗證（Commissioning）及TAB之調整，將壓差設定過高，於運轉之後，系統還是無法獲得因變頻技術導入而達到節能效果，反而造成能源的浪費。
再者利用空調回風二氧化碳濃度偵測器回授信號，動態控制調變外氣閘門之大小，降至維持室內環境基準之最小外氣量，甚至策略性的將外氣閘門關閉，室內回風二氧化碳濃度逐漸上升到室內標準值上限（1,000ppm）時，再逐漸開啟外氣閘門，而送風機由60～100％無段調變，預估節省6～12％之空調能源使用量，且重要的是將大幅降低室內空調負荷。另外利用秋冬季節外氣進氣量的調變，來降低整體空調負荷之方法，如果控制管理得當，不僅可以保持室內良好空氣品質，而且也可以降低建築物之耗能，達到節能的目標，也就是說在不損及室內人員舒適度之情況下進行節約能源的工作。
建築物的空調系統耗能，除了設備本身運轉效率的好壞之外，往往取決於該建築物的運轉控制與維護管理，若能大量利用低成本或是無成本的運轉策略做為空調系統或是建築耗能的節約能源工具，例如：設備時程控制、外氣冷房、二氧化碳濃度外氣量控制、夜間排風策略及建築預冷之省能策略等，可立即有效降低建築物的能源消耗、營運成本及溫室氣體的排放量，當然在運用這些節能策略之先決條件，是以不影響用戶的舒適度以及服務水平為原則，配合現有的建築物能源管理系統（BEMS），充分利用數位化的管理，進行有效率的運轉策略。相較於直接汰換舊有設備的方式，具有低成本之優點，業主除了可以降低投資成本外，又有5～10％之節能成效，甚至回收年限可縮短到1至2年內，兼具省能及經濟效益。
建議與展望
面對台灣自有能源匱乏的處境，對於政府部門所擬的策略，筆者提出下列幾點建議做參考：
一、防止空調主機容量過大設計方案
空調主機裝置容量過大為住商建築過量耗電之主要因素之一，因此建議規範標準空調負荷之計算，以防止空調主機容量之過大設計。
二、推動空調與照明節能設計簽證與審查制度
美國之建築節能標準（ASHRAE/IESNA 90.1-2004）自1999年版公布後，已成為加拿大、東南亞各國採納為空調及照明設計之規範，以應用點之節能做為設計目標，有能源總量管制之功效。
三、以建築分類之基準耗電量實施累進電價
*台電公司目前已有之累進電價制度為住宅之用電。
*訂定單位面積基準用電量。
*超越基準值之用電以累進電價計算。
*以建築分類訂定不同之基準用電量。
*以80％面積之主要用途做為建築分類之依據。
四、推動節能建築獎勵機制
目前空調工程之設計簽證不要求先進之節能設計，導致無法達到最佳之省能成效，為使同工同酬落實節約能源之推動，依服務成本給予獎勵。
最後大家都知道由行政院所積極主導永續建築相關政策，執行相關能源調查與省能對策之基礎研究，將永續建築理念擴大推廣成全民共識，並配合內政部營建署之營建法規管理機制，陸續將永續建築相關準則與技術規範納入，政府積極推動永續建築的法制化，在世界各國中可謂先驅，而這些政策也必須透過相關專業從業人員與技術團體的配合，始能逐一予以落實，達成台灣的環境永續發展目標。
而建築省能的技術與政策方針，不僅限於主管建築機關的單方向努力；積極面的能源政策規劃，更是推動國家節約能源的重要關鍵，必須由能源主管機關妥予研議，利用各項能源費率、能源使用總量管制以及彈性費額調整機制等策略，誘引設計者與使用者採用各類節能技術手法，以達成全面推動節能措施的目標。當然，建築空調或室內設計專業人員更是不容怠忽，從節能政策之研議、示範方案之形成、相關法規之起草、個案設計之審核把關、相關節能技術手法之研究與推廣等，都必須仰賴專業人員的共同投入，以減緩相關政策措施推動時窒礙難行之處。（作者為財團法人台灣建築中心經理暨中國科技大學建築系兼任講師）