建
築
物
耗
能
評
估
軟
體
驗
證
之
研
究
–
既
有
建
築
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改
善
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內
政
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建
築
研
究
所
協
同
研
究
報
告
年
度
101建築物耗能評估軟體驗證之研究
- 既有建築節能改善之效益評估
內政部建築研究所協同研究報告
中華民國 101 年 12 月
10163B001
建築物耗能評估軟體驗證之研究
- 既有建築節能改善之效益評估
執 行 方 式 ：□補助研究 ■協同研究 □自行研究
執 行 單 位 ：內政部建築研究所（環境控制組）
研 究 主 持 人 ：廖慧燕
共 同 主 持 人 ：呂良正
研
究
員 ：林義儐、唐瑢書
研 究 助 理 ：黃婉婷、許韶珍、鄭雅文
內政部建築研究所協同計畫報告
中華民國 101 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)
目次
表次 ... III 圖次 ... V 摘要 ... VII 第一章 緒論 ... 1 第一節 研究緣起與背景... 1 第二節 研究計畫背景及相關文獻之探討... 2 第三節 研究方法與流程... 8 第二章 研究方法 ... 11 第一節 空調系統之簡介... 11 第二節 冷房負荷與空調需求量計算... 13 第三節 DOE-2.2 建築耗能動態模擬分析軟體之簡介 ... 18 第四節 DOE 系列軟體之簡介 ... 21 第五節 建築模擬解析用氣象資料(TMY2 平均氣象年) ... 24 第六節 全年平、假日日數設定... 26 第七節 建築物空調耗能因子... 31 第三章 實際案例之模擬與比較 ... 33 第一節 大坪林聯合開發大樓... 35 第二節 中央聯合辦公大樓南棟... 44 第三節 中央聯合辦公大樓北棟... 51 第四節 行政院農業委員會... 58 第五節 內政部警政署警察廣播電臺... 64 第六節 國家檔案管理局... 70 第七節 經濟部標準檢驗局第六組... 75 第八節 臺灣臺北地方法院檢察署... 79 第九節 財政部財稅資料中心... 83 第十節 海岸巡防署海洋巡防總局... 88 第四章 結論與建議 ... 95 第一節 結論... 95 第二節 建議... 99 附錄一 第一次專家座談會委員意見與回應表 ... 101 附錄二 期中審查會議紀錄與回應表 ... 105 附錄三 第二次專家座談會委員意見與回應表 ... 109 附錄四 第一次期末審查會議紀錄與回應表 ... 111 附錄五 第二次期末審查會議紀錄與回應表 ... 113 參考書目 ... 117表次
表 2-1 空調方式分類 ... 11 表 2-2 構成冷房負荷的項目及代號 ... 13 表 2-3 DOE 系列視覺化軟體比較表 ... 22 表 2-4 DOE 系列軟體比較表 ... 23 表 2-5 影響空調系統耗能之因子分類 ... 32 表 3-1 大坪林聯合開發大樓 12~13F 改善項目與對策說明一覽表 ... 36 表 3-2 外牆構造及其熱傳透係數 U 值之計算 ... 38 表 3-3 辦公室人員、照明、機器、新鮮外氣量與間隙風量使用時程表 ... 39 表 3-4 12F 空調箱 AHU 12-1 單日監測資料(日期：2012.5.14) ... 40 表 3-5 大坪林聯合開發大樓 12F 獨立電表用電數 (日期：2011.4~2012.3) .... 41 表 3-6 大坪林聯合開發大樓 12F 空調箱改善前後之 eQUEST 模擬耗電量 .... 42 表 3-7 中央聯合辦公大樓南棟 10~11F 改善項目與對策說明一覽表 ... 45 表 3-8 外牆構造及其熱傳透係數 U 值之計算 ... 48 表 3-9 更新前後之空調箱規格(銘牌資料) ... 48 表 3-10 10F 空調箱 AHU 10-1 單日監測資料(日期：2012.1.2) ... 49 表 3-11 中央聯合辦公大樓南棟 10F 空調箱更新前後之 eQUEST 模擬耗電量 51 表 3-12 中央聯合辦公大樓北棟 3、6、8、10、13 及 15F 改善項目與對策說明 一覽表 ... 53 表 3-13 外牆構造及其熱傳透係數 U 值之計算 ... 55 表 3-14 更新前後之空調箱規格(銘牌資料) ... 55 表 3-15 中央聯合辦公大樓北棟 13F 空調箱更新前後之 eQUEST 模擬耗電量 57 表 3-16 行政院農業委員會改善項目與對策說明一覽表 ... 59 表 3-17 PU 無縫屋頂構造及其熱傳透係數 U 值之計算 ... 61 表 3-18 行政院農業委員會-改善前後現場冰水泵浦量測結果 ... 61 表 3-19 行政院農業委員會冰水泵浦改善前後之 eQUEST 模擬耗電量 ... 62 表 3-20 內政部警政署警察廣播電臺改善項目與對策說明一覽表 ... 65 表 3-21 內政部警政署警察廣播電臺-改善前後現場冰水泵浦量測結果 ... 67 表 3-22 內政部警政署警察廣播電臺冰水泵浦改善前後之 eQUEST 模擬耗電量 ... 68 表 3-23 國家檔案管理局改善項目與對策說明一覽表 ... 71 表 3-24 面磚平屋頂構造及其熱傳透係數 U 值之計算 ... 72 表 3-25 國家檔案管理局冷卻水塔風扇改善前後之 eQUEST 模擬耗電量 ... 73 表 3-26 經濟部標準檢驗局第六組改善項目與對策說明一覽表 ... 75 表 3-27 經濟部標準檢驗局第六組冷卻水塔風扇改善前後之 eQUEST 模擬耗電 量 ... 78 表 3-28 臺灣臺北地方法院檢察署改善項目與對策說明一覽表 ... 79 表 3-29 臺灣臺北地方法院檢察署冰水泵浦改善前後之 eQUEST 模擬耗電量 82 表 3-30 財政部財稅資料中心改善項目與對策說明一覽表 ... 84 表 3-31 財政部財稅資料中心冰水泵浦改善前後之 eQUEST 模擬耗電量 ... 87 表 3-32 海岸巡防署海洋巡防總局改善項目與對策說明一覽表 ... 89表 3-33 海岸巡防署海洋巡防總局-改善前現場泵浦量測結果 ... 91
表 3-34 海岸巡防署海洋巡防總局-改善後現場泵浦量測結果 ... 92
表 3-35 海岸巡防署海洋巡防總局泵浦改善前後之 eQUEST 模擬耗電量 ... 93
圖次
圖 1-1 台灣建築物耗電圖(內圈為夏季用電、外圈為非夏季用電) ... 2 圖 1-2 建築物逐月耗能模擬圖 ... 3 圖 1-3 兩棟高層商辦大樓之全年實際用電度與模擬用電度之比較 ... 4 圖 1-4 某 25 樓商辦大樓全年實際用電度與模擬用電度之比較 ... 4 圖 1-5 屏東科技大學圖資大樓實際用電度與模擬用電度之比較 ... 5 圖 1-6 某棟兩層樓 RC 建築之實際用電度與模擬用電度之比較 ... 6 圖 1-7 某電子廠空調部分實際用電度與模擬用電度之比較 ... 6 圖 1-8 成功大學魔法學校實際用電度與 eQUEST 模擬用電度之比較 ... 7 圖 1-9 使用者須自行輸入於能源模擬軟體的各項資料 ... 8 圖 1-10 研究步驟與流程 ... 9 圖 2-1 中央空調設備之結構 ... 12 圖 2-2 DOE-2.2 軟體之計算架構 ... 19 圖 2-3 台北平均氣象年 TMY2 資料格式 ... 25 圖 2-4 2010 年平、假日分布行事曆 ... 27 圖 2-5 2011 年平、假日分布行事曆 ... 28 圖 2-6 2012 年平、假日分布行事曆 ... 29 圖 3-1 大坪林聯合開發大樓空照圖與外觀 ... 35 圖 3-2 大坪林聯合開發大樓 12F 平面圖 ... 35 圖 3-3 大坪林聯合開發大樓 12F 之 eQUEST 模型東面&北面 ... 37 圖 3-4 大坪林聯合開發大樓 12F 之 eQUEST 模型西面&南面 ... 38 圖 3-5 12F 空調箱(AHU 12-1)之 BEMS 監測畫面 ... 40 圖 3-6 大坪林聯合開發大樓 12F 逐月實際與模擬耗電量之比較 ... 41 圖 3-7 大坪林聯合開發大樓 12F 空調箱改善前後之 eQUEST 模擬耗電量比較圖 .... 43 圖 3-8 中央聯合辦公大樓南棟空照圖與外觀 ... 44 圖 3-9 中央聯合辦公大樓南棟 10F 平面圖 ... 47 圖 3-10 中央聯合辦公大樓南棟 10F 之 eQUEST 模型東面&北面 ... 47 圖 3-11 10F 空調箱(AHU 10-1)之 BEMS 監測畫面 ... 49 圖 3-12 中央聯合辦公大樓南棟 10F 逐月實際與模擬耗電量之比較 ... 50 圖 3-13 中央聯合辦公大樓南棟 10F 空調箱改善前後之模擬耗電量比較圖 ... 51 圖 3-14 中央聯合辦公大樓北棟空照圖與外觀 ... 52 圖 3-15 中央聯合辦公大樓北棟 13F 平面圖 ... 54 圖 3-16 中央聯合辦公大樓北棟 13F 之 eQUEST 模型東面&北面 ... 55 圖 3-17 中央聯合辦公大樓北棟 13F 空調箱改善前後之模擬耗電量比較圖 ... 57 圖 3-18 行政院農業委員會空照圖與外觀 ... 58 圖 3-19 行政院農委會之 eQUEST 模型南面&西面... 59 圖 3-20 行政院農業委員會冰水泵浦改善前後之 eQUEST 模擬耗電量比較圖 ... 63 圖 3-21 內政部警政署警察廣播電臺空照圖與外觀 ... 64 圖 3-22 內政部警政署警察廣播電臺之 eQUEST 模型南面&西面... 65圖 3-23 內政部警政署警察廣播電臺冰水泵浦改善前後之 eQUEST 模擬耗電量比較圖 ... 69 圖 3-24 國家檔案管理局空照圖與外觀 ... 70 圖 3-25 國家檔案管理局平面圖 ... 70 圖 3-26 國家檔案管理局之 eQUEST 模型南面&西面... 71 圖 3-27 國家檔案管理局冷卻水塔風扇改善前後之 eQUEST 模擬耗電量比較圖 ... 74 圖 3-28 經濟部標準檢驗局第六組空照圖與外觀 ... 75 圖 3-29 經濟部標準檢驗局第六組之 eQUEST 模型西南面 ... 76 圖 3-30 經濟部標準檢驗局第六組冷卻水塔風扇改善前後之 eQUEST 模擬耗電量比較 圖 ... 78 圖 3-31 臺灣臺北地方法院檢察署空照圖與外觀 ... 79 圖 3-32 臺灣臺北地方法院檢察署之 eQUEST 模型東南面 ... 80 圖 3-33 臺灣臺北地方法院檢察署冰水泵浦改善前後之 eQUEST 模擬耗電量比較圖 . 82 圖 3-34 財政部財稅資料中心空照圖與外觀 ... 83 圖 3-35 財政部財稅資料中心之 eQUEST 模型西南面 ... 85 圖 3-36 財政部財稅資料中心冰水泵浦改善前後之 eQUEST 模擬耗電量比較圖 ... 87 圖 3-37 海岸巡防署海洋巡防總局空照圖與外觀 ... 88 圖 3-38 海岸巡防署海洋巡防總局之 eQUEST 模型西南面 ... 89 圖 3-39 海岸巡防署海洋巡防總局泵浦改善前後之 eQUEST 模擬耗電量比較圖 ... 93
摘要
關鍵詞：eQUEST、建築能源模擬、建築耗能評估軟體、中央空調系統 一、研究緣起 於國內外，利用 DOE-2 為運算核心的建築耗能模擬軟體來輔助建築設計已行之有 年，且 DOE-2 計算結果已經過許多真實建築物的熱性能與能源使用量測值之驗證與比 較；本研究規劃採用免費 DOE-2 視覺化軟體 eQUEST，挑選上述已完成空調效率提升 之公有建築 10 案進行模擬，並比對分析實際運轉數據，以利瞭解模型準確性，進而評 估不同改善方案的節能效益，以作為後續建築節能推廣應用之參考。 二、研究方法及過程 由於建研所近年推動建築能源效率提升計畫，根據測試調整平衡方法 (Testing, Adjusting, Balancing method，簡稱 TAB)，採取進行簡單閥件安裝、管線修改及運轉參 數調整等較低成本方式取代更換空調主機，藉以提升既有公有建築之空調設備效率，並 已完成百餘件建築案例，且案例平均具有 5~20%之節能效果；同時此計畫所建置之建築 能源管理系統(簡稱 BEMS)，可監測並控制內部所有設備(如照明、空調、消防及保全系 統等)的電力使用，並記錄各設備的能耗數據，故可提供本研究驗證時所需的建築物實 際能耗數據。本研究已完成建築能源效率提升改善之公有建築相關建築基本資料、圖說、 TAB 改善前後空調設備運轉資料及實際耗電量，並採用免費 DOE-2 視覺化軟體 eQUEST 進行公有建築能源數值模擬，並比對模擬耗電數據與實際運轉耗電量差異，以利瞭解其 準確性，並評估量化改善案例之建築能源效率提升效益。三、重要發現 (1) 目前資料收集方式乃直接與各個管委會或承辦人接洽，即使對方極為樂意提供 相關資料，但大多非相關領域從業人員，故僅能提供局部建築、空調及使用現 況等資料，由於資料多有所缺漏，在資料不足情況下，多項參數僅能使用預設 值或規範建議值，如設備、照明密度與使用時程等，故無法建立極精準的數值 模型，此乃研究執行過程的最大限制。 (2) 即使裝有 BEMS 監測系統的公有單位，僅能提供近六個月的監測資料，資料儲 存期間過短，故大多無法取得空調改善前設備用電量，且其 BEMS 監測資料仍 有誤，似乎無法正確提供改善前後的設備用電量。 (3) 大坪林開發大樓於 2011.12~2012.5 個月的總誤差 4.4%以下，且兩者趨勢卻雷 同，故 eQUEST 的模擬準確度尚佳。中央聯合辦公大樓南棟於 2011.10~2012.3 六個月的總誤差約 11%左右，初步研判 eQUEST 模型尚屬準確。經由案例之模 擬耗電數據與實際運轉耗電量差異，推估 eQUEST 模型之準確性均能控制在 12%以內。 (4) 於內政部警察廣播電台案例中，利用 eQUEST 模擬冰水泵浦由定流量改為變流 量方式運轉，同時其運轉時間減半，全年度可節省 82,513 度用電，冰水泵浦之 節能比例約 61.9%。而「100 年建築能源效率提升計畫成果報告」中追蹤此案 例於 2010.9~2011.9 改善前後冰水泵浦實際用電的節能效益為 64,678 用電度數， 冰水泵浦之節能比例約 56.8%。於檔案管理局案例中，以 eQUEST 模擬冷卻水 塔風扇由定頻運轉改採用變頻運轉後，全年度可節省 3,698 度用電，冷卻水塔 風扇之節能比例約 56.7%。而「100 年建築能源效率提升計畫成果報告」中追 蹤此案例於 2011.1~2011.9 改善前後冷卻水塔風扇實際用電的節能效益為 3,889
用電度數，冷卻水塔風扇之節能比例約 74%。此兩案例可發現改善前後之實際 節能效益雖略高於本研究 eQUEST 所模擬結果，但差異不大。 (5) 完成十個建築能源提升計畫的公有建築之能源改善前後數值模型調整與建置， 而十個案例中包含多種不同空調設備改善措施(如空調箱定風量改為變風量、 一/二次側定流量改為變流量、冰水泵浦運轉時程、冷卻水塔風扇定頻改變頻運 轉等、汰換泵浦等措施)，而 eQUEST 推估的改善前後節能效益，其中有七個 案例之 eQUEST 模擬改善前後節能度數值略高於建築節能提升計畫所推估，但 差異不大，可作為後續推廣應用於相關建築空調設施節能改善之參考。
四、主要建議事項 建議一 後續研究建議 ：立即可行之建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關： 由於「建築能源效率提升計畫」已完成案例約有百餘棟，其中有不少案例 在進行能源效率提升前均已裝置有 BEMS 監測系統，並可將資料上傳至該計畫 所建置的 BEMS 資料庫上，建議若能在改善項目施作前後，直接利用 BEMS 監 測系統紀錄在真實情況下的該項空調設備之運轉數據，可推算出案例其改善前 後之節能度數與比例，以進行實際節能減碳效益之數量化評估，對後續整體計 畫之推展應有極大效益。 建議二 後續研究建議：中長期建議 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 「建築能源效率提升計畫」所推行空調系統改善 TAB 程序除了能以較低成 本之改善策略提高空調系統之能源效率外，對於室內空調環境之舒適度往往也 有所提升，建議後續研究除了考量其節能效益之評估之外，也可考慮納入室內 環境舒適度之評估。
ABSTRACT
Keywords: Energy simulation program, eQUEST, BeeUp
Electric energy consumption due to air conditioning (A/C) in buildings is tremendous, especially in places having hot and humid weather, such as Taiwan. Therefore, reducing energy use for space cooling in buildings is a key measure to energy conservation and environmental protection. Energy simulation (ES) programs, such as the most widely-used DOE-2, are very valuable tools to investigate the effect of different designs on their energy consumption, and provide energy analysis for a whole building and that for heating, ventilating and air conditioning (HVAC) systems. Space averaged indoor environmental conditions, cooling/heating loads, coil loads, and energy consumption can be obtained on an hourly or sub-hourly basis for a period of time ranging from a design day to a reference year.
In this research, we chosen ten cases of Building energy efficiency upgrade program (Beeup) and have use the ES freeware named eQUEST, which is based on the well known DOE-2 program, to estimate the engry saving of differents strategies.
The most difffecult part of this research is to collect building informations of each case：The data includes building plans (building geometry and construction materials), historical utility data, and information of building system components (lighting systems, plug loads, HVAC systems, building envelope and thermal mass, building occupants, other major energy-using loads). In some cases, experimental and simulated variations of electric power consumed by the components of the HVAC system are presented. The average simulated error is less than 12%. The overestimation may arise from the lack of the actual building information in building energy simulation program.
This project comes to the immediate and long-term strategies.
For immediate strategy：The project of Beeup have completed more than a hundred buildings, and finished the BEMS database. Many buildings are equipped
with Building Energy Management System (BEMS), uploading the monitoring data to Beeup’s BEMS databases, before the energy efficiency upgrade. BEMS monitoring system can be used to record the actual electric comsuptions of the componets of HVAC system before and after the energy efficiency upgrade, and to estimate proportion of actual energy saving and carbon reduction benefits. It will be greatly effective for the subsequent promotion of the overall project.
For long-term strategy：The TAB method used in the project of Beeup can upgrade the energy efficiency of the air conditioning system with low-cost strategy, but also improve the thermal comfort of the indoor environment. We suggest to evaulate the energy efficiency and thermal comfort of indoor environment in the follow-up reserch.
第一章 緒論
第一節 研究緣起與背景
由 建 研 所 近 年 推 動 建 築 能 源 效 率 提 升 計 畫 ， 根 據 測 試 調 整 平 衡 方 法 (Testing, Adjusting, Balancing method，簡稱 TAB)，採取進行簡單閥件安裝、管線修改及運轉參 數調整等較低成本方式取代更換空調主機，藉以提升既有公有建築之空調設備效率，並 已完成百餘件建築案例，且案例在完成改善後其實際運轉平均具有 5~20%之節能效果。 但此種方式必須於提升計畫完成後進行實際運轉測試才能確認其節能效果，若能透過電 腦模擬之預測評估方法，可讓使用者能事先量化各項節能措施所能節省費用，再考量其 建置成本及回收年限，以輔助設計者進行判斷應採用何種措施較為有利。 於國內外，利用 DOE-2 為運算核心的建築耗能模擬軟體來輔助建築設計已行之有 年，且 DOE-2 計算結果已經過許多真實建築物的熱性能與能源使用量測值之驗證與比 較；本研究規劃採用免費 DOE-2 視覺化軟體 eQUEST，挑選上述已完成空調效率提升 之公有建築 10 案進行模擬，並比對分析實際運轉數據，以利瞭解模型準確性，進而評 估不同改善方案的節能效益，以作為後續建築節能推廣應用之參考。 預計本研究將蒐集數個已完成建築能源效率提升改善之公有建築相關建築基本資 料、圖說、TAB 改善前後空調設備運轉資料及實際耗電量，並完成該公有建築能源改善 數值模型建置，比對模擬耗電數據與實際運轉耗電量差異，評估量化改善案例之建築能 源效率提升效益。
第二節 研究計畫背景及相關文獻之探討
建築物使用電力和燃料來產生冷暖氣、照明和動力，約占所有二氧化碳排放量的 38%。根據內政部統計，台灣辦公室空調用電約佔全年用電量之 40%(如圖 1-1 所示)， 因此如何降低室內冷房負荷，提高空調運轉效率，減少空調用電，一直是政府或建築業 界在推動建築節能策略中極為重要的議題，惟目前台灣對於量化各項節能措施所能節省 費用，尚未提出普及化的預測評估方法。 圖 1-1 台灣建築物耗電圖(內圈為夏季用電、外圈為非夏季用電) (本研究繪製) 然而，由美國能源局所屬的 Lawrence Berkeley 國家實驗室開發的建築耗能動態模 擬分析軟體(DOE-2)，可依據已知的氣象條件、建築設計資料、冷暖氣空調系統與能源 使用費率等資訊，並預測出如圖 1-2 所示的建築全年逐時耗能以及能源使用成本。DOE-2 係將能耗區分為空調、動力、照明等 3 大項目，其中動力及照明部分之耗電量與使用時 間相關，約略可由線性關係計算得知；在空調耗能部分，因受氣候、建築結構、材料、 運轉模式及內部空調負荷等影響，計算上較為複雜，因此必須藉由電腦程式模擬分析耗 能情形。圖 1-2 建築物逐月耗能模擬圖
(資料來源：Introductory Tutorial of eQUEST, P.126)
目前國外以 DOE-2 為運算核心，推出數種視覺化軟體(如 eQUEST，EnergyPlus， PowerDOE，CVisualDOE)，其共通特色為提供使用者在建置模型時，可利用視窗化介面 直接輸入模擬地點之地理及氣象資料，並模擬建物之幾何條件、結構材質、室內人員狀 態、照明、設備、使用時程、空調系統型式、特殊節能策略等參數。故在模型建立與程 式執行時，不僅需輸入各項建築設計及設備資訊，更重要的是使用情況，因此需要具有 相關經驗之專業人員執行，使用門檻較高，故於台灣較少有使用 DOE-2 軟體輔助設計 之建築案例。 利用建築耗能模擬軟體來輔助建築設計於國外已行之有年。在美國，DOE-2 之計算 結果已經過許多真實建築物的熱性能與能源使用量測值之驗證與比較，例如 Pan et al. (2006)曾利用軟體 VisualDOE 與 eQUEST 分別模擬上海兩棟 88 層樓與 41 層商辦大樓的 全年能耗，並與實際用電量進行比對，如圖 1-3 所示，並發現其模擬值每月平均誤差分 別為 7.1%及 10.0%，全年誤差分別為 1.2%及 2.37%;Y. Zhu (2006)曾利用軟體 eQUEST
準確性極高。目前已有許多國外建築案於設計階段時，以 M. Bojicb and F. Yika (2005) 為例，此團隊使用建築耗能模擬軟體協助決定採用何種外牆設計、空調設備及運轉模式 等等，並推估可節省下的能源成本，以利取得 LEED 綠建築標章。然而根據美國政府會 計部門評估，而且藉由 DOE-2 的使用，建築物平均能降低 22%能耗，且自 1998 年後， DOE-2 協助美國在能源成本上省下至少 110 億美金。
(a) 利用 VisualDOE 模擬 88 層樓商辦大樓 (b) 利用 eQUEST 模擬 41 層樓商辦大樓
圖 1-3 兩棟高層商辦大樓之全年實際用電度與模擬用電度之比較
(資料來源：Pan et al. (2006), P.256 及 P.259)
圖 1-4 某 25 樓商辦大樓全年實際用電度與模擬用電度之比較
近年來，國內已有多篇論文乃透過 DOE-2 等建築耗能模擬軟體來評估各種節能策 略效益，大多僅限於數值模擬探討，但仍有部分研究針對實際案例進行其實際用電與數 值模擬的準確性進行探討，如楊冠雄教授研究團隊曾利用 PowerDOE 針對多種不同建築 類型(學校、旅館、低層數辦公廳、電子廠等)進行節能設計分析與全尺度實驗印證；其 中蕭艾鈴(2003)針對屏東科技大學圖資大樓(地上 17 層 RC 建築)的實際用電度數與 PowerDOE 模擬用電度進行比較(如圖 1-5 所示)，最大單月誤差為 13%，全年誤差為 2.3% 以內；莊逸宏(2004)針對兩棟兩層樓辦公廳進行 VAV 空調系統模擬，發現兩棟建物之 年平均空調用電比重為 48%與 54%，與 PowerDOE 模擬值 56%與 57%有些許不同(如圖 1-6 所示)，推測可能是實際空調之使用情況與模型中所輸入之使用時程不同所致；張議 瑋(2004)利用 PowerDOE 針對某電子廠空調部分的實際用電度數與模擬用電度進行比較 (如圖 1-7 所示)，最大單月誤差為 12%，全年誤差為 6%以內。由此可知，數值模型中建 物各種使用模式參數設定對模型準確度影響極為重要。 圖 1-5 屏東科技大學圖資大樓實際用電度與模擬用電度之比較 (資料來源：蕭艾鈴(2003), P.83)
圖 1-6 某棟兩層樓 RC 建築之實際用電度與模擬用電度之比較 (資料來源：莊逸宏(2004), P.41) 圖 1-7 某電子廠空調部分實際用電度與模擬用電度之比較 (資料來源：張議瑋(2004), P.104) 而林承鴻(2009) 利用 eQUEST 針對學校建築實際用電度數與模擬用電度進行全年 呈現的絕對誤差均值僅 7.45%，最大單月誤差約 17%。王育忠與林憲德(2012)利用 eQUEST 針對成功大學魔法學校綠建築進行各種節能策略評估，並比較其 2011.1~2011.6 六個月間其實際用電度數與模擬用電度進行比較(如圖 1-8 所示)，最大單月誤差為 22.8%， 總誤差為 16.6%以內，推估乃是因為建物啟用後各空間實際使用次數(時間)較原先預估 值約低了 20%，而導致 eQUEST 模擬數值高於實際用電量。
圖 1-8 成功大學魔法學校實際用電度與 eQUEST 模擬用電度之比較
(資料來源：Wang,Y.-C. and Lin, H.-T.(2012), P.3065)
由於建研所近年推動建築能源效率提升計畫，根據測試調整平衡方法 (Testing, Adjusting, Balancing method，簡稱 TAB)，採取進行簡單閥件安裝、管線修改及運轉參 數調整等較低成本方式取代更換空調主機，藉以提升既有公有建築之空調設備效率，並 已完成百餘件建築案例，且案例平均具有 5~20%之節能效果；同時此計畫所建置之建築 能源管理系統(簡稱 BEMS)，可監測並控制內部所有設備(如照明、空調、消防及保全系 統等)的電力使用，並記錄各設備的能耗數據，故可提供本研究驗證時所需的建築物實 際能耗數據。本研究規劃採用免費 DOE-2 視覺化軟體 eQUEST，挑選上述已完成空調 效率提升之公有建築數案進行模擬，並比對分析實際能耗數據，以利瞭解其模型準確性， 進而評估不同改善方案的節能效益，以作為後續建築節能推廣應用之參考。
第三節 研究方法與流程
在數種 DOE-2 視覺化軟體中，僅 eQUEST 為免費軟體，雖然其建築物型式、內建 空調模組與資料庫略遜於須付費的 PowerDOE 與 CVisualDOE，但相對地使用者輸入介 面較為簡單，也利於日後推廣，故本研究擬採用 eQUEST 作為分析軟體，而需要輸入於 eQUEST 軟體的各種資料，如圖 1-9 所示。 圖 1-9 使用者須自行輸入於能源模擬軟體的各項資料 (本研究繪製) 雖然「建築能源效率提升計畫」已有各個公有建築之改善後空調系統設備(泵浦、 水塔、風機等)的實際運轉量測數值，可直接輸入於 eQUEST 軟體中，但本團隊仍需透 過逐一的建物使用現況調查，來收集其餘的建築環境現況和使用模式參數(如建物之空 間幾何條件、結構材質、室內人員狀態、照明、機具密度、各空間使用時程等)，如圖 1-10 所示，這部份的工作量會是本研究的一大困難，故本研究將優先挑選能提供較完整 建築圖說且人員使用分區較為單純的公有建築作為研究對象，以建立合宜的建物使用現 況調查模式，以利於計畫執行期間能蒐集數個已完成建築能源效率提升改善之公有建築 相關建築基本資料、圖說、TAB 改善前後空調設備運轉資料及實際耗電量等資料，並完成該公有建築能源改善數值模型建置，比對模擬耗電數據與實際運轉耗電量差異，評估 量化改善案例之建築能源效率提升效益，研究步驟如圖 1-10 所示。
圖 1-10 研究步驟與流程
第二章 研究方法
第一節 空調系統之簡介
為了移除室內冷房負荷而達到冷房之目的，必須將較室內溫度低的空氣送入室內， 此時當做運熱的媒體稱為「熱媒」，在空調機所使用的熱媒有：空氣、水、蒸氣、冷媒 等。就這些熱媒的運熱能力比較時，單位體積的運熱能力空氣最小，水為最大，冷媒則 居於中間。空調系統以空氣運熱的方式稱為全空氣方式(all air system)，以水運熱者稱為 全水方式(all air system)，以冷媒運熱者稱為冷媒方式(refrigeration system)，使用空氣與 水者為空氣與水並用方式(air water system)。
空調方式除了依熱媒體分類之外，亦可其設備方式大致分為中央空調方式與個別方 式，如表 2-1 所示。
表 2-1 空調方式分類
中央方式係指將空調機或熱源機器設置空調對象室外，以風管或配管供給熱之方式。 所謂個別方式係指機組(unit)內藏冷凍機可直接任何空調系統的主要功能就是對空氣降 溫與除濕。本研究所研究案例均是使用中央空調方式，其設備如圖 2-1 所示，是接收用 冷凍機所製造的冷水(chiller water)，經由冰水泵將冰水送至風管機(FCU)或空調箱(AHU) 製造冷風，然後再將冷風送至空調的空間使用，在冷凍機或空調箱做熱交換後的較高溫 水，則經由冷卻水泵送至冷卻水塔散熱，因此，在較為大規模的建築物中，為了因應不 同空調負荷的變化而發展出使用變頻器(inverter)改變冰水量或是送風量，而形成 VWV 系統與 VAV 系統，達成節能之效果，其工作原理為，由控制系統之感應器收集室內之 熱舒適度參數、室外環境參數與空調系統目前運轉情形之狀態參數，並根據系統運轉之 最佳化與人體熱舒適度之最佳化設定來控制系統各部元件之運轉。因此可使室內熱舒適 環境保持在最佳範圍內，亦可使空調系統運轉於穩定且省能之最佳狀態。 圖 2-1 中央空調設備之結構 (資料來源：圖解建築環境控制(1999), P.12)
第二節 冷房負荷與空調需求量計算
建築物設備系統在設計階段決定機器容量大小時，最重要的步驟是計算出該建築物 的尖峰空調熱負荷 PEAKLOAD，其計算時所採用的氣候條件為最嚴苛的情況來計算， 尖峰熱負荷意指全年之中即使是僅有幾次極熱或極冷加上室內負荷最大時，空調設備亦 能供應滿足所需。尖峰空調負荷的計算是綜合考量建築外界氣候變動、外殼構造、室內 熱發生量以及為了維持室內空氣品質必須引進新鮮外氣等熱負荷行為其目的在於決定 設備容量以及設備容量的安全因素。另外在送風、送水管路中因熱傳損失與漏風損失造 成的額外損失量稱為搬運損失，其損失量約佔總空調熱負荷的 10％左右，計算冷房負荷 時所考慮的各種構成因素如表 2-2 所示。 表 2-2 構成冷房負荷的項目及代號 負荷種類 負荷代號 外部負荷 壁體傳透熱 Qwall 顯熱 玻璃面傳透熱 Qws 顯熱 玻璃面輻射熱 Qwc 顯熱 間隙風負荷 QIS 顯熱 QIL 潛熱 內部負荷 人體發散熱 QHS 顯熱 QHL 潛熱 照明發散熱 QEL 顯熱 室內機械發散熱 QMS 顯熱 QML 潛熱 外氣負荷 新鮮外氣負荷 QOS QOL 搬運損失 顯熱、潛熱各取以上總值的10％計算 （資料來源：林憲德、黃國倉，2005，空調熱負荷計算標準研究）壁體熱傳透計算
經過建築外殼的熱流，由於受到壁體熱容量的影響，會產生所謂的時滯現象 (time-lag)。就是瞬間熱流不止受到當時瞬間的外氣候影響，還必須回溯到過去前幾個小時外氣候變動的加權影響，計算十分複雜，非一般空調業界易於採用。所以利用熱學理 論將時滯現象簡化為單純的冷房負荷溫差 CLTD(Cooling LoadTemperature Difference)計 算單一壁體熱傳透，可以下式表示，而構造體之總熱傳透等於各外牆面熱傳透量相加(Σ wall Q ) wall Q U A CLTD……….…...… (2-1) 其中， Qwall：特定牆面的熱傳透量 U ：建築外殼的熱傳透率 CLTD ：冷房負荷溫差 A ：壁體面積 若考慮建築外殼壁體有多層不同材料，亦即含有不同的熱傳導係數以及厚度的話， 熱傳透率公式如下： 1 1 2 1 1 n 1 i i i U x h k h
……….………….…...… (2-2) 其中 ：外表面的熱傳遞率[W/(㎡-K)] (採辦公廳類建築物節約能源設計技術規範 23.0) ：內表面的熱傳遞率[W/(㎡-K)] (採辦公廳類建築物節約能源設計技術規範 9.0) ：第 i 層材料之熱傳導係數 [W/(K-m)] ：第 i 層材料之厚度 [m]玻璃熱負荷計算
單一玻璃面之熱負荷 Qwin 可分為室內外溫差所產生之傳透熱 Qws，與透過玻璃之太 陽輻射熱 Qwc。其計算式如下： win ws wc Q Q Q ……….…... (2-3) ( ) wc o i Q U A T T ……….…………. (2-4) ws Q A SC MSHGF CLF ……..………. .….…… (2-5) 其中， Qwin：玻璃熱負荷wc Q ：玻璃面熱傳透負荷 ws Q ：玻璃面日射負荷 U ：玻璃之熱傳透率 o T ：戶外氣溫 i T ：室內設定溫度 SC ：遮蔽係數 MSHGF ：最大太陽熱取得因子，此為方位、時間與緯度的函數 CLF ：冷房負荷因子，此為建築物的蓄熱能力與有無內遮陽設施之函 數 A ：玻璃面面積
間隙風負荷計算
沒有一棟建築物是完全氣密的，門窗之開關、輸送皆造成的空氣流動，即使是使用 固定式氣密窗，漏風也還是從窗框與密封墊之縫隙產生。建築物也因所受風壓或風速的 影響造成間隙風之負荷，其包含了顯熱負荷與潛熱負荷。 INF IS IL Q Q Q ……….…... (2-6) ( ) rs p I o i Q C Q T T ……….…………. (2-7) ( ) IL I o i Q hfg Q X X ……..………..…... (2-8) / r Q ACH V C ……..………..….…. (2-9) 其中， QINF：間隙風熱負荷 IS Q ：間隙風顯熱取得量 IL Q ：間隙風潛熱取得量 I Q ：間隙風量 P C ：風壓係數 hfg ：水蒸氣的相變化潛熱 o X ，X ：室外與室內絕對濕度 i ACH ：換氣回數V ：室容積 C ：常數
人體發散熱
來自人體的熱負荷可分為顯熱部分與潛熱部分，人員的作業程度決定了總發熱量以 及顯熱與潛熱比例。顯熱部份是因為人體體溫與室內溫度之溫度差而引起，潛熱部份則 是起因於人體的呼吸與排汗。雖然各種工作狀態下的顯熱與潛熱值有準確的數值可查， 但是在作業人員發熱量仍會發生重大誤差，其主要原因為缺乏人員停留在室內的時間以 及總人數的相關資料。大部份的場所在設計時對於其使用人數均高估很多，所以計算時 要避免引用超過全職人員的數目。室內人員的顯熱與潛熱要分開算，計算式如下： N N Hum HS HL Q Q Q ……….…………. (2-10) 其中， QHum：人體總發散熱 HS Q ：人體之顯熱負荷 HL Q ：人體之潛熱負荷 N ：人員數照明負荷
因為燈光的發熱量是內部熱得的最主要成份。照明所產生的熱與由照明所消耗電力 換算時的等值發熱是不相同的。雖然燈具的其他附屬設備可能產生其他額外發熱量，但 是燈具的發熱源主要來自發光元件或燈泡。照明負荷之計算以各空間之照明密度乘上各 照明器具每瓦數的發熱量來計算。計算式如下： EL EL F Q
Q ……….…………. (2-11) 其中， Q ：特定照明器具之電力消費量 EL F：額外的允許因數(如螢光燈的啟動器因素)機械熱負荷
計算各項室內設備的發熱量較計算人員或燈光時更為主觀。在計算中不論是電力設 備、瓦斯設備或蒸氣設備所產生的熱都應列入考量。複雜的設備種類和，使用方式使得 發熱量的計算變得相當主觀。近來辦公室電腦化後，電腦及其相關附屬設備如印表機等 成為辦公室主要之機械發熱來源。但是根據最近的研究指出，大部分的辦公室建築設備 內的熱得為 10 W/m2。總設備發熱量為個別機器之室內熱負荷 MAC Q 之總和。外氣負荷計算
一般而言，因引進新鮮外氣所造成外氣負荷約佔總空調負荷的 20-30%。室內外氣 量之決定取決於在室人員數多寡，外氣負荷計算式如下： OA OS OL Q Q Q ……….…...(2-12) ( ) OS OA P o i Q V C T T ……….…………. .(2-13) ( ) OL OA o i Q V hfg X X ……..………..…... (2-14) 其中， QOA：外氣總熱負荷 OS Q ：外氣顯熱取得量 OL Q ：外氣潛熱取得量 OA V ：外氣量 o T ，T ：室外與室內氣溫(℃) i hfg ：水蒸氣的相變化潛熱 o X ，X ：室外與室內絕對濕度 i p C ：風壓係數 上述所討論的負荷計算法乃不考慮延時效應，雖然其應用上比精算法簡單，儘管在 理論上，這兩種方法只存在些許誤差，但本研究採用建築耗能動態模擬分析軟體(DOE-2) 進行計算。第三節 DOE-2.2 建築耗能動態模擬分析軟體之簡介
一般而言，建築物之耗能結構可分為空調、動力、照明三大項目來探討，其中動力 及照明部分之耗電量與使用時間大略可經由線性關係計算而得知。然而，在空調耗能部 分，因受季節、建築結構、運轉模式及內部空調負荷之影響，故計算上較為複雜，因此 必須藉電腦程式模擬來分析其耗能情形。而建築物能源分析所使用之動態模擬軟體 DOE-2.2 是由 Lawrence Berkeley National Laboratory(LBNL)等多個單位共同開發，並獲 得美國能源部支持。 由於 DOE-2.2 可以同時計算建築外殼條件、建築使用模式、空調設備運轉條件、 外氣量、間隙風、內部發散熱等資料，並能夠精確地計算全年建築負載之熱流變化，且 計算時間間隔為一小時，一年可得 8760 筆逐時資料，因此被另稱為動態解析程式。在 眾多的建築電腦模擬軟體中，DOE-2.2 以其嚴謹的科學計算程序、兼具彈性極大範圍的 條件輸入與程式開放性，而成為當今最為權威以及受到世界上的知名研究機構、政府以 及學校等單位所採用之建築能使用源分析的跨平台電腦模擬軟體。 DOE-2.2 主要功能為提供建築物使用、設計、營造者與研究機構一個最先進、公正、 與具完善技術文件之電腦科學計算環境，利用已知之氣象資料、建築設計資料、冷暖氣 空調系統與能源使用費率等資訊，預測建築逐時耗能以及能源使用成本。因此，DOE-2.2 可用以輔助作為建築能源使用分析。而該程式之執行，不僅要提供建築設計之主要參考 資訊，且需要參酌經驗豐富之建築師與工程師之判斷。 DOE-2.2 主要功能為提供建築物使用、設計、營造者與研究機構一個最先進、公正、 與具完善技術文件之電腦科學計算環境，用以進行建築能源分析。DOE-2.2 之原始程式 碼是以具有可攜性之 FORTRAN 語言所撰寫，因此擁有高度之跨平台執行能力，可大 部分之電腦平台執行計算，DOE-2.2 之主要架構及計算程序如圖 2-2 所示。基本上
DOE-2.2 具有一個讀取使用者輸入條件之模組(BDL Processor)以及四個具有模擬功能之 子程式模組(LOADS，SYSTEMS，PLANT and ECON)，另有兩個資料模組專門處理氣 象 資 料 (Weather Data) 及 建 築 物 設 計 構 件 與 材 料 資 料 庫 (Library) 。 其 中 LOADS 、 SYSTEMS 與 PLANT 三個模組必須依序執行，例如，LOADS 程式之輸出結果作為下 一個 SYSTEMS 程式之輸入條件，依此類推。最後之 PLANT 輸出結果，則作為 ECON 之輸入值。每一個模組子程式皆將各自專屬計算結果進行報表輸出。
圖 2-2 DOE-2.2 軟體之計算架構
(本研究整理)
DOE-2.2 主要架構之各項模組說明如下： (1) BDL Processor
BDL(The Building Description Language)處理器讀取具彈性格式之輸入資料，並且將 其轉譯成電腦可辨識之格式。同時，計算牆壁內瞬時熱流之反應係數 (response factors)，以及建築空間之熱反應加權係數(weighting factors)。
(2) LOADS 每個空間都維持在使用者所設定之溫度之假設下，LOADS 子程式模組計算每一個 使用者指定之建築空間內之逐時顯熱與潛熱荷。氣象與陽光條件、人員之時間變動、 照明與設備、通風、牆壁熱傳屋頂、窗戶與遮陽等條件都會反應在 LOADS 模組之 計算結果。 (3) HVAC
其中又分為 SYSTEMS 與 PLANT 兩個子程式模組，其中 SYSTEMS 處理空調二次 側系統，PLANT 則處理一次側系統。SYSTEMS 子程式模組計算空氣側設備(風機、 盤管及風管)之性能，該模組藉由外氣量需求、設備運轉時間、設備控制策略、以 及溫度感測器設定值等條件之考慮，而進一步修正 LOADS 模組以定溫方式計算所 得之負荷。SYSTEMS 子程式模組可計算出氣流與盤管負荷。PLANT 則計算出鍋 爐、冰水主機、冷卻水塔、儲冰槽等設備之性能，以滿足二次側之加熱與冷卻盤管 負荷。並且為了計算建築物燃料使用及電力需求量，該計算程式亦考慮到一次側之 部分負載特性。 (4) ECON ECONOMICS 子程式模組計算出能源使用成本，並且可進一步比較不同建築設計 之成本與效益，或是既有建築更新後可得之能源成本節約量。 (5) Weather Data
平均氣象年資料 TMY2(Typical Meteorological Years)是以逐時記錄各筆氣象變動之 數據，包括逐時之外氣乾球溫度、濕球溫度、大氣壓力、風速與風向、雲量，及太 陽輻射量。藉由執行 DOE-2.2 之氣象資料處理程序模組，可將美國國家氣象服務(U.S. National Weather Service)以及其他組織提供之原始氣象資料，轉譯成適合 DOE-2.2 之格式。
(6) Library DOE-2.2 軟體內含有建築構建輸入之資料庫，包含牆面材質、多層牆構造、屋頂以 及窗戶等等。DOE-2.2 的資料庫中也有內建多種空調系統的冷氣性能曲線，而本研 究由於要針對多個案例的空調系統大多已使用多年，故較難取得空調系統真實冷氣 性能曲線，故本研究僅以 DOE-2.2 的資料庫中的內建冷氣性能曲線進行計算。
第四節 DOE 系列軟體之簡介
最初 DOE-2 程式必須以文字檔方式輸入，不易使用，而後有許多不同單位或公司 以 DOE-2.2 為分析引擎，並改以 Windows 視窗化介面來輸入建築及空調設備等，並非 以往程式語言輸入方式，此舉不但利於使用者操作，更提供 3-D 輔助畫面，易於檢視輸 入是否有誤，可減少模擬初期出現錯誤。而在目前 DOE-2.2 系列的視覺化軟體比較表如 表 2-3 及表 2-4 所示，各個程式有其優缺點，而 eQUES T 為免費軟體，且目前國內較多 研究單位採用此程式，雖然其建築物型式、內建空調模組與資料庫略遜於須付費的 PowerDOE 與 CVisualDOE，但相對地使用者輸入介面較為簡單，也利於日後推廣，故 本研究擬採用 eQUEST 作為分析軟體，而需要輸入於 eQUEST 軟體的資料，如圖 1-9 所 示。表 2-3 DOE 系列視覺化軟體比較表 軟體 開發者 特點 功能 eQUEST LBNL & J.J. Hirsch 免費軟體 輸入簡單
(1) 內建 Building Creation Wizard(建模精靈)可 協助使用者快速建模。 (2) 內建 EEM Wizard(能效策略精靈)提供了建 築物能耗經濟分析、日照和照明系統的控 制，，自動完成能源利用效率 。 (3) 模擬 HVAC 系統、水側變流量系統，並自 定義設備的性能曲線 (4) 使用限制：無法模擬傾斜建築立面、某些 系統(Water-Use and Emissions, Steam Loops 等)、單一空間無法設定兩種空調系 統等 EnergyPlus (1996~) LBNL 免費軟體 自行新增 功能 軟體較新 (1) 用戶可以定義時間步長 (2) 採用三維有限差分土壤模型與簡化法對土 壤傳熱進行模擬 (3) 考慮人體活動量、室內溫溫度等參數，進 行熱舒適度分析 (4) 可建立傾斜建築表面，能計算傾斜表面的 天空散射強度 (5) 具窗戶傳熱計算,能模擬可控制遮陽裝置、 可調光電鉻玻璃等 (6) 可進行日光照明的模擬,包括室內照度的計 算、眩光的模擬用戶 (7) 可以自行新增模組，功能非常複雜,比較適 合研究和二次開發。 PowerDOE 付費軟體 主要特點是採用了互動式的 Windows 介面進行輸入和輸出,比較容易上手操作 。
VisualDOE Architectural Energy Cop. 付費軟體
(1) 可以模擬包括照明，太陽輻射，暖通系統 ，熱水供暖等建築所有主要的能耗 (2) 用戶較易上手使用。 (3) 可以從 DOE-2 輸出檔中自動提取計算結果 。 (4) 對於需要複雜的高級用戶，可手動修改輸 入檔。 (本研究整理)
表 2-4 DOE 系列軟體比較表
特性 DOE2.2 eQUEST VisualDOE
(2.1E) TRANE TRACE 公用/專賣 公用 公用 專賣 專賣 年模擬時數(小時) 8760 8760 8760 8760 模擬理論 Cst Wtg Factor Std Wtg Factor 最大模擬區數 1024 1024 512 1000
輸入方式 text/command Windows Windows Windows
螢幕協助 無 極大 大 大 3-D 輔助畫面 ＊ ＊ 以 CAD 為輸入文件 ＊ ＊ 材料/組件資料庫 ＊ ＊ ＊ ＊ Schedules 資料庫 ＊ ＊ ＊ ＊ 圖像化 Schedules 輸 入 ＊ ＊ Prototype 資料庫 ＊ 以程式輸入 ＊ ＊ 運算時間(40 個區 域，1.8MHz ，P4)
2 mins 2 mins 3 mins 12 mins
費用 免費 免費 $800 $1995+$413/年
第五節 建築模擬解析用氣象資料(TMY2 平均氣象年)
TMY2(Typical Mereorological Years)平均氣象年是由 National Renewable Energy Laboratory 研究單位根據 National Solar Radiation Database(NSRDB)之氣象資料庫開發而 成。所謂「平均氣象年」（Average Year Weather Data），是足以精確地掌握氣象變化 特性並解析出符合當地氣候的建築耗能情形。這些氣象資料乃依氣候平均變動原理與建 築熱負荷特性所統計出來作為當地典型氣候之代表，其內容通常包括耗能解析上所需要 的氣溫、濕度、日射量、雲量、風向、風速等 8760 小時逐時的氣象資料。完整的 TMY2 格式氣象資料內建 24 種氣象數據，但 DOE-2.2 所用到的僅為其中十來種數據而已。而 目前內政部建築研究所公告的「平均氣象年」是由林憲德教授於 1987 年所建立的（2008 年更新），其內容具備建築耗能解析上必備的氣溫、濕度、水平面天空日射量、雲量、 風向、風速等 8760 小時逐時的氣象資料，它由 10 年長期氣象中選取在氣候長期變動和 耗能特性上最具代表性和平均性的 12 個月份的氣象資料所組成。以它來作為耗能解析 的輸入資料，較能保證其解析所得的耗能量具有長期的平均代表性。 現在台灣的「平均氣象年」資料具備台北、台中、台南、高雄、花蓮、台東等六處 資料檔，同時已經被轉換成二進位檔後供 DOE-2.2 程式使用，而廣為一些大學與本研究 團隊所使用。由於本研究目的在於針對公有辦公大樓進行模擬，並與實際能耗數據進行 比對與分析，以利瞭解其準確性，自行製作了台北市 2010~2012 年 TMY2 氣象資料，格 式如同林憲德教授所建立的「平均氣象年」，只是其中各項資料改成台北市 2010~2012 年逐時氣象資料(購自中央氣象局)，再根據林憲德教授所製作的「平均氣象年」格式轉 譯成 TMY2 檔，以供 DOE-2.2 使用。
圖 2-3 台北平均氣象年 TMY2 資料格式
第六節 全年平、假日日數設定
在定義各種設備、照明、人員及空調等詳細使用時程之前，須先定義全年標準平、 假日日數，由於本研究模擬的案例均為公共辦公大樓，其使用上平日、假日差異性極大， 因此每個月當中假日天數多寡均可能影響其耗能，故根據行政院人事行政局所公告之民 國 99、100 及 101 年行政機關辦公日曆表，扣除周休二日及國定例假日，如圖 2-4 到 2-6 所示。圖 2-5 2011 年平、假日分布行事曆
圖 2-6 2012 年平、假日分布行事曆
第七節 建築物空調耗能因子
由 2.4 節中，建築熱負荷的來源可以知道影響空調需求量的因子可以說是相當複雜， 對於空調耗能來說，除了建築熱負荷之影響外，亦有其他之影響因子，經歸類後，影響 建築空調耗能的因子主要可分成：1.氣候條件（Climates）、2.外殼負荷（Envelope Loads）、 3.室內負荷（Internal Loads）、4.空調系統與控制（Air Conditioning Systems and Control） 四大項。
在不同地域，外氣的乾、濕球溫度以及緯度所影響太陽日照等的氣象條件，對於空 調系統的耗能影響最為顯著。建築外殼乃是暴露於外氣，熱能可內外互傳之外圍構造， 包括屋頂、中庭之頂棚、天窗、牆壁、門窗、樓板等部位。因為空調控制上的需要，一 般建築物常將空調區域分為外周區(Perimeter Zone)和內部區(Internal Zone)來分別控制 其空調系統。在熱負荷行為上，內部區只承擔照明、人體發熱等室內熱負荷條件而已， 而外周區除了負擔內部熱負荷外，還承受溫差、日射等外界氣候條件所引起的外殼熱負 荷，所以外周區的空調耗能會受到開窗率、建材、遮陽構造方式等建築外殼設計因子的 影響而有重大的變動。空調機器的組合設計是依據空調耗能的多寡以決定機器容量的大 小及配置，而空調機器本身的性能效率亦是影響空調耗能的因子之一。經以上所述，可 將影響空調耗能的因子分類，如表 2-5 所示。 在 DOE-2.2 模型建置時，上述會影響空調耗能的因子都需輸入於模型中，雖然「建 築能源效率提升計畫」已有各個公有建築之改善後空調系統設備(泵浦、水塔、風機等) 的實際運轉量測數值，可直接輸入於 eQUEST 軟體中，但本團隊仍需透過逐一的建物使 用現況調查，來收集其餘的建築環境現況和使用模式參數(如建物之空間幾何條件、結 構材質、室內人員狀態、照明、機具密度、各空間使用時程等)，如表 2-5 中所列各項因 子，現況資料收集將會是本研究的一大困難，本團隊將盡可能依據收集到的資料進行設
定表 2-5 中的各項參數，且由於各個不同案例其參數設定均有所不同，故於第三章個別 說明。 表 2-5 影響空調系統耗能之因子分類 氣候條件影響因子 氣候分區（緯度、海拔高度） 建築方位（太陽日射量熱得量） 外殼負荷影響因子 建築構造體熱性能（牆、版、屋頂） 建築物開窗率 玻璃建材之熱傳率、遮蔽係數 建築物之遮陽 建築物之長寬比 建築樓層別（中間層、屋頂層） 內部負荷條件影響因 照明密度、水準及時間分布 人員密度、時間分佈及人員作業發熱量 設備密度、水準及時間分布 間隙風負荷 空調系統種類 空調系統容量 空調運轉時間 空調系統控制設定 室內設定溫度、溼度（分夏季、中間季、冬季） 空調系統與控制影響因子 外氣導入量 (本研究整理)
第三章 實際案例之模擬與比較
雖然「建築能源效率提升計畫」已有各個公有建築之改善後空調系統設備(泵浦、 水塔、風機等)的實際運轉量測數值，可直接輸入於 eQUEST 軟體中，但本團隊仍需透 過逐一的建物使用現況調查，來收集其餘的建築環境現況和使用模式參數(如建物之空 間幾何條件、結構材質、室內人員狀態、照明、機具密度、各空間使用時程等)，故本 研究將優先挑選能鄰近台北、能提供較完整建築圖說且人員使用分區較為單純的公有建 築作為第一階段研究對象，以建立合宜的建物使用現況調查模式，以利於計畫執行期間 能蒐集數個已完成建築能源效率提升改善之公有建築相關建築基本資料、圖說、TAB 改 善前後空調設備運轉資料及實際耗電量等資料，並完成該公有建築能源改善數值模型建 置，比對模擬耗電數據與實際運轉耗電量差異，評估量化改善案例之建築能源效率提升 效益。在逐一詢問多個參與「建築能源效率提升計畫」公有單位承辦人是否能提供建物 現況資料後，挑選出的案例如下： (1) 大坪林聯合開發大樓(地上 17 層 SC 建築 ) (2) 中央聯合辦公大樓南棟(地上 17 層 RC 建築) (3) 中央聯合辦公大樓北棟(地上 17 層 RC 建築) (4) 行政院農業委員會(地上 10 層 RC 建築) (5) 內政部警政署警察廣播電臺(地上 17 層 RC 建築 ) (6) 檔案管理局(地上 3 層 RC 建築) (7) 經濟部標準檢驗局第六組(地上 6 層 RC 建築) (8) 臺灣臺北地方法院檢察署 (地上 5 層 RC 建築)(9) 財政部財稅資料中心 (地上 11 層 RC 建築) (10) 海岸巡防署海洋巡防總局 (地上 4 層 RC 建築)
第一節 大坪林聯合開發大樓
該建築物位於新北市新店區北新路 3 段 200 號，該建築物為地上 17 層；地下 3 層， 如圖 3-1 所示，其正門朝向方位角約 250 度，總樓地板面積為 43,807m2，使用人數為 720 人。本次改善區域為建築物 12F 及 13F，主要用途為行政辦公使用。空調系統採用 AHU，原設計有儲冰主機，但目前已無使用，空調主機 300/210RT×3 台；空調箱共 34 台，空調使用面積共 27,428 m2，空調使用時間 08：00~20：00。於「100 年度建築能源 效率提升計畫」改善項目如表 3-1 所列。 圖 3-1 大坪林聯合開發大樓空照圖與外觀 (本研究繪製) 圖 3-2 大坪林聯合開發大樓 12F 平面圖 (資料來源：大坪林聯合開發大樓管理委員會)表 3-1 大坪林聯合開發大樓 12~13F 改善項目與對策說明一覽表 改善項目 問題診斷 改善對策 (1) 各樓層空調箱冰水流量 未進行測詴調整帄衡帄衡作 業。 (1) 原採儲冰系統設計，因 監控系統故障，經常導致誤 動作，現因板式熱交換器結 冰、儲冰槽洩漏已全部停用 儲冰側設施。各機組未依設 計數值運轉。 (1) 執行各樓層空調箱冰水 系統 TAB作業。 (2) 空調箱風車馬達無法依 負荷改變調整。 (2) 12~13樓末端終端箱設有 CAV BOX、VAV BOX及變 風量系統控制不當。 (2) 各區域既設空調箱均為 變風量 系統，建議全更換 為末端終端箱VAV BOX， 建議12~13F空調箱4台進行 改善、監控系統更新，使其 成為其他樓層之改善範例。 (3) 風量未實施帄衡。 (3) 12~13樓隔間未設置回風 管，導致回風不良。 (3) 延伸回風管至獨立區域 或隔間上 方增設 開口附 設 防火風門 ，進行 送風側 與 TAB作業。 (資料來源：100 年度建築能源效率提升計畫(2011), P.21) 選定其中的標準層第 12 樓進行空調能耗分析，模型如圖 3-3，模型之建築物空調耗 能因子各項參數，如下列所示： (1) TMY2 氣象資料：此案例使用兩種 TMY2 氣象資料，第一種採用 2011 年 10 月至 2012 年 3 月的台北逐時氣象資料作為 eQUEST 輸入氣象資料，乃用於比 較空調箱實際耗電量與 eQUEST 模擬耗電量時；第二種為近十年的「平均氣象 年」作為 eQUEST 輸入氣象資料，乃用於 eQUEST 模擬空調箱改善前後之耗 電量比較。 (2) 基地概述： 其正門朝向方位角約 250 度，12F 樓板面積 2288.5m2、高度 4.0m、 天花板 2.8m (3) 外牆材質：預鑄版 (U=1.98W/m2K) ，其構造與 U 值計算如表 3-2 所示。 (4) 窗戶材質：採 8mm 微反射強化玻璃(U=4.1W/m2K，遮蔽係數 SC=0.72，日射穿 透率ηi=0.54)
(4) 人員、照明、設備密度與時程：人員約 60 人，人員密度為 0.026 人/m2，設備 密度為 5W/m2 ，照明密度為 15W/m2 ，其使用時程如表 3-3 所示。 (5) 室內負荷設定：人體的發熱量假定以辦公室輕作業的狀態，每人顯熱發熱量為 71.8W、潛熱發熱量為 45.4W (6) 空調系統： a. 原設計有儲冰主機，但目前已無使用，空調主機 300/210RT×3 台 。 b. 平日的運轉時間為 8：00 ~ 19：00。 c. 12F 裝有兩台 15HP 定風量空調箱(11.2kW)，100 年 10 月改為變風量系統， 並裝設回風管。 d. 室內溫度設定=26 ℃ ，送風溫度=15 ℃。 a. 每人所需的新鮮外氣量為 8L/s，間隙風 0.1ACH，其使用時程如表 3-3 所 示。 圖 3-3 大坪林聯合開發大樓 12F 之 eQUEST 模型東面&北面 (本研究繪製)
圖 3-4 大坪林聯合開發大樓 12F 之 eQUEST 模型西面&南面
(本研究繪製)
表 3-2 外牆構造及其熱傳透係數 U 值之計算
表 3-3 辦公室人員、照明、機器、新鮮外氣量與間隙風量使用時程表 項目 人員密度 照明密度 事務機器密度 新鮮外氣量 間隙風量 時刻 負荷率 負荷率 負荷率 負荷率 負荷率 00-01 0 0.05 0 0 0 01-02 0 0.05 0 0 0 02-03 0 0.05 0 0 0 03-04 0 0.05 0 0 0 04-05 0 0.05 0 0 0 05-06 0 0.05 0 0 0 06-07 0 0.05 0 0 0 07-08 0 0.05 0 0 0 08-09 1 1 1 1 1 09-10 1 1 1 1 1 10-11 1 1 1 1 1 11-12 1 1 1 1 1 12-13 0.5 0.7 0.5 1 1 13-14 1 1 1 1 1 14-15 1 1 1 1 1 15-16 1 1 1 1 1 16-17 1 1 1 1 1 17-18 0.5 1 0.5 1 1 18-19 0.3 0.5 0.3 0 0 19-20 0 0.5 0 0 0 20-21 0 0.05 0 0 0 21-22 0 0.05 0 0 0 22-23 0 0.05 0 0 0 23-24 0 0.05 0 0 0 (資料來源：本研究整理) 由於該棟大樓去年委託舜得科技設置並維護 BEMS 系統，如圖 3-5 所示，雖然記錄 有近六個月資料，但由於系統剛啟用，空調箱運轉資料多有遺漏，而且監測所得的運轉 瞬間功率>額定功率(11.2kW)不合理，如表 3-4 所示，故不採用。由於各樓層分屬不同行 政單位，故裝有獨立電表，由該棟管委會提供 2011.4~2012.3 期間的 12F 獨立電表用電 量(包含照明、空調箱、設備插座等)，如表 3-5 所示，故實際耗電量先以獨立電錶用電 量為準，由於該大樓去年十月才完成空調改善工程，故僅列出去年十月之後的實際耗電 量與 eQUEST 模擬耗電量之逐月比較圖，如圖 3-6 所示，可知除了 1 月與 3 月有較大誤 差外，其他月份誤差均在 6%以下，六個月的總誤差 4.4%以下，且兩者趨勢卻雷同，， 初步研判 eQUEST 模型尚屬準確。
圖 3-5 12F 空調箱(AHU 12-1)之 BEMS 監測畫面 (資料來源：大坪林聯合開發大樓管理委員會) 表 3-4 12F 空調箱 AHU 12-1 單日監測資料(日期：2012.5.14) Time 送風焓值 (kJ/kg) 回風焓值 (kJ/kg) 總送風量 (CMH) 瞬間功率(kW) 冷凍噸輸出 (RT) 05:00:00 61.3 62.2 10 0.102 0.072 06:00:00 61.3 63.4 10 0.102 0.072 07:00:00 61.6 62.6 10 0.102 0.072 08:00:00 50.9 58.2 17603 29.509 8.393 09:00:00 51.4 57.9 17632 28.309 8.086 10:00:00 51.1 58 17666 30.866 8.779 11:00:00 51.4 58.1 17890 31.258 8.819 12:00:00 50.3 57.8 17692 27.988 7.960 13:00:00 49.8 57.7 17445 32.540 9.255 14:00:00 49.8 57.6 16706 29.584 8.414 15:00:00 49.8 57.5 17562 30.685 8.727 16:00:00 50.1 57.2 17557 28.603 8.135 17:00:00 50.1 57.7 17754 29.343 8.346 18:00:00 56.5 58.4 17675 2.087 0.593 19:00:00 61.9 60 17681 0.000 0.000 20:00:00 65.3 65.6 5 0.000 0.000 21:00:00 65.6 67.2 5 0.000 0.000 (資料來源：大坪林聯合開發大樓管理委員會)
表 3-5 大坪林聯合開發大樓 12F 獨立電表用電數 (日期：2011.4~2012.3) 電號 01629255310 收據月份 用電度數 應繳總金額 與前一年同期用電度數比較 101 年 03 月 16640 度 50906 元 +1000 度 101 年 02 月 16760 度 51187 元 +3560 度 101 年 01 月 15840 度 49033 元 -1080 度 100 年 12 月 18080 度 54278 元 +760 度 100 年 11 月 17360 度 52592 元 -2880 度 100 年 10 月 21000 度 66979 元 -1680 度 100 年 09 月 23440 度 73222 元 -680 度 100 年 08 月 22000 度 69725 元 -440 度 100 年 07 月 21160 度 67685 元 -1840 度 100 年 06 月 21160 度 62260 元 +1800 度 100 年 05 月 17680 度 53338 元 -4760 度 100 年 04 月 16120 度 49689 元 -440 度 (資料來源：大坪林聯合開發大樓管理委員會) 圖 3-6 大坪林聯合開發大樓 12F 逐月實際與模擬耗電量之比較 (本研究整理)
由於此案例僅針對將空調箱由定頻改變頻，並裝設回風管，故於 eQUEST 模型中僅 針對空調箱的定頻或變頻且有無回風管等兩項參數修改，其餘設定值均相同，並建立改 善前與改善後兩個模型，並搭配近十年的平均氣象資料計算出其空調箱更新前後之逐月 耗電量，如表 3-6 及圖 3-5 所示，可發現空調箱設定為空調箱且裝設回封管後，各月之 節能效率達五成以上，全年度單一樓層空調箱(兩台)可節省 25,334 度用電，節能比例約 42.3%。而「100 年建築能源效率提升計畫成果報告」中初步評估此案例單一樓層改善 後約可節能 24,290 度用電，其初估值略低於本研究 eQUEST 所模擬結果。 表 3-6 大坪林聯合開發大樓 12F 空調箱改善前後之 eQUEST 模擬耗電量 month 改善前-定頻且無回風管 (KWh) 改善前-變頻且加裝回風管 (KWh) 節能效益 (KWh) 節省比例 Jan 2933 1214 1719 58.61% Feb 2896 1289 1607 55.49% Mar 3700 1598 2102 56.81% Apr 3891 2187 1704 43.79% May 4960 2952 2008 40.48% Jun 6182 4016 2166 35.04% Jul 7671 4852 2819 36.75% Aug 8096 4961 3135 38.72% Sep 7203 4465 2738 38.01% Oct 5341 3412 1929 36.12% Nov 3966 2267 1699 42.84% Dec 3120 1412 1708 54.74% Year 59959 34625 25334 42.25% (本研究整理)
圖 3-7 大坪林聯合開發大樓 12F 空調箱改善前後之 eQUEST 模擬耗電量比較圖
第二節 中央聯合辦公大樓南棟
該建築物位於台北市中正區徐州路五號，如圖 3-8 所示，其正門約朝向方位角 195 度，該建築物為地上 18 層；地下 2 層，總樓地板面積為 42,794m2，使用人數約為 1400 人。本次改善區域為建築物 10F 及 11F，主要用途為行政辦公使用。空調系統採用 AHU 空調箱系統，空調使用面積共 41,966 m2，空調使用時間 06：00~18：00。 圖 3-8 中央聯合辦公大樓南棟空照圖與外觀 (本研究整理) 該建築物使用兩台 730RT、兩台 30 RT 及 400、200RT 各一台之冰水主機，供應該 建築物空調負荷。既設送風系統使用空調箱系統，為定風量系統，空調使用時間為 07:00-18:00。以下工程改善前空調系統狀態： (1) 既設空調箱已使用超過 10 年，導致熱交換效能不佳。且該建築物空調系統只 供應至下午 06:00，部份樓層因加班需求增設分離式冷氣機，已供應加班時所 需要之空調負荷。(2) 10~11F 空調箱共 4 台，其中 AHU10-1 與 AHU11-1 規格相同；AHU10-2 與 AHU11-2 規格相同，空調箱馬達採用定頻運轉，目前空調箱機房部份設置分離
式室外機，不但佔據機房空間，且室外機所散發之熱量，導致機房溫度過高， 且室外機佔據空調箱外氣引入之百葉面積，不但無法適當引入新鮮外氣，且導 致空調箱外氣負荷提高。 (3) 原有監控系統缺少空調箱耗電量量測、CO2控制外氣引入量及效能趨勢預估功 能。 於「100 年度建築能源效率提升計畫」改善項目，如表 3-7 所列，並已於去年 9 月 完工。 表 3-7 中央聯合辦公大樓南棟 10~11F 改善項目與對策說明一覽表 改善項目 問題診斷 改善對策 (1) 更新既設空調箱設備 (1) 既設空調箱已使用10餘 年，已達使用年限，導致熱交 換效能不佳。 (1) 汰換舊空調箱，以提升能 源使用效。 (2) 升級能源管理系統，進行 節能管理 (2) 原有監控系統缺少空調 箱耗電量量測、CO2控制外氣 引入量及效能趨勢預估功能。 (2) 將既設空調中央監控系 統與本次工程改善進行整 合，有效控管空調設備運轉及 及操作，提高整體系統運轉效 率。 (資料來源：100 年度建築能源效率提升計畫(2011), P.336) 選定其中的第 10 樓進行空調能耗分析，eQUEST 模型如圖 3-10，模型之建築物空 調耗能因子各項參數，如下列所示： (1) TMY2 氣象資料： 此案例使用兩種 TMY2 氣象資料，第一種採用 2011 年 12 月至 2012 年 5 月的台北逐時氣象資料作為 eQUEST 輸入氣象資料，乃用於比 較空調箱實際耗電量與 eQUEST 模擬耗電量時；第二種為近十年的「平均氣象
年」作為 eQUEST 輸入氣象資料，乃用於 eQUEST 模擬空調箱改善前後之耗 電量比較。 (2) 基地概述：其正門約朝向方位角 195 度，樓板面積 1830.94m2、高度 3.5m、天 花板 2.8m。 (3) 外牆材質：15cm 的混凝土外牆(U=3.49W/m2K)，其構造與 U 值計算如表 3-8 所示。 (4) 窗戶材質：採用 eQUEST 資料庫中的 8mm 單層棕色玻璃(U=6.31W/m2K，遮蔽 係數 SC=0.84，日射穿透率ηi=0.64) (5) 人員、照明、設備密度與時程： 約 60 人，人員密度為 0.058 人/m2 參考「建築耗能設備能源效率之技術規範研究」將照明密度假定為 15W/m2 ， 設備密度假定為 5W/m2，其使用時程如表 3-3 所示。 (6) 室內負荷設定：人體的發熱量假定以辦公室輕作業的狀態，每人顯熱發熱量為 71.8W、潛熱發熱量為 45.4W (7) 空調系統： a. 原設計有儲冰主機 730RT *2，但目前極少使用，目前運轉的冰水主機分別 為 400RT 與 200RT 各一台。 b. 平日的運轉時間為 7：00 ~ 18：00。 c. 汰換掉原有兩台 20HP 開利定風量空調箱(14.9kW)，100 年 9 月改安裝力 榮 20HP 變風量空調箱(14.9kW)，其規格如表 3-9 所列。 d. 室內溫度設定=26 ℃ ，送風溫度=18 ℃。 b. 每人所需的新鮮外氣量為 8L/s，間隙風 0.1ACH，其使用時程如表 3-3 所 示。
圖 3-9 中央聯合辦公大樓南棟 10F 平面圖
(資料來源：中央聯合辦公大樓管理委員會)
圖 3-10 中央聯合辦公大樓南棟 10F 之 eQUEST 模型東面&北面
