台灣地區HEMS省能策略之建立及應用分析
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(3) 台灣地區 HEMS 省能策略 之建立及應用分析 成果報告. 內政部建築研究所研究報告 中華民國九十七年十二月.
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(7) 台灣地區 HEMS 省能策略 之建立及應用分析 成果報告. 執 行 方 式 執 行 單 位 研究主持人 共同主持人 研 究 員 研 究 助 理. ：■補助研究 □協同研究 □自行研究 ：中華民國建築學會 ：楊冠雄 ： ： ：洪鑫英、梁正穎、張凱强、吳昱勳、陳建呈. 內政部建築研究所研究報告 中華民國九十七年十二月.
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(9) 目次. 目次 目次 ........................................................................................ I 表次 ...................................................................................... II 圖次 ..................................................................................... III 摘要 .................................................................................... VII 第一章 緒論 ...................................................................... 1 第一節 計畫緣起 ........................................................... 1 第二節 研究動機與目的 ................................................... 5 第三節 本計畫之研究方法與過程 ........................................ 6 第二章 軟體模擬分析 ......................................................... 11 第一節 照明分析軟體DIALux ........................................ 11 第二節 空調分析軟體eQUEST........................................ 20 第三章 建構智慧化居住空間 ................................................. 25 第一節 既有設備介紹 .................................................... 27 第二節 HEMS（Home Energy Management System） 34 第三節 照明控制系統 .................................................... 38 第四節 空調控制系統 .................................................... 53 第五節 實驗空間省能效益與分析 ...................................... 74 第四章 結論與建議 .......................................................... 101 第一節 結論 ............................................................. 101 第二節 建議 ............................................................. 102 參考文獻.............................................................................. 105 附錄一 ................................................................................ 107. I.
(10) 表次. 表次 表 3-1 APD各項因子參數表 ....................................................... 表 3-2 顯熱控制與焓值控制之外氣冷房系統節能效果 ......................... 表 3-3 建築物居住類型空間單日用電需量表 .................................... 表 3-4 建築物居住類型空間單日用電度數表 .................................... 表 3-5 建築物居住類型空間單週用電需量表（一）............................ 表 3-6 建築物居住類型空間單週用電需量表（二）............................ 表 3-7 建築物居住類型空間單週用電度數表 .................................... 表 3-8 設定溫度及風速最佳化之狀態............................................. II. 67 70 74 74 74 75 75 93 .
(11) 圖次. 圖次 圖 1-1 日本NEDO於各區域進行HEMS系統導入全尺度實驗之成果比較圖 2 圖 1-2 日本HEMS系統之簡易架構圖以及其實施省能運轉策略之省能目標 值 .......................................................................................... 2 圖 1-3 HEMS系統之耗能量測設備架構圖 ........................................ 3 圖 1-4 日本HEMS系統中之簡易家庭耗能統計圖表............................. 4 圖 1-5 HEMS智慧型省能策略之建立與省能效果評估架構圖 ................ 5 圖 1-6 本計畫於台灣本土氣候下進行HEMS系統智慧型運轉策略之建立.... 7 圖 2-1 DIALux軟體之操作頁面 ............................................... 12 圖 2-2 可依實際情況輸入所需之地板面積及燈具種類 ........................ 12 圖 2-3 可依實際情況排列所需之燈具位置 ...................................... 13 圖 2-4 燈具基本資料及位置圖 .................................................... 14 圖 2-5 實驗空間之家具及位置圖 ................................................. 14 圖 2-6 實驗空間之立體圖.......................................................... 15 圖 2-7 實驗空間之等照圖.......................................................... 16 圖 2-8 實驗空間之灰階等照圖 .................................................... 16 圖 2-9 實驗空間內各位置之平均照度............................................ 17 圖 2-10 實驗空間受晝光影響之等照圖.......................................... 17 圖 2-11 實驗空間受晝光影響之灰階等照圖 .................................... 18 圖 2-12 實驗空間內各位置受晝光影響之平均照度 ............................ 18 圖 2-13 建築物平面設定 .......................................................... 21 圖 2-14 建材之選擇 ................................................................ 21 圖 2-15 空調種類選擇 ............................................................. 22 圖 2-16 所繪製之建築物外觀立體圖............................................. 22 圖 2-17 逐月用電分布圖 .......................................................... 23 圖 2-18 用電資料圓餅圖 .......................................................... 23 圖 3-1 HEMS系統基本架構圖 .................................................... 25 圖 3-2 實驗空間系統設備概要 .................................................... 25 圖 3-3 照明、空調系統之連動控制 .............................................. 26 圖 3-4 新規劃之照明線路圖 ....................................................... 28 圖 3-5 線路施工情況 ............................................................... 28 圖 3-6 舊有T9 燈具 ................................................................ 29 圖 3-7 新裝設之T5 燈具........................................................... 29 圖 3-8 新裝設之可調光電子式安定器............................................ 30 圖 3-9 新裝設之調光器 ............................................................ 30 圖 3-10 新裝設之晝光調光感知器 ............................................... 31 圖 3-11 新裝設之照度感知器 ..................................................... 31 III.
(12) 圖次. 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 IV. 3-12 獨立照明及插座電源 ..................................................... 32 3-13 新裝設之數位電錶........................................................ 32 3-14 新設之RFID感應裝置................................................... 33 3-15 照明監控系統頁面，具備有燈具狀態監看、啟停控制等功能...... 35 3-16 空調系統控制頁面，具備有空調室內機狀態監看、啟停控制等功能35 3-17 照明系統運轉狀態查詢頁面，具備有室內外照度監看等功能...... 36 3-18 歷史資料查詢查詢頁面，可查詢用電量、室內外照度等歷史資料 36 3-19 電力即時監控頁面，總用電之即時監看及各用電需量趨勢圖...... 37 3-20 照明控制系統架構圖 ..................................................... 38 3-21 T85 燈具實體照片 ....................................................... 39 3-22 可調光電子式安定器實體照片.......................................... 40 3-23 Daylight Dimming Sensor實體照片............................ 40 3-24 手動調光系統架構圖 ..................................................... 41 3-25 調光率％與照度lux之關係圖........................................... 42 3-26 調光率％與消耗功率w之關係圖 ....................................... 42 3-27 晝光調光系統架構圖 ..................................................... 43 3-28 室內燈具照度與室外陽光照度分布情形............................... 43 3-29 動態節能分析 ............................................................. 44 3-30 夜間睡眠情境實際照片 .................................................. 45 3-31 閱讀情境實際照片........................................................ 46 3-32 睡前休閒情境實際照片 .................................................. 47 3-33 改善前之傳統燈具線路 .................................................. 48 3-34 改善後之二線式燈控迴路 ............................................... 48 3-35 既有傳統T8 燈具......................................................... 49 3-36 新加裝之T5 燈具......................................................... 49 3-37 圖書館內部之公共區域 .................................................. 50 3-38 新加裝之晝光感知器 ..................................................... 50 3-39 新加裝之紅外線自動點滅裝置 .......................................... 51 3-40 國立屏東科技大學圖書館 6 樓西側改善前後用電情形 ............. 51 3-41 國立屏東科技大學圖書館 6 樓東側改善前後用電情形 ............. 52 3-42 空調系統架構圖 .......................................................... 53 3-43 VRV空調系統實體圖 .................................................... 54 3-44 空調控制系統架構圖 ..................................................... 55 3-45 空調情境模式系統架構圖 ............................................... 55 3-46 RFID人感控制情境模式流程圖 ........................................ 56 3-47 空調情境用電需量趨勢圖 ............................................... 57 3-48 午休情境模式風速控制 .................................................. 58 3-49 午休情境模式溫度控制 .................................................. 58.
(13) 圖次. 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖. 3-50 3-51 3-53 3-54 3-55 3-56 3-57 3-58 3-59 3-60 3-62 3-63 3-64 3-65 3-66. 午休情境模式風速控制之用電需量趨勢圖 ............................ 午休情境模式溫度控制之用電需量趨勢圖 ............................ PMV指標之冷暖等級 .................................................... 影響PMV之六大參數.................................................... PMV及PPD之關係圖 ................................................... PMV情境模式系統架構圖............................................... PMV情境模式系統實際照片............................................ 風扇與溫控器端設備架構 ............................................... 外氣冷房示意圖 .......................................................... 外氣冷房系統的外氣適用條件.......................................... 外氣冷房系統的外氣溫度與引入外氣量之關係 ...................... 外氣冷房控制系統架構圖 ............................................... 外氣冷房控制系統實際照片............................................. A實驗空間照明單日用電需量趨勢圖 ................................... 59 59 60 61 61 67 68 68 69 70 71 72 73 75. A實驗空間照明單週用電需量趨勢圖 .................................. 3-67 B實驗空間照明單日用電需量趨勢圖................................... 3-68 B實驗空間照明單週用電需量趨勢圖................................... 3-69 A實驗空間空調單日用電需量趨勢圖 .................................. 3-70 A實驗空間空調單週用電需量趨勢圖 .................................. 3-71 B實驗空間空調單日用電需量趨勢圖................................... 3-72 B實驗空間空調單週用電需量趨勢圖................................... 3-73 晝光利用前後單日用電需量比較圖 .................................... 3-74 晝光利用前後單週用電需量比較圖 .................................... 3-75 晝光利用前後單日用電度數比較圖 .................................... 3-76 晝光利用前後單週用電度數比較圖 .................................... 3-77 夜間睡眠情境模式使用前後單日用電需量比較圖 ................... 3-78 夜間睡眠情境模式使用前後單週用電需量比較圖 .................... 3-79 夜間睡眠情境模式使用前後單日用電度數比較圖 .................... 3-80 夜間睡眠情境模式使用前後單週用電度數比較圖 ................... 3-81 閱讀情境模式使用前後單日用電需量比較圖 ......................... 3-82 閱讀情境模式使用前後單週用電需量比較圖 ......................... 3-83 閱讀情境模式使用前後單日用電度數比較圖 ......................... 3-84 閱讀情境模式使用前後單週用電度數比較圖 ......................... 3-85 睡前休閒情境模式使用前後單日用電需量比較圖 ................... 3-86 睡前休閒情境模式使用前後單週用電需量比較圖 ................... 3-87 睡前休閒情境模式使用前後單日用電度數比較圖 ................... 3-88 睡前休閒情境模式使用前後單週用電度數比較圖 ................... 3-89 RFID人感控制之情境使用前後單日用電需量比較圖 ................ 76 76 77 77 78 78 78 79 79 80 80 81 81 82 82 83 83 84 84 85 85 86 86 87 V.
(14) 圖次. 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖. VI. 3-90 RFID人感控制之情境使用前後單週用電需量比較圖 ............... 3-91 RFID人感控制之情境模式使用前後單日用電度數比較圖 ......... 3-92 RFID人感控制之情境模式使用前後單週用電度數比較圖 ......... 3-93 午休情境模式（控制風速）使用前後單日用電需量比較圖 ........ 3-94 午休情境模式（控制風速）使用前後單週用電需量比較圖 ........ 3-95 午休情境模式（控制風速）使用前後單日用電度數比較圖 ........ 3-96 午休情境模式（控制風速）使用前後單週用電度數比較圖 ......... 3-97 午休情境模式（控制溫度）使用前後單日用電需量比較圖 ........ 3-98 午休情境模式（控制溫度）使用前後單週用電需量比較圖 ........ 3-99 午休情境模式（控制溫度）使用前後單日用電度數比較圖 ........ 3-100 午休情境模式（控制溫度）使用前後單週用電度數比較圖 ...... 3-101 設定溫度 25℃最舒適狀態及最省能狀態之用電需量比較圖..... 3-102 設定溫度 25℃最舒適狀態及最省能狀態之用電度數比較圖..... 3-103 設定溫度 26℃最舒適狀態及最省能狀態之用電需量比較圖..... 3-104 設定溫度 26℃最舒適狀態及最省能狀態之用電度數比較圖..... 3-105 設定溫度 27℃最舒適狀態及最省能狀態之用電需量比較圖..... 3-106 設定溫度 27℃最舒適狀態及最省能狀態之用電度數比較圖..... 3-107 設定溫度 28℃最舒適狀態及最省能狀態之用電需量比較圖..... 3-108 設定溫度 28℃最舒適狀態及最省能狀態之用電度數比較圖..... 3-109 設定溫度最舒適狀態及最省能狀態之用電度數比較圖 ............ 3-120 引進外氣後室內溫度與外氣溫度比較圖............................. 3-121 空調與外氣冷房控制系統之用電需量比較圖 ....................... 3-122 空調與外氣冷房控制系統之用電度數比較圖......................... 87 88 88 89 89 90 90 91 91 92 92 93 94 94 95 95 96 96 97 97 98 98 99.
(15) 摘要. 摘要 關鍵詞：HEMS，PMV，全尺度實驗 一、研究緣起： 隨著國際間建築物節約能源觀念之普及化，居家住宅之能源管理系統 HEMS（Home Energy Management System）亦逐步獲得重視，蔚為國 際各先進國家發展趨勢與潮流之所趨。事實上，一般住家之家電產品自動控制 與大型建築之中央系統相較之下更為簡單易行，卻能夠產生聚沙成塔之力量， 而累積成巨大之節能效益。 目前我國在邁向此目標之過程中，所欠缺的為兩個重要的環節：一為居住 空間智慧型省能策略之建立，二為依此策略驅動目前廣大商用型家電產品之系 統整合。此可由下圖 2 所示。此二項主要之工作即為本計畫之主旨與目標所在。. 圖 2 HEMS 智慧型省能策略之建立與省能效果評估架構圖 VII.
(16) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 二、研究方法與過程： 1. HEMS 實驗系統之建立 利用目前市面已經普及化或是已開發之技術，進行家庭耗能系統之控制。 有線系統部份，將利用已經在國際間逐漸普及的有線系統之通訊協定 (Bacnet、Lnwork 等)控制技術來進行聯絡控制各家庭秏電設備，並配合部分 家用無線傳輸技術(Zigbee、GSM 等)來進行短距離資料以及室內外各 Sensor 訊號之傳輸，並將各設備有效的進行整合，進行系統化的控制，並將各種控制 模式、工作時程、管理機制導入家庭生活當中，並將系統控制軟體化，進行有 效監控. 2. 本土氣候下智慧型運轉策略之建立與應用 首先，將依據台灣地區之氣候型態與氣象年資料，應用美國能源部所發展 之 eQuest 程式進行電腦模擬分析，以建立各種本土氣候條件下可行之能源策 略，包含： . 隨外氣溫度調變之室內空調運轉模式 . 間歇空調(Intermittent AC)模式之建立. . 風扇輔助之空調運轉模式與 PMV 分析. . 需量控制之空調室外機卸載模式. . 隨著室內人員及負荷變動，調變送風溫度與風量之運 轉模式. . VIII. 部分外氣冷房應用之可行性分析與運轉模式之建立.
(17) 摘要. . HEMS 系統照明控制策略應用(Lighting Control) . 人員改變工作狀態與照度需求之自動調變(Lighting On demand). . 隨環境改變之局部照明之應用(Task Lighting). . 配合時序控制器：可於預定的時間自動地對照明環境 作模式切換，或燈具的明滅控制，. 避免因忘記關. 燈而浪費電能。例如上班、下班 、午休時間之照明自 動點滅。 . 配合晝光感知器 . 當太陽光線足夠時，可自動地調降靠窗燈具的亮 度或關閉燈具。. . 人感開關裝置 . 在辦公大樓的小型會議室、會客室、廁所...等場 所，單獨使用人感自動點滅，有人時自動開燈， 沒人時自動關燈，既方便又可避免浪費能源。 附感知器之自主控制型燈具. . . 可自主控制燈具之明滅或調節亮度. . 附感熱開關感測來自動點亮燈具；人離開後，經 過設定時間，自動熄滅燈具，可避免浪費能源。. . 附亮度檢知器可感知周圍亮度，當周圍亮度太暗 IX.
(18) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 時，自動調亮燈具亮度：當周圍亮度太亮，自動 調暗燈具亮度，可節省能源。 . 整體照明控制系統 . 如照明中央監控系統、二線式照明控制系統等， 配合辦公大樓作息變動需求，加以監控管理，可 節約照明用電 30%。. . 家電產品 . 使用者設定之 On-Off 時程控制. . 家庭用電需量之監控以配合最佳化運轉策略之執行. . 家庭用電費使用之控管. 3. HEMS 實驗系統之全尺度實驗印證 上述策略將於高雄地區國立中山大學進行全尺度實驗，架設上述之 HEMS 設備，進行長時間實驗並監控其節約能源情形，加以印證各種運轉策略 之節能效益，以作為後續全面推廣之重要參考依據。. 4. 節約能源運轉策略之效益分析 本計劃將利用上述之 HEMS 系統架構進行實驗，將各種最佳化運轉策略配 合全尺度實驗後建立之資料庫，進行數量化之分析，討論其實際節約能源之成 果，將其結果圖表化分析。並建立於我國本土氣候下之居住空間 HEMS 系統最 佳運轉策略。. X.
(19) 摘要. 三、重要發現： 本研究計畫之節能策略經全尺度實驗印證，節能效果相當顯著，均可達 5 ％~45％不等之節能效果，值得大力推廣應用。. 四、主要建議事項： 根據本研究發現，本研究針對台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分 析，提出下列具體之建議。以下分別從立即可行的建議及中長期建議加以列舉。 建議一 台灣地區濕熱型氣候下 HEMS 省能策略之推廣應用與進一步開發擬定：立 即可行之建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：中華民國建築學會、財團法人台灣建築中心 本研究計畫之成果可與國內設備大廠如東元電機公司等進行合作並加以本 土化，透過其強大之行銷通路及廣大之市占率使本研究成果可以具體化及普及 化。同時於施行期間，可針對實際使用之情況再加以近一步改善修正，使系統 達到最佳化，形成良好的循環，並獲得具體之節約能源效果。 另外，於濕熱型氣候下之 HEMS 省能策略可逐年進一步開發及實驗印證， 以確認其可行性，使更完整並做為後續推廣應用之主要參考。 建議二 我國 HEMS 進一步社區化及都市化之推廣應用：中長期建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：中華民國建築學會、財團法人台灣建築中心 當用戶群逐步擴大並形成大量社區化之後，配合區域網路網之傳輸將形成 我國良好之建築能源管理系統架構。其分佈於全國各區之住宅用電量及省能狀 況可逐步建立寶貴之數據及資料庫，對於能源供應者如台電公司等之電力輸配 規劃或我國進行能源管理之耗能指標訂定之研究，形成最重要之參考依據。 XI.
(20) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. XII.
(21) 第一章 緒論. 第一章. 緒論. 第一節 計畫緣起 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）。 目前於各先進國家中，發展智慧建築的技術以及趨勢已越來越成熟，諸如 韓國、日本、美國等 IT 產業技術成熟之國家，無不大力發展智慧居家空間之 技術及設備。但目前各先進國家發展之智慧家庭技術大都專注在居家保全、家 庭娛樂、智慧自動控制生活等便利生活之方面，較少將居家智慧控制技術結合 節能策略，充分發揮智慧家庭之強大功能，進而結合舒適生活以及省能生活。 而於東鄰近我國之日本，是個非常好的整合智慧生活以及節能生活之範 例，充分利用既有以及持續開發之智慧家庭 IT 設備以及智慧自動控制，進行 應用各種應用於家庭生活之節能運轉策略，達到良好的家庭節能成果，而使智 慧家庭不僅是智慧屋而是良好的智慧節能屋。如下圖 1-1 所示即為日本於各區 域盡情 HEMS 全尺度實驗印證之目標值以及成果比較圖，其能源使用削減率高 達 25.9%而省能率成果高達 22.8%。. 1.
(22) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 圖 1-1 日本 NEDO 於各區域進行 HEMS 系統導入全尺度實驗之成果比較圖 日本於 HEMS 系統中導入之省能策略不外乎分為四大部分，冷暖房系統、 照明系統、一般家電用品以及待機電力等部分，利用自動控制 IT 設備進行智 慧運轉，使家庭於生活生無形進行節約能源，其 HEMS 之簡易架構圖以及目標 節約能源量如下圖 1-2 所示。. 圖 1-2 日本 HEMS 系統之簡易架構圖以及其實施省能運轉策略之省能目標值 2.
(23) 第一章 緒論. 而日本實施之 HEMS 系統與其他各國之智慧居家系統有較大的差別除了 智慧節能運轉策略之外，最大的差別就是家庭能源使用的量測以及能源效率使 用分析，日本政府推廣之 HEMS 系統不只設置各種智慧家電以及智慧控制技 術，還大量設置各種能源使用之量測儀器，進行監控管理以及遠距抄錶之用。 如下圖 1-3 所示。即為日本推廣 HEMS 系統之家庭耗能量測設備架構圖。. 圖 1-3 HEMS 系統之耗能量測設備架構圖 透過能源使用的全尺度量測數據為基礎，進而印證各種節能策略之實施可 行性以及運轉效率，進而加以不停改良，此舉為日本成為全球 HEMS 系統之重 要關鍵之一。而能源的使用監控也可使一般家庭能透過圖形化的數據比較，而 使家庭成員能了解家庭之能源使用情形以及能源使用趨勢，而於日常生活中能 隨時保持著節能意識。如下圖 1-4 即為日本 HEMS 系統中之簡易家庭耗能統 計圖表。. 3.
(24) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 圖 1-4 日本 HEMS 系統中之簡易家庭耗能統計圖表 而透過 HEMS 系統之能源監控系統，也可使電力公司、水公司或是瓦斯公 司等單位，進行遠距抄錶或是地區性的能源監控管理，不僅大量節省以往的抄 表人力浪費也更能大區域或是進行不同類型、不同區域之能源監控管理。而日 本於 HEMS 系統上之努力，亦即為本國以及本計畫之研究動力，將適用於台灣 本土氣候下之省能策略，充分利用 HEMS 系統之強大功能進行居家省能之最終 目標。. 4.
(25) 第一章 緒論. 第二節 研究動機與目的 隨著國際間建築物節約能源觀念之普及化，居家住宅之能源管理系統 HEMS（Home Energy Management System）亦逐步獲得重視，蔚為國 際各先進國家發展趨勢與潮流之所趨。事實上，一般住家之家電產品自動控制 與大型建築之中央系統相較之下更為簡單易行，卻能夠產生聚沙成塔之力量， 而累積成巨大之節能效益。 目前我國在邁向此目標之過程中，所欠缺的為兩個重要的環節：一為居住 空間智慧型省能策略之建立，二為依此策略驅動目前廣大商用型家電產品之系 統整合，，此二項工作即為主要之工作即為本計畫之主旨與目標所在。本研究 之主要工作流程可由下圖 1-5 所示：. 圖 1-5. HEMS 智慧型省能策略之建立與省能效果評估架構圖. 5.
(26) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 第三節 本計畫之研究方法與過程 本計畫之主旨將整合智慧型之運轉策略於台灣本土化氣候條件下，進行 HEMS 系統之最佳化運轉與省能效益評估，並經由全尺度實驗加以印證。 其中，主要之工作內容共分為四大項：. 壹、HEMS 實驗系統之建立 利用目前市面已經普及化或是已開發之技術，進行家庭耗能系統之控制。 有線系統部份，將利用已經在國際間逐漸普及的有線系統之通訊協定 (Bacnet、Lonwork 等)控制技術來進行聯絡控制各家庭秏電設備，並配合部 分家用無線傳輸技術(Zigbee、GSM 等)來進行短距離資料以及室內外各 Sensor 訊號之傳輸，並將各設備有效的進行整合，進行系統化的控制，並將 各種控制模式、工作時程、管理機制導入家庭生活當中，並將系統控制軟體化， 進行有效監控 HEMS 系統控制軟體主要工作如下： . 遠端 Sensors 之資料回傳處理. . 控制策略應用編寫以及發出控制訊號. . 各種圖表化控制介面. . HEMS 系統各設備之運轉狀況即時 Realtime Online 圖表化顯 示介面。. . 針對不同情境下，室外溫度變動與室內人員多寡及空調照明設定 值變化時，產生耗電量之變異進行分析計算，以了解其中之相依 性，尤其空調與照明之相互影響。. . 空調系統將利用 Gateway 進行設備之數位監控，即俗稱之 DDC 控制導入監控系統，而照明系統將採二線式控制或小區域群控 address 控制系統，並納入空調監控系統中，加以整合為居家生 活整合監控系統。. 6.
(27) 第一章 緒論. . 其他應用於 HEMS 系統之功能設計. 下圖 1-6 為本計畫 HEMS 系統智慧型運轉策略之建立流程圖. 圖 1-6 本計畫於台灣本土氣候下進行 HEMS 系統智慧型運轉策略之建立. 貳、本土氣候下智慧型運轉策略之建立與應用 首先，本計畫將依據台灣地區之氣候型態與氣象年資料，應用美國能源部 所發展之 eQuest 程式進行電腦模擬分析，以建立各種本土氣候條件下可行之 能源策略，包含： . 隨外氣溫度調變之室內空調運轉模式 . 間歇空調 (Intermittent AC) 模式之建立，經由壓縮機之 定時啟停或是現場溫度 sensors 感測配合風扇之運行加以 控制，而獲得省能之效果. . 導入針對台灣本土化氣候所制定之 PMV 迴歸模式評估指 標，可充分重現台灣本土溼熱氣候條件下之適應性。. . 風扇輔助之空調運轉模式與 PMV 分析，. . 需量控制之空調室外機卸載模式，以達節約電費之效果. . 本計劃將採用 RFID 技術，進行進出入居住實驗空間人數多 7.
(28) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 寡之統計，計算其負荷變動，並與外氣條件比對及控制，調 變送風溫度與風量之運轉模式，進行空調系統最佳化控制 . 部分外氣冷房應用之可行性分析與運轉模式之建立. . 未來可參考於室內實驗環境增設 CO2 及 CO 濃度感測器， 提供參考 HEMS 環境參考值，進行室內換氣與空調運轉之搭 配. . HEMS 系統照明控制策略應用(Lighting Control) . 人員改變工作狀態與照度需求之自動調變(Lighting On demand). . 隨環境改變之局部照明之應用(Task Lighting). . 配合時序控制器：可於預定的時間自動地對照明環境作模式 切換，或燈具的明滅控制，避免因忘記關燈而浪費電能。例 如上班、下班、午休時間之照明自動點滅。. . 配合晝光感知器 . 當太陽光線足夠時，可自動地調降靠窗燈具的亮度或關 閉燈具. . 人感開關裝置 . 在辦公大樓的小型會議室、會客室、廁所…等場所，單 獨使用人感自動點滅，有人時自動開燈，沒人時自動關 燈，既方便又可避免浪費能源. . 附感知器之自主控制型燈具 . 可自主控制燈具之明滅或調節亮度. . 附感熱開關感測來自動點亮燈具；人離開後，經過設定 時間，自動熄滅燈具，可避免浪費能源. 8.
(29) 第一章 緒論. . 附亮度檢知器可感知周圍亮度，當周圍亮度太暗時，自 動調亮燈具亮度：當周圍亮度太亮，自動調暗燈具亮度， 可節省能源。. . 整體照明控制系統 . 如照明中央監控系統、二線式照明控制系統等，配合辦 公大樓作息變動需求，加以監控管理，可節約照明用電 30%. . 家電產品 . 使用者設定之 On-Off 時程控制. . 家庭用電需量之監控以配合最佳化運轉策略之執行. . 家庭用電費使用之控管. 參、HEMS 實驗系統之全尺度實驗印證 上述策略將於高雄地區國立中山大學進行全尺度實驗，架設上述之 HEMS 設備，進行長時間實驗並監控其節約能源情形，加以印證各種運轉策略之節能 效益，以作為後續全面推廣之重要參考依據。 本計劃之實驗空間位於國立中山大學冷凍空調實驗室，由於實際使用中， 所以具備實體之空調系統以及照明系統，可充分反映出實質之居家狀況。本實 驗空間目前現有 HEMS 系統由於只能做 On-Off Control 等之陽春控制及量測 功能，而本年度計畫要建立者為有情境及人員進駐之實際之使用狀況之功能， 今年計劃於性能上為大幅提升。並將依照上述空調及照明之情境進行控制，於 後續計畫將在進行實驗量測結果，進行系統修正升級以達系統之最佳化。. 9.
(30) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 肆、節約能源運轉策略之效益分析 本計劃將利用上述之 HEMS 系統架構進行實驗，將各種最佳化運轉策略配 合全尺度實驗後建立之資料庫，進行數量化之分析，討論其實際節約能源之成 果，將其結果圖表化分析。並建立於我國本土氣候下之居住空間 HEMS 系統最 佳運轉策略。 本計劃並將配合實際節約能效益以及系統佈建經費，進行經濟成本效益分 析，於後續 HEMS 系統推廣應用時，提供實際之需求與經費參考評估基準。. 10.
(31) 第二章 軟體模擬分析. 第二章. 軟體模擬分析. 第一節 照明分析軟體 DIALux 壹、軟體簡介 DIALux 軟體是由德國燈具製造工廠所投資開發的軟體，現在主要通用於 歐洲國家，但由於是免付費軟體，且介面操作容易，目前有許多廠商陸續加入 DIALux 燈具資料庫的行列。 市售之燈具五花八門，每家廠商都有自己的規格，有不一樣的造型、光源 與反射板，所以所呈現的光線、亮度、角度也會有所不同，所以一個好的燈具 設計軟體必須具備有想當多的燈具資料庫，才能做出精準的運算。目前在歐洲 的許多大廠網站上皆以提供相對應之燈具資料供人下載，而這些資料皆是各家 廠商經過一定測試才可提供 DIALux 軟體做計算使用，但由於台灣燈具廠商並 無此項技術，所以 DIALux 軟體燈具庫內並無由國內開發之燈具資料。 在台灣大部分的照明計算軟體皆是採用數學算式所計算出來的，其實這樣 並不能讓我們了解實際的照明效果，也不精確。DIALux 這套軟體並無這樣的 問題，DIALux 可依據所輸入設計圖的燈具配置，繪出空間的照度分布圖及灰 階等照圖等，透過這些圖形化的呈現，可以讓我們更了解實際的結果。. 11.
(32) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 圖 2-1. DIALux 軟體之操作頁面. 圖 2-2 可依實際情況輸入所需之地板面積及燈具種類 12.
(33) 第二章 軟體模擬分析. 圖 2-3 可依實際情況排列所需之燈具位置 貳、建築物介紹 本實驗居住空間之建築物居住類型空間地點位於高雄市，量測空間位於 4 樓層數建築物的 4 樓位置，為一小型實驗空間，樓地板面積為 17.68m²，居 住總人數為 5 人，週一至週五之時段使用情形較為頻繁，於週六、周日及非辦 公時段使用較少。 參、模擬與分析 開啟一個新的設計案，將實驗空間的室內條件、燈具種類及擺設位置、家具種 類及擺設位置輸入軟體，繪製出實驗空間之立體圖，並進行相關模擬。. 13.
(34) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 圖 2-4 燈具基本資料及位置圖. 圖 2-5 實驗空間之家具及位置圖 14.
(35) 第二章 軟體模擬分析. 圖 2-6 實驗空間之立體圖 上圖為所繪製之實際空間立體圖。由於光線是直線進行的，任何的家具或 遮蔽物都有可能遮蔽光的行進，造成模擬上的誤差，而繪製出空間的立體圖來 進行模擬，可以使模擬結果更接近實際的照明情況，減少模擬的不可靠性。. 15.
(36) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 圖 2-7 實驗空間之等照圖. 圖 2-8 實驗空間之灰階等照圖 16.
(37) 第二章 軟體模擬分析. 圖 2-9 實驗空間內各位置之平均照度 本實驗空間之窗戶面向東方，擁有充沛的自然光資源，室內照度影響甚大， 下列為模擬在有陽光的情況下，實驗空間內照度分布情形. 圖 2-10 實驗空間受晝光影響之等照圖. 17.
(38) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 圖 2-11 實驗空間受晝光影響之灰階等照圖. 圖 2-12 實驗空間內各位置受晝光影響之平均照度. 18.
(39) 第二章 軟體模擬分析. 由上列分析結果可得，實驗空間的照度分布情形早晚落差相當大，需搭配 不同的照明策略才可達到最佳之照明效果。在早上有充沛之自然光源可供使 用，無需開燈照度皆可達 1000lux 以上，實驗空間內的照度強弱受自然光影 響甚大，相當適合使用晝光 sensor 來控制室內之照明。而在晚上照明全開的 情況下，雖然照度不足，但配合局部照明控制，依然可使工作桌面之照度達到 標準。. 19.
(40) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 第二節 空調分析軟體 eQUEST 壹、軟體簡介 DOE-2 是由美國能源部所開發做為建築物能源分析所使用之動態模擬軟 體，能夠精準地計算全年建築負載之熱流變化，因此被另稱為動態解析方程式 （Dynamic Analysis Program）。 DOE-2 廣泛地被空調專業人員應用於建築物的能源使用分析上，它能幫 助使用者快速的選取建築物最佳參數，進而改善能源效益且同時保持建築物本 身的舒適度，就工程分析而言，使用者只要提供簡明的建築物設計描繪，DOE-2 便能正確地概估出此一建築物的耗能情形、內部環境情況及能源設備（空調、 照明…）的運轉費用，同時能以每小時為單位來模擬建築物在一年中的耗能情 形。 eQUEST 為一套以 DOE-2 為核心所開發之免費工具軟體，具有與 DOE-2 相同之功能，但在使用上較為簡單方便，廣為世界各國學界與業界所採用。 貳、建築物介紹 本實驗居住空間之建築物居住類型空間地點位於高雄市，量測空間位於 4 樓層數建築物的 4 樓位置，為一小型實驗空間，樓地板面積為 58.2m²，居住 總人數為 5 人，週一至週五之時段使用情形較為頻繁，於週六、周日及非辦公 時段使用較少。. 參、模擬與分析 開啟一個新的設計案，將實驗空間的室內條件、材料種類等資料輸入軟體， 繪製出實驗空間之立體圖，並進行相關模擬。. 20.
(41) 第二章 軟體模擬分析. 圖 2-13 建築物平面設定. 圖 2-14 建材之選擇. 21.
(42) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 圖 2-15 空調種類選擇. 圖 2-16 所繪製之建築物外觀立體圖. 22.
(43) 第二章 軟體模擬分析. 圖 2-17 逐月用電分布圖. 圖 2-18 用電資料圓餅圖 圖 2-17 及圖 2-18 為進行模擬之後所得到之建築物用電情形，一年總用 電度數約在 8000kWh，而夏季空調用電度數約在 750kWh 左右，本研究將以 此為參考進行一連串之全尺度實驗。. 23.
(44) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 24.
(45) 第三章 建構智慧化居住空間. 第三章. 建構智慧化居住空間. 本研究所建置之實驗空間，主要可分為照明及空調兩個技術層面，而本次 實驗的重點將針對節能及情境模式之應用，導入實驗空間，加以測試及分析其 效能。. 圖 3-1 HEMS 系統基本架構圖. 圖 3-2 實驗空間系統設備概要. 25.
(46) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 圖 3-3 照明、空調系統之連動控制. 26.
(47) 第三章 建構智慧化居住空間. 第一節 既有設備介紹 壹、建築物簡介 本實驗居住空間之建築物居住類型空間地點位於高雄市，量測空間位於 4 樓層數建築物的 4 樓位置，共有 A、B 兩間實驗空間，A 實驗空間樓地板面積 為 17.68m² ，B 實驗空間樓地板面積為 58.2 m²，A 實驗空間用來模擬臥室 之照明控制模式，B 實驗空間用來模擬客廳之空調控制模式，居住總人數為 6 人，週一至週五之時段使用情形較為頻繁，於週六、周日及非辦公時段使用較 少。 貳、舊有設備的置換更新 此兩間實驗空間建築老舊，燈具採用舊式 T9 燈管，且內部電源線路混亂， 與其他間實驗室共用同一電源，在能源監測及控制部分皆造成困難，故進行以 下改善項目：. 27.
(48) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 一、. 去除老舊電源線路並重新拉線. 圖 3-4 新規劃之照明線路圖. 圖 3-5 線路施工情況. 28.
(49) 第三章 建構智慧化居住空間. 二、. 更換新型 T5 燈具. 圖 3-6 舊有 T9 燈具. 圖 3-7 新裝設之 T5 燈具. 29.
(50) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 三、. 加裝可調光電子式安定器及調光器. 圖 3-8 新裝設之可調光電子式安定器. 圖 3-9 新裝設之調光器. 30.
(51) 第三章 建構智慧化居住空間. 四、. 加裝晝光調光感知器及照度感知器. 圖 3-10 新裝設之晝光調光感知器. 圖 3-11 新裝設之照度感知器. 31.
(52) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 五、. 獨立照明電源並加設數位電錶. 圖 3-12 獨立照明及插座電源. 圖 3-13 新裝設之數位電錶. 32.
(53) 第三章 建構智慧化居住空間. 圖 3-14 新設之 RFID 感應裝置 參、空調及照明設備統計 A 實驗空間空調設備部分，裝設 1 台分離式冷氣室內機，製照年份為 2006 年，額定電壓為 220V，使用 R-22 冷煤，冷房能力各為 3.5kW，。照明設備 部分，省電型 T8 36W 日光燈管共計 4 支，適用於一般室內外使用。 B 實驗空間空調設備部分，裝設 4 台分離式冷氣室內機，製照年份為 2006 年，額定電壓為 220V，使用 R-22 冷煤，冷房能力各為 3.5kW，。照明設備 部分，省電型 T5 36W 日光燈管共計 33 支，適用於一般室內外使用。. 33.
(54) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 第二節 HEMS（Home Energy Management System） HEMS 的應用範圍，包含建築物的自然通風、照明系統控制的增加、光電 動力的發電等複雜的新技術也被應用其中，但是正確地文獻證明與設計目標或 擁有者的工程設備(OPR)通常沒有提供。然而，新技術的性能經常必需通過一 定的測試，並且對其結果做出鑑定，所以此等新技術仍然被認為是一種實驗性 的計劃。 台灣地區自產能源十分缺乏，百分之九十七以上仰賴國外進口，而在建築 相關用電中，我國住宅及商業用電所消耗電力佔總用電百分之三十，是非工業 生產最重要的耗能，因此政府正積極訂定耗電之百貨公司、辦公室及觀光旅館 等建築物省能規範，使建築物之耗電減輕至最低，以達節約用電。在能源逐漸 缺乏的現代，發展零能源大樓(Zero Energy Building，ZEB)和低能源大樓 (Low Energy Building，LEB)已經形成未來發展之趨勢，但此構想目前尚屬 於實驗階段，對其性能無法作出許諾，所以，如何經由檢查而可以減少較多的 能源，比新技術的取得和設計更具實際意義。 本實驗之 HEMS 系統具備有控制、耗能分析與紀錄等功能，其簡介如下： 壹、系統架構說明： 此 HEMS 系統大致可分成三個軟體的劃分： ㄧ、空調、照明系統啟停控制軟體。 二、照明系統及室內外 sensor 運轉現況監控軟體。 三、建築電力使用需量監測及分析軟體。 貳、特色： ㄧ、系統支援遠端網路連線，可隨時藉由網路功能進行室內空調和照 明之開關、調整及時程控制。 二、電力需量分析軟體可按月作用電比例分析和電度之查詢，每日用電度 數亦可查詢，並記錄當日最高用電需量。 34.
(55) 第三章 建構智慧化居住空間. 三、自動化的空調、燈光啟停控制，並免無謂的能源浪費。 参、HEMS 系統控制頁面介紹： ㄧ、照明監控系統. 圖 3-15 照明監控系統頁面，具備有燈具狀態監看、啟停控制等功能 二、空調監控系統. 圖 3-16 空調系統控制頁面，具備有空調室內機狀態監看、啟停控制等功能. 35.
(56) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 三、實驗空間內部照明系統運轉狀態查詢. 圖 3-17 照明系統運轉狀態查詢頁面，具備有室內外照度監看等功能 四、歷史資料查詢. 圖 3-18 歷史資料查詢查詢頁面，可查詢用電量、室內外照度等歷史資料 36.
(57) 第三章 建構智慧化居住空間. 五、電力即時監控. 圖 3-19 電力即時監控頁面，總用電之即時監看及各用電需量趨勢圖. 37.
(58) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 第三節 照明控制系統 本實驗之照明控制系統是以照明調光控制為基礎，進而延伸出晝光利用、 各種照明情境模式等控制技術及策略應用。照明控制系統基本架構圖如下圖 3-20 所示：. 圖 3-20 照明控制系統架構圖 壹、基本照明設備簡介 ㄧ、T8、T5 高效率省電燈具 T8 及 T5 燈管為目前主流之高效率燈管，本身具有較低的含汞量，比 傳統 T9 及 T12 燈管環保，其燈管效率也比傳統燈管高出許多，尤其是以 T5 燈管效果更為顯著，約可比 T9 燈管節省約 40％的耗電。T8 及 T5 後 的數字，代表的是燈管的管徑，T8 代表 8/8 英吋的燈管，T5 代表 5/8 英吋的燈管，一般來說，數字越小的，其效率越好。 在歐美地區，有許多辦公大樓皆已採用 T5 燈管，不管是在環保還是 節能，效果皆相當顯著，但在台灣 T5 燈管卻一直推廣不起來，最主要的 38.
(59) 第三章 建構智慧化居住空間. 原因就在於台灣的建築皆是以 T8 及 T9 燈管適用之燈座做為設計，若想採 用 T5 燈管就必須先將舊有的燈具換掉，而且除了更換燈具外，T5 燈管必 須需搭配電子式安定器才可使用，其更換費用過大，所以鮮少有人接受。 目前，市面上有一種所謂 T85 的燈具，其用途是作為 T5 燈管的轉接 頭，其內建電子式安定器，故無須更換更換燈座即可裝設 T5 燈管，但由 於裝設上後，舊有燈座上的安定器並為拆除，故使用上是耗兩組安定器的 用電，但節能效果依然比 T9 燈管好上許多。. 圖 3-21 T85 燈具實體照片 二、可調光電子式安定器 傳統的開燈方式，除了需要一顆電磁式安定器，還必須加裝一顆啟動 器，才可將燈管點亮，且傳統安定器的功率因數相當低，約 0.5 左右，所 以往往要加上一顆高效率電容才可將功率因數拉高至 0.9 左右，而電子式 安定器並不需要啟動器即可點亮燈管，且本身功率因數高達 0.95 以上， 具比傳統安定器更高之效率。 電子式安定器與傳統安定器最大的不同點在於，傳統安定器採用低頻 點燈，燈管會產生頻閃現象，光波輸出相當不穩定，而電子式安定器採用 的是高頻點燈，瞬間點亮燈管，不會造成頻閃現象，而輸出之高頻率穩定 電壓，可有效激發螢光粉發光抑制光衰，降低燈管溫度與延緩燈管黑化。 以普通的日光燈管為例，使用傳統安定器僅能維持一年左右的壽命，但是 搭配電子安定器使用的同級燈管卻能維持超過三年的使用壽命，因此改用 電子式的日光燈安定器將能有效減少國內廢棄日光燈管的數量，兼具環保. 39.
(60) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 的效益。 可調光電子式安定器具有一般電子式安定器的優點，其本身還可透過 輸入類比或數位訊號，控制輸入燈具內的電流大小，調節照度的強弱，如 此一來燈具就不再只有全開或全關的功能而已，可以依照個人所需之亮度 來做調整，使燈具的控制更具變化性，並可節省不必要之浪費。. 圖 3-22 可調光電子式安定器實體照片 三、晝光調光感知器（Daylight Dimming Sensor） Daylight Dimming Sensor 是一感測晝光進而對燈具進行調光的感 知器。Daylight Dimming Sensor 可依晝光之強弱來調節燈具亮度的強 弱，當戶外晝光充足時，Daylight Dimming Sensor 就會對可調光電子 式安定器輸入一訊號，降低燈具亮度的輸出，將燈光調暗，反之則提高燈 具亮度的輸出，將燈光調亮。. 圖 3-23 Daylight Dimming Sensor 實體照片. 40.
(61) 第三章 建構智慧化居住空間. 貳、實驗方法與結果 一、手動調光 本實驗是利用兩座 38w×2 燈具進行手動調光實驗，採用 T8 38w 三 波長燈管並搭配可調光電子式安定器。可依照個人對亮度的喜好，透過 HEMS 系統或調光器，將訊號送至可調光電子式安定器內，限制進出燈管 之電流大小，達到調光的作用。. 圖 3-24 手動調光系統架構圖 此實驗目的在於，測試燈具在不同亮度下之耗電情形，其結果如下圖 所示： 圖 3-25 及圖 3-26 分別為調光率％與照度 lux 之關係圖及調光率％ 與消耗功率 w 之關係圖。當調光率越大時，表示流入之電流值越大，故有 較強之照度，但相對的消耗功率也會跟著增加。. 41.
(62) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 調光率％與照度lux關係圖 800. 照度lux. 600 400 200 0 90%. 80%. 70%. 60%. 50%. 40%. 30%. 20%. 10%. 調光率％. 圖 3-25 調光率％與照度 lux 之關係圖. 調光率％與消耗功率w關係圖 200 消耗功率w. 150 100 50 0 90%. 80%. 70%. 60%. 50%. 40%. 30%. 20%. 10%. 調光率％. 圖 3-26 調光率％與消耗功率 w 之關係圖 二、晝光調光 晝光調光跟手動調光的不同點在於，晝光調光系統會去感測陽光照度 與室內光環境的照度，自行對可調光電子式安定器進行調整，無須透過電 腦下達指令。晝光調光系統是採取模糊控制，使用者只需設定好平時所適 應之照度，晝光調光系統會自動調光，調光的效果視當日的晝光所決定。 本實驗是利用兩座 38w×2 燈具進行晝光調光實驗，採用 T8 38w 三 42.
(63) 第三章 建構智慧化居住空間. 波長燈管並搭配可調光電子式安定器及晝光調光感知器。. 圖 3-27 晝光調光系統架構圖 此實驗目的在於，測試裝設晝光調光與未裝設晝光調光之耗能分析， 其結果如下圖所示： 圖 3-28 為裝設晝光調光系統後室內燈具照度與室外陽光照度分布情形， 圖 3-29 為動態節能分析。晝光調光之作動完全取決於晝光，當晝光較強 時調暗燈具，當晝光較弱時則調亮燈具。 25000. 照度 lux. 20000 15000. 室內照度 室外照度. 10000 5000 0 0:00 23:00 22:00 21:00 20:00 19:00 18:00 17:00 16:00 15:00 14:00 13:00 12:00 11:00 10:00 9:00 8:00 7:00 6:00 5:00 4:00 3:00 2:00 1:00 0:00 時間. 圖 3-28 室內燈具照度與室外陽光照度分布情形. 43.
(64) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 動態節能分析 100. 節能率％. 80 60 40 20 0 23:00 22:00 21:00 20:00 19:00 18:00 17:00 16:00 15:00 14:00 13:00 12:00 11:00 10:00 9:00 8:00 7:00 6:00 5:00 4:00 3:00 2:00 1:00. 時間. 圖 3-29 動態節能分析 三、照明情境模式 照明情境模式的建立，除了可達到節能的效果外，還具備有依據不同 的情況營造出不同氣氛的功能，使操作者在執行工作或休息上能更有效 率。以下為本實驗所營造出之照明情境模式及耗能分析： i、夜間睡眠情境 根據醫學報導指出『人腦中有一稱為松果體的組織，它會在睡眠時分 泌出一種特殊的荷爾蒙稱為退黑激素，退黑激素能影響動物的壽命、睡眠， 且其本身具有抗癌之作用。退黑激素在夜間分泌，使人容易入睡，並且在 白天光線透過眼睛時停止分泌，使人清醒』。 因此夜間睡眠情境必須營造成一相當昏暗之環境，但光線太過於昏 暗，容易使人在夜間上廁所等行動時發生危險。為了兼顧其睡眠品質及安 全的考量，本實驗將夜間睡眠模式打造成一光線微弱之環境，將燈具亮度 調整至原來的 10％，其環境平均照度約 1lux 左右。下圖 3-30 為所營造 之睡眠情境實際照片：. 44.
(65) 第三章 建構智慧化居住空間. 圖 3-30 夜間睡眠情境實際照片 ii、閱讀情境 在桌面進行閱讀時，其照度大約要在 700lux 左右，若將燈具全開提 高至相同照度的話，會造成過多的電力浪費。本實驗所營造之閱讀情境將 照明分成全般照明及局部照明兩個部分，全般照明提供整個環境的照明， 而局部照明則只提供桌面的照明，利用這兩種照明下去做搭配，將全般照 明調整至原燈具亮度的 50％左右，在搭配檯燈進行局部照明，則可得到 相同之結果並減少電力的浪費。下圖 3-31 為所營造之閱讀情境實際照片：. 45.
(66) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 圖 3-31 閱讀情境實際照片 iii、睡前休閒情境 在睡前做一些可以躺在床上放鬆安靜的活動，例如閱讀或視聽音樂， 有助於放鬆神經、容易進入夢鄉，且可提高隔天工作的精神狀況。本實驗 所營造之睡前休閒情境，將全般照明調整至原來亮度的 35％左右並搭配 局部照明使用，將床面附近的照度提高至 300lux 左右，營造出柔和的光 線，使人更容易達到放鬆的效果。下圖 3-32 為所營造之睡前休閒情境實 際照片：. 46.
(67) 第三章 建構智慧化居住空間. 圖 3-32 睡前休閒情境實際照片 參、實際案例應用與分析-國立屏東教育大學 由於本研究所建置之照明控制策略可大量減少照明部分用電，故將其應用 於台灣建築中心 97 年度「建築能源效率提升計畫」之入選單位-國立屏東教育 大學，藉此驗證在建築實際應用上之節能效果。 一、建築物介紹 本建築物為國立屏東教育大學之圖書館，平時使用人數約 625 人，樓 地板面積約 110322m2。 二、改善項目說明 i、更改舊有線路 由於國立屏東教育大學圖書館內部照明無區化管理，各開關所控制的 燈具盞數過多，若只有部分區域需要照明，就必須開啟大量燈具，造成多 餘之照明耗能。 故將其原線路置換為二線式燈控迴路，二線式燈控迴路之優點在於只 需兩條訊號線即可並聯數十個開關使用，每個開關所控制的燈具盞數可自 行規劃，故可設定多種照明模式供不同之情況使用，可減少不必要之浪費。. 47.
(68) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 圖 3-33 改善前之傳統燈具線路. 圖 3-34 改善後之二線式燈控迴路 ii、更換舊有燈具 由於圖書館內部使用燈具皆為傳統 T8 燈具，效率不佳，故將其置換 成高效率 T5 燈具，以減少照明耗能。 48.
(69) 第三章 建構智慧化居住空間. 圖 3-35 既有傳統 T8 燈具. 圖 3-36 新加裝之 T5 燈具 iii、加裝晝光調光系統 圖書館內部公共區域裝設有大型窗戶，平時日照充足，無需過量之照 明燈光，故加裝晝光調光系統，使其能隨日照強度調整室內光源，減少不 必要之浪費。. 49.
(70) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 圖 3-37 圖書館內部之公共區域. 圖 3-38 新加裝之晝光感知器 iv、加裝紅外線自動點滅裝置 由於圖書館內部之樓梯鮮少有人滯留，故無需長時間啟動照明燈具， 故加裝紅外線自動點滅裝置，當其感應有人經過時才啟動燈具，減少不必 要之照明耗能。. 50.
(71) 第三章 建構智慧化居住空間. 圖 3-39 新加裝之紅外線自動點滅裝置 三、耗能結果分析 下列圖示為國立屏東教育大學改善前後用電資料。其中圖 3-40 為圖書館 大樓西側改善前後之用電情形，由於此大樓下午會有西曬之問題，故西側只置 換燈具無加裝晝光調光系統，節能效果約 38％。圖 3-41 為圖書館大樓東側改 善前後之用電情形，有加裝晝光調光系統，節能效果約 55％。. 圖 3-40 國立屏東科技大學圖書館 6 樓西側改善前後用電情形. 51.
(72) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 圖 3-41 國立屏東科技大學圖書館 6 樓東側改善前後用電情形. 52.
(73) 第三章 建構智慧化居住空間. 第四節 空調控制系統 本實驗空調控制系統是透過 VRV 空調機之 Gateway 與電腦做連結，進而 達到控制空調室內外機的功能。其空調系統基本架構圖如下圖 3-42 所示. 圖 3-42 空調系統架構圖 壹、基本空調設備簡介 ㄧ、VRV 空調系統 VRV 空調系統之應用，於近年來以大量普及化。由於兼顧節能、模組 化、低噪音、及良好的熱舒適等優點，於中小型建築及住宅等家用空調之 市場佔有率急遽攀升。據估計於近十年內將取代一般窗型冷氣機，而成為 市場之主流。於日本等先進國家中，每年之 VRV 空調系統銷售量均呈現 20 % 以上之成長速度，形成一股世界性之潮流。. 53.
(74) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. VRV 空調系統和一般空調系統最大的不同在於，一般空調系統運轉方 式是以所設定之溫度決定啟動或停止運轉，而 VRV 空調系統運轉方式為 當室溫到達設定溫度時，以較低的頻率下去運轉，當室溫高於設定溫度時， 以較高的頻率下去運轉，所以溫度控制比一般型空調系統還精準，並且部 分負載效率較高。. 圖 3-43 VRV 空調系統實體圖 二、BACnet Gateway BACnet Gateway 的功能在於提供一個空調系統的控制平台，操作 者只要透過 Ethernet 將電腦與其做連結，BACnet Gateway 即可供應各 種不同的控制訊號，供操作者控制使用。由於目前市售之各廠空調機所擁 有控制技術皆不相同，所以在機器本身的設計上，並不會開放空調機之控 制訊號供人操作使用，必須加裝各廠空調機所對應之專用 BACnet Gateway，才可完全控制空調機的所有功能。. 54.
(75) 第三章 建構智慧化居住空間. 圖 3-44 空調控制系統架構圖 貳、實驗方法與結果 一、RFID 人感控制之情境模式應用 本實驗是利用四台空調室內機進行實驗，並搭配 RFID 來達到偵測進 出實驗空間之人員數量的功能。. 圖 3-45 空調情境模式系統架構圖. 55.
(76) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 此情境最大的特點在於，利用 RFID 感應進出實驗空間內的人數及外 氣溫度來決定空調量之控制，其控制流程如下圖所示：. 變多. 空調負荷增加. 空調量加大. 變少. 空調負荷減少. 空調量減小. 變高. 空調負荷增加. 空調量加大. 變低. 空調負荷減少. 空調量減小. 人數. 外氣溫度. 人員全數離開. 關閉空調. 圖 3-46 RFID 人感控制情境模式流程圖 此實驗之耗能情形如下所示： 圖 3-47 為此情境模式之用電需量圖，人員大約是在 6：45～6：50 之間， 人數六人，空調負荷增加，空調量加大，8：30 左右，外氣溫度升高，空 調負荷增加，空調量持續加大，9：30 左右，室內回風溫度已達設定溫度， 故空調量維持一定數值，一直到 18：30 人員全數離開實驗空間，關閉所 有空調。. 56.
(77) 第三章 建構智慧化居住空間. 空調情境模式用電需量. 用電需量 W. 2000 1500 1000 500 0 18:36. 17:36. 16:36. 15:36. 14:36. 13:36. 12:36. 11:36. 10:36. 9:36. 8:36. 7:36. 6:45. 時間. 圖 3-47 空調情境用電需量趨勢圖 二、午休情境模式 『當人睡眠時，嗅、視、聽、觸等功能暫時減退，骨骼反射神經運動 和肌張力減弱，同時伴有一系列的自主神經功能的改變（表現為：血壓下 降、心律減慢、體溫下降、代謝率降低、呼吸變慢等）…』。 所以在睡眠時不需要太多的空調量即可使人感到舒適，且可幫助人體 調節體溫。依照 PMV 熱舒適度指標所提出的理論，溫度、風速為影響熱 舒適度的主因之ㄧ，故目前實驗室所設置之午休情境模式可分為風速及溫 度兩種控制方式，在人入睡時，降低其設定風速或升高其設定溫度，可維 持其舒適感並達到節能的效果。其午休情境模式之控制流程如下所示：. 57.
(78) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 圖 3-48 午休情境模式風速控制. 圖 3-49 午休情境模式溫度控制. 58.
(79) 13:27 13:24 13:21 13:18 13:15 13:12 13:09 13:06 13:03 13:00 12:57 12:54 12:51 12:48 12:45 12:42 12:39 12:36 12:33 12:30 800. 600. 400. 200 用電需量 W. 800. 600. 400. 200 用電需量 W. 第三章 建構智慧化居住空間. 此實驗之耗能情形如下所示：. 午休情境模式(調整風速) 1000. 0. 時間. 圖 3-50 午休情境模式風速控制之用電需量趨勢圖 午休情境模式(調整溫度). 1000. 0. 13:27 13:24 13:21 13:18 13:15 13:12 13:09 13:06 13:03 13:00 12:57 12:54 12:51 12:48 12:45 12:42 12:39 12:36 12:33 12:30. 時間. 圖 3-51 午休情境模式溫度控制之用電需量趨勢圖. 59.
(80) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 圖 3-52 溫度控制模式與風速控制模式用電度數比較 上圖為此兩種控制模式運轉一小時之用電度數，由圖面上看出溫度控 制模式較風速控制模式節能，約可節省 4.6％左右。 三、PMV 空調情境模式 i、技術說明 在 70 年代初期 Nevins 等人針對 1600 名大專學生調查，將溫度、 濕度、性別、熱暴露長度與舒適度之間建立其相關性。該調查將冷暖分為 七個等級，被調查者則依照主觀感覺選擇在當下環境中的冷暖等級，並可 得到一平均值，此即為 PMV（Predicted Mean Vote）指標。. 圖 3-53 PMV 指標之冷暖等級 60.
(81) 第三章 建構智慧化居住空間. Fanger 更進一步研究將熱舒適度建立一套完整的理論模式，明確指 出熱舒適度是受到溫度、濕度、風速、平均熱輻射溫度、人體著衣量及人 體活動量等六大參數所影響，並找出其關係式。其中評估方法包含有預測 平均投票數（PMV）及不滿意百分率〈PPD；Predicted Percentage of Dissatisfied〉 。此模式為國際標準組織（International Organization for Standardization, ISO）之熱舒適評估指標。. 圖 3-54 影響 PMV 之六大參數. 圖 3-55 PMV 及 PPD 之關係圖. 61.
(82) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. Fanger 的理論模式係建立於人體生理與能量傳輸關係。據此觀點， 人體只有在與外界的熱量進出達到平衡才會感到舒適。當熱量無法達到平 衡時即形成熱負荷，此熱負荷與人體及其周圍環境的熱交換關係為：. 其中 L d 為熱負荷，H 為人體內部產生的熱量，E d 為皮膚表面水蒸 氣擴散所損失的熱量，E sw 為皮膚表面水份蒸發所損失的熱量，E re 為呼 吸作用的潛熱損失，S 為呼吸作用的顯熱損失，K 為人體經由衣服傳導至 外界的熱量，R 為衣著表面輻射熱傳損失，C 為衣著表面對流熱傳損失。 上式顯示，假設衣著不積存熱量，由人體透過衣著傳導出的熱量（K）亦 等於衣著表面經由對流與輻射（R + C）對環境所傳遞的熱量。亦即：. 其中各個進出熱源的計算方法如下： 人體內部產熱量 H： 人體由於新陳代謝會產生熱量（M） ，此熱量主要是用來維持身體的溫 度（H），另一部份則做為人體活動時的動力來源（W）：. 若定義熱效率. 可得：. 皮膚表面水蒸氣擴散所損失的熱量 E d ： 此熱量損失與皮膚溫度飽和水蒸氣壓與周圍空氣水蒸氣分壓間的差值 成比例關係，經過化簡可得： 62.
(83) 第三章 建構智慧化居住空間. 其中A Du 為人體表面積（m2） ，p a 為大氣中水蒸氣分壓（mmHg）， ，根據實驗： t S 為皮膚表面平均溫度（℃）. 皮膚表面水份蒸發熱量損失 E SW ： 根據實驗，此熱量損失為：. 呼吸作用的潛熱損失 E re ： 此熱量損失是呼吸量與空氣進出水蒸氣含量差值的函數，化簡後可以 得：. 其中 t a 為大氣平均溫度（℃）。 人體經由衣物傳導至外界的熱量 K： 皮膚傳至衣物表面熱量的計算需考慮皮膚與衣物間的熱對流、熱輻射 效應以及衣物本身的熱傳導，因此頗為複雜。Gagge et al.提出以下的關 係式：. ， 其中 t cl 為衣物表面之平均溫度（℃）. 63.
(84) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 其中 R cl 為皮膚至衣物表面間的總體熱阻，1 clo = 0.18 ℃ -m2-hr/Kcal。 輻射熱傳損失 R： 人體與周圍環境間會進行輻射熱交換，其熱交換量與人體及周圍物體 的溫度以及相對應的幾何形狀有關，可以下式表示：. 其中 f cl 為人體衣物表面積與皮膚表面積之比， t mrt 為平均輻射溫度 （mean radiant temperature）。 對流熱傳損失 C： 衣物表面的對流熱傳損失可由下式得到：. 其中對流熱傳係數. 其中 V 為風速（m/s）。 熱平衡方程式： 將式〈A-3〉至〈A-12〉代入式〈1〉第一行中可得：. 64.
(85) 第三章 建構智慧化居住空間. 又根據式〈2〉可得. 式〈A-14〉與〈A-15〉所包含的變數計有： 〈1〉與衣物有關的函數（Ｉcl、fcl）。 〈2〉與人體活動程度有關的函數（ M/A Du 、η）。 〈3〉與環境有關的變數（Ｖ、t a 、p a 、t mrt ）。 若一狀況之各變數恰好使式〈A-14〉中之 L d = 0，則此狀況就能提 供人體最佳的舒適性。Fanger由實驗得到身體熱負荷與人體活動量的關 係，並導出計算 PMV 值的完整公式：. 將式（A-14）代入上式可得：. 65.
(86) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 至此已有一完整之 PMV 值計算方法，若可以得到式〈3〉中之變數值， 即可得到在某一狀況下的 PMV 值，可依此瞭解在此一狀況下人體的熱舒 適性，並可利用不同的方法（改變衣著量、調整風溫、風速等）加以改善， 以達到舒適的目的。 但對於台灣濕熱型氣候而言，上述 Fanger 所提出之 PMV 理論並不 完全適用。因此為求實驗之準確性，必須將六大參數因子所構成之 PMV 公式加以修正及簡化，使其適合材用。此稱為熱調適行為之熱舒適模式， 其修正之公式及參數如下所示：. 上式為PMV修正簡化後所導出之不滿意度公式即APD公式，其中μ為 平均值、a i 溫度的影響參數、b j 濕度的影響參數、c k 風速的影響參數、d l 平均輻射溫度的影響參數、ab ij 溫度與濕度交互作用的影響參數、ac ik 溫 度與風速交互作用的影響參數、ad il 溫度與平均輻射溫度交互作用的影響 參數。. 66.
(87) 第三章 建構智慧化居住空間. 表 3-1 APD 各項因子參數表. ii、實驗架構說明 本實驗是利用一台空調室內機、一台風扇及溫控器進行實驗，其系統 架構圖如下圖所示：. 圖 3-56 PMV 情境模式系統架構圖 67.
(88) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 圖 3-57 PMV 情境模式系統實際照片. 圖 3-58 風扇與溫控器端設備架構 此 PMV 情境模式系統是利用空調室內機與風扇進行連動控制，將溫 控器置於人體周遭，當溫度到設定點時即啟動風扇並調整其風速，來達到 調整人體舒適度的效果。若將設定之溫度及風速代入上述 APD 公式即可 計算出其不滿意度之多寡，藉此求取最佳化之設定值。 68.
(89) 第三章 建構智慧化居住空間. 四、外氣冷房 i、技術說明 傳統式中央空調系統為維持健康舒適的空調環境，必須將 30％的是 內回風排到室外並且引入相當空氣量之外氣，但在某些涼爽的季節、晚間 或下雨後的時段中，外氣通常乾爽且清涼，其熱焓值可能低於室內回風的 熱焓值，此時如果停止運轉空調主機，全部利用室外空氣來當作空調，便 可節約空調系統之耗能，此就是外氣冷房系統的構想。. 圖 3-59 外氣冷房示意圖. 外氣冷房省能控制是在中間季(甚至冬季)外氣溫度或焓值較低情況 下，充分利用外氣做冷源以達最大限度的節約能源。外氣冷房的節能控制 有以下兩種類型：(1)按外氣溫度(顯熱)的節能控制，(2)按外氣焓值(顯熱 +潛熱)的節能控制。 今以濕空氣線圖來說明顯熱控制與焓值控制在節能效果上的差別。圖 3-60 中的粗黑線代表若使用回風時空氣的除濕冷卻過程。空調送風溫度、 回風溫度與焓值將濕空氣線圖劃分為幾個不同的區域。顯熱控制與焓值控 制在圖中的斜線區域有不同的節能效果。除了在區域 3 外，焓值控制均較 顯熱控制方式節能。在區域 3 焓值控制會較耗能是因為外氣溫度過低，在 冷卻前需先經淋水加濕，使得空氣含值升高的緣故。表 3-3 詳列了在各區 域顯熱控制與焓值控制的差異。. 69.
(90) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 圖 3-60 外氣冷房系統的外氣適用條件 表 3-2 顯熱控制與焓值控制之外氣冷房系統節能效果. 區域. 顯熱控制. 焓值控制. 較節能者. 1. 最小外氣. 最小外氣. 相同. 2. 最大外氣. 最大外氣. 相同. 3. 最小外氣. 最大外氣. 顯熱. 4. 最小外氣. 最大外氣. 焓值. 5. 最大外氣. 最小外氣. 焓值. 70.
(91) 第三章 建構智慧化居住空間. 採顯熱控制方式之外氣冷房系統，其外氣適用條件為T 外氣 ＜T 回風；採焓 值控制方式，其外氣適用條件為h 外氣 ＜h 回風。若外氣符合使用條件，引入的 外氣量與外氣溫度的關係如圖 3-61 所示。當外氣溫度低於T A 時，引入全 量的外氣；當外氣溫度低於T B 時，此時若引入全量的外氣會造成室內過 冷，所以減少引入的外氣量。直到外氣低至T C 以下，引入的外氣又恢復最 小外氣量。. 圖 3-62 外氣冷房系統的外氣溫度與引入外氣量之關係 當外氣溫度處於T A 與T B 之間，因為引入全量的外氣所以空調機混合空 氣的溫度等於外氣溫度，所以採用外氣冷房所減少的空調機負荷為. G SA ：設計的送風量，m³/h G OA ：設計的外氣量，m³/h h OA ：外氣焓值，kJ/kg h R ：回風焓值，kJ/kg h C ：空調機送風焓值，kJ/kg C P ：空氣比熱，kJ/kg°C ΔQ ECO ：採用全熱交換器控制的節能效果，(kW). 71.
(92) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 當外氣溫度低於T B 時，由於此時只需靠引入的外氣，便可達到冷房的 效果。所以其節省的空調機負荷為：. 而此時所需引入的外氣量為：. ii、實驗架構說明 本實驗是利用一台排風扇及溫控器進行實驗，其系統架構圖如下圖所 示：. 圖 3-63 外氣冷房控制系統架構圖 此外氣冷房控制系統是當外氣溫度低於某一溫度時，引進外氣替代空 調，當引進的外氣造成室內溫度下降至某一溫度時，則停止引進外氣，避 免室內溫度過低。. 72.
(93) 第三章 建構智慧化居住空間. 圖 3-64 外氣冷房控制系統實際照片. 73.
(94) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 第五節 實驗空間省能效益與分析 壹、未改善前原始耗電 該建築物共可分為 A、B 兩個居住空間，其電力結構主要分為空調用電、 照明用電兩大用電項目，根據監測結果其未改善前用電情形如下圖表所示： 表 3-3 建築物居住類型空間單日用電需量表 空調用電需量 照明用電需量 W W A 實驗空間. 378.6. 128.7. B 實驗空間. 1544.4. 683.1. 表 3-4 建築物居住類型空間單日用電度數表 空調用電度數 照明用電度數 kWh kWh A 實驗空間. 4.55. 1.55. B 實驗空間. 16.74. 16.39. 表 3-5 建築物居住類型空間單週用電需量表（一） A 實驗空間. 74. 空調用電需量 W. 照明用電需量 W. 星期一. 1653.3. 128.7. 星期二. 1593.9. 128.7. 星期三. 1603.8. 128.7. 星期四. 1524.6. 128.7. 星期五. 1643.4. 128.7. 星期六. 1603.8. 128.7. 星期日. 1593.9. 128.7.
(95) 第三章 建構智慧化居住空間. 表 3-6 建築物居住類型空間單週用電需量表（二） B 實驗空間 空調用電需量 W 照明用電需量 W 星期一. 1475.1. 683.1. 星期二. 1465.2. 683.1. 星期三. 1494.9. 683.1. 星期四. 1435.5. 683.1. 星期五. 1673.1. 683.1. 星期六. 1475.1. 683.1. 星期日. 1465.2. 683.1. 表 3-7 建築物居住類型空間單週用電度數表 空調用電度數. 照明用電度數. kWh. kWh. A 實驗空間. 88.6. 21.5. B 實驗空間. 130.8. 114.3. 用電需量W. A實驗空間照明用電需量 140 120 100 80 60 40 20 0 22:30. 21:00. 19:30. 18:00. 16:30. 15:00. 13:30. 12:00. 10:30. 09:00. 07:30. 06:00. 04:30. 03:00. 01:30. 00:00. 時間. 圖 3-65 A 實驗空間照明單日用電需量趨勢圖. 75.
(96) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 圖 3-66 A 實驗空間照明單週用電需量趨勢圖. 用電需量W. B實驗空間照明用電需量 800 700 600 500 400 300 200 100 0 22:30. 76. 21:00. 圖 3-67 B 實驗空間照明單日用電需量趨勢圖. 19:30. 18:00. 16:30. 15:00. 13:30. 12:00. 10:30. 09:00. 07:30. 06:00. 04:30. 03:00. 01:30. 00:00. 時間.
(97) 第三章 建構智慧化居住空間. 圖 3-68 B 實驗空間照明單週用電需量趨勢圖. 圖 3-69 A 實驗空間空調單日用電需量趨勢圖. 77.
(98) 台灣地區 HEMS 省能策略之建立及應用分析. 圖 3-70 A 實驗空間空調單週用電需量趨勢圖. 圖 3-71 B 實驗空間空調單日用電需量趨勢圖. 圖 3-72 B 實驗空間空調單週用電需量趨勢圖 78.
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