大學校園「建築能源管理支援系統」之建構

(1)

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

大學校園「建築能源管理支援系統」之建構(第 2 年) 研究成果報告(完整版)

計畫類別：個別型

計畫編號： NSC 99-2221-E-011-086-MY2

執行期間： 100 年 08 月 01 日至 101 年 07 月 31 日執行單位：國立臺灣科技大學建築系

計畫主持人：杜功仁

計畫參與人員：碩士班研究生-兼任助理人員：陳君陵碩士班研究生-兼任助理人員：鄭安志碩士班研究生-兼任助理人員：洪沛辰碩士班研究生-兼任助理人員：林怡丞

報告附件：出席國際會議研究心得報告及發表論文

公開資訊：本計畫可公開查詢

中華民國 101 年 10 月 31 日

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中文摘要：我國行政院於 2008 年頒布「永續能源政策綱領」，並要求學校機關能源消耗能量每年減少 1%。於此狀況下，大學各單位管理者勢必將於短時間內進行能源效率的評估及改善動作。

然而面對各單位能源需求的差異下，其管理者將遭遇三個困境：（i）無法得知該單位之「實際耗能量」、（ii）缺乏適用的評估基準、（iii）無法提供管理者最具節能潛力的改善方向。本研究為協助單位管理者解決其所遭遇的困境，提出以下之研究目的：（1）發展出一套建築能源效率評估系統

（Building Energy Evaluation System , BEES）；（2）以台科大建築系為例，建立滿足各類空間最低耗能需求之使用模式；（3）以台科大建築系為例，進行 BEES 實例操作並提出相關改善建議。

首先，本研究所發展的 BEES 將透過能源模擬軟體的輔助，將求得該單位的「現況耗能量」，並以各類型空間於使用模式的差異為概念主軸，訂定各類空間「標準使用模式」，以協助管理者求得該單位最經濟且合理之「標準耗能量」，並藉此做為該單位理想耗能基準。接著再透過計算取得該單位之

「浮動耗能量」和「能源效率指數」，並進行能源效率分析

（能源效率指數分析、各類設備耗能比例分析、使用模式之敏感度分析），以提供單位管理者相關建議及改善方向，進而回應其大學單位管理者所遭遇三個困境。其次，本研究透過建築能源因子特性分類，將五類因子（氣候、建築、設備、負載及使用）依特性分類分為「建築環境因子」與「人為使用因子」，並確立其「標準使用模式」的訂定範圍為

「人為使用因子」側之負載因子（人員密度、辦公機具與雜項機具密度）及使用因子（空間運作時間、空調溫度設定）。最後，本研究透過台灣科技大學建築系進行實例操作後，以估算出該單位的「現況耗能量」為 179.97 kWh/ m2- yr、理想耗能基準為 132.91 kWh/m2-yr（即標準耗能量），

並同時具有 35.4%的節能潛力。其中該單位又以建築系七樓為該單位最具節能潛力（54.8%）的樓層，首要的改善的重點為研究和工作空間的空調溫度設定，以及走廊、工作空間的運作時間。

中文關鍵詞：大學單位、空間類型、標準使用模式、標準耗能量、能源效率指數

英文摘要： The objective of this research is to establish a Building Energy Evaluation System (BEES) to assist individual departments within universities in

diagnosing the energy efficiency of their facilities

(3)

and identifying the problem areas to be further improved. Research concepts, such as ｀type of space＇, ｀standard settings＇, ｀standard energy consumption＇ and ｀energy efficiency index＇, are adopted. It is assumed that the same ｀type of

space＇ within each department may have similar task processes, occupancy use patterns, environmental quality and needs, as well as equipment densities.

They therefore are likely to have similar ｀energy usage intensity＇ values (EUI, kWh/m2-yr). It is further postulated that, for each type of space,

｀standard settings＇ of its environmental quality, occupancy use patterns and equipment densities (lighting, miscellaneous equipment) can be defined, and its corresponding ｀standard energy consumption EUI＇ identified as its energy efficiency benchmark.

The ｀standard energy consumption EUI＇ represents the least possible amount of energy consumed by one type of space under reasonable uses and settings.

Each department can diagnose the energy efficiency of its facilities by comparing its actual energy

consumption with standard energy consumption, and can identify problem areas by comparing the actual and standard energy consumptions of all types of spaces.

The system architecture of the BEMSS consisting of three parts: (1) the input module that receives data of existing climate and building infrastructure, existing operation conditions and standard operation settings； (2) the energy consumption prediction module that generates energy consumption estimates；

and (3) the output module that produces energy

efficiency indices, sensitivity analysis results and problem areas identified. The Department of

Architecture, National Taiwan University of Science and Technology is used as a case to demonstrate how the BEMSS functions.

英文關鍵詞： university facility, type of space, standard operation settings, standard energy consumption, energy efficiency index

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行政院國家科學委員會補助專題研究計畫■ 成果報告

□ 期中進度報告

大學校園「建築能源管理支援系統」之建構

計畫類別：■ 個別型計畫 □ 整合型計畫計畫編號：NSC 99-2221-E-011 -086 -MY2

執行期間： 99 年 8 月 1 日至 101 年 7 月 31 日

計畫主持人：杜功仁共同主持人：

計畫參與人員：陳君陵、鄭安志、洪沛辰、林怡丞

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告 ■完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

■出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、

列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢

執行單位：國立台灣科技大學建築系

中華民國 101 年 10 月 31 日

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摘要

我國行政院於 2008 年頒布「永續能源政策綱領」，並要求學校機關能源消耗能量每年減少 1%。於此狀況下，大學各單位管理者勢必將於短時間內進行能源效率的評估及改善動作。然而面對各單位能源需求的差異下，其管理者將遭遇三個困境：（i）

無法得知該單位之「實際耗能量」、（ii）缺乏適用的評估基準、（iii）無法提供管理者最具節能潛力的改善方向。本研究為協助單位管理者解決其所遭遇的困境，提出以下之研究目的：（1）發展出一套建築能源效率評估系統（Building Energy Evaluation System , BEES）；（2）以台科大建築系為例，建立滿足各類空間最低耗能需求之使用模式；（3）以台科大建築系為例，進行 BEES 實例操作並提出相關改善建議。

首先，本研究所發展的 BEES 將透過能源模擬軟體的輔助，將求得該單位的「現況耗能量」，並以各類型空間於使用模式的差異為概念主軸，訂定各類空間「標準使用模式」，以協助管理者求得該單位最經濟且合理之「標準耗能量」，並藉此做為該單位理想耗能基準。接著再透過計算取得該單位之「浮動耗能量」和「能源效率指數」，並進行能源效率分析（能源效率指數分析、各類設備耗能比例分析、使用模式之敏感度分析），以提供單位管理者相關建議及改善方向，進而回應其大學單位管理者所遭遇三個困境。其次，本研究透過建築能源因子特性分類，將五類因子（氣候、建築、設備、

負載及使用）依特性分類分為「建築環境因子」與「人為使用因子」，並確立其「標準使用模式」的訂定範圍為「人為使用因子」側之負載因子（人員密度、辦公機具與雜項機具密度）及使用因子（空間運作時間、空調溫度設定）。最後，本研究透過台灣科技大學建築系進行實例操作後，以估算出該單位的「現況耗能量」為 179.97 kWh/

m²-yr、理想耗能基準為 132.91 kWh/m²-yr（即標準耗能量），並同時具有 35.4%的節能潛力。其中該單位又以建築系七樓為該單位最具節能潛力（54.8%）的樓層，首要的改善的重點為研究和工作空間的空調溫度設定，以及走廊、工作空間的運作時間。

關鍵詞：大學單位、空間類型、標準使用模式、標準耗能量、能源效率指數

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Abstract

The objective of this research is to establish a Building Energy Evaluation System (BEES) to assist individual departments within universities in diagnosing the energy efficiency of their facilities and identifying the problem areas to be further improved. Research concepts, such as ‘type of space’,

‘standard settings’, ‘standard energy consumption’ and ‘energy efficiency index’, are adopted. It is assumed that the same ‘type of space’ within each department may have similar task processes, occupancy use patterns, environmental quality and needs, as well as equipment densities. They therefore are likely to have similar ‘energy usage intensity’ values (EUI, kWh/m

²

-yr). It is further postulated that, for each type of space, ‘standard settings’ of its environmental quality, occupancy use patterns and equipment densities (lighting, miscellaneous equipment) can be defined, and its corresponding ‘standard energy consumption EUI’ identified as its energy efficiency benchmark. The

‘standard energy consumption EUI’ represents the least possible amount of energy consumed by one type of space under reasonable uses and settings. Each department can diagnose the energy efficiency of its facilities by comparing its actual energy consumption with standard energy consumption, and can identify problem areas by comparing the actual and standard energy consumptions of all types of spaces. The system architecture of the BEMSS consisting of three parts: (1) the input module that receives data of existing climate and building infrastructure, existing operation conditions and standard operation settings; (2) the energy consumption prediction module that generates energy consumption estimates; and (3) the output module that produces energy efficiency indices, sensitivity analysis results and problem areas identified. The Department of Architecture, National Taiwan University of Science and Technology is used as a case to demonstrate how the BEMSS functions.

Keywords: university facility, type of space, standard operation settings, standard energy

consumption, energy efficiency index

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中文摘要 ... i

Abstract... ii

目錄 ...iii

圖目錄 ... iv

表目錄 ... vi

第一章緒論 ... 1

1.1 研究背景 ... 1

1.2 研究目的 ... 6

第二章研究方法 ... 7

2.1 第一年：大學校園教學單位各類空間「使用與用電模式」之比較分析 ... 7

2.2 第二年：大學校園「建築能源效率評估系統」之建構 ... 10

第三章建築能源監測系統之建置與用電量解析 ... 14

3.1 建築能源監測系統之建置 ... 14

3.2 使用模式比較分析 ... 15

3.3 用電量比較分析 ... 17

第四章「建築能源效率評估系統」之建構與實際操作 ... 28

4.1 建築能源效率評估系統介紹 ... 28

4.2 BEES 實例操作：以台科大建築系為例 ... 32

第五章結論與討論 ... 39

5.1 結論 ... 39

5.2 建議 ... 40

5.3 計畫成果自評 ... 40

參考文獻 ... 41

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圖目錄

圖 1-1 建築用電量之影響因子及相互關係 ... 13

圖 2-1 建築系：綜合大樓七、八、九樓平面圖 ... 15

圖 2-2 建築能源監測系統之架構圖 ... 17

圖 2-3 「建築能源效率評估系統」之系統架構圖 ... 19

圖 3-1 建築系所在研究大樓七、八、九樓平面圖及監測系統建置現況與擴充計畫 ... 22

圖 3-2 七~九樓之逐月總用電量趨勢圖 ... 26

圖 3-3 七樓之空調、插座、照明用電量 ... 27

圖 3-4 八樓之空調、插座、照明用電量 ... 27

圖 3-5 九樓之空調、插座、照明用電量 ... 27

圖 3-6 各類空間之逐月用電量趨勢圖 ... 28

圖 3-7 809 教室之各類用電量趨勢圖 ... 29

圖 3-12 七~九樓之逐月空調用電量趨勢圖 ... 30

圖 3-13 各類空間之逐月空調用電量趨勢圖 ... 31

圖 3-14 七~九樓之逐月照明用電量趨勢圖 ... 32

圖 3-15 各類空間之逐月照明用電量趨勢圖 ... 33

圖 3-16 七~九樓之逐月插座用電量趨勢圖 ... 34

圖 3-17 各類空間之逐月插座用電量趨勢圖 ... 35

圖 4-1 各類空間於標準使用模式下取得之評估基準與指標 ... 37

圖 4-2 各項耗能量及能源效率指數的輸入與輸出項目 ... 38

圖 4-3 標準及浮動耗能量的解讀與建議的改善方向 ... 38

圖 4-4 BEES 操作流程... 39

圖 4-5 RB 綜合研究大樓各單位樓層圖 ... 40

圖 4-6 eQUEST 主要輸入項目 ... 42

(9)

圖 4-7 各項耗能量與能源效率指數分析圖 ... 43 圖 4-8 各類設備耗能比例分析圖 ... 44 圖 4-9 建築系七樓－四類使用模式敏感度分析圖 ... 45

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表目錄

表 1-1 全球暨英美、歐盟、西班牙等國之商業類與

住宅類之建築耗能百分比 ... 9

表 1-2 台灣科技大學 13 棟建築物之空間使用性質、樓地板面積、及用電量 ... 10

表 2-1 建築系所屬空間之空間類型及分類依據 ... .16

表 2-2 建築系所屬空間之類型、數量、及面積 ... .16

表 2-3「研究空間」之標準規劃設計及標準值設定：人員及各類設備之數量與密度 ... .21

表 3-1 建築系七、八、九樓各類空間能源監測系統之建置成果 .... .23

表 3-2 建築系七、八、九樓之建築構造體現況 ... 23

表 3-3 建築系七、八、九樓各類空間之空調與照明設備現況 ... 24

表 3-4 建築系七、八、九樓各類空間之人員與機具使用密度 ... 24

表 3-5 建築系七、八、九樓各類空間之空調與照明設備現況 ... 25

表 3-6 七~九樓之逐月用電量、年度總用電量、及平均用電量 ... 26

表 3-7 各類空間之逐月用電量、年度總用電量、及平均用電量 ... 28

表 3-8 七~九樓之逐月空調用電量、年度總空調用電量、及平均空調用電量 ... 30

表 3-9 各類空間之逐月空調用電量、年度總空調用電量、及平均空調用電量 ... 31

表 3-10 七~九樓之逐月照明用電量、年度總照明用電量、及平均照明用電量 ... 32

表 3-11 各類空間之逐月照明用電量、年度總照明用電量、及平均照明用電量 ... 33

表 3-12 七~九樓之逐月插座用電量、年度總插座用電量、及平均插座用電量 ... 34

表 3-13 各類空間之逐月插座用電量、年度總插座用電量、及平均插座用電量 ... 35

表 4-1 建築系七、八、九樓空間配置比例表 ... 41

(11)

表 4-2 研究空間與辦公空間之標準使用模式 ... 41 表 4-3 建築全系及逐層耗能量 ... 42 表 4-4 建築系七樓－現況與標準參數對照表 ... 45

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第一章緒論

1-1 研究背景

全球「建築類」耗能量相當可觀、應積極進行既有建築物之能源管理

根據美國能源部 2004 年之統計（EIA, 2004），該年度全球的總耗能量中，建築類耗能佔 24%，逐漸逼近工業類耗能（30%）及交通類耗能（約 28%）。歐美等先進國家

（英美、歐盟、西班牙等）之建築類耗能則達 23~40%；其中，全球及各國「住宅類」

建築耗能更佔其建築類耗能的 60%以上（佔總耗能之 15~28%，如表 1-1 所示）。

有鑑於此，歐盟已於 2002 年訂定「建築能源效率」（Energy Performance of Buildings, EPBD）指導方針，要求其會員國各自訂定政策，不僅要研訂評估新建建築能源效率的診斷方法與耗能標準；更須針對既有建築物、訂定最低耗能標準。針對既有建築物進行積極有效的「建築能源管理」已成為全球公認的重要課題（

P’erez-Lombard et al., 2008

）。

表 1-1：全球暨英美、歐盟、西班牙等國之商業類與住宅類之建築耗能百分比

（EIA, 2004）

節能減碳是政府既定政策、大學校園之建築能源管理有其困難

節能減碳是政府的重大政策之一。民國九十七年六月行政院經濟部核定「永續能源政策綱領」（2008），針對政府部門訂定「政府機關及學校全面節能減碳措施」（2008），推動政府機關及學校未來一年用電用油負成長，以 2015 年累計節約 7%（每年節能 1%）

為目標，並訂定網路填報資料、及評鑑獎懲等相關稽核制度。

此外，經濟部能源局亦致力於提供各界所需之節能相關術手冊、參考案例、及諮詢服務：長期補助相關之研究計畫，如各類建築之耗能量現況與特性、節能技術與措施（空調、電力、照明，BEMS建築能源管理系統等）、節能成功案例等（台灣建築中心，2005~2008；中華建築中心，2001~2004）；將相關研究成果彙整於能源局及相關

(13)

網站 ¹

雖然如此，有研究顯示大學校園之建築能源管理可能因為各單位之使用模式與用電需求迥然不同、建築物內不同單位之混合使用與使用複雜性、缺乏有效的能源管理工具、能源管理人員欠缺節能技術與相關知識等因素，而遭遇各種困難與問題。例如，

杜功仁等（2010）以台灣科技大學校園建築物為研究對象，進行 2001~2008 年期間各棟及各類建築物之用電量分析，並探究其建築能源管理之現況與遭遇課題。

，以可供各界參考；編印「學校節約能源技術手冊」，以供各級學校參酌。關於學校類建築的節能，「政府機關及學校全面節能減碳措施」中則明訂各類機關及各級學校之用電指標（EUI）基準值，作為各機構之能源管理指標。其中，「大學類」用電指標基準值有三：大學 98.2 kWh/m²-年、科技大學 120.8 kWh/m²-年、師範大學及教育大學 80.5 kWh/m²-年。

結果發現台灣科技大學不同使用類別建築物之用電量差異性頗大。單棟建築物之 EUI 值最高者（工程二館 220.1 kWh/m²-年）是最低者（國際大樓 63.6 kWh/m²-年）的 3.5 倍之多（表 1-2）。｢文教類」建築之EUI 平均值最低（為 66.6 kWh/m²-年）；「研究類」建築之 EUI 平均值最高（189.8 kWh/m²-年，幾乎是「文教類」建築的 2.5 倍）；「住宿類」建築之 EUI 平均值居中（111.4 kWh/m²-年）。足見不同類型的建築物，可能由於使用單位的作業模式與用電需求不同，導致最後的實際用電量有不小的差異。若針對各棟建築物或使用單位採用齊頭式的用電標準 EUI 值來進行能源管理，恐不合理、

亦難以執行。

表 1-2 台灣科技大學 13 棟建築物之空間使用性質、樓地板面積、及用電量

（2008.5~2009.4）

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再者，雖然台灣科技大學已於 2008 年完成逐棟安裝數位電錶的工程，可監測每棟建築物之實際用電量，然而由於各棟建築物多為不同單位之混合使用，各單位無法確知其實際用電量，因此無法作到能源管理。最後，各種可資運用之節能措施或技術似乎需要高度專業、必須仰賴專業廠商（如能源服務公司 ESCO）來進行相關分析與建議，才能有效落實。台灣科技大學之能源管理者（營繕組）較欠缺節能技術與相關知識，同時缺乏積極的能源管理制度與有效的能源管理方法或工具等，因此仍難以有效地進行校園建築能源管理。

為了因應國內大學校園建築能源管理之現況問題與需求，本研究提出以下之能源管理策略建議：採「責任分區」制度，賦予各系所、單位其能源管理之職責；積極管理、制定能源管理制度與辦法（獎懲、使用者付費等）；先在既有的建築硬體與設備條件現況之下，試圖將耗能量降至最低；持續進行能源監測、能源解析、及各單位之效率評估與比較。整體而言，國內各大專院校亟需一個客觀的、簡便的「建築能源管理系統」或能源效率評估工具，以協助校內各使用單位了解其用電狀況，評估其能源使用效率，進而達到有效的建築能源管理。

「建築與能源」研究領域仍欠缺能輔助「設施管理者」的能源效率評估系統

「建築能源（Energy and buildings）」是當今熱門的建築研究領域。有許多研究著重於建築物規劃設計成果的能源模擬分析方法與耗能量預測方法。此外，亦有不少研究探討既有建築物的能源效率評估方法。此類研究大致上可被歸納為以下二類：

第一類著重於針對「特定建築個案」、提出一個診斷其能源使用現況與效率、及提出改善建議之評估操作方法。此類評估方法通常分析個案的特性，透過數學公式或其組成之軟體，經運算後對該模型的精確度作評量，進而列出改善項目目的經評估後，

計算建築物能源使用的節省潛力，如運用電腦模擬建築能源效率之個案研究（Zhu, 2006）、伊朗數類建築空調系統能源效率評估（Hatamipour, 2007）、及新加坡數據中心之能源基效表現（Sun and Lee, 2006)。此類能源評估系統由於牽涉現況資料之調查收集、使用軟體輸入資料，工作量不少，因此對於設施管理而言，仍不夠實用。

第二類則著重於建立一群建築物之能源效率評估量尺與耗能量基準指標值，再透過某種評分方式或分級方式，針對某棟既有建築物進行評估，並輸出其能源效率值或等級，讓受評者了解其設施相較於其他建築物之相對好壞。例如：

1. 香港：其 HK-BEAM 評估系統訂定「參考建築物」（baseline building）之設定（性能最差之建築物），受評之既有建築物之實際耗電量與其相比，所減少或節省的耗能量百分比，即代表受評建築物之能源效率（Lee, Yik, and Burnett, 2007）；亦有香港學者建構超級市場建築物之耗能量迴歸模型，並用以計算出十個 percentile 等級之標準計分（耗能量基準值），作為評估某既有建築物能源效率之量尺（Chung et al., 2006）；此外，亦有研究選用樣本之耗能量平均數作為基準指標值，如香港飯店的能源效率（Deng and Burnett, 2000）、能源與水資源的使用於香港飯店的效率解釋性指標（Deng, 2003）。

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2. 歐洲：荷蘭學者（Poel et al., 2007）遵守歐盟 EPBD 指導方針（energy performance of buildings），發展一套 EPA-ED 之既有住宅能源效率評估系統，提供某住宅耗能量之標準計算方法，並訂定全國性之耗能量基準指標值，作為核發節能標章之依據。瑞典學者針對不同等級的二類旅館旗下之連鎖店設施進行其耗能量迴歸模型之建構，並分別訂定耗能量基準值，作為評估二類旅館設施能源效率之量尺

（Bohdanowicz and Martinac, 2007）。

3. 北美：美國能源部提供一個線上能源效率評估工具 Portfolio Manager，使用者可運用它來同時管理數棟既有建築設施。使用者輸入既有建築物之相關現況與耗能量資料後，系統即從資料庫中擷取類似之建築案例、用以運算受評建築物之相對能源效率分數（percentile 百分位數），高於 75 分（75%）者則可獲得 Energy Star 能源標章（http://www.energystar.gov/）。加拿大亦發展一套住宅能源效率評估系統，運用電費帳單、現場量測、電腦模擬等方法，評估某住宅之能源效率

（Zmeureanu et al., 1999）。

4. 其他：新加坡學者發展一套適用於辦公建築評估能源管理工具，調查 16 棟辦公建築之現況與用電量資料，根據耗電量之機率分佈曲線、區分成三個能源效率等級，並制定每個等級之耗能量基準指標值，可用來評估整棟建築物、或某個設備系統之能源效率（

Haji-Sapar

and Lee, 2005）。土耳其學者則運用 DEA 資料包絡分析法，以旅館建築之投入（工作人員數、各項耗能量）與產出（住房率、營業額、

房客數量）之相對關係，來評估地區旅館之能源效率（Önüt and Soner, 2006）。

透過上述第二類之能源效率評估系統，吾人可評估出某既有建築物相較於其他建築物之能源效率值與表現。然而此類單一能源效率評估值（耗能量、百分位數、或等級）對設施管理者或能源管理者而言（特別是一棟建築物、多個單位混合使用的能源管理），似乎仍有不足之處。由於影響一棟既有建築物實際耗能量之因素很多，能源管理者很難從單一能源效率評估值去判定其既有建築設施用電異常或過高之處及成因，

因此難以進而研擬有效的節能措施或管理方式，以降低耗能量。能源與建築之研究領域亟需一個特別為設施管理者或能源管理者而量身打造的「建築能源效率評估系統」。 建築能源管理之問題本質

若要能有效地進行建築能源管理，設施管理者或能源管理者需要獲知以下資訊，

才能具體地界定出節能目標與方向，進而評選出有效的節能措施或方案：

1. 使用單位之實際耗電量：若能監測使用單位之所屬空間範圍內之實際耗電量，才能了解該單位之長期耗電趨勢，進而有效地管理。單棟建築物內若有多個單位混合使用、而缺乏各單位專設之耗電量監測設備，將難以進行實質的能源管理。

2. 既有建築物用電異常、過高之處：必須有同性質建築物之耗電量分佈狀況與基準指標值作參考，才能判定受評建築物之耗電量是否異常或過高。

3. 用電異常或過高的原因：能源管理者對於建築物耗能量之影響因子必須要清楚的概念。如圖 1-1 所示，一般建築物的主要耗能項目有空調、照明、及事務機具。

影響空調及照明耗能量的因子有「外在環境」、及「既有建築設施條件」（取決於

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建築面積、形狀、座向、外殼構造、空調、照明等原始設計）。而建築物中各個使用單位的作業型態、使用模式（時間長短、頻率）、強度（使用人數）、及機具設備需求與密度則共同決定了各單位的用電需求與事務機器耗能量。不同性質之使用單位，其耗能量有可能因此而呈現極大的差異。不同使用單位中的同類空間中（如行政支援、教學研究、或生活育樂等），則可能因為使用人數多寡、使用頻率與時間長短、所需機具設備種類等較為相近，以致於其用電指標 EUI 值亦落在某一個較小的數值範圍內。此外，能源管理者亦必須能評估出各個影響因子對於實際耗電量之影響程度、以判定耗電量異常或過高之主要原因。

4. 可行的、有效的節能技術或措施：設施管理者需要熟知各類型之耗電量影響因子相關之有效的、常用的節能措施或技術，才能歸納出幾個比較主要的、有效的節能方向或重點。

5. 各項節能措施或方案之成本與效益：設施管理者需要簡便的工具來協助其評估、

比較各項節能措施或方案之成本與效益，以評選出最佳節能措施或方案、進而加以落實執行。

設施管理者所面對的既有建築物，其外殼構造、設備種類與性能已被建成、而暫時無法改變；而其外在環境與氣候條件則呈現尚稱穩定的狀態。在此情況下，影響實際耗電量的主要因素是使用單位的使用模式（方式、強度、與習性）與作業需求（事務機器及環境品質需求）。若使用模式與作業需求長年不變，則其年度耗電量也應呈現逐年穩定的趨勢。從另一個角度而言，在同一棟建築物裡的兩個單位可能因為其使用模式與作業需求之不同，而有了不同的耗電量結果。若因此而認為實際耗電量較低者，

其能源效率較高，則可能產生不合理的解讀。因此，本研究認為從能源管理而言，能源效率之定義與評估系統之建構皆應將「使用模式」與「作業需求」等因素納入考量

建築用電量

作業系統事務機器耗能環境控制系統

空調耗能

照明耗能使用模式

生活育樂教學研究行政支援

外在環境氣候條件既有建築設施條件

外殼構造空調系統照明系統

。

圖 1-1 建築用電量之影響因子及相互關係

(17)

「建築能源效率評估系統」：「空間類型」與「標準用電量基準值」之研究概念 由以上的討論可知，設施管理者所需的是源自於其單位特性與需求的「內部」能源效率基準值，而非源自於其他單位與設施的「外部」能源效率基準值。為此，本研究提出為使用單位之各個「空間類型」、分別訂定合理的「標準用電量基準值」的研究概念

1-2 研究目的

。在一個使用單位內，同類型空間之使用模式與作業需求大致上應差異不大。若針對每一類空間定義標準的使用模式、作業需求、環境控制設備種類與數量，則可求得一個該類空間之「標準用電量基準值」（在既有外殼構造與氣候條件下），代表該類空間合理的、最有效率的用電量基準，也是能源管理的目標值。總合使用單位中各類型、所有空間之標準用電量，便可得到該使用單位的「標準總用電量」，成為該單位之

「內部」能源效率基準值與目標值。若該單位之「實際總用電量」與其「標準總用電量」相比，便可得知該單位之能源效率高低與異常幅度（所多出的用電量百分比）。

有鑑於此，本研究擬建構一個適用於大學校園之「建築能源效率評估系統」，為校園建築之各個空間類型、擬定合理的標準用電量基準值，並找出「實估用電量」預測模型，以協助各個行政、教學、研究單位之能源管理者界定各單位合理的標準用電量基準值、評估其能源效率、找出用電異常的空間對象及影響因子，進行有效的建築能源管理。本研究擬以台灣科技大學建築系、及其所屬空間為對象，進行以下研究工作：

第一年研究（99.8~100.7）之主要目標在於長期監測該使用單位各類空間的實際用電量，並探究各類空間用電量的差異性與影響因子。主要的研究目的有：

1. 調查台灣科技大學建築系各類空間的使用模式、設備密度，並進行比較分析；

2. 建置建築系之能源監測系統，並長期監測該單位中各類空間之實際用電量 3. 進行建築系各類空間之實際用電量比較分析。

第二年研究（100.8~101.7）之主要目標在於進行一個「建築能源效率評估系統」

之建構、實際操作、與測試。主要研究目的有：

1. 進行「建築能源效率評估系統」之研發與建構；

2. 以台灣科技大學建築系為對象，進行「建築能源效率評估系統」之實際操作、測試、與修正。

重要性

為配合政府的節能減碳政策，未來每一年各級學校的耗能量須每年減少 1%。各級學校之主管或能源管理者面臨嚴峻的挑戰。本研究擬配合設施管理者的管理需求、

為其量身打造一個有效的「建築能源效率評估系統」，以提升其能源管理成效。本研究之建築能源效率評估系統的重要性可以從兩個層面來討論。在能源管理實務上，它可以有效地降低大學校園之耗電量，達成節能減碳之目標。在學術研究上，它可以對「能源與建築」研究領域提出創新的能源效率評估概念、作出貢獻。

(18)

第二章研究方法

2-1 第一年：大學校園教學單位各類空間「使用與用電模式」之比較分析

本研究擬以台灣科技大學建築系及其所屬之「各類空間」為研究對象，進行各類 空間使用模式、設備種類與數量、與實際用電量之調查、監測、與比較分析。

調查對象

台灣科技大學建築系位於綜合大樓之七、八、九樓（圖 2-1）。目前共有專任教師 15 位、行政助理 3 位、博士後研究助理約 10 位、碩博士生約 120 位、大學部學生約 200 位。建築系所屬空間依其使用人數屬性與多寡、使用時間、及設備種類與密度，

可區分為七大類（表 2-1）、共 66 個空間、總樓地板面積約 3,400m²（表 2-2）。本研究擬針對建築系最主要的六類空間中（「公共空間」除外），進行進一步調查資料之對象。

調查項目

根據前述圖 1-1 所示之實際用電量影響因子與理論，本研究進一步界定出四類影響因子之項目或變數：使用模式、設備種類與數量、外殼構造、氣候條件。為了獲取各樣本空間的變數數值，以進行相關分析，本研究擬進行下列項目之調查：

1. 使用模式：每個樣本空間的使用者屬性、使用者人數、進出時間、使用時間長短、

使用習性等。

(a) 七樓平面圖 (b) 八樓平面圖 (c) 九樓平面圖圖 2-1 建築系：綜合大樓七、八、九樓平面圖

(19)

表 2-1 建築系所屬空間之空間類型及分類依據

空間類型說明使用者、人數使用時間設備種類、密度

教師空間教師個人辦公室教師、專屬、少中、不固定、持續一般、中高

行政空間系所行政辦公室職員、專屬、少中中、固定、持續一般、中

研究室研究生之工作空間研究生、專屬、中長、不固定、持續一般、中

設計工作室大學部之設計工作室大學生、專屬、多長、不固定、間歇一般、中

教室系所各類課程之教學空間師生、共用、中多中短、固定、間歇一般、低實習工廠模型切割施工工具與工廠學生、共用、少中短、不固定、間歇特殊、高

公共空間廁所、走廊、梯廳、樓梯師生、共用、中短、不固定、間歇一般、低

表 2-2 建築系所屬空間之類型、數量、及面積

空間類型七樓八樓九樓總計

數量面積 (m

²)

數量面積 (m

²)

數量面積 (m

²)

數量面積 (m

²)

教師空間 5 99 5 98 6 122 16 319 ( 9.5%)

行政空間 0 0 3 264 0 0 3 264 ( 7.8%)

研究室 2 207 3 202 3 205 8 614 (18.2%)

設計工作室 4 502 0 0 2 276 6 778 (23.0%)

教室 0 0 1 203 2 236 3 439 (13.0%)

實習工廠 0 0 0 0 2 30 2 30 ( 0.4%)

公共空間 8 310 12 339 8 293 28 942 (28.0%)

總計 19 1,118 24 1,106 23 1,162 66 3,386

2. 設備系統：每個樣本空間的空調設備、照明設備、事務機器及其他設備（插座）

等之種類、性能（EER 值）、數量、及功率瓦數。

3. 外殼構造：每個樣本空間的平面、剖面尺寸、家具配置；座向；外牆屋頂及開口部之尺寸、構造材料、遮陽系數、熱傳導係數。

4. 氣候條件：建築系所在位置之溫度、溼度。

5. 實際用電量：每個樣本空間的空調設備、照明設備、事務機器及其他設備（插座）

等之實際用電量。

調查方法

本研究擬採用以下調查方法取得每個樣本空間之相關變數資料：

1. 建築能源監測系統：本研究擬建置一個能源監測系統，針對 5 個樣本空間、長期監測及紀錄每個樣本空間之使用狀況與各類設備之實際用電量。每個樣本空間中將裝設空調、照明、插座迴路之數位瓦時計(含電流感測器)各一個（可設定每隔一分鐘測量一次用電量、並累算實際用電量）。各個樣本空間之人員感測器將接入到直接數位控制器並轉換到 RS485 通訊與各個數位瓦時計之 RS485 做結合，最終可將人員感測狀態值與各用電設備之耗電量數值透過 TCP/IP 通訊轉換器轉換網際網路環境，並將數據儲存在網路伺服器之標準化資料庫內。整個建築能源監測系統之架構如圖 2-2 所示。

(20)

2. 人員訪談：本研究擬針對每個樣本空間的使用者進行訪談，以了解其使用者屬性、

典型一週期間的人數概況、及空間使用方式。

3. 空間調查測繪：本研究擬針對每個樣本空間之建築規劃設計（外殼系統種類、尺寸、材料等）、各類設備之種類、數量、及功率瓦數進行調查；測量並繪製每一個空間的平面圖（含家具）、剖面圖。

4. 氣象資料申請：本研究擬向中央氣象局申請台北氣象站之逐時溫度（換算成空調度日 cooling degree days）、溼度（%）等資料。

圖 2-2 建築能源監測系統之架構圖 研究工作內容

本研究擬於第一年執行以下六項研究工作：

一、各類空間使用模式、設備量、外殼構造之調查

針對建築系所屬之七類空間、總計 66 個空間，進行以下三類基本資料之調查：(1) 使用模式；(2)設備種類與數量；及(3)外殼構造（如每個空間之平面長寬尺寸、空間面積、開口面積、開口部比例、遮陽系數、外牆熱阻係數等）。

二、建築能源監測系統之建置

本研究將依照圖 2-2 所示之建築能源監測系統架構圖，建置此一能源監測系統，

以長期監測 5 個空間之實際用電量與人員進出狀況。該系統之主要元素包含：空調、

 空調電流感測器

 照明電流感測器

 插座電流感測器

 人員感應器

教師空間樣本辦公空間樣本研究室樣本…

9F 直接數位控制器

 人員感應器

8F 直接數位控制器

 人員感應器

7F 直接數位控制器 伺服器

資料庫

遠端電腦 HMI Client

網際網路 TCP／IP

通訊轉換器

(21)

照明、插座數位瓦時計（含電流感測器）共 15 台、人員感應器 5 台、直接數位控制器 3 台、崁入式網路伺服器 1 台、及通訊轉換器 1 台。

三、各類空間使用模式與用電量之監測

建築能源監測系統建置完成後，本研究將隨即展開 5 個空間的長期監測工作：(1) 使用模式監測（人員之進出時間、進出頻率、使用時間等）；(2)實際用電量監測（每分鐘同步測量並累計每個空間的空調、照明、插座等三類實際用電量）。此外，本研究亦將向中央氣象局申請台北氣象站之逐時溫度、溼度、日照之資料（與監測資料同步）。 四、各類空間「使用模式」之比較分析

針對不同的使用模式調查資料（訪談調查資料、監測資料），本研究將分別進行不同類型的分析，以探究各類空間使用模式特性，及其間之差異性：(1)訪談調查資料：

各類空間之使用方式、及人員密度（人／m²）；(2)監測資料：各類空間典型一天中每小時之使用時間（分）分佈狀況、每次使用時間之機率分佈（occupancy interval）、每次閒置時間之機率分佈（vacancy interval）等。

五、各類空間「設備量」之比較分析

為了探究各類空間之設備量是否有顯著的差異，本研究會先將 5 個空間之各類設備數量換算成設備密度（台／m²）及用電密度（kW/m²），再進一步進行比較分析：各類空間「空調設備」、「照明設備」、「事務機器設備」、及「其他設備」之設備密度（台

／m²）及用電密度（kW/m²）之比較分析。

六、各類空間「實際用電量」之比較分析

本研究擬逐月將 5 個空間於該月份內之用電量監測資料累計、換算成「每日」及

「每月」的用電指標 EUI 值資料（kWh/ m²-月），再進行各類空間之 EUI 值變異數分析與比較：各類空間「空調設備」、「照明設備」、「事務機器及其他設備」（插座）之每月 EUI 值之比較分析，及逐月之 EUI 值趨勢圖分析。

2-2 第二年：大學校園「建築能源效率評估系統」之建構

本年度研究擬進行「建築能源效率評估系統」之建構，並以台灣科技大學建築系及其所屬空間為案例對象，進行支援系統之實際操作與測試。

「建築能源效率評估系統」之系統架構

本研究初擬「建築能源效率評估系統」之系統架構（如圖 2-3 所示）。該系統有三個主要的部分：各類空間標準資料庫（圖 2-3-1 使用模式、2-3-2 環境品質、2-3-3 設備密度）；各類空間用電量預測模型（圖 2-3-5 迴歸預測模型、2-3-6 能源模擬軟體）；及功能介面（圖 2-3-4，輸入、輸出）。本研究之將此支援系統定位為提供能源管理者逐月進行其所屬空間之能源效率評估與能源管理之輔助工具，其操作程序為：

(22)

能源管理者 Input

各個空間輸入值

*使用模式實際值

*環境品質實際值

*設備密度實際值

*外殼構造實際值

*氣候條件實際值

*空間面積實際值實際用電量

Output 各個空間輸出值

*實估用電量

*標準用電量總用電量能源效率評估結果能源管理改善建議

(4) 功能 與介面 各類空間標準值資料庫

【研究室空間】

【行政空間】

【教師空間】 (1) 使用模式標準值 (2) 環境品質標準值 (3) 設備密度標準值

(6)能源模擬軟體 (5)迴歸預測模型

空間用電量預測模型

圖 2-3：「建築能源效率評估系統」之系統架構圖

1. 使用者「輸入」：輸入其所屬各個空間的六項現況實際值（使用模式、環境品質、

設備密度、外殼構造、氣候條件、空間面積等）及實際總用電量。

2. 系統預測「空間用電量」：這六項現況實際值將被輸入「空間用電量預測模型」，透過能源模擬軟體，估算出其各個空間之「實估用電量」。

3. 系統預測「空間標準用電量」：輸入使用模式、環境品質、設備密度等三類標準值，

及其外殼構造、氣候條件、空間面積等三類實際值，估算出其各個空間之「標準用電量」。

4. 系統「輸出」：輸出各個空間之預測用電量與標準用電量，該使用單位之總用電量

（預測、標準），及實際總用電量；能源效率評估結果；並指出用電量過高之空間與主要原因，提出能源管理改善建議。

(23)

「空間標準值資料庫」之建置

「建築能源效率評估系統」若要能被廣泛地應用於大學校園，則須建置完備的「空間標準值資料庫」。此資料庫應涵蓋我國大學校園內各類系所或行政單位之各種空間類型，考慮其使用特性、環境與設備需求，運用各種研究方法，針對每類空間、界定其

「使用模式」、「環境品質」、「設備密度」之標準值，以期逐步累積成一個完備的「空間標準值資料庫」。

本研究擬先以建築系為對象，運用以下四種研究方法，界定其每類空間之「使用模式」、「環境品質」、「設備密度」標準值，作為支援系統預測用電量的輸入值：(1) 文獻回顧；(2)空間現況調查；(3)空間標準規劃設計；(4) 機率分佈統計分析。

「空間用電量預測模型」之建置

「建築能源效率評估系統」將依據能源管理者針對其所屬各個空間、所輸入之使用模式、環境品質、設備密度、外殼構造、氣候條件、空間面積等輸入值，進行各個空間用電量之預測、及總用電量之運算。目前，本研究選用能源模擬軟體 e-Quest 空間用電量預測模型、並進行比較測試。

研究工作內容

本研究擬於第二年執行以下六項研究工作：

一、各類空間「使用模式標準值」之界定

本研究擬先針對建築系各類空間，界定其「使用模式」之標準值（人員密度，每日使用時間）。具體的工作項目包括：(1)「人員密度」標準值（人／m²）之界定；(2)

「使用時間」標準值（時／日）之界定。

二、各類空間「環境品質標準值」之界定

本研究擬評估建築系各類空間之環境需求，參考國內外建築物理環境相關文獻，

研擬各類空間之溫度、溼度、照明等三類之環境品質標準，作為未來估算其標準用電量之輸入值。如本研究將「溫度」標準值訂為 27°C、「濕度」標準值訂為 76%；將「設計工作室」照度標準值訂為 750 lux，「公共空間」照度標準值訂為 300 lux。

三、各類空間「設備密度標準值」之界定

本研究擬先針對建築系六類空間必要之空調、照明、事務機器、其他類設備需求量，研訂四類設備之用電密度標準值（w/m²），如表 2-3 所示。

四、「建築能源效率評估系統」之功能介面設計

本研究將針對效率評估之「功能與介面」部分，規劃其所將提供的各種「能源管理功能」，並進行能源管理者運用支援系統時之操作方法與介面設計：(1)能源管理功能規劃；(2) 操作方法與介面設計。

(24)

五、「建築能源效率評估系統」與能源模擬軟體

本研究擬針對建築系，採「能源模擬軟體 e-Quest」、作為預測各類空間實估用電量與標準用電量之預測模型，進行「建築能源效率評估系統」之實際操作與測試。

之實例操作與測試

六、「建築能源效率評估系統」之用後評估與改善建議

本研究擬針對建築系能源管理者進行訪談，了解其對於「建築能源效率評估系統」

之功能規劃、操作過程、優缺點評價、與系統改善建議等之意見。

表 2-3「研究空間」之標準規劃設計及標準值設定：人員及各類設備之數量與密度

研究空間（laboratory）

標準研究空間之平面圖

空間尺寸 10m x 10m = 100 ㎡空調設備數量分離式 x 2 @ 2300 watt 照明設備數量燈座 x 12 @ 160 watt 事務機器設備

設備

桌電 x17、筆電 x7、檯燈 x22、

印表 x2、掃瞄 X2、電話 x2

其他設備冰箱 x1

人員數量 22 人員密度 0.22

空調設備瓦數 46 空調設備用電密度 19.20

照明設備瓦數 1,299 照明設備用電密度 12.99

其他設備瓦數 10,720 其他設備用電密度 107.20

事務機器瓦數 150 事務機器用電密度 1.50

(25)

第三章建築能源監測系統之建置與用電量解析

3-1 建築能源監測系統之建置

本研究以「空間類型」作為能源管理研究之核心概念，以台灣科技大學建築系及其所屬之「各類空間」為研究對象，進行各類空間使用模式、設備種類與數量、與實際用電量之調查、監測、與比較分析。在多筆研究經費的補助下，台灣科技大學建築系「建築能源監測系統」建置現況如下：

1. 原有七、八、九樓之用電量監測系統：已安裝三組（9 個）數位瓦時計，監測各樓層之空調、照明、插座總用電量（圖 3-1 中之藍色「總○^H○^L ○^P

2. 原有五個樣本空間之用電量監測系統：已安裝五組（15 個）數位瓦時計，監測五個空間（分屬五類空間）之空調、照明、插座總用電量；其中二組的經費來源為台科大頂尖計畫（圖 3-1 中之藍色「原

」），經費來源為台科大頂尖計畫，於 99 年八月建置完成。

○^H○^L ○^P 」），安裝於九樓的一個教師空間及一個研究室空間（表 3-1），於 99 年八月建置完成；三組的經費來源為國科會研專題研究計畫（圖 3-1 中之綠色「原○^H○^L

總體而言，本研究已完成教師空間、行政空間、研究室空間、設計工作室、教室等五個空間之能源監測系統建置（如表 3-1 所示）。

○^P 」），安裝於八樓的一個行政空間及一個教室空間，及九樓的一個設計工作室（表 3-1），於 100 年八月建置完成。

(a) 七樓平面圖 (b) 八樓平面圖 (c) 九樓平面圖圖 3-1 建築系所在研究大樓七、八、九樓平面圖及監測系統建置現況與擴充計畫

（參照表 3-1。○：空調數位瓦時計、○：照明數位瓦時計、○：插座數位瓦時計）

總○^H○^L○^P

原○^H○^L○^P

原○^H○^L○^P 總○^H○^L○^P

原○^H○^L○^P 原○^H○^L○^P

總○^H○^L○^P

(26)

表 3-1 建築系七、八、九樓各類空間能源監測系統之建置成果

空間類型七樓八樓九樓總計

教師空間 0 (5)* 0 (5) 1 (6) 1 (16)

行政空間 0 (0) 1 (3) 0 (0) 1 (3)

研究室 0 (2) 0 (3) 1 (3) 1 (8)

設計工作室 0 (4) 0 (0) 1 (2) 1 (6)

教室 0 (0) 1 (1) 0 (2) 1 (3)

實習工廠 0 (0) 0 (0) 0 (2) 0 (2)

公共空間 0 (8) 0 (12) 0 (8) 0 (28)

總計 0 (19) 2 (24) 1+2 (23) 3+2 (66)

* 括號內之數字代表某層樓某類空間之總數量。

* 綠色數字：本期國科會經費補助、已裝設監測裝置之空間數量（總計3個；如圖 3-1綠色「原○^H○^L○^P

」）；

藍色數字：前期台科大學頂尖計畫經費補助、已裝設監測裝置之空間數量（總計2個；如圖 73藍色

「原○^H○^L○^P」。另有 3 組監測 7、8、9 樓總用電量之裝置，如圖 3-1藍色「總○^H○^L○^P

3-2 使用模式比較分析

」）。

建築物現況

本研究針對台灣科技大學建築系所在之研究大樓，進行有關建築構造體、空間格局、樓層面積、座向、樓高、外牆構造、開窗率等之現況調查及圖面資料收集。結果如表 3-2 所示。整體而言，研究大樓是一棟典型的 RC 造建築物，外牆貼馬賽克，開窗面集中於前後兩側、開窗率約 25~30%左右，窗戶為傳統鋁門窗。

表 3-2 建築系七、八、九樓之建築構造體現況

設備系統現況

本研究針對建築系各樓層之每類空間，進行有關「空調」及「照明」等設備系統之種類、數量、及規格之現況調查；結果如表 3-3 所示。在空調系統部分，基本上建築系除了八樓的大會議室仍採用中央空調之外，其他各類空間皆已經改採分離式冷氣。照明系統部分，各類空間皆採用標準的日光燈、燈具尺寸為 60cm*120cm（4 支 40W 日光燈管），每個燈具約服務 9~10m²之室內面積。

(27)

使用密度

本研究針對建築系各樓層之每類空間，進行有關「人員密度」、「辦公機具密度」、

「雜項機具密度」等建築負載項目之使用密度現況調查；結果如表 3-4 所示。如預期，

「教師個人辦公室」之人員密度最低、機具密度則偏高。「研究室」類空間人員密度偏高，機具密度最高。

表 3-3 建築系七、八、九樓各類空間之空調與照明設備現況

表 3-4 建築系七、八、九樓各類空間之人員與機具使用密度

(28)

使用時間與方式

本研究針對建築系各樓層之每類空間，進行有關「空間運作時間」、「人員與設備機具使用率」、「空調溫度設定」等之使用方式現況調查；結果如表 3-5 所示。如預期，

「行政辦公室」與「教師個人辦公室」之使用時間較規律、較短；「研究室」與「工作室」之使用時間較不規律、較長。

表 3-5 建築系七、八、九樓各類空間之空調與照明設備現況