台湾建筑节能技术研发现状

聂智+张起燕

台湾科技主管部门认为，岛内能源消费结构中，建筑（包括居民住房和商业建筑）部门长期占有约21%～23%的比例，而以用电总量计算，则约占37.4%，且该比例于近年来稳定增长，因此是推动节能减碳计划中必须高度重视的部分。

建筑节能技术发展目标与策略

建筑节能主要分为两个层面，首先是耗电设备效率提升，其耗能设备包括冷冻空调与照明等，通过设备技术研发以及台当局各种补助奖励辅导措施，提升设备效率成为节能的重要手段。另一个层面则为系统整合设计与控制以及设备运转使用阶段节能，此部分主要体现在建筑整合控制以及建筑节能。

近年来岛内建筑领域用电持续增长，采取相关节电措施显得尤为重要，其技术研发主轴规划依据以下背景情境展开：住商建筑耗电持续增长，需要抑制耗电的积极政策与作为。一些发达国家正在推动净零耗能建筑（简称NZEB），其中欧盟与日本最为积极，日本已开始商业销售净零耗能住宅，国际能源署在2014年出版的建筑报告中也建议欧美各国将净零耗能建筑列为优先推动政策之一。分散式可再生能源（太阳光电）成本快速下降，以岛内气候发电条件，预计10年后可达市电平价，导致使用太阳光电诱因逐渐浮现。配合虚拟电厂成形以及降低可再生能源不稳定特性冲击，建筑需具备电力调节与需量管理能力。

在以上的背景分析之下，建筑领域节能技术研发设定如下应用情境，即在分散式能源架构下，因应电力缺口与虚拟电厂发展，具备需量调节能力的净零耗能建筑或接近净零耗能建筑（简称nNZEB）大量普及。实现上述情境必须有下列关键成功因素支持：政策支持，包括建筑技术规则，主动与被动器具EUI规范；建立低耗能建物EUI分级与标示的方法和奖励措施；建筑设计与系统整合，包括适用华人建筑的高性能器材资料库、系统设计逻辑/建筑模型标准化与建模物件导向化；以零耗能为目的的建筑设计、系统整合与所需的模拟与管理工具；建筑电力分配与需量管控，包括简易与低成本化需量动态监控、预测和管理（大数据分析）软硬件；可配合虚拟电网、可再生能源供电与需量管理用电设备（空调、照明）；高性能设备与建材量产低价化，包括效率提升50%以上用电设备（空调、照明），且成本与现有设备相同；高性能建材量产与持续降低成本；可再生能源持续提高效率与降低成本。

上述关键成功因素取决于政策、系统整合、需量调节与管控以及高性能建材开发，因此台湾科技主管部门规划开展3项研发主题：建筑能源模拟与节能政策/标准；建筑能源管理网控/需量调节技术开发；建筑节能关键建材开发。

整体技术发展愿景目标包括：构建技术基础，让净零耗能建筑或接近净零耗能建筑在5至10年后有机会在岛内推广普及；导入资通讯技术，尤其在能源管理网控/需量调节部分利用，成为新亚热带建筑智慧节能技术，以及智慧化能源管理网控技术的主导者；促成异业结盟，以建筑为系统载体，让岛内的设备建材制造、资通讯服务、设计建造等各领域有机会结合，形成新兴产业，并构建高附加价值与具有国际竞争力产品及零组件的供应链体系，创造产业出口。

依据上述分析，台湾科技主管部门对岛内建筑节能技术规划了三大研发项目：建筑能源模拟与节能政策/标准；建筑能源管理网控/需量调节；建筑节能建材。每一项技术的指标与发展时程均配合台当局行政主管部门制定的2020年的减碳总目标，以最短时间实现最大减碳量为考量，同时以“智慧化”创造独特性，并提升附加价值来带动产业发展，主要技术研究项目的短期发展时程如表1、2、3所示。

建筑能源模拟与节能标准

如今在台湾，建筑能源模拟技术已被广泛应用于建筑物能源使用分析上，帮助使用者快速了解建筑物的能耗状况，并提供选取建筑物最佳营运操作参数，进而改善建筑能源效益，且同时保持建筑物本身的舒适度。

就工程分析而言，使用者只要提供简明建筑物设计描绘及操作条件，建筑能源模拟工具便能有效地概估建筑物内部环境情况及能源设备（空调、照明等）运转情形，同时能以每小时为单位来模拟计算建筑物整年度能耗情形。目前国际上使用的建筑节能相关模拟软件相当多，其使用的目也不尽相同，相关软件包括建筑外壳能耗计算、窗户性能模拟、空调负荷计算、光伏发电量模拟、日照模拟、建筑流场模拟，以及全方位的建筑性能设计辅助模拟等。

台湾研究机构和相关企业较常使用的建筑性能模拟软件包括DOE-2、eQuest及EnergyPlus等。其中，DOE-2、eQuest为美国能源部开发作为建筑物能源分析所使用的动态模拟软件，能够计算全年建筑负载的变化，但因软件长期未再更新，因此使用人数已逐渐减少。目前最新且广为使用的软件为EnergyPlus，系一套以DOE-2为核心所开发的免费工具软件，许多海外研究机构正逐步发展前端使用者界面，包括Simergy、OpenStudio、DesignBuilder等，可大幅缩减建模时间。

台湾研究机构也在开发住宅与商业建筑节能评估技术，建立本土订制化建筑耗能模型，包括搜集岛内普遍且具代表性的建筑材料与类别等资料，以此构建出几项可供未来参考的建筑模型案例，包含建筑几何与材料特征、区域气候条件等环境资料，以及岛内照明与空调设备的基本参数设定，通过数理模型的分析，作为本土模拟案例分析的前期作业，以检验EnergyPlus模型资料本土化可行性与可能遭遇困难，作为长程建立全台湾各地各项资料库参考。

在智慧绿建筑方面，由于资通讯技术的蓬勃发展，近年来住商节能技术趋势已逐渐从过去单一设备效率最大化思维逐步迈向智慧设计管理、云端化计算与储存分析、高度设备次系统整合，以及量身订做服务与资讯等，而此趋势若应用于建筑物节能领域，则可包括建筑设计阶段的建筑资讯模型（BIM），也即利用传统3D软件进行系统化营建管理，进而导入各类数值的计算，例如社会经济效益、节能减碳效益等。

自2008年起，针对上述技术观念的演进，岛内市场出现了4D模拟的新名词。演进至今，4D模拟的观念则逐步衍生为即时动态模拟并与机电系统进行联动与控制，岛内也开发友善图形化输入/输出界面，并研究探讨改善模拟失真的各种原因。

鉴于台当局积极推动建筑部门节能减碳，在政策方面与产业方面需要更精确与即时的资讯辅助，因此藉由4D模拟的技术开发，逐步衍生多项新型态服务。以政策方面而言，台湾建筑节能政策制定将更需要通过整合，连结资料数据库，包括统计资料、气候资料、设备数据、建筑设计标准、绿建筑标章、智慧建筑标章等，协助公共部门掌握各项政策推动之前的各种效益预测。

在产业方面，台湾建筑设计、技师、测量与验证人员、代销部门、金融借贷等建筑节能上下游产业均需依靠更快速、简易、有效评估试算和验测工具，协助提供资讯，且该工具不只需具备前述政策工具的特色，更需具备简易友善化图形界面，且具有高度可信赖性，方能加速节能技术服务业采用业绩承包的服务，也即初期的硬件建立成本全部或部分由承包商承当，以促进业主投入的意愿。甚至需要以低成本形式进入家庭，整合既有家电设备，成为智慧生活的一部分。

岛内建筑执照的审理归属于台当局建筑主管部门，岛内绿色建筑研究由其下属建筑研究所进行，其余相关研究机构包括工研院、台湾建筑中心、台湾绿建筑发展协会等。

建筑节能网控技术

开发应用先进资通讯技术，以系统化、智慧化及藉由各种控制法则与专家系统进行环境智慧感测与设备能源管理，用来减低无效电力能耗，已成为台湾岛内节能网控技术及市场发展方向。

目前所面临的关键瓶颈为大部分耗能设备无法进行依负载需求的控制调节技术；再者，各耗能设备通讯界面不统一或不开放，使得节能网控技术只能进行低端的开关控制，无法实际进行良好系统整合分析、回馈调控与提高节能效益。同时随着近年来再生能源大量普及，如何整合再生能源系统，监控设备负载动态、预测和管理需量等系统控制技术，将成为岛内所面临关键瓶颈。

针对建筑用电部分，除耗电设备管控外，也需同步管控未来可能大量普及再生能源发电装置，与因应可再生能源发电所必备储电装置。目前市售的建物电能管理系统中，用电、可再生能源发电和储电管理为彼此独立运行、没有交集的3个次系统，彼此缺乏沟通且匹配性不佳；针对设备耗电管理，发展可相容于分散式微电网（可再生能源），并且兼具储电监控建筑能源管理控制系统，可能成为未来建筑内电能管理的重要技术发展目标。

另外在协助构建岛内低耗能建筑节能与减碳相关的全自主技术方面，其中针对整合可再生能源的智慧电源调节系统部分，国际间已开始进行混合式供电系统架构技术布局，而岛内相关研究机构也针对关键模组部分，完成如可整合太阳能的高效能双向电力转换控制器（如图1所示）的研发，未来将朝向发展高效率、高供电品质、并具直接电力管控的电源调节器各项关键零组件；而在数位分电技术，将发展具低成本、安全性佳的直流供电与直交流混合供电的低压分电装置。

上述核心技术包括控制芯片、高效率模组、电力计量、供电管理控制法则等；而在智慧化高效能设备产业推动部分，也针对高效率变频箱型空调机进行提升性能的技术开发，希望能技术授权岛内企业提升技术能力，以达到节能推广之效；此外也发展针对机电设备群组的多变量控制优化相关技术，例如基于冰水机系统，发展一空调环境感测网控平台，由于住商大楼中空调系统耗电通常占很重比例，而岛内建筑空调系统的节能技术通常采取变频或是手动设定运转参数的方式，依操作人员的经验进行空调系统运转设定，但该方式未考虑到真实环境的空调负荷，而操作设定又不能依外界环境变化而修正。

目前国际大厂已开始研发空调系统全域最佳化控制技术，然而岛内企业欲引进海外厂商技术时必需花费较高成本，且较难培养岛内技术人才。近年岛内研究机构基于研发冰水机系统所提出的空调感测网控平台技术，采取易扩充性的无线感测架构及便利性的网路监控平台，可提供岛内能源资通讯设备厂商一个切入机会，同时也结合企业推广能力，让空调系统节能技术能够全面进入一般工厂建筑中，进一步实现节能减碳目的。该冰水系统网络监控平台及冰水侧智慧空调技术有别于传统手动操作及固定控制参数，可动态调整参数目标及控制冰水泵变频。

另外，多项新技术的引入预期可使建物整体耗能较传统降低10%～20%。在其他能源管理系统的关键技术开发部分，也链结岛内企业已开发的智慧型电表、专家节能系统网络平台、混合模式设备云端节能管理平台、非侵入式低成本无线感控模组、待机电力管理插座、耗能感知智慧家电、人员活动感知器、建筑物电力基线建立与分析等技术成果。

为落实建筑节能网控技术根植岛内，构建上中下游产业供应链与产业研发联盟，台科技主管部门已具体促成后续研发计划，重点将整合已建立的全自主变频节能设备器具与网控管理软硬件平台，协助建立界面标准化、设备操控无线网控化、整合环境人因感测而进行系统高效节能化等多项重要技术。随着近年来能源科技不断发展，分散式可再生能源比重在未来将随着性价比提升，且随着台当局奖励措施与辅导推广而大幅增加，进而导致智慧电网与虚拟电厂逐渐成形，因此未来岛内建筑必须具备整合再生能源供电、电力负载调节与建筑需量管控能力。

若能有效对建筑物内设备耗电进行智慧化调节管控，不但有利于台湾可再生能源施行与关联产业的推动，更可进一步掌控建筑物系统耗能管理核心元件技术，如低成本无线感知器、控制器、控制软件、智慧演算与决策引擎等。为因应未来分散式可再生能源普及与净零耗能商业建筑的政策推动目标，预计将发展可整合可再生能源且具简易使用、低投资成本、负载动态监控、预测和管理功能的加值型建筑物智慧能源网控系统（见图2），以期能进一步整合变频空调、照明灯具，并藉无线感测回授资讯，导入多变量回授控制演算技术以进行节能优化微调，实现设备运转优化等系统节能控制的技术验证。此规划可将节能网控的能源资通讯技术（EICT）链结岛内的高效机电设备产业，进一步使节能网控、用电设备与系统控制等相关技术及产业链，具完整自主化，并促成系统化的海外技术输出。

开发节能建材

目前岛内建筑非常流行巨型落地窗或全面玻璃大楼，虽然建筑室内明亮外观亮丽，然而台湾地处亚热带气候区，全年日照充足，易将太阳光辐射热轻易地进入室内，增加夏日建筑尖峰空调耗电。隔热玻璃技术是近年来国际上的新兴主流研究项目，台湾主要应用于建筑物对外窗户、天窗与玻璃帷幕上面，若能使用得宜，将减少空调用电约10%～30%。

隔热玻璃技术种类繁多，随着不同位置、使用方式及习惯与售价，而有不同抉择；以技术面来看，不外乎朝隔绝红外光与增加可见光进入、降低玻璃的放射率与热传导系数、降低窗户总热传系数等方向发展，但由于高性能隔热玻璃售价过高，因此大幅度地减少使用者使用意愿与市场渗透率。岛内有少数厂商生产隔热玻璃，但售价比起一般玻璃偏高，使得岛内不论新、旧建筑节能玻璃普及化仍有一段非常大距离，为目前岛内在外壳节能上的一大技术与产业缺口。

岛内目前正发展使用湿式制程生产隔热玻璃，取代高价的真空镀膜，可降低隔热玻璃产品成本，进而提升隔热玻璃在建材市场上的竞争力，也能使节能规范在窗户上更易落实，增加产品市场渗透率。

岛内大部分建筑为既有建筑，但针对既有建筑物来开发节能建材系统不多，目前较为大众所熟知为隔热纸（膜）或有色隔热涂料，而这两个产品由于其隔热效能或产品外观，较不被大众所接受，所以在相关节能建材推展上一直有所阻碍。而岛内涂料相关产业每年约有新台币300亿元产值，其中建筑涂料高达新台币100亿元，再加上近年来节能减碳的风潮兴起，建筑物外层隔热产品在市场上有很大需求。

然而目前岛内隔热涂料功能性与耐久性技术不足，例如一般隔热涂料耐久性仅约2年，且因气候湿热与落尘量大，容易造成涂层表面污染，连带红外线反射率也会因此下降，故隔热效果随使用时间而快速降低，以致隔热产品在市场上接受度有限，并且隔热涂料颜色种类十分有限，仅能使用在屋顶或外墙之上，无法连同玻璃一起施作，导致节能改善效益较为无感。

因此，在节能涂料的技术开发上，岛内相关技术应该朝向透明、隔热、易洁涂料技术发展，并结合简易建筑外层施工技术，使透明高耐候性的隔热涂料可以大量使用在既有建筑之上。另外落尘易造成涂层表面污染，连带红外线反射率也会因此下降，故隔热效果随使用时间增加而快速减少，因此研发上也常结合疏水自洁涂料技术发展。

如今岛内民众每人每天约有80%～90%时间处于室内环境中，过高的室内湿气，除造成建材腐朽与破坏之外，也促进室内霉菌、尘螨等生物性污染，间接造成居住者呼吸器官疾病、气喘、过敏、疲劳与头痛等健康问题；反之，过低湿度除使室内人员产生干燥感而感到不舒适外，也将大幅增加空调耗电。因此许多发达国家的室内空气品质基准中均将相对湿度列为管制项目，台当局未来也将修订新的室内空气品质标准，把细菌及真菌浓度列入管制范围。

利用多孔质建材的吸放湿效果来调整湿度手法可减少室内湿度变动幅度，减少高湿度与低湿度的出现频率，配合适当换气方式使用，不仅可以提升室内空气品质（IAQ），同时可有效改善上述的湿气问题，更可减少以空调来辅助进行除湿与加湿所需的耗能，目前台湾正在研发中的创新节能调湿基材，采用有机与无机材料复合，利用前处理及复合无机（矿石）与有机（植物纤维）调湿材料实现高湿容量、高吸放湿速度要求。此技术采低温非烧结制程（节能），且利用本土再生材料，可达低成本高性能的要求。在岛内高温多湿气候下，可应用于室内壁材，以稳定湿度，可调控介于40%～70%RH，可应用于室外顶楼以隔热降温，预期施做与未施做的温差可达10℃以上。其产业效益为发展智能建材，提升建材产品产值及产品竞争力，减少空调系统使用。

建筑智慧节能管理关键技术

电表便利贴技术：目前已完成微机电（MEMS）制程的电流感测器，测量范围为1～100安，灵敏度10毫伏/安，操作电压范围最大值为600伏；电表便利贴是以上述规格的电流感测器作为测量元件，可有效提升电力使用信息的透明度，该项技术获得了2014年国际大奖（R&D 100 Award）。

个人化能源帐户管理平台技术：以能源帐户的设计以提供使用者累计虚拟的节能红利点数，可藉由能源审核的方式分析个人能源使用盲点，提供随时随地的最佳化节能建议，以协助个户能源的使用及管理，并从而获得更多节能点数存入使用者能源帐户。未来将寻求第三方合作单位，使用者可用获得的点数兑换第三方合作企业的折价券、服务或商品，藉此有效提升使用者的节能诱因。

家庭建筑耗能辨识计算：开发家庭回路上电力线干扰特征撷取与分析演算法，电压特征包括测量误差向量幅度（EVM）、位元错误率（BER）、电力线接收信号强度（RSSI），应用类神经分类演算法进行电压杂讯/电流特征整合辨识分类功能，于测试场域获得家电辨识率平均达85%。

量贩店智慧空调控制技术：完成包括以温度设定（OP）值重置、风机智慧变频与外气引入量控制等的多输入多输出（MIMO）空调箱节能控制，并辅以影像分析的结果，达到以体感温度表示空间人员舒适度，实现在量贩店场域的智慧空调控制，此技术并导入头份大润发超市进行示范应用，预计整体空调节能可达10%。

智慧家电互通协议：结合东元、大同、台湾松下、台湾日立及声宝五大家电企业与网通服务商中华电信公司，同启动台湾家庭节能网络共通标准，完成冷气、除湿机、冰箱、洗衣机、烘衣机、热泵热水器、电视七大类家电通讯标准，未来将陆续开展其它家电通讯标准制定，并将落实于家电产品，以推动台湾家电产业升级。

目前台湾冷冻空调系统技术研发正在逐步整合跨异业的企业，包括上游的电磁材料、IC芯片，中游的马达、压缩机、控制器与下游的热泵、空调与冷藏等系统产品，自专利创意、原型设计、制造到测试分析，并同步展开产品性能改善及提升，以达到台湾能效管制标准。此外，相关企业正在积极链结上中下游，共同建立产业研发联盟，以建立岛内产业具有国际竞争力的自主技术与产业供应链，并促成多项新节能商品投产。台湾冷冻空调系统技术研发内容如表4所示。

近年获得相关重要成果如下：

投入定频离心机系列产品开发，成功完成商业运行超过5万小时，节能效果达30%～50%，并且销往4个国家和地区共计200台以上，成为全球唯一大型离心式压缩机生产重镇。

开发广域变频式离心机产品技术，研制出R-134a500RT级变频离心冷媒压缩机，实测效率达到COP6.2、IPLV9.7，超过国际2015标准。

完成80RT磁浮R-134a离心式压缩机以及变频器于冰水机原型机测试，全载COP为5.3、部分负载IPLVcop为8.5。该机在50%～100%负载效率为全球最高，超越国际现有商业机种，成为全球第二个研发成功小型磁浮离心机的地区。

完成个人化移动式送风机的开发，可与VRF空调机连结，进行全域空调和移动式送风机的运转。目前正积极与大同公司及倍昌公司进行商品化试量产与推广。初期以100～200台的市场销售为目标，平均产值达新台币2500万元。

完成5千瓦热电复合式制冷系统的雏型构建，将可运用于60°C的低温热源回收制冷用途，并完成磁浮式低压比冷媒脱附再生泵原型机开发，操作转速为45，000转，最高转速50，000转，最大耗功小于3千瓦。

完成岛内首例HFC-410A冷媒高性能变频热泵热水器商品，依岛内市场需求（入水15°C/出水55°C），制热能力达6.15千瓦，COP可达4.57，性能优于国际产品。

协助建立岛内首例的“CNS15466空气源式热泵热水器性能测试方法”及TAF认证实验室，并推动家用热泵节能标章与技术转让两家企业（盟昆及瑞智公司）促成两项新型热泵产业化。

配合家用变频压缩机及热泵空调系统应用开发所需，完成三型1.5～30千瓦商品应用开发，马达与驱动器综合效率88.54%～92.72%，优于欧盟2017年能效管制值的84.0%～89.8%。