智慧化居住空間能源管理系統整合應用計畫

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(1)智慧化居住空間能源管理系統整合應用計畫. 內政部建築研究所委託研究報告中華民國九十六年十二月.

(2) 智慧化居住空間能源管理系統整合應用計畫. 執行單位：中華民國建築學會研究主持人：楊冠雄教授研究助理：李振綱、梁正穎、洪鑫英. 內政部建築研究所委託研究報告中華民國九十六年十二月.

(3) 目次. 目次表次 ··········································································································· III 圖次 ············································································································· V 摘. 要 ······································································································ XV. 第一章緒. 論···························································································· 1. 第一節智慧化居住空間能源管理系統發展之緣起與背景········ 1 第二節研究動機與目的 ······························································· 2 第三節 HEMS 之研究方法與過程 ··············································· 4 第二章. 國內外之 HEMS 發展現況分析··············································· 7. 第一節台灣目前 HEMS 之發展現況分析 ·································· 7 第二節韓國目前 HEMS 之發展現況分析 ································ 13 第三節日本目前 HEMS 之發展現況分析 ································ 18 第四節國際間 HEMS 系統通用之通訊協定 ···························· 45 第三章. 建構智慧化居住空間之原型（PROTOTYPE） ················· 59. 第一節美國 X-10 無線式系統之建置 ······································· 59 第二節國際間通用之 ZIGBEE 無線式系統之建置 ···················· 78 第三節國際間通用之有線遠端遙控系統 BACNET 及 LONWORKS. I.

(4) 智慧化居住空間能源管理系統整合應用計畫. 之應用分析·················································································· 103 第四節 SENSOR-BASED 有線系統之建置 ·································· 124 第四章結論及建議················································································ 135 第一節結論··············································································· 135 第二節建議··············································································· 137 附錄 1 ······································································································· 141 附錄 2 ······································································································· 143 參考文獻·································································································· 149. II.

(5) 表次. 表次表 2-1 CO2 減量政策的指導方針……………………………………...19 表 2-2 2040 年家庭省能 CO2 減量目標 .................................................19 表 2-3 家庭省能設備一覽表 ..................................................................20 表 2-4 EL Quest 導入 HEMS 系統設備表..............................................24 表 2-5 EL Quest 對於 HEMS 系統之改良功能表..................................25 表 2-6 三菱電機 HEMS 空調自動控制系統導入省能比較表.............34 表 2-7 照明自動開關控制省能比較表 ..................................................35 表 2-8 電熱水器效能提昇及節能措施實施省能比較表......................35 表 2-9 節能措施導入之後電熱水器省能趨勢圖..................................35 表 2-10 三菱電機 HEMS 系統整體節約能源比較圖...........................36 表 2-11 全球主要數位家庭標準聯盟 ....................................................56 表 3-1 建築物居住類型空間逐日用電需量表 ......................................72 表 3-2 建築物居住類型空間逐日用電度數表 ......................................72 表 3-3 建築物居住類型空間用電度數與 EUI 統計表 .........................75 表 3-4 建築物居住類型空間用電需量與 DUI 統計表.........................76 表 3-5 IEEE802.15.4 各頻帶比較 ..........................................................80 表 3-6 建築物居住類型空間用電需量表 ..............................................99 表 3-7 建築物居住類型空間用電度數表 ..............................................99 III.

(6) 智慧化居住空間能源管理系統整合應用計畫. 表 3-8 BACnet 下五種業界常用的標準協定.......................................104 表 3-9 各家廠商對於 BACnet 及 Lonworks 兩種協定的比較 ..........114 表 3-10 南部某兒童育幼院 95 年、96 年同期逐月用電度數比較表120 表 3-11 南部某兒童育幼院 95 年、96 年同期逐月用電需量比較表 120 表 3-12 建築物辦公類型空間逐日用電需量表 ..................................129 表 3-13 建築物辦公類型空間逐日用電度數表 ..................................129 表 3-14 建築物辦公類型空間用電度數與 EUI 統計表 .....................132 表 3-15 建築物辦公類型空間用電需量與 DUI 統計表.....................133. IV.

(7) 圖次. 圖次圖 1-1 日本地區於 2001 年~2003 年間民間導入 HEMS 之省能效果統計...................................................................................................3 圖 1-2 日本北海道地區導入 HEMS 系統與否之住戶耗能差異分析圖 .......................................................................................................4 圖 1-3 典型之 HEMS 系統架構 ...............................................................5 圖 1-4 三菱株式會社建構之 HEMS 控制系統.......................................5 圖 2-1 智慧型電能管理網路研發架構圖 ................................................8 圖 2-2 電力系統應用技術研發產品與技術關聯圖................................9 圖 2-3 整合式電力集中控制優勢圖 ........................................................9 圖 2-4 電力線載波自動讀錶系統架構 ..................................................10 圖 2-5 家庭自動化能源管理系統操作介面 ..........................................11 圖 2-6 家庭自動化能源管理系統之能源使用趨勢圖..........................11 圖 2-7 家庭自動化系統示意圖 ..............................................................12 圖 2-8 Homevita 所追求之目標 ..............................................................15 圖 2-9 透過網路、手機可輕易控制家電設備及掌握家中現況..........15 圖 2-10 LnCP 的基本架構.......................................................................17 圖 2-11 符合 LnCP 之家電設備均可整合在一起使用..........................17 圖 2-12 無所不在的網路社會對 CO2 減量的執行目標 .......................21. V.

(8) 智慧化居住空間能源管理系統整合應用計畫. 圖 2-13 HEMS 系統架構於無所不在的網路上架構圖.........................21 圖 2.14 積水房屋株式会社提出的 HEMS 基本架構 ...........................22 圖 2-15 多家廠商參與 NEDO 之研究進度表.......................................23 圖 2-16 EL Quest 株式會社建構之 HEMS 系統圖................................26 圖 2-17 EL Quest 針對 HEMS 資料管理系統建構系統，透過既有網路、電力線以及 PHS 等通訊方式來進行 HEMS 資料傳輸 ..........27 圖 2-18 CO2 排放減量率分布圖..............................................................28 圖 2-19 CO2 排放減量實積......................................................................28 圖 2-20 HEMS 系統逐月系統省能比例趨勢圖.....................................29 圖 2-21 松下電器發展人性化操控介面 ................................................29 圖 2-22 日本積水房屋株式会社建構之 HEMS 基本架構圖...............30 圖 2.23 積水房屋株式会社對於實驗住戶進行用電情形調查趨勢圖 30 圖 2-24 積水房屋株式会社之 HEMS 對暖房進行不在控制的控制示意圖 ...............................................................................................31 圖 2-25 積水房屋株式会社之 HEMS 進行住戶實驗暖房不在控制省能趨勢圖 .......................................................................................31 圖 2-26 積水房屋株式会社之 HEMS 機器構成圖...............................32 圖 2-27 積水房屋株式会社之省能比較圖 ............................................32 圖 2-28 三菱電機建構之 HEMS 系統架構圖.......................................33. VI.

(9) 圖次. 圖 2-29 2002、2003 年度三菱電機 HEMS 空調自動控制系統導入省能趨勢圖.........................................................................................34 圖 2-30 三菱電機家庭自動控制省能設備 HEMS 系統架構圖...........36 圖 2-31 東邦瓦斯 GHP 遠端監控系統及資料回報系統......................37 圖 2-32 東邦瓦斯建立之監控回報系統架構圖 ....................................38 圖 2-33 東邦瓦斯建立遠端監控的室內設備系統圖............................38 圖 2-34 東邦瓦斯建立 GHP 的運轉監控系統已回資料回報系統架構 ...................................................................................................39 圖 2-35 東邦瓦斯進行小型發電機導入 HEMS 系統供應家庭用電及熱水試驗.........................................................................................39 圖 2-36 四国電力建構之電力回報網路系統 ........................................40 圖 2-37 四国電力建構 HEMS 家庭電力管理系統以及系統資料回報系統.................................................................................................41 圖 2-38 四國電力 HEMS 系統之用電報表...........................................41 圖 2-39 四國電力 HEMS 系統電器使用情形逐時趨勢圖...................42 圖 2.40 透過遠端監控系統以及即時資料回報，對室內冷暖器進行即時須負載自動升溫、降溫控制，再對室內的居住者調查其舒適度。.........................................................................................42 圖 2-41 自動升、降溫，對冷暖房使用者的舒適度調查....................43 圖 2-42 自動升、降室內溫度對於電力消耗的節能比例....................43 VII.

(10) 智慧化居住空間能源管理系統整合應用計畫. 圖 2-43 透過自動控制來讓室內達到理想舒適度................................44 圖 2-44 將 ECHONET 導入 HEMS 系統 ..............................................44 圖 2-45 消耗能源率趨勢比較圖 ............................................................46 圖 2-46 65 歲以上老人同居或別居的型態趨勢圖................................46 圖 2-47 ECHONET 基本架構圖 .............................................................47 圖 2-48 ECHONET Network 系統架構圖 1 ..........................................48 圖 2-49 ECHONET Network 系統架構圖 2 ...........................................48 圖 2-50 以 ECHONET 技術為基礎建構完整生活機能網路 ...............50 圖 2-51 簡單的 DLNA 設備互相連絡...................................................51 圖 2-52 DLNA 傳輸架構層簡圖 .............................................................52 圖 2-53 DLNA 簡易基本網路架構圖.....................................................52 圖 2-54 透過 DLNA 連皆由電視讀取電腦內的影片...........................53 圖 2-55 UPnP 基本架構圖.......................................................................54 圖 2-56 UPnP 裝置在家電產品與電腦產品之間的應用範例 ..............55 圖 3-1 HEMS 控制機制發展現況 ...........................................................59 圖 3-2 X-10 系統利用舊有電力線來組成控制迴路..............................60 圖 3-3 X-10 PalmPad Remote Control.....................................................62 圖 3-4 Active House Pro 2-Way Pc Interface ...........................................63 圖 3-5 Activehome Two Way Lamp Module............................................63. VIII.

(11) 圖次. 圖 3-6 Power House Eagle Eye Motion Sensor .......................................64 圖 3-7 X-10 系統簡易控制圖..................................................................65 圖 3-8 實驗空間之 X-10 系統架構圖....................................................66 圖 3-9 本實驗空間實景 ..........................................................................67 圖 3-10 簡易的 X-10 設備安裝..............................................................68 圖 3-11 Eygle Eye 簡易的安裝於入口門上............................................68 圖 3-12 X-10 之 ActiveHome Professional Software 軟體設定，接收器之設定.........................................................................................69 圖 3-13 可以透過軟體發送訊號來控制設備啟停................................70 圖 3-14 建立簡易的使用時程 ................................................................70 圖 3-15 X-10 之無線遙控器，左為 2 channel，右為多 channel。......71 圖 3-16 建築物居住類型空間之總用電需量趨勢圖............................73 圖 3-17 建築物居住類型空間之用電比例分布圖................................73 圖 3-18 建築物居住類型空間之空調用電趨勢圖................................74 圖 3-19 建築物居住類型空間之照明用電趨勢圖................................74 圖 3-20 建築物居住類型空間之插座用電趨勢圖................................75 圖 3-21 建築物居住類型空間逐日 EUI 柱狀圖 ...................................76 圖 3-22 建築物居住類型空間逐日 DUI 柱狀圖...................................77 圖 3-23 IEEE 802.15.4 和 ZigBee 的工作模型 ......................................78. IX.

(12) 智慧化居住空間能源管理系統整合應用計畫. 圖 3-24 ZigBee 可應用於消費性電子控制、資訊週邊、家電控制、工廠監控、醫療保健、建築物自動化等.....................................79 圖 3-25 PPDU 由 SHR、PHR 和 PSDU 所組成....................................80 圖 3-26 Coordinator to Device 的資料傳輸模式 ....................................81 圖 3-27 Device to Coordinator 的資料傳輸模式 ....................................82 圖 3-28 星形拓墣：由協調者直接控制終端設備................................84 圖 3-29 叢集型拓墣：協調者藉 FFD 裝置控制終端設備所下達指令是透過階級方式傳輸.....................................................................84 圖 3-30 網狀拓墣：網路透過 FFD 來擴展就架構來看是採取 peer to peer 的連接 .................................................................................85 圖 3-31 NEC 家庭應用架構圖強調防犯用途、空調控制、火災感知和使用量管理等四個項目。.........................................................87 圖 3-32 ZigBee 實機試驗系統架構圖 ....................................................88 圖 3-33 將電錶紀錄的數值透過 GPRS 和 Internet 傳送至電力中心。 .....................................................................................................89 圖 3-34 當患者進入 ZigBee 的感測位置時，即可從電腦上得知患者的所在位置。.................................................................................89 圖 3-35 ZigBee 可掌握實際狀況，提高救援的效率。 ........................90 圖 3-36 量測微小電壓電流之設備 ........................................................91 圖 3-37 實驗設備架構圖 ........................................................................91 X.

(13) 圖次. 圖 3-38 監測之紀錄軟體 .........................................................................92 圖 3-39 ZigBee 無線模組 ........................................................................92 圖 3-40 ZigBee 與電腦做連結 ................................................................93 圖 3-41 透過「超級終端機」能使兩組 ZigBee 進行傳輸 ..................93 圖 3-42 電壓/電流顯示器 .......................................................................94 圖 3-43 將量測之數值透過 ZigBee 傳輸 ..............................................94 圖 3-44 由 ZigBee 無線模組與電壓/電流顯示器組成之數位電錶.....94 圖 3-45 由 ZigBee 無線模組與控制器組成之 ZigBee 接收裝置 ........95 圖 3-46 實驗設備架構圖 ........................................................................95 圖 3-47 將冷氣接上 ZigBee 數位電錶進行量測 ..................................96 圖 3-48 ZigBee 數位電錶測得之瞬間電壓、電流、需量及累計用電度數.................................................................................................96 圖 3-49 ZigBee 接收裝置之實際架構 ....................................................97 圖 3-50 透過網路連接可進行遠端監控 .................................................97 圖 3-51 ZigBee 接收裝置之遠端監控介面 ............................................97 圖 3-52 監控介面顯示之即時用電趨勢圖 ............................................98 圖 3-53 建築物居住類型空間之總用電需量趨勢圖..........................101 圖 3-54 建築物居住類型空間之用電比例分布圖..............................101 圖 3-55 建築物居住類型空間之空調用電趨勢圖..............................101. XI.

(14) 智慧化居住空間能源管理系統整合應用計畫. 圖 3-56 建築物居住類型空間之照明用電趨勢圖..............................102 圖 3-57 建築物居住類型空間之插座用電趨勢圖..............................102 圖 3-58 BACnet 的簡化網路協定 ........................................................104 圖 3-59 BACnet 物件資料傳輸程序 .....................................................105 圖 3-60 以 BACnet 為標準通訊協定之 BEMS 通訊系統架構..........106 圖 3-61 BACnet 協定在 1996 年美國冷凍空調展所建立的示範控制網路...............................................................................................107 圖 3-62 應用 BACnet 通訊協定將建築管理、安全、監控、消防…等管理系統整合之系統架構圖...................................................107 圖 3-63 Neuron 網路控制晶片功能圖 ..................................................109 圖 3-64 LonWorks 系統可以將不同網路整合 .....................................110 圖 3-65 系統總體架構 ..........................................................................111 圖 3-66 LonWorks 基本系統架構 .........................................................112 圖 3-67 分層式協定架構 ......................................................................115 圖 3-68 改善前行政大樓之負荷評估計算結果 ..................................116 圖 3-69 南部某兒童育幼院使用之多連式系統架構圖......................116 圖 3-70 兒童之家監控系統頁面 ..........................................................117 圖 3-71 藉由網際網路對遠方主機進行控制之架構圖......................117 圖 3-72 室外機實體 ..............................................................................118. XII.

(15) 圖次. 圖 3-73 室內各區域之主機 ..................................................................118 圖 3-74 監控軟體-遠端遙控..................................................................119 圖 3-75 監控軟體-時程控制..................................................................119 圖 3-76 南部某兒童育幼院 95 年、96 年同期逐月總用電需量趨勢圖 ...................................................................................................121 圖 3-77 南部某兒童育幼院 95 年、96 年同期逐月總用電度數比較圖 ...................................................................................................122 圖 3-78 南部某兒童育幼院 95 年、96 年同期逐月空調用電度數比較圖 ...................................................................................................122 圖 3-79 CQi center 與電腦架構之比較圖.............................................124 圖 3-80 CQi center 可透過 RS485 或乙太網路與設備溝通 ...............125 圖 3-81 本次實驗設備之負載控制器與電流感測器..........................125 圖 3-82 實驗設備架構圖 ......................................................................126 圖 3-83 實驗所用之紀錄軟體，按下 Start 即可開始紀錄 ................126 圖 3-84 用來量測電流之電流感測器 ..................................................127 圖 3-85 負載控制器提供 RS232、RS485 及乙太網路三種傳輸介面 .................................................................................................127 圖 3-86 負載控制器提供各種不同感測器之傳輸介面......................127 圖 3-87 透過 RS232 將電腦與負載控制器連接 .................................128 圖 3-88 利用電流感測器量測冷氣運轉時之電流..............................128 圖 3-89 建築物辦公類型空間之總用電需量趨勢圖..........................130. XIII.

(16) 智慧化居住空間能源管理系統整合應用計畫. 圖 3-90 建築物辦公類型空間之用電比例分布圖..............................130 圖 3-91 建築物辦公類型空間之空調用電趨勢圖..............................131 圖 3-93 建築物辦公類型空間之插座用電趨勢圖..............................132 圖 3-94 建築物辦公類型空間逐日 EUI 柱狀圖 .................................133 圖 3-95. 建築物辦公類型空間逐日 DUI 柱狀圖...............................134. XIV.

(17) 摘要. 摘. 要. 關鍵詞：智慧化居住空間，HEMS，ICT 產業一、研究緣起為了因應地球溫暖化與 CO2 排放減量之議題，建築物節約能源措施之推廣，為最能立竿見影之政策工具之一。其中，佔全國整體建築量 90％以上之住宅類建築更具極大之節能潛力。因此，國際間各先進國家無不盡全力發展智慧化居住空間能源管理系統（Home Energy Management System，簡稱 HEMS）。本計畫之主旨，即為針對 HEMS 技術之推動，進行系統化之推動與應用，以便形成我國建築物節約能源之強有力之政策工具，並藉由長期而持續之推動方案，而達到節能之目標，並帶動相關產業之發展，形成深遠的影響。二、研究方法及過程本計畫之執行共分為三個層面。第一個層面，首先參酌如日本等先進國家相關之 HEMS 推動之政策方向與採取之程序，以做為我國訂定相關行政措施之重要參考。本計劃在第二章，首先針對我國目前既有之 HEMS 管理系統進行調查研究，接著針對韓國以及日本 HEMS 已發展成熟之國家，分析其 HEMS 之推廣以及發展現況，並針對大量實際推廣案例進行分析研究，以作為我國未來 HEMS 發展之借鏡以及學習之目標。第二個層面，將廣為調查分析目前市面上已廣為流通商用化及具體可行之相關 HEMS 應用技術，以做為我國推動此項技術之主要載具與構件，並與我國之 ICT 產業發展方向耦合，以尋求更大的發展空間。第三個層面，則為規劃中長期計畫，將 HEMS 技術導入於既有建築之改善，使之更智慧化，而達到節能、健康以及舒適的居住空間之目標。本計劃第三章，即利用目前已商品化之 ICT 設備，在居住實驗空間內，進行建構智慧化居住空間之原型（Prototype），並進行實驗印證以及資料收集，以做為未來我國 HEMS 發展推廣之重要參考資料。 XV.

(18) 智慧化居住空間能源管理系統整合應用計畫. 三、重要發現本研究之成果摘要如下： 1. 全面調查研究國內外 HEMS 之推廣以及技術之應用：本研究針對我國、韓國以及日本目前的 HEMS 發展現況進行分析，並針對其應用技術以及推廣方式進行資料收集及研究。我國方面，工研院已研發出智慧型電能管理網路以及家庭自動化能源管理技術，並且已經技術轉移，未來發展潛力極大。韓國政府對於數位家庭計劃相當重視，擬訂補助政策和積極推廣，因此韓國對於智慧化居住空間的發展相當成熟，而且應用之家電設備也已大量商品化，一般民眾能更全面的接觸並接受智慧化的 ICT 產品以及智慧居住空間之觀念。而 HEMS 發展最成熟的則是日本，日本除了應用技術發展成熟，推廣政策最為積極之外，日本明文規定降低 CO2 排放量以及節約能源等環保議題為 HEMS 之最終目標，將節約能源以及提升居住空間之品質為目標在努力。日本方面是以通產省 NEDO 為首，以政府之力，結合研究團隊以及設備廠商進行全面性之 HEMS 系統研究，並且實際將 HEMS 觀念及系統導入一般住宅並進行長時間的實驗印證及資料收集，經過長時間實驗印證， HEMS 系統的導入，將可節省 5~10%之能源使用。並且研究團隊建立了大量的實驗數據及資料庫的建立，而廠商也不斷改良設備及應用技術提升，一般民宅也因 HEMS 推廣計畫的執行，得以體驗 HEMS 帶來的便利性及省能效果，推廣研發成果豐碩。而日本許多廠商針對 HEMS 系統以及智慧化居住空間的應用也已推出許多商品化之產品及系統應用。. 2. 建立智慧化居住空間之原型並分析其應用技術及功能評估本研究針對無線以及有線之技術分別進行居住化智慧空間的實驗印證，無線技術的部份為美國 X-10 家庭智慧控制系統以及 Zigbee 無線通訊技術的應用。有線技術的部份針對 BACnet、Lonworks 以及 Sensor-Based 的應 XVI.

(19) 摘要. 用進行實驗。 X-10 之技術是最早應用於家庭自動控制之技術，並且因為其便利性及簡易操作，因此於歐美非常流行，但是由於 X-10 系統只能對家庭設備進行控制，並未有能源監視之功能，未能針對能源的使用進行管理及分析。 Zigbee 無線技術於國外已十分盛行，且為各國主要發展重點，其應用範圍非常廣大，如法國將於近年將 Zigbee 與 GPRS 結合將於巴黎 23 萬戶住家建立無線讀錶系統，台灣目前也有許多廠商進行 Zigbee 無線模組之開發，但是其應用技術仍尚未廣範應用且尚未成熟，並且硬體設備功能尚不穩定，但由於 Zigbee 無線技術之優越性能且為國際間通用之通訊技術，此無線技術將可期為未來智慧化居住空間應用之主力技術之一。 BACnet 及 Lonwoks 為國際間通用已久之技術，目前將從大型建築物朝小型居住空間的應用努力，其技術應用之產品、軟體及廠商也已經相當成熟且應用廣泛，因此有線通訊的部份，BACnet 以及 Lonworks 將為未來台灣發展 HEMS 系統之主幹。 Sensor-Based 強調於電力使用以及能源使用量測監控，缺少對於電器設備的控制部份。四、主要建議事項 1.立即可行之建議：結合學術研究團隊以及設備、軟體廠商進行全面性 HEMS 應用技術開發及分析。主辦單位：內政部建築研究所協辦單位：中華民國建築學會對於 HEMS 系統之應用技術及設備的研究及開發，透過學術研究團隊與國內外廠商的合作，互補理論以及技術、製造方面的優缺點，進行研究、開發以及分析，以期對於我國 HEMS 應用技術的開發、導入以及應用，有更成熟的發展。. XVII.

(20) 智慧化居住空間能源管理系統整合應用計畫. 2.長期性建議：建立 HEMS 系統推廣補助方案，結合學術研究團隊及廠商，實際將 HEMS 系統導入受補助之居家空間，進行長時間的實驗印證。主辦單位：內政部建築研究所協辦單位：中華民國建築學會透過大量實際案例，學術團隊將可建立本土 HEMS 系統印證資料庫，並進行分析及研究，而廠商也透過實驗印證的實測，將可針對設備、軟體等應用技術進行改良並向上研發。此計劃也將 HEMS 系統之觀念推廣至一般民間，讓國民了解居住空間的智慧化便利性以及節約能源的生活習慣。落實智慧化居住空間的最終目標-生活的舒適化以及節約能源。預期經由本計畫之執行，將成為我國推動 HEMS 技術之重要里程碑，並對於大量之住宅類建築及社區進行智慧化及省能化之改善工作發出重要的一大步，形成深遠的影響。. XVIII.

(21) ABSTRACT. ABSTRACT. keywords：Intelligent living space, HEMS, ICT industry. In order to coupe with the global warming and CO2 reduction issue, building energy conservation strategies has been ranked among the most significant countermeasures. The residential buildings, which accounts for 90% of the number of total, warrants great potential for energy savings. Therefore, advanced countries in the world has been focusing with all efforts in promoting the Home Energy Management System, or HEMS, It is the goal of this project, to investigation and develop the HEMS technology, so that an effective program can be formed to promote its application and to lead the ICT industry to prosperity. There are 3 phases in executing this project. At first, the experience in promoting HEMS in Japan will be adapted so that a local strategy can be formed. Secondly, technologies which are commercially available will be analyzed so that directions can be formed in promoting its nationwide applications. Thirdly, a mid- to long-term promotion program will be developed to lead the HEMS to its full-development in Taiwan area for an energy-efficient, healthy, and comfortable indoor environment. Through the execution of this project, an important milestone will be established in promoting the HEMS in Taiwan with long and profound influence in residential and community area for energy conservation.. XIX.

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(23) 第一章緒論. 第一章緒第一節. 論. 智慧化居住空間能源管理系統發展之緣起與背景. 台灣地區使用之能源主要來自石油(50.9%)和燃煤(32.3%)，以及天然氣瓦斯 (8.1%)、核能(7.3%)和水力發電(1.4%)。而大部分的能源全部倚賴進口，因此提高能源使用效率以及節約能源往往是大家努力前進的目標，而台灣目前的能源政策也因應著國際的趨勢而有所更改，在全國能源會議於 2005 年 6 月底通過下列決議：壹. 草擬並制訂能源管理法，強化交通運輸車輛和家電的能源標準。貳. 鼓勵能源服務業者幫助消費者提升能源使用效率。參. 將新安裝燃煤動力蒸汽渦輪發電機的熱效率提升到 40%以上，新安裝複循環氣渦輪機和發電機的熱效率則提升到 53%以上。肆. 提高電價，反應進口能源價格。伍. 由政府出資，推動潔淨燃煤技術和二氧化碳分離封存技術，減少溫室效應氣體排放。而其中電費的提高、減少溫室效應與平日的生活最為息息相關，雖然台灣並非京都議定書簽署國，政府仍致力於減少二氧化碳排放。經濟部於 2005 年 6 月宣佈於 2025 年前將二氧化碳年排放量減少 1 億 7,000 萬公噸的計畫。經濟部規劃限制台灣 200 大耗能企業的排放量，第一步是要求企業自願減量，接著要求企業達到中期(2008-2015)和長期(2016-2025)減量各 10%和 16%的標準。而佔全國整體建築量 90％以上之住宅類，具有極大的節能潛力，過去政府將建築物能源管理系統 BEMS(Building Energy Management System)積極導入民間，以期提升國內大型建築物之節約能源效益，已有明顯之成效。而從大型建築物向下延伸至民間住宅內建築，建立智慧化居住空間能源管理系統 HEMS(Home Energy Management System)，是為目前全世界的節能趨勢，節能從家庭以及生活中做起。. 1.

(24) 智慧化居住空間能源管理系統整合應用計畫. 而鄰近我國之日本政府以符合減量目標為目的，於環境政策方面制訂「預防全球暖化之指導方案」；其中措施包括最佳運轉模式計畫、能源使用合理化法、制訂節能計畫、改善基礎建設、改進交通、空調與發展新節能科技等，以期達到減量目標；並提出「自願環境計畫」，包含能源保存、廢棄物減少、訂定回收目標及控制二氧化碳排放等策略。而目前日本之能源政策於住商部門以節約能源之措施為主，如推動高效率熱水器的配給、降低備用電力消耗、高效率照明設備的技術研發與擴散、推動 HEMS。並成立新能源產業技術綜合開發機構 NEDO（New Energy and Industry Technology Development Organization），以推進石油替代能源政策體制的實施，且確保核能開發安全、後端處理、宣傳對策及核能發電廠址之考量。其中日本推動 HEMS 以多年，而且其成效顯著，NEDO 更不遺餘力的推動各種推廣 HEMS 的政策、協助國內廠商進行各項技術性研發實驗並實際與廠商、住家合作成功將 HEMS 導入生活民間，並有顯著之節能成果。而在 HEMS 的推廣過程當中，政策的推動以及應用技術的發展是最為重要的兩項工作，而至公元 2000 年以來，全世界 ICT 產業之蓬勃發展，已形成一股巨大的潮流並使人類之居家生活形態起了重大的變化。傳統的居家生活方式，也隨著手機、PDA、數位電視及電腦等 3C 產品之普及化，而產生了更省能、便利、健康、及舒適的之良好發展環境。目前充斥於電視廣告中，各種省能的空調及家電產品之推出，即形成了一股新的產業革命。配合著新科技的進步，HEMS 的應用技術也因此更加多元化和實用性。. 第二節. 研究動機與目的. 本案以生活居住空間能源管理系統（HEMS）為主要研究方向，將其以分析我國 HEMS 具體可用之大量商用化 ICT 軟硬體設備及技術，並尋求與產業相結合，進行各系統之分析與規劃，以尋求建立我國 HEMS 之應用發展計畫。我國位居亞熱帶，氣候炎熱且高濕。雖無顯著的暖房需求，但終年冷房需求極大，本. 2.

(25) 第一章緒論. 研究將建置智慧化居住空間之原型（Prototype），將分析其導入 HEMS 後之節能發展，並加以測試其能源管理之節能效益，以提出階段性成果，此即為本研究之主旨與目的所在。綜觀我東臨之日本，近年來於推動 HEMS 之應用不遺餘力，政府節合民間企業以及配合實際住宅，已獲致顯著之節能成果。據其實際之實施案例顯示，一般家庭若導入 HEMS 可獲得約 6％～9％之省能效果。如圖 1-1 所示。. 圖 1-1 日本地區於 2001 年~2003 年間民間導入 HEMS 之省能效果統計（資料來源：日本通產省 NEDO）若於特殊氣候如北海道等需使用大量暖房及熱水之地區，其有無導入 HEMS 系統之耗能差異甚至可高達 19％之鉅，如圖 1-2 所示。. 3.

(26) 智慧化居住空間能源管理系統整合應用計畫. 圖 1-2 日本北海道地區導入 HEMS 系統與否之住戶耗能差異分析圖（資料來源：日本通產省 NEDO）. 第三節. HEMS 之研究方法與過程. 本研究所規劃之 HEMS 推動方案，將導入我國最具世界競爭力的 ICT 產業之大量商用化產品，應用於居家生活中，並加以智慧化而達到省能、舒適、健康及便利之良好效益，形成雙贏的結果。為了落實本研究計畫，因此將分成下列三大方向來執行：壹. 探討我國發展智慧化居住空間能源管理之法令與政策層面問題：由於本案為對於我國發展及推廣 HEMS 首度進行之系統化研究，因此必須藉此建立起相關之法令配套，以利整個方案之長遠推動。由於，若進行如能源管理法等大型法案之修訂曠日廢時，無法匹配瞬息萬變之 ICT 產業發展與商機。因此，本研究將詳細分析我國目前欲推動及發展智慧化居住空間能源管理之現存問題，並參酌日本等國外先進國家之推動方式，提出具體可行之建議。貳. 現有智慧化能源管理產業技術之調查分析：智慧化居住空間能源管理系統之產業技術主要牽涉兩個層面。分別為耗能資料之自動讀取與分析，及資料藉由網路傳輸及控制之資訊通訊技術，以及廣稱之 ICT 產業。如下圖 1-3、1-4 所示。. 4.

(27) 第一章緒論. 圖 1-3 典型之 HEMS 系統架構（出自：日本通產省 NEDO）. 圖 1-4 三菱株式會社建構之 HEMS 控制系統（資料來源：三菱株式會社）. 5.

(28) 智慧化居住空間能源管理系統整合應用計畫. 參. 研擬智慧化居住空間能源管理系統整合應用建議規劃方案：目前我國之一般住宅與社區仍維持數十年來之傳統生活方式，但我國於公元 2000 年以來一波 ICT 產業之強勁發展並未進一步跟上。家中仍然維持以手動控制冷氣，電視，燈光等家電設備之啟停。而且，對於自己的耗電情況渾然未知，只有等到電費帳單來臨，才驚覺到自己的浪費行為。本項工作將依據第二項工作項目之結果，參酌我國已大量普遍化及商用化之 ICT 技術及產品，研擬出適合國內發展之 HEMS 架構及服務功能項目。同時，在依此建製一個智慧化居住空間之原型（Prototype），並加以測試及分析其能源管理之節能效益，以提出階段性成果，並作為後續推動及制訂推廣機制之重要參考與依據。於進行 HEMS 架構及服務功能之時，將結合建築研究所已委託財團法人中華建築中心辦理之水、電以及瓦斯數位三表之建製示範系統及內容相結合。如此，不但能與既有之研發成果進行水平之整合，同時，也可與如日本等先進國家之 HEMS 發展趨勢相互呼應。. 6.

(29) 第二章國內外之 HEMS 發展現況分析. 第二章國內外之 HEMS 發展現況分析全球經過兩百多年來的科學發展及工業技術的進步，雖帶來經濟成長，卻也造成環境污染問題。近年來尤以溫室氣體更為全球所矚目。為了減緩溫室氣體過量排放所可能導致的全球氣候變遷，由世界各國簽署之京都議定書已於 2005 年 2 月 16 日正式生效。我國雖非京都議定書之附件一國家，在 2012 年前尚無立即被要求減量之問題，但是考量溫室氣體之管制與减量涉及到整體產業調整與能源政策等問題，需要長時間的規劃與階段漸進式的轉型，始能有具體成效。. 第一節. 台灣目前 HEMS 之發展現況分析. 我國目前隨著經濟成長、以及生活水準提高，家庭的基本家電以及用電量也跟著增多，每至夏季，空調設備的大量用電造成尖峰用電負載屢創新高，以家庭用電比例來看：夏季時段，空調佔 41%、照明佔 18%、主要家電佔 41%。非夏季時段，空調佔 6%、照明佔 35%、主要家電佔 59%。各設備年平均耗電量每台冷氣約為 1320 度，電冰箱約為 864 度，客廳照明燈光約為 138 度，每日觀看電視也需要約 300 度左右。依 2004 年台電及經濟部能源局能源統計，國內住宅部門家庭用電戶約 1005 萬戶，電力消費約佔全國總電力之 20%。由上述統計數字發現，家庭用電如果能透過有效管理以及提高能源使用率，將可大幅降低電力能源消耗。我國目前針對家庭住宅的節能管理方案尚未成熟，而在大型建築物的節能管理系統（BEMS：Building Energy Management System）已實施多年，且已有明顯之成效，因此由大型建築物開始更廣泛的往民生用電推廣，進而推廣家庭能源管理系統（HEMS：Home Energy Management System），從全國總用電 20%的家庭住宅用電做起，將預期有顯著之成果。而在推廣節約能源使用管理的同時，也配合著政策將智慧化居住空間導入一般民間居住家庭，透過智慧化、數位化家電的控制及管理，將能源管理簡變化以及智慧化，以期能源管理以及舒適的居住空間. 7.

(30) 智慧化居住空間能源管理系統整合應用計畫. 合併推廣。在台灣目前的智慧居住空間技術，也有了不錯的發展，例如工業技術研究院已發展出且已經技術轉移的「電力監控系統」：壹. 電力交易與電能管理：電力交易、電力負載預測與管理、資訊服務貳. 電能管理網路：自動讀錶、智慧型電錶、負載管理策略、加值服務參. 用戶端智慧型設備：數位式電力監控設備、大樓/家庭節能自動化電力自動化監控系統，主要是監視用電狀況及自動抄表，並完整的記錄電力設備之電力品質及用電需量，當用電需量超過契約容量時，即進行電力需量控制，執行負載切離或卸載的動作，以避免超約罰款。此應用監控系統、圖控軟體、網路整合所開發之電力監控系統，具有可靠性良好、彈性大、系統擴充能力強等特點，實際應用於工廠、大樓、學校等電力監控，極具經濟效益，約可抑制尖峰需量 5~10%，回收年限一般約在 3 年以內。. 圖 2-1 智慧型電能管理網路研發架構圖（資料來源：工業技術研究院）. 8.

(31) 第二章國內外之 HEMS 發展現況分析. 圖 2-2 電力系統應用技術研發產品與技術關聯圖（資料來源：工業技術研究院）. 圖 2-3 整合式電力集中控制優勢圖（資料來源：工業技術研究院） 9.

(32) 智慧化居住空間能源管理系統整合應用計畫. 圖 2-4 電力線載波自動讀錶系統架構（資料來源：工業技術研究院）另外工業技術研究院也研發出「家庭自動化能源管理技術」，而且也將技術轉移至民間企業，技術簡介：因應資訊家電網路通訊時代的來臨，以及未來電業自由化之即時電價（Real Time Pricing）電費管理模式，經由家庭自動化能源管理系統，以整合家庭網路內各家電裝置之操作，以達到家電資訊溝通及家庭電力能源之有效經濟管理，為未來電力能源管理技術中之一項主流。本技術係由主控制器作為系統之控制核心樞紐，透過室內家庭網路以作控制命令及資訊的傳遞，經由適當的電力能源控制策略，以達到家電設備操作之全面自動化、智慧化及經濟化。. 10.

(33) 第二章國內外之 HEMS 發展現況分析. 圖 2-5 家庭自動化能源管理系統操作介面（資料來源：工業技術研究院）. 圖 2-6 家庭自動化能源管理系統之能源使用趨勢圖（資料來源：工業技術研究院）其中，此系統中的功能包括了以下之功能：壹. 智慧型操作設定：一、家電設備隨插即用功能二、偏好設定巨集命令操作功能 11.

(34) 智慧化居住空間能源管理系統整合應用計畫. 三、時程設定自動批次操作功能四、語音聲控操作功能貳. 家庭能源管理：一、自動讀錶連線用電管理二、即時電價電力能源管理三、用電紀錄資料儲存參. 家電設備即時監控：一、電話線/無線電內部家庭網路遙控操作二、WWW 外部網際網路遠端遙控操作三、WAP 外部行動電話網路遠端遙控操作肆. 家庭安全管理：一、火災自動通報處理二、保全連線三、警急事故自動撥號通知功能. 圖 2-7 家庭自動化系統示意圖（資料來源：工業技術研究院）. 12.

(35) 第二章國內外之 HEMS 發展現況分析. 第二節. 韓國目前 HEMS 之發展現況分析. 建築物智慧化已是現今建築設計中必然的走向，透過網路與家電設備系統做連結，可提供更好的居家服務應用。智慧化居住空間於美國開使發起，不過在韓國也相當普及，有一部分的原因跟韓國的卓越的電子技術有關，但主要還是歸功於韓國政府對於數位家庭計劃的重視、擬訂補助政策和積極推廣。韓國目前在建築物智慧化發展上強調數位整合，建構 Home Network 進而將家電設備整合在一起，以下將介紹三星和 LG 分別針對此所提出的方案。壹. 三星 Homevita： Homevita 為三星集團主要電子相關公司所創立的共同品牌，也是三星集團針對 Home Network 所提出的解決方案。Homevita 來源於自拉丁語“vita”，意思是活躍的生活。Homevita 所追求的是實現以人為本的數碼生活，達到 Any one、 Any time、Any where、Any media 和 Any service 的目標。 Homevita 在這一系列的智慧化居住空間解決方案中，共將生活分六個部份組分，他們彼此相互依存，互聯互通，在統一的系統網路中，不僅讓居住空間擺脫了以往的冷硬的感覺，而變得聰明而富有活力，更重要的是，它讓人們在家中的每個角落，隨時隨地享受到科技為生活帶來的無限魅力。下列為六大智慧化系統之分析。一、安全生活：透過各種安全防範感知器，使住戶能夠 24 小時遠離外部入侵、火災及瓦斯外洩等危險。裝設監視器可進行出入管理、外部監控及隨時掌握家中幼童和老人現況。若發生異常狀況或緊急狀況時，使用緊急按鈕或感測器會自動將訊號傳遞回 Homevita 系統，並發出警報通知警衛室及住戶手機，容易即時應對。二、自由生活：利用智能家庭網路系統，可以享受智能家庭網路無線控制及遠端控制等. 13.

(36) 智慧化居住空間能源管理系統整合應用計畫. 無線網路服務。三、便利生活：透過室內各種智能控制器，能夠掌握各房間的窗簾或照明狀況，並簡便的進行控制。出門時可以按下統一關燈的按鈕，從此住戶在出門前不需逐一檢查室內照明。若深夜起來廁所或廚房時，按下夜起鍵的按鈕，床頭和走廊的燈就會緩緩亮起，替夜間起床的住戶提供便利。在室外或度假時可以透過上網、電話遠端控制及手機無限上網，隨時掌握家中現況，並進行控制。在室內外均可隨心所欲的控制室內的家電產品，也可以依照各種不同的生活模式對家電進行控制，營造舒適的室內環境。智能家庭網路系統還可透過感知器感應環境的變化，對家電設備做適當的變更，例如早晨時，設定用之照明設備或百葉窗會自動打開；當電話響起時，有發出音效或其他聲音之電器設備會自動將聲量降低。四、健康生活：不僅在室內，即使是在室外也能利用電話或網路遠端控制，調節室內空調等各種功能，營造更舒適的室內環境。五、快樂生活：利用 Homevita 系統可以設置自己所喜愛的背景音樂在室內的每個角落均可享受自己喜歡的音樂。透過觀賞電影的一次按鍵可打開電視影音設備關閉照明拉上窗簾等住戶可以在最舒適的環境下欣賞電影。六、經濟生活：利用家庭網路可以跟有架設家庭網路的鄰居、警衛室、管理中心以及公共設施進行免費的視訊通話。利用遠程抄錶功能，可以隨時查詢天然氣、自來水、電力的使用量，有助於節能，也能給用戶自動通知能源儲值卡的儲值時間。. 14.

(37) 第二章國內外之 HEMS 發展現況分析. 圖 2-8 Homevita 所追求之目標（資料來源：中國三星）. 圖 2-9 透過網路、手機可輕易控制家電設備及掌握家中現況（資料來源：韓國三星）. 15.

(38) 智慧化居住空間能源管理系統整合應用計畫. 貳. LG HomeNet： LG 表示，LG HomeNet 為近幾年所開發出專屬 LG 的智慧家庭網路系統，所謂的「未來家庭」，已不再是未來式。 LG HomeNet 是利用 Home Network 與數位家電做連結，使消費者可以隨時隨地享受便利居家生活的 Total Home Network Solution。2003 年 7 月開始，LG 電子在首爾長安洞、方背洞等地的新興公寓大舉興建 Home Network。截至 2004 年年底為止已接獲 1 萬多戶的訂單。 LG HomeNet Solution 可細分為統合控制、住宅內部管理、娛樂、預防犯罪/ 災難及安全健康等種類。 LG HomeNet 產品的特點是家電與網路做結合。目前 LG Home 推出的產品有機上盒、微波爐、洗衣機、洗碗機、吸塵器、冷氣機、冰箱與瓦斯爐等產品， LG HomeNet 的家電產品皆可透過 Dream LG（www.dreamlg.com）或是手機等終端裝置控制住宅內數位機器的狀態。但是缺點是所有的家電都必須選用 LG HomeNet 的產品。 LG 電子擁有自行研發的 PLC 技術「Living network Control Protocol，LnCP」，並以 LnCP 為基礎，開發出名為 HomeNet 的 Home Network Solution。LG 電子為將自身研發的技術標準 LnCP 擴大至全國，與 Daewoo Electronics、Honeywell Korea、SK Telecom、Willtech、Humax、Lucent Technologies Korea 等企業同組成 LnCP Consortium，使用 LG 電子 LnCP 技術合作廠商的產品，均標示 HomeNet logo。為了符合韓國產業支援部所公布的 PLC 國家標準，目前 LnCP Consortium 正積極開發 API「Application Programming Interface」，積極爭取使 LnCP 成為全球化標準，解決 Home Network Solution 與其他廠商間相容性的問題。. 16.

(39) 第二章國內外之 HEMS 發展現況分析. 圖 2-10 LnCP 的基本架構（資料來源：韓國 LG）. 圖 2-11 符合 LnCP 之家電設備均可整合在一起使用（資料來源：韓國 LG）. 17.

(40) 智慧化居住空間能源管理系統整合應用計畫. 第三節. 日本目前 HEMS 之發展現況分析. 日本政府對於國際間的過度能源使用以及 CO2 過度排放情形，以符合減量目標為目的，於環境政策方面制訂「預防全球暖化之指導方案」；其中措施包括最佳運轉模式計畫、能源使用合理化法、制訂節能計畫、改善基礎建設、改進交通、空調與發展新節能科技等，以期達到減量目標；並提出「自願環境計畫」，包含能源保存、廢棄物減少、訂定回收目標及控制二氧化碳排放等策略。日本 90%之溫室氣體都是由能源使用所產生，因此日本之能源政策於住商部門以節約能源之措施為主，並以能源效能建築計畫開發住屋及建築設備、技術，並規範能源絕緣標準及方針，此外並著重於新能源技術之研究開發計畫，包括太陽能、地熱、煤之氣化/液化技術、以及氫能；並成立新能源產業技術綜合開發機構－NEDO（New Energy and Industry Technology Development Organization），以推進石油替代能源政策體制的實施，且確保核能開發安全、後端處理、宣傳對策及核能發電廠址之考量。因此日本之能源政策於住商部門以節約能源之措施為主，如推動高效率熱水器的配給、降低備用電力消耗、高效率照明設備的技術研發與擴散、推動 HEMS （Home Energy Management System）等。其中 HEMS 技術發展對於各設備開發應用以及系統的整合推動、執行等方面有莫大的貢獻。日本對於 2010 年度將達到實際 CO2 減量 3%，也訂出了針對許多產業方向的減量方針，如下表 2-1 所示。其中，能源管理方面，以 BEMS 和 HEMS 的推廣普及為主力方向。. 18.

(41) 第二章國內外之 HEMS 發展現況分析. 表 2-1 CO2 減量政策的指導方針. （資料來源：日本 KIKO NETWORK）在家庭部分的省能，在 HEMS 的導入日本政府估計到 2040 年將達到減量 43%的目標。如下表 2-2 所示。而其中家庭省能設備的內容也大致分類如下表 2-3 所示。表 2-2 2040 年家庭省能 CO2 減量目標. （資料來源：日本 KIKO NETWORK）. 19.

(42) 智慧化居住空間能源管理系統整合應用計畫. 表 2-3 家庭省能設備一覽表. （資料來源：日本 KIKO NETWORK）日本「無所不在的網路社會與環境發展協會」（ユビキタスネット社会の進展と環境に関する調査研究会），也提出了將網路社會導入各產業，以 CO2 排放減量，也將各種相關產業整合以期達到京都議定書目標，其中在能源利用效率的改善項目中，家庭部分即是將 HEMS 系統導入。並且以以下三點為目標：壹. 環境與經濟的相並進行貳. 環境與生活便利性的向上提升參. 無義識的居住省能環境政策及實現可能. 20.

(43) 第二章國內外之 HEMS 發展現況分析. 圖 2-12 無所不在的網路社會對 CO2 減量的執行目標（資料來源：日本無所不在的網路社會與環境發展協會）此協會也已在網路架構上規劃出 HEMS 系統的基本系統流程圖，如下圖 2-13 所示。. 圖 2-13 HEMS 系統架構於無所不在的網路上架構圖（資料來源：日本無所不在的網路社會與環境發展協會） 21.

(44) 智慧化居住空間能源管理系統整合應用計畫. 圖 2.14 積水房屋株式会社提出的 HEMS 基本架構（資料來源：日本積水房屋株式会社）在日本通產省 NEDO（New Energy and Industry Technology Development Organization）所進行的研究是在日本政府的資助下進行，其主要目的為減少日本國內對化石能源的依賴。發展至今，NEDO 的研究範圍雖擴展至別的區域，如礦區的環境復原等計畫，但其研究重心仍與能源相關之技術開發以及環境議題為主，因此在因應溫室氣體減量技術方面有領導地位。NEDO 對於能源議題也提出許多新的方法以及技術，對於 HEMS 的技術開發、政策推廣以及實際案例是為日本最主力的機構。以下為 NEDO 訂定出一套完整的 HEMS 的推廣體制，將各事業進度分為三類包括：壹. 導入設備相關事業：一、導入設備前後基礎資料的收集二、相關設備與系統的性能資料及測試三、資料庫的建構四、資料庫的分析貳. 調查研究事業：一、資料庫整理及維護二、收集資料的分析及評估 22.

(45) 第二章國內外之 HEMS 發展現況分析. 參. 機器改良、維修、製造事業：一、設計的更新及創新二、設備、硬體與軟體的購入、製造、改良及修繕三、工事(設備系統的導入、架設及撤離) 四、資料的收集及分析在 NEDO 的帶領下，HEMS 的發展也在許多廠商的加入下有了許多新的創新發展，如下圖 2-15 所示，為研究廠商的進度表。. 圖 2-15 多家廠商參與 NEDO 之研究進度表（資料來源：日本通產省 NEDO） 23.

(46) 智慧化居住空間能源管理系統整合應用計畫. 在 NEDO 的補助研究方案主導下，各家廠商將發展的設備以及技術導入一般民間住宅，並進行研究、資料收集並加以改良，再訂定各種未來發展方案，以此方式進行 HEMS 的導入以及技術最佳化改良。因此也帶動了一般民眾對於 HEMS 的了解以及製造廠商對於設備、系統以及應用軟體方面更向上進步。以下為各家廠商提出的研究方案以及成果。以玆參考。壹. EL Quest(EL-Quest Company Incorporated)：此機構為關西電力株式會社、松下產業機器株式會社以及株式会社日立製作所三家公司合作成立的研究機構，結合三家廠商的專長進行 HEMS 系統的研究與導入，並且於關西地區 300 戶的住宅進行全尺度的 HEMS 導入建構與資料取得分析。其目的為：一、HEMS 活用於家電系統、電力監控系統的實驗性印證二、系統導入對於 CO2 排放量降低的評估，以及如何持續工作的實施對策三、家庭內狀態監控的系統印證四、整體性的調查與分析 EL Quest 導入關西三百家住宅的 HEMS 系統設備如下表 2-4 所示。表 2-4 EL Quest 導入 HEMS 系統設備表. （資料來源：日本 EL Quest） 24.

(47) 第二章國內外之 HEMS 發展現況分析. 並在研究期間持續加入改良以及擴大機能，如下表 2-5 所示表 2-5 EL Quest 對於 HEMS 系統之改良功能表. （資料來源：日本 EL Quest） EL Quest 也以家電設備的能源使用監控、電力監控及回報、家庭狀態監控等功能、配合各家設備以及技術建構出 HEMS 系統。以及針對 HEMS 系統的資料傳輸進行系統建構。如下圖 2-16、2-17 所示。舉凡室內之百葉窗，通風扇，空調機及電視等 AV 機器之耗能及運轉現況皆經 HEMS 系統自動量測及記錄，同時進行集中控制，以達到較低之電力消耗量，良好與舒適的室內居住空間品質。同時可經由人體活動之感知器以連動控制空調、照明等系統設備。近期以來，台灣地區之空調廠商於電視上大打廣告「動則冷，不動則省」，即為此項技術之應用。另外，如冰箱門開啟之回數及熱水器運轉之現況等也皆可經由 HEMS 進行直接線上數位監控與網際網路遠端遙控。如此，屋主可藉由手機，電話及手提電腦等通訊設備經過有線或無線之傳輸方式進行遙控。甚或室內安裝之 180 度攝影機亦可將家居老人或小孩之現況藉由影像傳輸自屋主或其所委託之保全單位，而大幅提昇生活上之安全度。另一方面，HEMS 所收集到之數據及影像可經由時間之累積進行必要之解析，而使屋主對其耗能現況與居家環境進行數量化之診斷。一方面可大幅提昇其節約能源之動機，另一方面亦可作為大型社區許多公共區域電費分攤之重要參考與依據。. 25.

(48) 智慧化居住空間能源管理系統整合應用計畫. 圖 2-16 EL Quest 株式會社建構之 HEMS 系統圖（資料來源：日本通產省 NEDO）. 26.

(49) 第二章國內外之 HEMS 發展現況分析. 圖 2-17 EL Quest 針對 HEMS 資料管理系統建構系統，透過既有網路、電力線以及 PHS 等通訊方式來進行 HEMS 資料傳輸（資料來源：日本 EL Quest）在經過了 EL Quest 的導入之後，對於能源使用的資料以及 CO2 排放降低的效果，是非常顯著的，最初 EL Quest 在開始研究計畫前初估的 CO2 排放量降低 27.

(50) 智慧化居住空間能源管理系統整合應用計畫. 為 10%，而其成果經過統計之後總平均其降低量為 8.7%，接近理想值，為成功的 HEMS 導入節能措施。. 圖 2-18 CO2 排放減量率分布圖（資料來源：日本通產省 NEDO）. 圖 2-19 CO2 排放減量實積（資料來源：日本通產省 NEDO）. 28.

(51) 第二章國內外之 HEMS 發展現況分析. 圖 2-20 HEMS 系統逐月系統省能比例趨勢圖（資料來源：日本通產省 NEDO） EL Quest 除了針對電力能源的監控、CO2 排放的減量努力外，此外也針對電器用品的使用情形，例如，電力傳輸的品質、產品的使用便利性、產品的使用年限、系統導入的難易度、系統的回收年限與金額制定接受度以及居住者的舒適程度與接受度等與生活密切相關的資料，皆有全面性的調查以及針對各細項進行改良，並在後續繼續改進，並持續調查，以期將 HEMS 全面推廣並實用化、及生活化。如下圖 2-21 所示，為人性化的操作介面，並計算建議使用時程，以達最省能最有之能源使用情形。. 圖 2-21 松下電器發展人性化操控介面（資料來源：日本松下電器） 29.

(52) 智慧化居住空間能源管理系統整合應用計畫. 貳. 日本積水房屋株式会社：日本積水房屋株式会社針對家庭住戶的使用時程、以及人員使用不在連動裝置以及居住者在無義識下的 PMV 舒適度控制，來進行對於空調以及照明的最佳化控制來達到 HEMS 系統的節能措施。其工作項目包括：一、廣島縣 100 戶住家導入 HEMS 系統來進行人感啟停控制的功能以及效能的正確性、精確性、安全性及舒適調查。二、透過專業配線，將電力線與傳輸線合一，並討論其實用性與安全性的調查。三、HEMS 系統導入的實用性、舒適性以及其附加價值之調查. 圖 2-22 日本積水房屋株式会社建構之 HEMS 基本架構圖（資料來源：日本積水房屋株式会社）. 圖 2.23 積水房屋株式会社對於實驗住戶進行用電情形調查趨勢圖（資料來源：日本積水房屋株式会社）透過用電情形趨勢圖，可發現照明以及冷暖房是為家庭用電最容易下手進行 30.

(53) 第二章國內外之 HEMS 發展現況分析. 節能措施的部份。於是日本積水房屋株式会社提出了人感控制系統（人員感應啟停控制），以及透過在室內人員不察覺的狀況下，減少冷暖房的使用，但是仍保持室內舒適度，仍使使用人員感到舒適。如下圖 2-24、2-25 所示。. 圖 2-24 積水房屋株式会社之 HEMS 對暖房進行不在控制的控制示意圖（資料來源：日本積水房屋株式会社）. 圖 2-25 積水房屋株式会社之 HEMS 進行住戶實驗暖房不在控制省能趨勢圖（資料來源：日本積水房屋株式会社）. 31.

(54) 智慧化居住空間能源管理系統整合應用計畫. 圖 2-26 積水房屋株式会社之 HEMS 機器構成圖（資料來源：日本通產省 NEDO）日本積水房屋株式会社之 HEMS 系統的實驗結果，暖房約可節約 1.7%的能源，而冷房可節省 5.6%的能源使用。如下圖 2-27 所示。. 圖 2-27 積水房屋株式会社之省能比較圖（資料來源：日本通產省 NEDO） 32.

(55) 第二章國內外之 HEMS 發展現況分析. 參. 三菱電機株式会社：三菱電機在關東地區，對 40 棟住宅進行 HEMS 矽統導入的測試與比較實驗，將其中 20 棟家庭建築物建構 HEMS 系統，是為實驗組。而其他 20 棟未增設 HEMS 系統的家庭是為比較組，進行 HEMS 系統省能比較實驗。而三菱電機進行的 HEMS 系統控制包括了：一、一般家庭的空調與照明系統等用電設備的自動控制與自動省能試驗二、電力與瓦斯的監控以及使用量與使用金額監控三、透過 VPN(Virtual Private Network)遠端監控系統進行遠端監控、資料回報系統控制四、NYP(Network Time Protocol)系統提供家庭以及 HEMS 系統各區域之外氣條件以及氣象資料等生活相關資訊其系統架構圖如下圖 2-28 所示。. 圖 2-28 三菱電機建構之 HEMS 系統架構圖（資料來源：日本三菱電機株式会社）三菱電機進行的空調自動控制，是以人感舒適度與外氣溫度比較的最適化運轉來進行自動控制（溫度與風量的自動控制）包括下列各項： 33.

(56) 智慧化居住空間能源管理系統整合應用計畫. 一、室內快感舒適度的維持控制二、人員使用在不在自動控制(減少人員不在房間時的耗能損失) 三、配合外氣溫度，自動控制室內的溫度與風量、風速設定四、暖房最佳控制化其空調自動控制的省能成果，冷房可達到 13%，暖房省能更可高達 35%。表 2-6 三菱電機 HEMS 空調自動控制系統導入省能比較表. （資料來源：日本三菱電機株式会社）. 圖 2-29 2002、2003 年度三菱電機 HEMS 空調自動控制系統導入省能趨勢圖（資料來源：日本三菱電機株式会社）而在照明設備自動點燈、自動熄燈控制下，也有不錯的省能成果，如下表 2-7 所示。 34.

(57) 第二章國內外之 HEMS 發展現況分析. 表 2-7 照明自動開關控制省能比較表. （資料來源：日本三菱電機株式会社）除了空調與照明的自動控制節能措施以外，三菱電機對於電熱水器以及瓦斯的使用也進行了節能控制以及設備的效能提升。電熱器的效能提升與有控制達到的省能效果如下表 2-8 所示。表 2-8 電熱水器效能提昇及節能措施實施省能比較表. （資料來源：日本三菱電機株式会社）表 2-9 節能措施導入之後電熱水器省能趨勢圖. （資料來源：日本三菱電機株式会社）三菱電機的 HEMS 系統在經過了實驗印證之後，也提出了整體能源節約效比例，在自動控制以及情報資訊提供協助之下，HEMS 系統的導入將可謂一般家庭帶來 4%~6%的省能效益。也可將家庭控制數位化、便利化，提供更舒適的數. 35.

(58) 智慧化居住空間能源管理系統整合應用計畫. 位省能家庭。表 2-10 三菱電機 HEMS 系統整體節約能源比較圖. （資料來源：日本通產省 NEDO）未來三菱將朝，家電的自動控制系統、情報資訊的提供以及技術的開發(電力與資料的低功率高品質傳輸、省能報表的自動產生等方面)發展。. 圖 2-30 三菱電機家庭自動控制省能設備 HEMS 系統架構圖（資料來源：日本三菱電機） 36.