建築用電系統分項計量設計指導原則之研究

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內政部建築研究所

創新低碳綠建築環境科技計畫協同研究計畫

第 2 案 「 建 築 用 電 系 統 分 項 計 量 設 計 指 導 原 則 之 研 究 」

資 料 蒐集 分析 報 告

內 政 部建 築研 究 所協 同 研 究 報告

中華民國 104 年 12 月

(本報告內容及建議,純屬研究小組意見,不代表本機關意見)

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創 新 低 碳 綠 建 築 環 境 科 技 計 畫 協 同 研 究 計 畫 第2 案 「 建 築 用 電 系 統 分 項 計 量 設 計 指 導 原 則 之 研 究 」 內 政 部 建 築 研 究 所104 年 度 資 料 搜 集 分 析

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內政部建築研究所

創新低碳綠建築環境科技計畫協同研究計畫

第 2 案 「 建 築 用 電 系 統 分 項 計 量 設 計 指 導 原 則 之 研 究 」

資 料 蒐集 分析 報 告

研究主持人:鄭元良

協同主持人:黃瑞隆

研 究 員:黃國倉、羅時麒、陳麒任、許閔涵

研 究 助 理:傅 群、董孟傑、林國華、翁堉驣

內 政 部建 築研 究 所協 同 研 究 報告

中華民國 104 年 12 月

(本報告內容及建議,純屬研究小組意見,不代表本機關意見)

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(5)

I

目次

目次 ... I

表次 ... III

圖次 ... V

摘要 ... IX

第一章 緒論 ... 1

第一節

研究緣起與背景 ... 1

第二節

研究流程 ... 7

第二章 分項計量系統的研究與進展 ... 9

第一節

國外現況 ... 9

第二節

國內現況 ... 14

第三章 分項計量技術 ... 17

第一節

建築管理系統與分項計量 ... 17

第二節

應滿足的基本要求 ... 23

第三節

能耗分類的原則 ... 26

第四節

推薦的建築用電計量分類模型 ... 32

第四章 分項計量的軟硬體需求 ... 35

第一節

分項計量的組成 ... 35

(6)

第二節

軟硬體設備 ... 39

第三節

直接計量與間接計量 ... 43

第四節

能耗拆分計算 ... 46

第五章 計量方案設計方法 ... 53

第一節

資料蒐集與調查 ... 53

第二節

經驗設計方法 ... 54

第三節

實際工程案例 ... 57

第四節

用電分項計量設計指導原則 ... 63

第五節

公共建築裝設分項計量電表統計 ... 67

第六章 結論與建議 ... 73

第一節

結論 ... 73

第二節

建議 ... 76

附錄一 ... 79

附錄二 ... 81

附錄三 ... 85

附錄四 ... 87

參考書目 ... 89

(7)

III

表次

表 3-1 各種監測系統計量要求比較... 24

表 3-2 未給出明確原則的用電分類模型 ... 29

表 3-3 適合台灣綠建築的用電分類模型 ... 34

表 5-1 建築用電分項 ... 65

表 5-2 二級各能耗子項的定義 ... 65

表 5-3 調查案例各項電表進行分類統計的彙整 ... 67

表 6-1 台灣建築的用電分類模型 ... 74

(8)
(9)

V

圖次

圖 1-1 綠建築節能成效調查樣本無效原因統計 ... 2

圖 1-2 建築分項能耗結構示意圖 ... 3

圖 1-3 能耗統計、能源審計和分項計量於建築能源管理體系中的相互關連 ... 4

圖 1-4 典型大型公共建築的能耗監管體系 ... 4

圖 1-5 研究步驟與流程 ... 8

圖 2-1 EDA 演算法基本流程示意圖 ... 10

圖 2-2 以大連市為例之中國大陸之國家分項計量系統數據的傳輸架構示意圖 .. 12

圖 2-3 學生宿舍的分裝電表 ... 15

圖 2-4 辦公樓的分戶計量系統的(A)獨立電表和(D)即時電量監控與用電資料統計

的後台管理 ... 15

圖 2-5 內政部建築研究所 BEEUP 補助之二個公共建築案例裝設分項電表架構圖

... 16

圖 3-1 各種規模的建築能源管理系統架構 ... 18

圖 3-2 完整 BEMS 的系統組成... 19

圖 3-3 能源管理系統中對於各項設備的監測內容分類 ... 20

圖 3-4 BEMS 框架結構下的分項計量系統 ... 21

圖 3-5 建築物中能源分類 ... 22

(10)

圖 3-6 電資料分類模型中的用電節點及其拓撲關係 ... 26

圖 3-7 公共建築能耗分類原則及相互關係 ... 27

圖 3-8 基於二原則的用電分類模型... 30

圖 3-9 基於三原則的用電分類模型... 31

圖 4-1 簡易型與完整型的分項用電報表 ... 35

圖 4-2 所示的建築能耗分項計量系統的組成... 36

圖 4-3 採用多表方案的用電分項計量系統 ... 37

圖 4-4 裝電流互感器方案的用電分項計量系統 ... 38

圖 4-5 電子式普通電能表和多功能電能表 ... 39

圖 4-6 電流互感器 ... 40

圖 4-7 資料擷取模組 ... 40

圖 4-8 建築能耗資料的傳輸系統 ... 41

圖 4-9 在配電室可實現直接計量的現象 ... 43

圖 4-10 無法在配電室實現直接計量的現象 ... 44

圖 4-11 電氣設計系統圖... 46

圖 4-12 多電錶的能耗拆分問題示意圖 ... 47

圖 4-13 末端集能耗預估計原理示意圖 ... 48

(11)

VII

圖 5-1 混合配電的空調機房設備示意圖 ... 55

圖 5-2 某典型辦公大樓裝表計量情況 ... 57

圖 5-3 某典型辦公建築夏季典型日能耗拆分結果 ... 58

圖 5-4 某典型辦公建築夏季典型日空調通風能耗拆分結果 ... 59

圖 5-5 某典型辦公建築夏季典型日一般照明插座能耗拆分結果 ... 59

圖 5-6 某典型旅館飯店配電系統原理圖 ... 60

圖 5-7 某典型旅館飯店裝表計量情況 ... 61

圖 5-8 某典型旅館飯店夏季典型日能耗拆分結果 ... 62

圖 5-9 有裝設和未裝設分棟電表案例的比例... 69

圖 5-10 在一級能耗子項裝電表個數案例的比例 ... 70

圖 5-11 裝設各種一級能耗分項電表的調查案例數目 ... 70

圖 5-12 裝設各種二級能耗分項電表的調查案例數目 ... 71

(12)
(13)

IX

摘要

關鍵詞:分項計量;建築節能;用電分類模型;公共建築

一、研究緣起

公共建築具有耗能密度高以及管理相對集中的特點,往往成為建築節能管理的重點推動 對象。大樓的物業或能源部門經常會尋求合適的管理模式來提高大樓自身的節能管理水準。 對於建築而言,能源消耗情況非常複雜。目前各類型建築基本上是一個總電錶,因此得到的 往往僅是大樓的一個總用電資料。這對展開節能工作需要的空調、照明、事務設備、電梯、 熱水等各系統的耗能狀況往往難以掌握瞭解,也因此容易掩蓋了不合理的耗能設備繼續存在 的問題。這已成為進一步開展建築節能工作的重要障礙。在此形勢下,只有對各用能子系統 的能耗狀況採取分項計量,才能獲得其真實準確的能耗狀況及能耗數據。分項計量就是指對 建築的不同用電系統或設備進行分類、安裝分項計量設備及系統,進行全面的能源消費檢查 和監測,並利用電腦系統對其進行資料處理匯總,從而得到建築物的總用電量和不同功能系 統的分項用電量。通過對各用電系統的能源體檢,可以對各系統的合理運行,或者切實可行 的節能改造方案提出指導,以促進節約能源、減少浪費,不斷提高能源利用效率及其經濟效 益,達到節能增效的良好目的。分項計量是公共建築節能工作基礎的工作項目,同時也位居 公共建築整個能耗監控體系統的核心地位。建立完善的分項計量系統對建築節能工作的發展 具有重要促進作用。有鑑於此,本計畫的目的在於蒐集當今國內、外各種分項計量技術與研 究進展,綜合分析後,提出了一種適用大型建築的分項計量設計指導原則。

二、研究方法與過程

本計畫蒐集與回顧國際上分項計量系統研究與進展著手,接著闡述分項系統的各個組成 部分與其結構原理,以及分析比較各國在實施分項計量的政策以及分項計量功能的要求後, 研擬適用國內大型建築的分項計量設計指導原則。主要工作的內容如下: 1. 完成國內、外之分項計量系統研究與進展,以及與建築節能的關係探討。 2. 完成各國實施分項計量政策以及對分項計量功能要求的分析比較。 3. 完成適用國內大型建築的分項計量設計指導原則。

三、重要發現

(14)

1. 本研究彙整了國際上在分項計量技術上的研究與進展。 2. 本研究透過文獻的蒐集,彙整了分項計量系統的組成、直接計量與間接計量、軟硬 體需求、能耗拆分計算模型,以及討論了計量方案設計的一些經驗設計法則。 3. 本研究彙整了分項計量系統應具備作為公共建築「節能管理平台」的核心功能,同 時應兼顧「輔助節能診斷」和「衡量節能改造效果」的功能。為了實現上述功能, 分項計量系統應滿足以下基本要求:(1)以統一定義的能耗分類模型作為採集能耗資 料的要求;(2)具備資料遠傳功能,集中各個建築的分項能耗資料到資料中心;(3) 以小時為間隔採集能耗資料。 4. 本研究在考慮綠建築標章的日常節能指標體系的應用,推薦了適合台灣的公共建築 用電分類模型。該分類模型把公共建築的用電模型在建築總用電之下,按照明插座、 空調機房設備、空調末端設備、動力設備和特殊設備劃分一級子項用電。其中照明 插座、空調機房設備、空調末端設備和動力設備等四項在所有大型公共建築是必要 的用電,所以將其列為常規用電。資訊中心、廚房餐廳等並非每一棟公共建築都會 有的設施或設備,故將其列為特殊用電。該用電分類模型包括 27 個節點,包括總用 電,9 個一級子項,以及 19 個二級子項。 5. 本研究以 53 個案例做為分析對象,檢視國內在公共建築分項計量電表的裝設情形。 調查發現:有裝設和未裝設分棟電表案例的比例分別是 81%和 19%。在最基本的照明 插座、空調機房和空調末端三項一級能耗分項電表的裝設情況:49%的案例裝設空調 機房電表、9%的案例裝設照明插座電表,但卻沒有案例裝設照明插座電表。從二級 能耗分項電表的裝設案例分布,顯示多數案例優先選擇耗電較高的設備,如冰水機 群(49%)和熱泵機群(23%)裝設分項電表,監測其耗電量。但是也有 5 個案例沒有裝 設任何一項的二級能耗分項電表。 四、主要建議事項 建議一: 建議增定申請綠建築標章認證之建築應裝設分棟大樓總電表做為日常節能指標的門檻項 目:立即可行之建議 主辦機關:內政部建築研究所 協辦機關:財團法人台灣建築中心 本計畫建議單棟建築樓地板面積超過一定規模(1000 m2)之綠建築應裝設單棟大樓總用

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XI 電數位式電表,以利了解綠建築的用電情形。 建議二 將分項計量系統納入綠建築的日常節能指標評估中:中長期可行之建議 主辦機關:內政部建築研究所 協辦機關:財團法人台灣建築中心 本計畫建議將目前現行的日常節能指標修改成包含(1)建築外殼、(2)空調系統和(3)照明 系統的以及(4)再生能源與能源管理評估。並將分項計量系統納為再生能源與能源管理評 估要項之一。

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ABSTRACT

Keywords: Sub-metering; building energy conservation; electricity usage classification model; public building

Electricity sub-metering framework is a fundamental infrastructure for energy conservation of public buildings and also is the core system of the whole building energy monitoring system. We comprehensively collected the technique of the progress of sub-metering system, basic requirement to be meet, structure of the system, direct and indirect metering method, models of sub-metering, and discussed the possible practical metering installation strategies through literature survey in this research. The suitable sub-metering framework was proposed to be applied in Taiwan’s green building in consideration of the application for daily energy saving index in the evaluation system of green building. The sub-metering model comprises 27 nodes including the total electricity, 9 nodes for first level sub-item, and 19 nodes for second level sub-item. To investigate the application situation of sub-metering system of public building, 53 cases were analyzed. The results shows that 81% of the public buildings installed the sub-metering system, among which 49% have installed meters for HVAC mechanical room, 9% have installed meters for lighting fixture, but none of them have installed meters for HVAC terminals. As regards to the second level sub-metering, it reveals that most cases priority choose to sub-meter the electricity use of equipment with higher electricity consumption, such as chillers (49%) and heat pumps (23%). However, there are 5 cases without installing any electricity sub-meters in second level sub-metering category.

(17)

1

第一章 緒論

第一節 研究緣起與背景

壹、研究緣起

公共建築具有耗能密度高,管理相對集中的特點,是建築節能管理的重點推動對象。建築 能源主管部門或管理者往往考慮採用各項節能技術措施來提高自身節能運轉管理水準。這種管 理模式稱之為「手段導向」的建築節能管理模式。手段導向的管理模式重點在於有沒有採用節 能設備,各種節能手段是否能達標?以及往往採取以投資回收期要在可接受的年限內做為選擇節 能改造措施的依據。手段導向的管理方式具有較強的可操作性和較低的管理成本,因為忽視了 對建築實際能耗水準和節能手段實際節能效果的評價,不容易達到直接約束實際能耗量。 隨著建築節能事業的不斷發展,節能管理的內容不再是簡單的促進幾項具體節能技術的落 實,而是涵蓋了增強節能理念、引導節能生活方式、加強節能運行調節、合理選擇節能技術等 多個方面的內容。在建築能源管理模式,因此出現了以實際能耗量為管理目標的管理行為,稱 為「效果導向」的建築節能管理模式。這種管理模式的具體內容為由政府或大樓主管部門對建 築能源管理者下達以一定的百分比逐年降低建築總能耗。在建築中推行效果導向的公共建築節 能管理模式,具有兩個方面的意義。一方面,以實際能耗資料或者單位面積能耗(EUI)作為量尺, 客觀的衡量建築的能耗水準,科學的判斷節能潛力大小,對能耗水準偏高的建築和節能潛力較 大的設備或系統採取針對性的措施,使得節能手段的應用真正做到對症下藥和因地制宜;另一 方面,通過衡量節能效果,在具體節能手段和實際節能效果之間建立聯繫和回饋,為節能控制 者提供真實可靠的資訊,從而保障實際節能效果,同時提高節能改造在設計、運轉等環節的技 術與管理水準。 在效果導向節能管理模式下,對建築進行節能診斷和節能改造的主要途徑不單單只是要從 數量上看其總能耗或單位面積能耗(EUI),更要看建築物內系統設備的能量利用效率。在這種情 況下,特別是在公共建築節能管理領域,傳統的手段導向的管理模式漸漸出現了不適應的情況。 要做好公共建築的節能工作,必須從結合「節能管理」和「節能技術」方面入手,做到讓這兩 方面相輔相成,才能順利解決存在的問題。換句話說,就是要通過對某些不合理環節的設備與

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系統的改造,以及在此基礎上進行科學的運轉與管理,方可以產生很大的節能效果。諸多公共 建築節能管理領域中的問題,無法順利解決,可以歸結為以下兩個原因:(1)管理者未完全瞭解 建築各設備系統的實際用能水準;(2)設計者不瞭解各項節能技術的實際節能效果。 造成管理者未完全瞭解建築各設備系統的實際用能水準主要有二個方面的原因: (1)公共建築自身缺乏翔詳實的能耗資料積累 公共建築能耗計量的基礎普遍比較薄弱,往往只有計量收費用的總表,沒有各設備系統的 分項能耗資料,難以分別評價各設備系統的用能水準。以內政部建築研究所 2014 年對綠建築節 能成效調查[1],如圖 1-1 所示在同意查閱用電資料的 209 案樣本中,有裝設獨立電表的樣本僅 有 72 件,甚至比未裝設獨立電表的樣本數 105 件還要少。 (2)建築之間缺少有效的能耗資料交流; 作為單一棟建築的能源管理者,如果不與其它同類建築用能水準的對比,就無法對自身用 能水準做出客觀的評價。建築用能水準包括兩個方面的內容:實際運行能耗和能源利用效率, 只有實際運行總能耗是無法說明建築的用能水準的,唯有建構如圖 1-2 所示之建築分項能耗結 構,才能完整說明建築的用能水準。但是目前能反應各用能系統用能水準的建築分項計量的應 用和推廣還比較欠缺成熟的經驗可供借鑒。

圖 1-1 綠建築節能成效調查樣本無效原因統計

(資料來源:參考文獻[1])

(19)

3

圖 1-2 建築分項能耗結構示意圖

(資料來源:參考文獻[1])

導致設計者不瞭解各項節能技術的實際節能效果現象發生的原因,源自於缺乏長期的、可 信的能耗數據作為實際運轉能耗資料的回饋,節能技術應用之後,其實際節能效果無法給予科 學性、客觀性的量化。往往只能按照節能技術產品宣稱的節能率計算出節能量,而不是計量出 節能量。這導致設計者對節能技術的認識存在偏差。譬如,一些建築設計採用了大量所謂的節 能技術,但並沒有收到理想的節能效果,於是節能建築成了節能技術的堆砌。這可能和一些原 本只在一定條件內適用的節能技術手段被盲目的廣泛應用,但在其響亮的節能宣傳,使得很多 廠家和經銷商盲目的蜂擁而上有關係。反而,一些雖然效果顯著,但概念不夠響亮的節能技術 手段無法得到應有的重視,僅得到少數人的關心。 由於第一個問題的存在,管理者不能判斷哪些設備系統有節能潛力、有多大的節能潛力、 是否應該實施節能改造;由於第二個問題的存在,設計者不能科學的選擇節能技術手段,也難 以從技術上保障實際節能效果。再加上建築種類繁多,各具不同的使用功能,特別是大型公共 建築,其耗能系統繁多。各種不同的使用功能對應不同的用能系統,而各用能系統又歸不同的 管理單位所負責。如果只針對建築的總能耗來進行計量,就很難確定每一個用能系統的實際能 耗情況,從而無法準確有效地指導與制定節能管理措施。因此,只有對各用能子系統的能耗狀 況採取分項計量,才能獲得其真實準確的能耗狀況及能耗數據。因此,分項計量是公共建築節 能工作基礎的工作項目。 建築總耗能 常規總能耗 特殊區域能耗 空調系統能耗 照明系統能耗 辦公設備能耗 其他能耗

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另外,隨著智慧城市的構建,建築能源管理已不再只是針對單一個建築物而言,而是積極 的朝向宏觀的城市綜合建築能源管理。無論是城市能源主管部門,還是能源使用單位元,都需 要建立如圖 1-3 所示之建築能源管理體系,在分項計量和能耗統計的基礎上進行能源審計,以 此為用能定額等節能管理工作提供可靠的資料依據。

圖 1-3 能耗統計、能源審計和分項計量於建築能源管理體系中的相互關連

(資料來源:本研究彙整)

由圖 1-4 可以看出,分項計量系統位居大型公共建築整個能耗監控體系統的核心地位。在 以下幾個方面呈現它的重要性:

圖 1-4 典型大型公共建築的能耗監管體系

用能

定額

能源 審計 能耗 統計 分項 計量 數據基礎 數據核實 建築訊息 能耗拆分 能耗總額 分項能耗 建築物的基本資訊及 能源利用現狀與特點 建築內部分項建築能 耗、節能診斷工具、 節能量評估工具 整體建築能耗水 平、政府管理平台 能耗統計 能源審計 能效公告 能耗定額 超定額加值 服務經濟 節能改造合同能源管 理、再生能源利用 分項計量 時實監測 重點與標竿 能耗水平

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5  能耗統計:它是能耗監管體系中不可缺少的基礎性工作。其內容是對建築物的基本資訊、 能源結構資訊及能耗費用資訊進行收集,並應用資訊化手段,通過科學方法對建築能源 使用情況、能耗資料進行有效的採集、整理以及歸類。若能將建築物能耗統計整理工作 變為常規化、長效性的機制,並不斷加強各類相關資料共用工作,則通過能耗統計能夠 明確的掌握建築能耗的基本狀況。  能源審計:主要是瞭解建築物的基本資訊及能源利用現狀,它是建築節能的重要內容。 簡單的講,能源審計就要把能源像管理鈔票一樣管理起來的認知,對能源使用的合理性 要進行審計,並通過分項計量技術驗證能源使用合理性的思想。審計報告應對建築物的 用能情況進行分析匯總,並提出該建築物節能的改進意見。  分項計量:分項計量是指依用電性質分類,對建築物中的各用電回路分別進行計量,即 對照明、動力、辦公設備、中央空調及其系統中單體耗能大的設備分別進行計量。再分 項計量的基礎上我們可以統計出各個系統的分項能耗,繼而繼續補充健全能耗統計資料, 使其更全面真實反應建築物的用電特點。  能耗計量能夠掌握即時的建築能源消耗的狀況,通過分項計量可以進一步發現建築節能 中不合理之處,針對各薄弱環節可以提出改進措施,發掘更大的節能潛力。  通過計量可以獲得各項能耗指標的變化與曲線,由此檢驗已經實施的節能措施的效果, 為執行能源服務公司(ESCO)合同管理提供了依據。  通過能耗計量才能為能源消耗收費提供唯一的依據。能耗計量將能源消耗與用戶之間的 經濟利益緊密聯繫起來。對不同的建築物件,電力使用者應該按規定進行計量與繳費, 以此達到通過經濟手段最佳化資源配置的目的。  計量收費一方面可以使管理者及時發現問題,進行相應的節能改造工作以提高能源利用 率,一方面可以促使用戶向管理者要求提供大家優質價廉的能源,使其不斷的改進以最 大程度地滿足用戶的需求,從整體上提高建築的能源管理水準。

(22)

貮、研究目的

儘管內政部建築研究所和國內很多學者已經對現有的大型公共建築的能耗情況進行了大量 的統計、分析和評價,為提高公共建築的節能改造、提高用能效率、節約運營成本提供了具有 參考價值的資料。但是在眾多的大型公共建築中,不同類型的建築物其能耗特點和使用情況是 不同的,固在審計方法和計量方式上也是有差異的,只有通過分項計量手段才能提出具有針對 性的節能改造方案。雖然分項計量系統有其的重要性,但是在:(1)建築物業主、管理者受節能 效果與投入不成正比的傳統思想束縛;(2)安裝調整過程需要大量的施工,日後維護費用也大; (3)安裝過程影響正常的工作或學習生活等幾點原因的作用下,目前它在國內建築中尚未得到普 遍性的應用。因此,本計畫目的希望藉由完成底下三項工作,來促成分項計量系統在大型公共 建築的普及應用。  完成國內、外之分項計量系統研究與進展,以及與建築節能的關係探討。  完成各國實施分項計量政策以及對分項計量功能要求的分析比較。  完成適用國內大型建築的分項計量設計指導原則。

(23)

7

第二節 研究流程

大型公共建築建立分項計量系統,對能耗資料進行即時採集,是一項相當有意義的工作。 可惜,國內目前對於如何建立分項計量系統的相關技術資訊並不全面。本計畫擬從蒐集與回顧 國際上分項計量系統研究與進展著手,接著闡述分項系統的各個組成部分與其結構原理,以及 分析比較各國在實施分項計量的政策以及分項計量功能的要求後,研擬適用國內大型建築的分 項計量設計指導原則。研究步驟及流程如圖 1-5 所示。主要工作的內容如下:  分項計量系統的組成結構:分項計量是指對建築的機電能耗系統安裝分類、分項的計量 儀表,從而得到建築物總能源消耗與不同功能系統、不同能源種類的分項能耗數據。本 計畫將蒐集與介紹國際上大型公共建築能耗分項計量系統的系統結構、研究進展與硬體 開發情況。並透過對比分析,總結各分項計量系統結構在符合資料傳輸即時性、安全性 和穩定性上的特點。  分項計量系統硬體和軟體需求:儘管分項計量系統所需要採集的參數很多,其中主要是 電量。但另一方面,不斷發展的網路技術為資料資源分享創造了有利的條件。分項計量 系統就是利用 Internet 通信網路建立資料傳輸體系。在這一部分,我們將會彙整可以讓 各自獨立的監測點能實現網路通信、資料傳輸和資源分享所需的軟硬體單元性能要求。 硬體單元包括資料獲取儀器或感測器、現場監測模組、進行資料傳輸用的現場匯流排介 面,與資料伺服器和終端控制電腦進行連接的通信介面。系統軟體則包括能耗資料獲取 軟體和能耗分析管理軟體。  能耗分項拆分模型:大型公共建築的配電系統分支回線龐大且複雜。單靠每個月的單一 總電表數據,物業(能源)管理者根本無從得知到底是空調能耗,照明能耗,還是動力能 耗過高呢?要解決這個困擾,就必須靠對單一棟建築的能耗進行分項拆分,才能找出高 能耗分支線路,並提出具體的改善措施。分項的目的是為了弄清楚建築各部分的能耗情 況,因此分項模型應該簡單清晰便於分析。分項模型是建立在分項計量能耗採集系統基 礎之上,應該考慮到資料的採集是否能夠滿足分項模型的要求。有些資料因主客觀原因 不能夠即時採集,在分項之中就應該考慮如何處理。本計畫會在這一部分首先會針對這 些分項原則進行彙整與說明。  分項計量系統實例介紹:在這一部分我們將藉由成功的案例,介紹如何結合該建築物的 現狀,設計適合該建築物的能耗分項計量系統。並且如何利用分項計量系統即時採集的 參數資料,由整體到系統,由系統再到個體,在三個層次上進行整個建築的用能指標分

(24)

析,使得公共建築的節能潛力能夠被全面的瞭解。  分項計量設計安裝技術指導原則:最後,我們將根據前面的成果,以及邀集專家學者進 行座談,草擬分項計量設計安裝技術指導原則。指導原則的內容暫定分成:總則、用語 定義、分類、設計規定、計量裝置性能參數、安裝要求、校驗和比對、驗收、其它以及 附錄。

圖 1-5 研究步驟與流程

(資料來源:本研究繪製)

研究動機與目的 擬定研究範圍與架構 硬體和軟體需求 蒐集各項分項計量技術 系統的組成結構 撰寫設計指導原則 能耗分項拆分模型 撰寫期末成果報告 分項計量系統實例介紹 專家諮詢與座談

(25)

9

第二章 分項計量系統的研究與進展

第一節 國外現況

分項計量的概念和方法源自於 1970 年代發生的能源危機。這次危機引起的嚴峻能源形勢和 能源成本,使得許多國家開始了對節能的重視,西方國家提出要把能源像管理鈔票一樣管理起 來的認知,對能源使用的合理性要進行審計,在 20 世紀 80 年代初就開始對公共建築分項能耗 進行研究[2-4]並通過分項計量技術驗證能源使用合理性的思想,諸多分項能耗計量與計算模型 被廣泛探討。 美國的能源公司自 1982 年起鼓勵商業使用者在使用電能供暖系統時安裝兩套測量裝置,以 降低供暖空調運行費用。這種分別測量供暖和空調系統與其它系統電耗的模式被稱為獨立計量 (Separate Meters)。1985 年,美國的西北太平洋實驗室(PNL)就向美國能源部提交了一份名為「公 共建築終端用能計量清單」的報告,對當時美國公共建築分項計量研究和實踐的狀況進行了綜 述[5]。在當時雖然公共領域中幾乎沒有齊全的終端能耗計量結果資料,PNL 的報告仍舊認為廣 泛可用的此類資料具有很高的研究價值。在報告中,PNL 提出應該開展實廣泛的分項計量,還 建議美國能源部成立一個政府支援的終端能耗資料庫。 英國在能源審計的基礎上,調查研究行業和企業能源利用狀況,為政府制定能源政策提供 了較為全面的資料和技術基礎。1980 年代初期通過在全國範圍內實施了能源審計,總結全國 12 行業能源使用及利用情況,推行不同行業有針對性的分項計量模式,以進一步挖掘各行業的能 源使用特點,為超過 600 項國家節能改造項目安排提供了切實可靠的理論依據。 美、英的研究者獲取分項能耗資料的目的主要是為了研究,並沒有進行大規模的推廣,並 把分項計量系統視為未來公共建築的節能管理平台。他們普遍認為實現分項計量的成本過高 [6-10],他們的研究多數停留在圍繞建築總能耗的拆分和應用方面。美國勞倫斯伯克萊實驗室 (Lawrence Berkeley Laboratory)的 Akbari [11,12]提出了一種適用於逐時建築總能耗拆分的 EDA (END-USE DISAGGREGATION ALGORITHM)方法,如圖 2-1 所示。

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圖 2-1 EDA演算法基本流程示意圖

(資料來源:參考文獻[12])

有別於西方國家,東方國家比較注重在分項計量的推廣與應用上。在日本,已經開展了近 20 多年對企業界多樣的節能診斷,國家節能署派出相關專家,免費對企業的用能情況進行分析 和診斷,免費安裝統一標準的分項計量設備,對企業的能源使用效率的提高產生了重要的作用。 中國大陸把分項計量系統視為未來公共建築的節能管理平臺,並進行這樣大規模的推廣, Hourly Whole-Building Load Impact Reconciled End-Use Profiles Actual Weather Data Building Audit Hourly Load/Temperature Linear Regressions DOE-2 Simulation

Initial Simulated End-Use Profiles by Hour

Methodology to Breakdown Tonal Building Load into its Major End-Use Constituents

Reconciled End-Use Profiles

By Hour

Modify Reconciled End-Use Profiles

Final Reconciled End-Use Profiles by Hour

Not Accept

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11 以及有為數不少的相關研究。北京清華大學江儀在 2004 年首次提出了將分項計量技術應用到 建築物節能監測與分析上的觀點,之後並對北京市內的 20 多棟大型公共建築進行用電分項計量 的試點工作。發現用電分項計量與能耗定額管理是開展政府辦公建築及大型公共建築節能的關 鍵所在;2007 年中國住宅與城鄉建設部明確要求試點省市開始能耗監測及分項計量;2008 年中 國国务院頒布「公共機構節能條例」。其中第 14 條明確指出:公共機構應當實行能源消費計量 制度,區分用能種類,用能系統實行能源消費分戶、分類、分項計量,並對能源消耗狀況實行 監測,及時發現、糾正用能浪費現象。中國住宅與城鄉建築部推出「國家機關辦公建築和大型 公共建築能耗監測系統—樓宇分項計量設計安裝技術導則」[28],對電能分項計量的分類、設 計、安裝、驗收等進行了規範。期望通過分項計量系統的安裝,得到各供電子系統的實際耗電 量和使用規律,為往後的節能診斷和節能改造打下基礎。省級政府則依據中央政府部門的「分 項計量技術導則」頒布相對應的技術導則,進一步明確提出對主要用電設施分項計量,對辦公 樓、商場、宿舍等應計量到經濟核算單元,對醫療病房、賓館客房、學校教室應按樓層或功能 分區計量等等,江蘇推出「江蘇省公共建築用能計量設計規定」[29]、上海推出「關於進一步 加強本市民用建築設備專業節能設計技術管理的通知」[30],浙江省推出「國家機關辦公建築 和大型公共建築用電分項計量系統」[31],福建省推出「機關辦公建築和大型公共建築能耗監 測系統技術規程」[32];地方的市級政府方面也有相對應規定,譬如廣州市頒布的「廣州市公 共建築用電分項計量設計導則」[33],深圳市的「深圳市公共建築節能改造技術導則」[34],大 連市的「國家機關辦公建築和大型公共建築能耗監測平台建設設計標準」[35]。中國大陸期望 透過從中央到地方一體的實現分項計量,來到蒐集全中國大陸的分項能耗數據。圖 2-2 是以大 連市為例,說明中國大陸的分項計量系統數據的傳輸架構示意圖。

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圖 2-2 以大連市為例之中國大陸之國家分項計量系統數據的傳輸架構示意圖

(資料來源:參考文獻[35])

在政府的推動下,分項計量系統在各地的應用也很普及。周燕,龔光彩[36]以某既有公共建 築節能改造為例,對比改造前後全年耗電量及分項能耗。陳海波、王凡[37]在超過 2 年數據積 累的 10 餘棟大型公建能耗計量監測工程及相應的節能診斷與改進工作的基礎上,採用標準分項 的能耗模型建立了針對全樓的能耗指標分析體系;並基於冷量計量和電耗計量數據,建立了針 對集中空調系統的節能診斷指標體系。而後,運用上述指標體系並配合相應開發的能耗發布系

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13 統和實時監測管理軟件,建成了一套利用分項能耗數據實現深入節能診斷的技術方法。熊瑋瑋 [38]依據中國國家建築能耗監測系統相關技術導則和條文規範,調查了湖北工業大學校園建築 能耗現狀後,提出校園電能分項計量系統的設計方案。該方案並成為湖北工業大學校園建築能 耗分析、能源審查、節能診斷和節能改造工程提供主要依據。鄭竺淩等[39]介紹了用電分項計 量系統在上海大型公共建築中的應用情況.通過應用案例的分析,找出了明顯的節能潛力,體現 了用電分項計量系統在大型公共建築節能中的作用。陳雪梅[40]指出隨著大數據時代的到來, 對數據進行挖掘與分析得到的資訊價值日益顯現。大型公共建築的節能研究是建築領域節能任 務的重點,在建立能耗監測平台的同時,將伴隨大量的能耗數據產生。公共建築的基本資訊、 設備運行參數、能耗數據將成為深度挖掘建築節能潛力的基礎。通過對上海長寧區的大型公共 建築的實地調查研究和平臺在線監測所獲取的建築基本資訊及建築能耗數據資訊,進行數據統 計研究。延伸了分項計量數據的後續應用,為安裝分項計量設施的建築運行管理提供借鑒。林 衛東[41]通過對福州市政府辦公建築和大型公共建築能耗普查情況的分析、評價,探討實施分 項計量的必要性,指出實施分項計量是開展建築節能工作的一個重要手段,它既能為政府決策提 供資料基礎,又能為自己找到節能潛力與途經。林衛東在另一篇文章[42]中,通過對建立健全 國家機關辦公建築和大型公共建築節能監管體系的要求,以及分項計量的現狀分析,探討新建 和既有政府辦公建築、大型公共建築實施分項計量的必要性,提出了分項計量的劃分方法、計 量儀表的設置原則和安裝措施等。李毅等人[43]通過研製的大型公建能耗分項計量實時監測分 析系統 EMS-Ⅱ,對青島地區某大型公共建築進行實時能耗分項計量監測,為今後青島地區大 型公共建築的節能改造提供基礎數據和相關依據,也為青島地區乃至全國建築能耗分析及建築 行業相關節能標準的制訂提供參考。王君若[44]選取上海地區具有分項計量系統的某幢辦公建 築與某幢商場建築,對建築空調能耗、照明能耗與其它能耗的比例關系進行分析,結果顯示, 辦公建築能耗以空調能耗為主,而商場建築能耗以照明為主,這 2 種建築空調能耗逐月變化規 律存在不同,照明能耗則相對穩定。賴振彬等人[45]在國家機關辦公建築和大型公共建築能耗 監測平臺的基礎上,運用智能建築能耗監測技術,實現對貴州省某辦公建的實時動態監測建築 用能及用能設備的運行情況;掌握建築物各類設備能耗的基本數據,詳細瞭解建築物的每一項 數據,在平臺上將採集的數據數字化及資訊化,通過對數據的對比分析,發現造成建築物能源

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浪費的行為及漏洞,針對能耗較大的用能項目進行重點監測,為能耗分項計量、定額管理提供 科學依據,分析和總結建築能耗的規律,找出建築高耗能所在,提出詳細可行的節能改造方案。 季 柳金等人[46]簡述了能耗監測系統及分項計量技術的概念和應用範圍。結合江蘇某大型公共建 築實際工程案例,概述了能耗監測系統及分項計量技術的實施步驟及流程,並就建築運行分析 的能耗診斷結果,給出了建議性的完善措施及解決方案。崔暉、張強[47] 針對主要電力儀表在 大型公共建築電能分項計量中的應用進行了簡要的探究,通過對電力儀表應用案例以及選型方 案來進行分析,總結出了在大型公共建築電能分項計量中適宜採用的電力儀表類型。王世龍[48] 通過對大型公共建築的能耗現狀入手,分析了不同類型公共建築的能耗特點,結合實施多項大 型公共建築能源管理系統的建設經驗、使用能源分項計量與監測系統顯示的多種能耗指標、圖 標曲線、能耗數據,展示大型公共建築的能耗構成、用能特點及如何使用能源分項計量與監測 系統提高用能設備的整體管理水準,提高用能設備的能效水準從而達到節能的目標。

第二節 國內現況

台灣的分項計量系統最早期是體現在能源法第 18 條的規定:能源用戶裝設中央空氣調節系 統,且其冷凍主機容量達中央主管機關規定數額者,應裝設個別電表及線路。中央空氣調節系 統之能源用戶,其空調電表、分電表及線路裝置方式、採用電纜種類及計表規格等事項之規則, 由中央主管機關定之。 由於電力公司收費一般實行總表計費方式,即將一塊總表安裝到學校或大樓的供電電源點, 然後由電力公司查收總表的電費。所以,分項計量系統也體現在許多學生宿舍、對於學生宿舍、 出租套房或者出租辦公大樓等分戶電表的計量上。在這些出租的宿舍或者辦公大樓中,各戶的 電費就由學校或者物業管理公司代為收取。物業管理公司會在建築物內的各宿舍(如圖 2-3)、或 出租辦公單位安裝獨立電能計量裝置(如圖 2-4),即時採集各監測點電能數據並對用電量進行統 一監測和付費管理,並運用後台管理軟件,使每一個用戶能夠隨時查詢各自的用電情況,很好 解決了以往後用電管理中存在的電費收取的諸多問題。

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15

圖 2-3 學生宿舍的分裝電表

(資料來源:http://wufulo.pixnet.net/album/photo/95816209)

(a) (b)

圖 2-4 辦公樓的分戶計量系統的(a)獨立電表和(d)即時電量監控與用電資料統計

的後台管理

(資料來源:本研究拍攝)

另外在內政部建築研究所的「建築能源效率提升計畫」係為提升我國中央廳舍之建築物整 體耗能效率(Building Energy Efficiency Upgrade Program,簡稱 BeeUP)之節能改善補助計畫下, 補助建置建築能源管理系統 BEMS,許多公共建築也開始在 BEMS 之下裝設大樓電總表、空調 電表、空調機房電表,水泵電表等等,如圖 5-5 所示。

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圖 2-5 內政部建築研究所BeeUP補助之二個公共建築案例裝設分項電表架構圖

(資料來源:網路)

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第三章 分項計量技術

第一節 建築管理系統與分項計量

根據我國智慧建築標章評估手冊[49]對智慧建築物的定義為「係指建築物及其基地設置建 築自動化系統,配合建築空間與建築體元件,從人體工學、物理環境、作業型態及管理型態角 度整合,將建築物內之電氣、電信、給排水、空調、防災、防盜及輸送等設備系統與空間使用 之運轉、維護管理予以自動化,使建築物功能與品質提昇,以達到建築之安全、健康、節能、 便利與舒適等目的」。換句話說,智慧建築是建築技術和資通訊技術的產物,它是以建築為平臺, 以建築設備、設施為物件,以智慧化技術為手段,為人們提供安全、高效、便捷、節能、環保、 健康的建築環境。由此可見,建築的能源管理是建築智慧化管理的主要內容,它將所有與建築 物使用能源相關的系統進行綜合、協調和控制,統一管理,提高建築內各能耗系統的運行效率, 降低能源的消耗。

建築能源系統(Building Energy Management System, BEMS) 最早開始使用於 1960 年,它是 對建築設備作監視與管理,再依建築的 規模大小,作出最佳化的運轉機制。一般的管理系統, 依照規模的大 小區分為:小規模系統、中規模系統、大規模系統[50],各規模的架構如圖 3-1。  小型規模建築管理系統多半是用在較小型的建築物,在設計上因為經費預算和運用空間並 不充裕的限制下,僅能採用具有不錯的機能及成效,且專為小規模設計的專用系統。隨著 建築物的擴建,管理系統的機能也必須隨之擴張。  中型建築除了包含小型建築所具有的設備外,還增設了防災及保全等設備。規模因此,中 型建築管理系統必須具有將防災、保全一起作統合管理的機能,由於在管理上的複雜化, 個人電腦和合宜的軟體成為管理系統之基本元件。  大型規模建築所要管理的事情相當的多,建築管理系統必須作組織化及雙迴路的設計。各 系統間以並聯的方式作控管並都具有網路介面裝置,連線到內部網路伺服器;管理者端有 警報及圖像現顯示系統,遇到異常狀況時,圖像顯示系統能讓管理者一目了然的掌握最即 時的狀況。

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圖 3-1 各種規模的建築能源管理系統架構

(資料來源:參考文獻[50])

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19 如圖 3-2 所示,完整的 BEMS 由能源管理、設施管理和空間管理三大管理子系統組成,以 達到最佳化能耗、提高效率、增進滿意度和增加營收的目的。以能源管理子系統為例,BEMS 通過建築物之內部各種電力設備、空調設備及熱水設備進行集中監控達。透過中央監視所傳達 各監視點之數值,以計算技術為基礎分配調度建築物內之管理能源使用及決策,保持建築物內 各用電設備在同時兼顧能源節約及確保室內環境舒適的前提條件下達到於最佳效率狀態下運轉, 例如用電卸載,需量管理等等。同時,管理各設備之運轉及維修,以及保全人員排程等管理, 紀錄建築物內所有費用存入系統資料庫中,以及利用電腦之資料庫累積各項設備運轉狀況紀錄、 維修保養之費用,列出各項報表,進行各方面之財務評估及營繕管理。

圖 3-2 完整BEMS的系統組成

(資料來源:本研究繪製)

建築能源系統管理架構

最佳化能耗 | 提升效率 | 增進滿意度 | 提高營收

空間管理 ╴使用管理 ╴利用管理 ╴配置管理 ╴資產管理 ╴維護管理 ╴狀態監視 ╴能源分析及優化 ╴節能改善及追踪 ╴碳排放追踪 能源管理 設施管理 設備和系統監控 | 資料分析 | 報表 | 事件管理 | 最佳化 設備和系統監控 | 資料收集貯存 控制 監測 控制器(如DDC) 閥 水塔 空調 主機 變頻器 空調箱 送風機 照明 感測器 路燈 電/水表 電梯

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在能源管理系統中對於各項設備的監測分成 (1) 耗能狀況的監測:包括各配電室或配盤電 的流、電壓和電量等項目之狀態監視,以及(2)運轉狀況的監測:包括溫濕度、流量、空調箱、 冰水機組等之狀態監視,如圖 3-3。其中耗能狀況中的電量監測就是分項計量系統的主要內容。 BEMS 下的分項計量系統的結構如圖 3-4,一般分為三層:現場層、網路層、管理層。現場層包 括各種現場設備,有各種智慧型儀器表,如水表、電表、瓦斯表等。現場層的通信採用現場匯 流排標準。網路層是管理層和現場層之間相互通信的橋樑,將現場層採集到的資料資訊上傳給 管理層。管理層是對現場設備進行統一的監視、控制和管理,同時將現場設備運行產生的資料 儲存到伺服器中,用以記錄設備的日常運行日誌和列印設備異常的警報資訊等。

圖 3-3 能源管理系統中對於各項設備的監測內容分類

(資料來源:本研究繪製)

SCADA/HMI

BEMS

DB Server

網際網路

工業級網際網路交換器

資料集中器

資料集中器

資料集中器

配電室電流、電壓、

電量表

精密空調、空調

主機狀態監測

溫溼度監測、

漏水監測

DDC控制器

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21 能耗分項計量是進行能源節約、實現能源精細化管理的關鍵,也是進行建築能耗診斷、節 能潛力判斷、節能改造方案確定的必要舉措。但目前許多建築物沒有分項計量功能,難以實現 能耗精細化、全面化能源管理,因而實現能耗分項計量是建構建築能源管理平臺很重要的需求。 分項計量首先需要安裝分項計量裝置,按電、水、油、氣等能源形態分類後,再根據不同的能 源用途和用能區域進行分項計量,也可以根據實際需要對能耗情況進行分時段的計量,如圖 3-5 所示。分項資料傳輸到能源管理平臺後,可以實現對能耗設備運行狀況即時監測;根據分項資 料不同辦公區域或者不同時段的能耗比較,可以準確詳細地掌握一個單位或系統的能源消費結 構,對建築存在的節能潛力做出診斷;在此基礎上,提出節能改造方案。

圖 3-4 BEMS框架結構下的分項計量系統

(資料來源:本研究繪製)

INTERNET BMS服務器 數據庫服務器 WEB服務器 大螢幕顯示 數據採集器 管理層 網路層 現場層 數據調用 數位電表 數位水表 數位氣表 數位熱冷量表

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圖 3-5 建築物中能源分類

(資料來源:本研究繪製)

建築物中的各種能源 電力 建築能耗、水耗總量 常規能耗總量 特殊區域能耗總量 水耗 熱力 化石燃料 水耗 其他 空調 通風 系統 能耗 採暖 系統 能耗 照明 系統 能耗 室內 設備 系統 能耗 綜合 服務 系統 能耗

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第二節 應滿足的基本要求

首先必須先瞭解分項計量系統應具備哪些功能?,如此才能根據要實現的功能,確定分項計 量的系統形式、計量要求等。從建築節能的角度,對分項計量系統的期望,不外乎希望它能具 備以下功能: 1、節能管理平臺:做為節能管理平臺是分項計量系統最重要的核心功能。分項計量這套系 統最重要的特徵是要能實現按照終端用能類型區分和採集各設備系統的能耗資料,以便衡量各 設備系統的實際用能水準。同時,為了對比不同建築各設備系統的用能水準,分項能耗資料必 須具有統一(或稱一致)性的定義,並遠端傳輸到資料中心。儘管全年累計能耗資料或許可滿足 節能管理的基本要求,但按照經驗,資料獲取的頻率仍應取 1 小時。 2、輔助節能診斷:逐時的分項耗能數據能為專業的節能診斷分析提供了大量的資訊。好好 運用和分析這些資料,有利於從技術層面對節能工作起到直接的推動作用。這種技術層面產生 的節能效果,加上管理層面的配合對節能產生的加乘效果,有時甚至會遠遠超過預期。除了與 過去耗能資料的自我評價外,現代的節能診斷越來越重視對比評價的作用。所謂對比評價就是 在多個建築之間比較各設備系統的用能水準。為了得到更多的資訊,以方便進行更多設備的對 比評價,所以希望分項計量盡可能細緻劃分耗能資料。為了反映設備系統的運行狀況,資料獲 取頻率應取 1 小時。 3、衡量節能改造效果:可從節能改造前後的計量資料,獲得基準值和改造結果,從而準確 量化節能改造效果。為了更準確的衡量節能改造的效果,對分項計量系統的要求希望盡可能細 緻劃分耗能資料。 4、分戶(或分區)計量:分戶計量是指對建築公共服務系統(通常包括中央空調、公共照明、 電梯、給排水系統等)以外的耗能,按照使用者或區域的不同分別計量。實現分戶計量,有利於 建築管理者實施內部管理,也是傳統建築能耗管理系統的一項重要功能。為滿足計量收費要求, 資料獲取頻率應取 1 個月是對分戶計量系統的通常要求。 5、記錄配電支路供電品質參數:監控各配電支路包括功率因數、諧波等供電品質的參數, 可利於分析變、配電系統的節能潛力。因此希望分項計量系統的計量表應具備採集功率因數、 諧波等與供電品質有關的參數的功能。 6、即時遠程監控:遠端監控設備系統運行情況,實現故障報警等一系列自控系統功能。所 以分項計量系統計量採集具備即時性,與建築自身的自動控制系統相結合。 對比上述各種功能,並匯總如表 3-1 所示。若不考慮計量難度和成本的前提下,理論上, 只要計量設備足夠強大,必然能夠同時滿足上述所有的功能需求;然而在實際工程應用中,為

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了實現某些功能可能會大大的增加計量系統的建設成本和施工難度,此時必須做出取捨。所以, 本研究在表 3-1 中將前述功能需求區分為必要實現的功能(節能管理平臺)、可以兼顧的功能(節 能診斷、以及衡量節能改造效果)和不應考慮的功能(分戶計量、記錄配電支路供電品質參數、 以及即時遠端監控)。解釋如下:

表 3-1 各種監測系統計量要求比較

功能編號與名稱 是否需有統 一定義的分 項能耗 是否需遠端 傳輸到資料 中心 數據採集 時間間隔 特殊要求 分項計量 中的角色 1、節能管理平臺 是 是 小時 --- 必須實現 2、輔助節能診斷 是 是 小時 盡可能細緻劃分 可以兼顧 3、衡量節能改造效 果 否 否 --- 盡可能細緻劃分 可以兼顧 4、分戶(分區)計量 否 否 月 分戶或分區計量 不應考慮 5、記錄配電支路供 電品質參數 否 否 --- 多功能計量表 不應考慮 6、即時遠程監控 否 是 即時 與監控系統結合 不應考慮

(資料來源:本研究繪製)

1、必須實現的功能:編號 1 的節能管理平臺是分項計量系統必須實現的核心功能,這就要求分 項計量系統至少以「小時」為間隔採集「統一定義的分項能耗資料」,並「遠端傳輸到資料 中心」。 2、可以兼顧的功能;系統應首先滿足節能管理平臺的要求,在預算允許的條件下兼顧輔助編號 2 的節能診斷和編號 3 的衡量節能改造效果的要求,一般不應考慮編號 4 的分戶計量的要求。 原因如下:  從計量要求上看,相對於編號 1 的功能,編號 2~4 的功能並沒有提高分項計量系統 對硬體平臺的要求。所以,基本上是可以在同一個硬體平臺上實現編號 1~4 的功能, 具體區別在於因為不同要求功能的計量方案中計量表安裝的數量、位置會不同;編號 2 與編號 1 功能的區別在於對分項的細緻程度要求更高,甚至需要屬於同一分項的不 同設備各自的能耗資料。實際上,只要實現了編號 1 的功能,就初步實現了編號 2

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25 的功能;可在實現編號 1 功能的基礎上,適當增加計量表的數量,以加強屬於編號 2 的功能。  編號 3 功能的計量要求是編號 2 功能的子集,只要能實現編號 2 功能,也能實現編號 3 功能。  從意義上看,輔助節能診斷具有重要的節能應用價值,應優先考慮;而分戶計量主要 服務於建築內部的管理,屬於傳統 BMS 功能的範疇,不應作為分項計量系統的基本 功能。 3、不應考慮的功能:記錄配電支路供電品質參數(編號 5)和即時遠端監控(編號 6)不宜作為分項 計量系統的功能,原因如下:  從計量表類型來看,要滿足編號 1~4 的功能均只需要安裝具有資料傳輸功能的有功電 度表,這種表的價格低廉,而要滿足編號 5 功能則需要安裝價格高昂的多功能電錶, 兩種表的價格相差近 10 倍。  從傳輸資料的間隔來看,編號 1~4 功能要求的資料獲取時間間隔為「小時」,而編號 6 功能要求的「即時」,這使得資料傳輸、儲存的難度大大提高。即時監控應該是在 BEMS 本體中實現的功能,不應作為分項計量系統平臺的功能。  最重要的一條原因,即使實現了這兩項功能,對公共建築節能管理水準提高的意義也 並不明顯。 綜合以上的討論,充分說明瞭分項計量系統應具備作為公共建築「節能管理平臺」的核 心功能,同時應兼顧「輔助節能診斷」和「衡量節能改造效果」的功能。為了實現上述功能, 分項計量系統應滿足以下基本要求: 1、以統一定義的能耗分類模型作為採集能耗資料的要求; 2、具備資料遠傳功能,集中各個建築的分項能耗資料到資料中心; 3、以小時為間隔採集能耗資料。

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第三節 能耗分類的原則

廣義的分項計量應包括電力、熱水、瓦斯等所有建築輸入能源。實際上,除電力以外的能 源往往用途單一,不需要研究專門的計量方法;而電力用途廣泛、配電系統結構複雜,實現分 項計量具有特殊的重要意義。因此,狹義的分項計量特指電力的計量,這也是本研究的研究對 象,所以後續的章節僅就電力計量說明。 建築用電通常可分為幾個基本類型,每個類型又可分為幾個子類,若以樹狀結構給出各用 電類別之間的關係,則每個節點代表一類用電設備,最末端的節點稱為「基礎節點」,其餘節點 稱為「複合節點」,所有用電節點及其拓撲關係構成了用電資料分類模型。以圖 2-6 為例,圖中 最底層的標示負載 1.1、負載 1.2、負載 1.3、負載 2.1 以及負載 2.2 的節點皆位於各支路的最末 端,所以它們是用電資料分類模型的基礎節點,而標示支路 1、支路 2 以及變壓器出口的節點 則屬於複合節點。

圖 3-6 電資料分類模型中的用電節點及其拓撲關係

(資料來源:本研究繪製)

對公共建築的用電設備進行分類,是分項計量的基礎和關鍵。分項計量工程中的用電設備 分類原則須遵循功能上的可比性、易用性兩大原則,和形式上的完備性、適應性兩大原則。功 能上的原則使分類模型能夠滿足分項計量的兩個根本目的(能管理平臺和輔助節能診斷),形式 上的原則使分類模型能夠與實際設備種類、實際配電系統相適應。公共建築能耗分類原則及相 互關係如圖 3-7 所示。 變壓器出口 總表 支路1 計量表 支路2 計量表 負載 1.1 負載 1.2 負載 1.3 負載 2.1 負載 2.2

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圖 3-7 公共建築能耗分類原則及相互關係

(資料來源:本研究繪製)

可比性:可比性是指不同建築的分項能耗資料必須具備橫向對比的可能性。可比性是實現 公共節能管理平臺功能的必要條件之一。為了實現“可比性”,需要在眾多的用能設備中尋找 共性,並建立抽象的分類模型。用能設備有多種屬性,例如功能用途、服務物件、運行管理者 等,通常把功能用途作為能耗分類的主要依據。按照功能用途(或稱終端用電類型)劃分,或 許具體名稱有區別,一般將公共建築的用電設備分為四大類:空調通風、照明插座、動力設備、 特殊設備。同一類設備按照功能用途的差異又可以細分為若干子類。例如照明插座可分為照明 和插座。各分類模型的區別主要體現在子類劃分的方法上。為實現可比性,不一定需要進行多 麼細緻的劃分;以上三種分類模型都沒有違背可比性原則。設備中用電不具備可比性通常被列 為特殊功能設備,所以除了特殊用途設備以外的每一個用電節點都應具備可比性。 易用性:無論是節能管理領域還是節能診斷領域的應用,都希望分項計量系統能夠提供滿 足應用需求的資料,如果一個分類模型能夠滿足多種應用需求,則表示稱該分類模型具有較好 的易用性。易用性原則通常要求分類模型儘量的細分。在分類模型設計中考慮易用性原則,主 要的困難在於資料應用需求的多種多樣。一方面,為了滿足某些應用需求,可能會違反可比性 原則或完備性原則;另一方面,不同的應用所要求的分類方法可能是互斥的。 完備性:用電分類是一種物件導向的應用,必須保證所有的用電設備都能在分類模型中找 到所對應的唯一基礎節點。多數用電系統相對簡單,通常不會違背此項原則。唯有空調通風系 統和特殊功能設備這兩類設備在設計分類能耗模型時需要特別注意。針對空調通風系統設備必 須充分考慮該系統具有的特殊複雜結構關係,將各類設備都涵蓋進來;而針對特殊功能設備, 則需要給出清晰明確的定義,以與常規的用電設備區別。如此這般才能完成這兩類系統的完備 性設計。 可比性 矛盾 易用性 完備性 適應性 形 式 上 的 原 則 功 能 上 的 原 則 矛盾

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適應性:由於實際配電系統結構複雜,直接計量所有的基礎節點難度很大,但如果分類模 型設計得當,有些複合節點可在大多數建築中實現直接計量。譬如,在實際配電系統中,往往 照明和插座混合供電此時直接計量照明或插座用電的難度很大,但計量照明+插座用電的難度則 降低了很多;因此,應朝設置照明+插座的複合節點方向規劃,而非去設計照明和插座的各自基 礎節點。另外一個例子是飲水機,飲水機的用電在辦公建築總用電量中的占比亦不可忽略,理 論上應該被列入特殊用電設備。但實際配電系統中,多數情況下,飲水機都是和照明插座設備 共同配電,很少有獨立配電的情況,考慮適用性原則,應將電開水器能耗節點設為一般照明插 座設備的下級節點,而不是歸入特殊用電設備。 事實上,這些分類原則之間如圖 3-7 所示彼此之間存在著矛盾。我們用底下這一個經常發 生的案例來解釋這些分類原則在工程應用中出現矛盾的情況。在多數的建築中的風機盤管與室 內照明、插座設備是採用混合配電。如果採用只設置混合配電的複合節點,這種合併雖然照顧 到了適應性原則,卻違背了最重要的可比性原則,因為將難以找到建築總能耗以外的節點與採 用全空氣系統建築的空調能耗比較。簡言之,由於這些分類原則彼此之間存在著矛盾,這就決 定了不可能存在最優、最佳的用電資料分類模型,只有在各種原則之間取得平衡,設計出儘量 合乎需求、合理的分類模型。所以,在實際工程中分項計量系統採用的用電分類模型並不相同, 由簡單到複雜,大致上可分為如下的有代表性的三種類型: 第一種類型:在分類模型中未給出明確的分類原則,其分類方法簡單易行,如表 3-2 所示 第二種類型:根據 (1)簡單清晰便於分析,和(2)考慮資料的採集是否能夠滿足分項模型的 要求這兩項原則而提出的公共建築用電分類。圖 3-8 是該類型的代表模型。 第三種類型:根據底下三個原則提出的建築用電分類。其代表性模型如圖 3-9。 1、功能性:按照終端用能設備的不同功能用途進行劃分; 2、通用性:每一個設備都能在能耗模型中的某個末端節點中找到; 3、可比性:使服務於同一功能的不同形式的設備系統能夠在這個能耗模型中進行橫向比 較。

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表 3-2 未給出明確原則的用電分類模型

一級子項目 二級子項目 照明插座用電 照明和插座用電 走廊和緊急照明用電 室外景觀照明用電 空調用電 冷熱水機房用電 建築總用電 空調末端設備用電 動力用電 電梯用電 抽水泵用電 排風機用電 特殊用電 資訊中心、洗衣房、餐廳廚房 游泳池、健身房或其它特殊用電

(資料來源:參考文獻[51])

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圖3-8 基於二原則的用電分類模型

(資料來源:參考文獻[52])

建築總用電 照明設備系統用電 動力設備系統用電 空調系統用電 特殊區域系統用電 其 他 特 殊 用 電 洗 衣 房 等 用 電 廚 房 烹 飪 用 電 信 息 中 心 用 電 室內 照明 用電 室內 插座 用電 公共 區域 照明 用電 室內 照明 插座 用電 室外 建築 照明 用電 電梯 系統 (客 梯、 貨 梯、 消防 梯) 除空 調和 消防 以外 通風 機系 統用 電 除空 調系 統和 消防 之外 所有 水泵 集中系統用電 非集中空調系統 冷站系統用電 空調末端用電 冷卻 塔用 電 二次 循環 泵用 電 冷凍 機用 電 冷卻 水泵 用電 冷凍 水泵 用電 全空 調機 組用 電 新風 機組 用電 風機 盤管 用電 空調 區域 排風 機

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圖3-9 基於三原則的用電分類模型

(資料來源:參考文獻[53])

建築總用電 暖通空調 照明 非 本 建 築 用 電 夜 景 照 明 租 戶 照 明 公 共 區 域 照 明 冷熱源和室內側輸配系統 分離式空調 空調冷熱源 室內側輸配系統 排 風 熱 回 收 設 備 給排水系統 信息中心 廚房設備 消防系統 飲 水 機 電 梯 插 座 設 備 消 防 水 泵 消 防 排 煙 專 用 風 機 廚 房 專 用 風 機 廚 房 烹 調 設 備 專 用 空 調 訊 息 中 心 信 息 設 備 中 水 泵 排 汙 泵 自 來 水 加 壓 生 活 熱 水 泵 水 處 理 設 備 及 定 壓 補 水 泵 冷熱源和室內側輸配系統 一體式空調 牆體結構控制 可 控 牆 體 結 構 通 風 遮 陽 系 統 牆 體 結 構 加 熱 風 幕 機 溶 液 除 濕 機 組 V R V 空 調 分 體 空 調 電 採 暖 設 備 主機和室外側輸配系統 分離式冷熱源 主機和室外側輸配系統 一體式冷熱源 自 然 冷 熱 源 輔 助 電 熱 源 熱泵 機組 風冷 式 冷泵 機組 風冷 式 冷熱源主機 室外側輸配系 單冷 主機 單熱 主機 冷熱 兩用 主機 室外 側水 泵 室外 側風 機 室內側水泵 室內側風機 主機循環水泵 二次泵及加壓泵 換熱循環泵 通風換氣風機 溫溼度控制風機 通風與溫溼度 控制兩用風機 全新 風機 組 全空 氣機 組 全回 風機 組 風機 盤管 排風 機 新風 機 冷 熱 兩 用 換 熱 循 環 泵 供 熱 兩 用 換 熱 循 環 泵 供 冷 兩 用 換 熱 循 環 泵 冷 熱 兩 二 次 泵 及 加 壓 泵 供 熱 專 用 二 次 泵 及 加 壓 泵 供 冷 專 用 二 次 泵 及 加 壓 泵 冷 熱 兩 用 主 機 循 環 水 泵 供 熱 專 用 主 機 循 環 水 泵 供 冷 專 用 主 機 循 環 水 泵

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第四節 推薦的建築用電計量分類模型

我國綠建築標章中的日常節能指標,實際上是一批能耗指標的集合,如果將它細分,其實 它包括照明系統、空調冰水機群、空調送風系統(含空調箱風機、外氣空調箱風機、風機盤管的 風機)、空調送水系統(含冰水泵和冷卻水泵)、以及冷卻水塔系統的能耗指標。本研究在考慮日 常節能指標體系的應用,以前一節提及的第二種分類模型為基礎進行了改進,推薦了適合台灣 綠建築的用電分類模型,如表 2-3 所示。該分類模型把公共建築的用電模型在建築總用電之下, 按照明插座、空調通風、動力設備和特殊設備劃分為四項一級子項用電,其中照明插座、空調 通風和動力設備等三項在所有大型公共建築是必要的用電,所以將其列為常規用電。資訊中心、 廚房餐廳等並非每一棟公共建築都會有的設施或設備,故將其列為特殊用電。 該用電分類模型包括 27 個節點,其中基礎(二級子項)節點 19 個,複合(總用電及一級子項) 節點 8 個。各用電節點的定義說明如下:  建築總用電:電建築物自身在低壓側實際消耗的總電量。  照明插座:包括室內照明、插座設備和景觀照明等。  室內照明:建築物內部的一般照明燈具。  插座設備:建築中直接從插座接電的電器設備,包括電腦、印表機、影印機、傳真機、 飲水機、電視機、電冰箱等,但不包括資訊中心設備和廚房設備。  景觀照明:建築物立面夜間裝飾用、招牌用的照明燈具。  空調通風:為建築物自身服務而採用的所有中央式或個別式暖氣、通風、空調設備, 包括各種熱源主機、輸送設備和末端設備,但不包括資訊中心和廚房的專用空調、風 機等。  熱源主機:包括冷水機組、熱泵機組等。  冷卻水泵:將熱源主機產生的廢熱輸送到冷卻水塔的水泵設備  冰水泵:用於輸送熱源主機產生的冰水的水泵,包括一次水泵及二次水泵等。  空調箱:包括一般空調箱和外氣空調箱的風機  風機盤管:風機盤管中的小型風機。  個別空調機:包括窗型冷氣機、分離式冷氣機、箱型冷氣機等。

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33  停車場風機:包括停車場的進風和排風風機。  動力設備:包括電梯、給排水系統。  電梯:建築物中所有電梯,包括貨梯、客梯、消防梯、扶梯等。  給排水系統:生活水泵、排汙泵、生活熱水泵、中水泵等給排水水泵及水處理設備。  資訊中心:資訊機房中的資訊設備及其附屬設備(如專用空調)。  資訊設備:資訊中心的主要功能設備,如電腦、交換機等。  資訊中心專用空調:專門為資訊設備提供冷卻服務的空調設備。  廚房設備:廚房中的烹飪用電設備及其附屬設備(如專用空調、專用新風機、排風機 等)  廚房烹飪設備:直接為烹飪服務的設備,包括各種電熱設備、冰箱、洗碗機、消毒櫃 等。  廚房空調、風機:專門為廚房提供空調、通風服務的空調機組、新風機、排風機等。  其他特殊用途設備:不同於資訊中心、廚房餐廳常見設備之用途特殊設備,且用電集 中的專用設備及其附屬設備,包括生活熱水電熱源、洗衣房設備、游泳池電熱設備、 醫院的大型醫療設備及大型電熱蒸汽消毒櫃等等  非本建築用電:某些設備並不屬於本建築內設備(如戶外噴水池,路燈等),基於配電 方便或某些原因,其用電接在建築物自身的低壓側。

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表 3-3 適合台灣綠建築的用電分類模型

一級子項名稱 二級子項名稱 建築總用電 常規用電 照明插座 室內照明 插座設備 夜景照明 空調通風 機房設備 冰水機組 冰水泵 冷卻水泵 冷卻水塔 熱水設備 末端設備 空調箱 風機盤管 個別空調機 停車場風機 動力設備 電梯 給排水泵 特殊用電 資訊中心 資通訊設備 專用空調設備 廚房 烹飪設備 專用空調通風設備 其他特殊用途設備 非本建築用電

(資料來源:本研究繪製)

該用電分項模型具有底下特點:  能耗分項模型按照用能系統進行劃分,模型層次簡單,易於理解;  此模型的原則是在考慮實際電氣設計標準基礎之上儘量利用原有電氣設計思路,儘量 避免人為的進行能耗拆分,保持資料的準確性。  此模型便於制定合理的分析指標。建築的能耗分為四大部分,各部分的能耗影響因素 差別各異,不宜統一為相同的影響參數,按照目前的指標,照明系統涉及範圍為整棟 大樓,單位面積指標應該按照建築面積更為合理;空調系統涉及到有中央空調的地方, 因此不宜把一些區域包括在內,在指標的計算時應該按照空調面積更為合理。  此模型能夠把公共建築中兩大用電系統(空調和照明)的用電拆分清楚,清晰能耗情 況,易於分析節能潛力。

數據

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參考文獻