能源監控系統 設計與應用

生態建築學

能源監控系統 設計與應用

作 者：資工二 b94902049 吳春暉 資工二 b94902101 李沅臻 指導教授：韓選棠教授

目 錄

一、前言... - 2 -

二、能源監控系統的設計... - 2 -

（一）構想... - 2 -

（二）硬體設施... - 3 -

（三）軟體設計... - 4 -

三、應用... - 4 -

（一）目的... - 4 -

（二）使用場所... - 5 -

（三）應用於住家的設計... - 6 -

（四）與節能的結合... - 6 -

（五）實例... - 8 -

四、推廣與發展... - 10 -

五、結語... - 11 -

六、參考資料... - 11 -

七、附錄... - 11 -

（一）高中背景... - 11 -

（二）心得... - 12 -

（三）聯絡資料... - 13 -

一、前言

化石能源是目前最重要的能源，在透過燃燒來轉換成其他能源時，產生以二 氧化碳為主的大量溫室氣體，以及污染空氣的懸浮物質，但是使用的效能卻又不 高。因此能源相關的問題已成為近年來備受關注的環保及科技議題，像是乾淨能 源的開發與使用、節能的硬體材料及方式、能源監控等。透過各個領域的研究與 合作，期望能減緩溫室效應，以及解決石油用罄時可能造成的能源危機。

能源監控最主要的目的是了解目前能源使用的情況，監控所產生的數據可作 為改善能源應用的參考。目前台灣地區使用能源監控系統的單位多屬工廠與學 校，工廠使用的原因在於成本上的考量，減少不必要的能源消耗可降低生產成 本，相對可獲得較高地利潤。學校的用電量相當驚人，約有三萬六千人的台灣大 學一年水電費將近三億，清華大學將近有一萬五千人水電費也需上億元。透過能 源監控系統的協助，可有效地管理能源消耗，即使只改善小部分的用電量也可省 一大筆開銷。

一般家庭的用電量遠比不上學校和工廠，監控系統的建置又需額外的費用，

在極短的時間內不易從省下來的電費回收成本，又能源監控的概念在台灣地區尚 需努力推廣，使得台灣地區一般家庭使用能源監控系統的普及率相當低。

能源監控系統除被動地分析及提共能源使用的情況外，也可結合居家自動化 控制的概念，主動進行節省能源的措施。譬如說監控系統可以感測室內的亮度，

將燈光調整成適當的大小，並可控制窗戶適量地導入太陽光；室內空調也適用這 種想法。

良好設計的能源監控系統不僅可以協助我們省去不必要的能源消耗，更可主 動與環境互動來最佳化使用的能源，因此這個領域對於大量使用化石能源的人們 顯得相當重要。

二、能源監控系統的設計

（一）構想

監控系統主要的任務是監控並紀錄結果，系統可分為感測單元、主機 及使用介面三個部份來設計。感測單元偵測用電量、氣溫、亮度等所需數 值，並將數值傳回給主機。主機負責分析數值，採取適當的動作並透過使 用介面顯示，或者傳輸到遠端的電腦。

硬體的設計必須相當省電，不然若系統本身使用太多電力，反而造成 更多能源的消耗，失去了系統存在的意義。

感測單元與主機間的通訊也是一大考量，常見的通訊方式可分為有線 及無線通訊。系統採用的通訊方式將會影響電力的使用、傳輸距離、設置

時的複雜度以及元件的擴充性。

以目前技術來說，結合自動化控制並不困難，但是對於各種擁有自動 化控制的裝置，在工業界中沒有普遍被接受的溝通方式。因此目前應先制 定出標準規範，使得各式各樣的裝置對於自動化控制有一致的通訊介面。

（二）硬體設施

感測單元與主機的通訊介面可 用 USB 或 WPAN（Wireless Personal Area Network）來實作。USB 是電 子裝置中有線通訊最為普遍的介 面，它的優勢在於介面簡單、相容 性高、傳輸速度快。使用一般傳輸 線可傳輸約五公尺的距離，若採用 網路線（RJ45 CAT5）作為實質傳輸 媒體，傳輸距離可長達一百公尺。

USB 介面本身包含電源的傳輸，可 供應每個裝置 100mA 的電量，因此 使用 USB 介面的感測單元不需使用 獨立的外部電源。然而這些傳輸線

大大增加設置系統時的複雜度，成本也因布線材料提高不少。我推測這就 是謂何 USB 介面及少用在監控系統的原因。

WPAN 中 Bluetooth 和 ZigBee 是相當流行的技術。Bluetooth 主要是用 在行動電話、耳機等個人周邊電子產品的互相通訊；ZigBee 的性質與 Bluetooth 相近，但主要使用在偵測裝置與主機間的通訊，並且相當強調低 功耗。使用一般電池的偵測裝置大約可維持三到六個月，在其間完全不需

要更換電池。雖然裝置需依靠外部電源（通常是電池），但是設置時相當簡

採用 ZigBee 介面的無線感測控制模組 感謝昇暉能源科技提共圖片

介面 傳輸距離 最大功

率 USB 100 公尺（RJ45 CAT5） 500mW

Class 1 100 公尺 100mW Class 2 10 公尺 2.5mW Bluetooth

Class 3 1 公尺 1mW ZigBee 10~75 公尺 <1mW

不同傳輸介面的比較

單，成本也不高且擴充性大，目前感測單元多以 ZigBee 或類似的介面為主。

主機只需接收數值、分析、顯示或傳送數據到遠端電腦，採用嵌入式 系統已相當足夠，且耗電量約 10W，比一般動輒兩三百瓦的個人電腦相比，

節省相當多的能源。

（三）軟體設計

使用介面應能顯示即時的偵測數據，並且提供各種類別的統計圖表。

系統定期將統計的數據傳送到遠端的資料庫，以利數據長期的保存。系統 也可透過網路提供即時的數據，讓使用者在外出期間可以透過網頁瀏覽器 監看住家能源使用情形。

三、應用

（一）目的

建築自動化系統(Building Automation System, BAS)被成功的導入建 築物內各種設施的運轉控制和管理至少已有20 餘年的歷史了，這些安裝自 動控制系統的設施，如果管理使用得當，即使不是很花費心力於設施管理 之下，也可以輕易省下15～20%的能源使用，如果設施管理人員有更大的企 圖心的話，其節能的效果將會更為可觀。

台北大學的能源監控系統可透過網路來監看(http://203.68.113.233/energymanage/)

控制系統在這些年來的發展歷史中不斷的演變著，第一代的系統雖然 可以很有效的減少能源使用，但其缺點是很難安裝及使用，無法適應需求 的改變及其功能受到許多限制，以及不同控制系統間很難作到完全的整 合，其所造成的結果是只有較大型的建築設施才有能力安裝使用完整的控 制系統。

慢慢的這種限制已經被新一代的系統所克服，分散式處理系統

(Distribution Processing System)使用標準的控制網路配線和微處理器 (microprocessor)，使得控制系統分散於各場所更快速的管理各種控制訊 息，由於容易裝設和可靠度高，其結果是各種規模大小的設施均有能力使 用這種系統。

以往集中型控制系統採用點對點的訊號接線方式，現在已被簡單且標 準的網路配線所取代，控制系統各元件之間透過控制網路彼此交換資料，

因此控制器不再是集中於監控機房內，而是被安裝在設備機房現場或者直 接裝置在機器上包含有微處理器的分散控制器所取代。

雖然近10年來許多設備的機電控制裝置，已逐漸改為電腦自動控制，

然而設施人員要同時管理建築內的空調、保全、照明、電力、電梯、消防 和出入管制等各種自動化系統，無形中已成為一種更大的工作負擔，因此 如何使各種自動化系統可以結合為一體，以方便運轉管理和發揮智慧化的 控制功能，已成為設施管理人員和建築業主最大的期盼。

（二）使用場所

辦公廳類：政府機關，辦公室，圖書館。

百貨商場類：百貨公司，便利商店，量販店。

醫院類：醫學中心，療養院 旅館類：旅館，觀光旅館

住宅類：公寓，透天式豪宅 工業類：廠房，辦公大樓 其他類：體育館，文化中心

（三）應用於住家的設計

隨著經濟成長、國民所得提高與生活品質提升，家庭基本家電種類增多，

如除濕機、乾衣機、視聽電器及個人電腦等。每至夏季，空調電器大量使用造 成尖峰用電負載屢創新高。依2004年台電及經濟部能源局能源統計，台灣地區 約2,270萬人，住宅家庭用戶約1,005萬戶，每人年平均耗電量約達1,744度電。

以家庭用電量及比例來看：夏月時段，空調占41%、照明占18%、主要 家電占41%；非夏季時段，空調占6%、照明占35%、主要家電占59%。各設 備年平均耗電量每台冷氣約為1,320度，電冰箱為864度，客廳20 W*4照明日 光燈為138度，每天觀看電視也需288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戶約1,005萬戶，電力消費約395.88億度，占 全國總電力消費2,061億度之19.21%。以台灣地區2,269.8萬人計，每人年平均 耗電量約達1,744度電，平均每度電價約2.53元，占不少家庭的日常開支。

使用的方式：

1. 由於居室空間之活動可能包含休憩狀態、談話狀態、閱讀狀態或其他 需精密辨識目標物之活動狀態，另一方面亦需考慮自然晝光之輔助照明，

因此所有區域皆須有多層次照度控制之照明設計，可利用強弱開關、調光 器、多燈泡、多段開關等達到節能之目的。

2. 盡可能以較低照度之全般照明加重點照明為設計原則，某些較費眼力 的工作區域應提供局部之工作照明，例如住宅廚房之食譜、菜單閱讀區或 公共大廳之閱覽區。

3. 集合住宅可使用定時器，於上下班定時啟動停車場之抽排風扇，以改 善供氣品質，但抽排風所需時間卻不易控制，且有時地下停車場亦提供給 商務辦公客戶使用，停車場尖離峰之空氣明顯差異，但不易掌握其規律性，

故可使用具有一氧化碳感測功能之抽排風扇自動控制器，將可節省電力並 且確實改善供氣品質。

（四）與節能的結合 1. 時序控制

時序控制基本上與定時開關一樣，譬如在每一天的上班時間將冷氣起 動，而在下班時間關閉。當然有些設備在一天之內可以設計多段式的開關，

星期例假日及國定假日都可以預先設計在程式裡面，而到時控制器會隨著

時序控制進行該有的動作。

2. 最適時開關

為了節省用電，在時序控制定時開關的程式中可以加入建築物的特 性，而調整開關時間。譬如利用清晨低溫而新鮮的外氣，在清晨時引進室 內作空氣循環，可以將續積於室內的熱量帶走，不僅於早上人員進入辦公 室時已有舒適的環境，更可降低冰水主機早上開機所需克服續積熱量的耗 電。

在下班前冰水主機、冷卻水泵、冷卻水塔風車先停機，冰水泵繼續運 轉釋放冰水系統續積的冷能後再停止運轉，繼續利用建築物的餘冷保持舒 適溫度到下班。至於提早、延後多少時間，則控制器會根據現在的室內溫 度、室外溫度、使用操作的經驗而自行調整，以達到最省能的目的。

3. 燈光控制(LIGHTING CONTROL)

燈光在一棟建築物內的消耗一般僅次於空調，而燈光的發熱也直接增 加了空調的負擔，因此做好燈光控制可以收到一舉兩得的效果，一般的燈 光控制方法有下列幾種：

(1)、亮度控制 (2)、人員感知控制 (3)、時間控制 (4)、室外光感控制 4. 電力需量控制

由於電力公司對於電費的計算是根據最大需量，而電力公司也獎勵減 少需量的用戶，因此電力需量控制一直是能源管理系統內一個很重要的功 能之一。監控系統連接到整個大樓或工廠的電錶，由於電錶能提供脈波 (PULSE)信號給控制器，若電力需量接近預先訂的最大需量時，則系統採取 預先訂好的需量控制程式，像提高溫度設定點或關掉不重要設備。如下圖 所示：

（五）實例

實例一：配合中央監控系統落實電管理降低用電成本之應用例 背景

(1). 座落在嘉義某科技學院，建校時已經建置中央監控系統做管理，可是 到夏季需量超約最高有23％之多，全年平均需量780 kW，以目前所訂之契 約容量800 kW 是合理的契約。

(2). 分析中央監控系統所收集到的電力需量資料與台電電表（TOU）做比 對誤差有11.5％可以判定需量週期沒有同步。

(3). 所有負載之ON/OFF 控制在中央監控系統上設有I/O 接點。

探討內容

(1). 用電情況：契約容量為800 kW、最高需量：987kW（超约23％）、超 約罰款 NT$ 263,500 元

(2). 負載設備：冰水主機及空調箱等合計 625 kW 對策

(1). 建構電能管理需量控制裝置與台電電表（TOU）對準同步後，進行用 電資料蒐集。

(2). 分析負載變化情況了解尖峰時段之需量週期次數在5％以內適合調控 之條件。

(3). 把需量調控之指令透過485 MODEL BUS 與中央監控系統連接，當需 量超約時依照超約的量由中央監控系統執行控制事先安排受控之負載

ON/OFF 來抑低尖峰需量。

效益

調控90 kW，減少超約罰款 NT$200,000 元，設備費用60 萬元，投 資報酬3 年內回收（因學校尚在擴建中 為配合擴建完成之需量所以建構費用 比較高）。

本案因有中央監控系統，所以沒 有配線之工程費回收年限短，效益很 高，針對既有中央監控系統之用電戶值 得探討，但中央監控系統只用在監視 用，沒有I/O 控制接點時，其效益須評 估。

實例二：電能管理落實各部門之用電成本分析之應用例 背景

(1). 座落新竹某國立大學由營繕組提供之用電歷史資料年度超約罰款高達 600 萬，學校之腹地寬大供電系統採用二條饋線，分別二個電號（電號一）

契約容量為4,500 kW，（電號二）契約容量為3,524kW，因為是高壓供電最 高契約容量在5,000 kW 以下，若超過5,000 kW 就要改為69KV 供電。電號 一從5月開始到10 月均有超約情形，6 月最高需量為795,616 kW 比契約多 出1,116 kW(24.8%)。電號二從5 月開始到8 月均有超約情形，6 月最高需 量為4,008kW 比契約多出484 kW(13.7%)

(2). 校務會議曾多次提出報告請各部門自行管制，但很難執行。

分析

依照台電提供之電單初步分析配合空調設備調控可以調降因為沒有管 理才會發生過高超約現象。

對策

(1). 建議各科館（用電大又有獨立的受電盤）建構電能管理需量控制裝置 進行用電資料收集分析再與各科館之主任開會，由各科館主任議訂契約目 標及用電量以責任中心方式管理。

(2). 在電號一及電號二分別建構電能管理需量控制裝置，透過合成器整合 為一需量值與台電電表（TOU）對準後開始蒐集全校之用電趨勢資料（安

安裝工程現場

裝在營繕組）。

(3). 經協調後選定綜合物理館、工程三館，綜合化工、綜合化學館、工程 四館、資電館及生命科學二館共計7 個科館，各自獨立建構電能管理需量 控制裝置。

(4). 透過光纖網路把系統連接進行測試與校正，利用外部同步控制之功 能，將電號一及電號二及7 個科館之裝置，共有 9 部與台電電表（TOU）

對準需量週期(15 分)後進行用電資料蒐集。核對7 個科館之用電情形與需 量週期是否一致，在營繕組就可查看到所有資料。

(5). 經兩個月之測試所得數據與各科館協定目標，期初未進行調控用警報 方式管理

(6). 最高需量明顯的下降300 kW (約4％) 效益

第一期所建構的系統只做管理用約抑低需量300 kWNT$669,000 元 。目前有很多大的用電戶各部門未做電能管理，所以能源使用效率偏低 也不知過高需量，超約在那個部門發生的，此種方式值得參考。

安裝工程現場一(需量控制器) 安裝工程現場二(負載控制開關)

四、推廣與發展

國內電能管理需量控制裝置全面推廣至今，在工業及非製造業已有數百個不 同的應用成功案例，應用上大致主要控制管理，空調(冰水主機、箱型機、集中 管理之窗型機)、抽排風機、給水泵、及可暫停或間歇運轉與可移轉離峰運轉之 製程負載，其系統合理規劃，可抑低尖峰用電kW 約5%~15%左右，並減少用電 量5%及增加電氣設備裕度效益，其投資回收年限約2~3 年內。

依成功案例統計，電能管理需量控制裝置規模，高壓用戶契約容量500kW 以 上者較符合投資效益。因此以現台灣地區契約容量大於500kW之能源大用戶(工 業+非製造業)共約7,614 家(工業約5,362 家、住商及政府機關約2,252 家)，契約

容量約1,660 萬kW，總用電量883.5 億度電，總電費約1,520.6 億元，平均每度 電1.72 元計，若日後加強推廣，若國內能再增加20%用戶約1,500 家採行，估計 可獲得抑低尖峰用電約33 萬kW，總用電量9 億度電，總電費約15 億元，可觀 的節能效益，各用戶由節約能源使用成本降低，可提升經營利潤，加強市場競爭 力，對國家整體節約能源目標推動上，也相對提出貢獻。

五、結語

現在的生活幾乎使用任何東西都需要消耗能量，尤其是電能與石油，像是 開車、使用電腦、電話等。電腦所消耗的能量相當驚人，預計若無任何改善，在 2020 年每台電腦所產生的廢熱將與發射火箭時所需的能量相同。即使是完全使 用乾淨能源，產生出的廢熱是人們無法承受的。因此各個國家應開始積極推廣能 源監控的概念，並制定相關法規來限制或獎勵人民。由前面實例可以看出能源監 控確實可以幫助我們減少不必要的能源使用，若能廣泛應用於一般住家，整體將 產生顯著的效益。

目前採用能源監控系統的單位，多半是以減少電費作為做大考量。其實除 了省錢這個目的外，我們應該要考慮到保護生活環境的重要，應留給下一代乾淨 舒適的生活環境，以求人類的永續經營與發展。

六、參考資料

1. Bluetooth SIG, 2004, Specification of the Bluetooth System Version 2.0 2. Bob Heile, Dec 2006, ZigBee Alliance Tutorial

3. 昇暉能源科技（http://www.geoprotek.com）

4. 家庭節約能源手冊(節約能源中心編印)

5. 空調及電力遠端監控系統技術手冊(節約能源中心編印)

6. 電能管理需量控制器 Q&A 節能技術手冊(台灣綠色生產力基金會編印) 七、附錄

（一）高中背景

吳春輝－高中就讀國立台中第一高級中學第二類組，因指考登記分發上 台大資工系

李沅臻－高中就讀台北市立建國中學第二類組，因參加資訊奧林匹亞選 訓保送台大資工系。

（二）心得 吳春暉

在學期初之時，在因緣際會之下搜尋到了這門生態建築學的課，感 覺很神秘，因為在台大的 ptt 課程版上居然沒有這門課的相關資訊，於 是就抱著先去聽看看的心態，選了這門課。

在學期一開始的農工九上課，是個神奇的上課地點，連這教室 在哪邊，也是四處打聽之後才知道，整個學期也轉了幾個地方上課，感 覺較是從一開始就可以安排在大一點點的地方。不過最後在綠房子上 課，真的是不錯的經驗，沒有在教室內的拘束感，有冷氣可以吹，有很 多新奇的設備可以參觀，感覺真的很不錯!不過要是人家看到這門課一開 始就在綠房子上課，想必也是一頭霧水吧!

開始上課的第一堂課，先是總體的介紹，從綠建築的不浪費過 多資源，到政府的水土保持政策。尤其是在老師提到五年五百億時，剛 好那段時間我爸在跟我聊天時有提到，就覺得特別有印象，老師說五百 億很多是放在做水泥工程，讓雨水加速的進入海中。但是就我爸(水利署 理的小職員)說法，五百億是有很多計畫案而組成，但是這五百億的帽子 扣上去，往常的計畫案，時常都會需要不斷的追加預算，就變成了不能 追加預算的狀況，讓許多的水利計畫規劃人員十分傷腦筋。

緊接著就進入了一些建築，以及綠房子的介紹。在提到建設綠 房子時，對於所能節省的世界資源，以及所能節約的能源都令人看的印 象深刻，尤其是許多建設的重點，還搭配上了做好水土保持，把很多的 水資源確確實實的儲存在土地中，而不是一味的將水往海中排放。不過 在提到水的利用，未來是當車子的燃料的時候，忽然覺得時代進步真 快。有種歲月不饒人的感慨，想當年我還是小學生的時候，就看到人家 有電腦就覺得很稀奇，到了現在許多東西的自動化以及 E 化。接下來的 水就能當燃料世代，或許會創造一個全然不同的世界耶！感覺真妙。

在這門課修完之後，對於以後科技的發展有了一定的概念，也 知道未來建照房子時可以考慮的設備，更希望能夠藉由現代科技的力 量，讓社會能夠成功的永續發展，這不只是口號，更是大家舉手之勞就 能做的事情！

李沅臻

我一開始是聽同學的介紹才知道有這門課，當時覺得生態建築學應 該會很有趣課，於是就來修這門課。每次上課老師不僅介紹各種關於生 態建築的概念，還給我們看了好多的實例，尤其是最後幾週在綠房子，

讓我親身體驗實際的生態建築。一整學期下來讓我學到很多的東西，開 始能夠了解像是台大綠房子這樣的建築究竟由什麼好處。剛聽到生態建 築學這個名詞時，我想像應該是學習如何設計建築，使得對整的環境不 會有太大的不良影響。現在我認為不單單是要學習如何將建築融入自然 環境中，更重要的是要讓人在屋子裡可以過的相當舒適且身心靈都很健 康。進入綠房子時讓我感到相當舒適，有種進去就不想出來的感覺；內 部空間的運用、家具的擺設方式都很恰當；玻璃屋的部份採光好，又可 以清楚地看到外面，不會有待在室內的拘束感，而且溫度又很舒服。

保水的概念也讓我印象深刻，老師在上課提過好幾次，從保水目的 到一些保水的方法，老師都有做相當詳細的解說。台灣的地形高度變化 大，本來就比較不容易累積雨水，又台灣採用不當的治水政策「快、易、

通」，造成幾乎每逢大雨就發生水災的情況。過去我認為過多的雨水本 來就應該想辦法排除，完全忽略地表下可以含水的功能，而且流掉的水 就無法再做運用。若是採用適當的作法，讓雨水有足夠的時間就地滲 透，不但可使地下含有更多水分，也可避免許多不該發生的災害。上課 中介紹的科貝城對於水溝的設計就是很好的例子，在台大綠房子周圍也 有看到類似的設計手法。

課程對於玻璃的討論我覺得相當實在。我房間的窗戶是用傳統的輕 玻璃，每次吹冷氣時一定會放下百葉窗，因為感覺這樣做房間的溫度會 比較快降低。聽完複層玻璃的介紹，發現目前的玻璃技術確實有很大的 進展，隔熱效能好且對於可見光的進入不會有太明顯的影響。雖然價格 是比一般的窗戶貴，不過對我相當有吸引力，畢竟使用複層玻璃之類的 來做窗戶，長期累積下來可以節省更多的電費。

期末最後幾次上課去參觀台大綠房子，對我來說是非常難得的經 驗，許多課程中提及的概念都能在那邊看到實際的東西。或許是因為平 常已經習慣生活在水泥叢林中，看到綠房子整個人感覺就不一樣了，真 希望自己也能夠住在像是這樣的房子裡。

上了一整學期的課，對我來說收穫相當豐富，學到了許多概念，增 長不少知識，這確實是一門相當有趣且充實的課。尤其是我從來都沒有 接觸過相關領域的東西，但聽課時卻不會面臨聽不懂的情況，因此學習 過程中並沒有感到太大的壓力。

（三）聯絡資料

吳春暉：0956638067，b94902049@ntu.edu.tw 李沅臻：0920731019，b94902101@ntu.edu.tw。