高樓層辦公室建築物能耗模型建構與節能改善評估 1. 前言在已開發國家中, 建築物的能源消耗約占全國總能耗的 40% 在商業部門的建築中, 約 40% 的初級能源是使用於加熱通風與空調系統, 而住宅部門中, 此比例更提高到 43% 因此, 提升建築物的能源使用效率必然會是各國推動節能減碳的重點領域

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索味郝
4 years ago
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1 高樓層辦公室建築物能耗模型建構與節能改善評估 1. 前言在已開發國家中, 建築物的能源消耗約占全國總能耗的 40% 在商業部門的建築中, 約 40% 的初級能源是使用於加熱通風與空調系統, 而住宅部門中, 此比例更提高到 43% 因此, 提升建築物的能源使用效率必然會是各國推動節能減碳的重點領域台灣電力公司是國內主要的能源供應機構, 長期關心節能減碳議題, 希望藉由自身的專業與示範作用, 尋求我國各種有效使用能源的方案, 因此台電提供其位於台北市之台電總部大樓, 建構能源模型以作為研究導入最新的建築物節能減碳技術與節能方案對高樓層辦公建築的節能效果影響工具, 模擬結果後續可作為實際進行節能改善之參考依據, 並推廣給國內高樓層辦公建築, 以達到節能減碳之目的 2. 研究方法本研究使用 3D 繪圖軟體 SketchUp Version 8.0 建立該建築物的模型, 該軟體可以讓使用者編輯建築物的幾何外形本文並使用 EnergyPlus version 8.0 軟體作為建築物能耗模擬的工具, 本軟體為美國能源部 (U.S. DOE) 所開發的建築物能耗模擬程式, 其具有多項創新模擬技術, 包括時間間距可以少於 1 小時整合區域熱平衡的模組化模擬技術等此軟體可以計算空間的溫度分布人員熱舒適度冷房與暖房負載空調通風設備尺寸規格能源消耗量燃氣與耗電成本二氧化碳排放量耗水量再生能源等 2.1 標的建築物概述本研究之建築物業主為台灣電力公司, 該建築物位於台北市中正區台北市位於台灣北部, 代表著潮濕的亞熱帶氣候, 包括濕熱的夏季與溫和涼爽的冬季台電總部大樓建於 1982 年, 地上高度公尺它包含兩棟相鄰的建物 : 主樓與副樓, 中間以空中走廊連接第一棟為地上 27 層樓, 地下 3 層, 另一棟為地上 12 層樓, 地下 2 層, 地上高度為 30.8 公尺兩棟建築物的總樓地板面積為 88,610 平方公尺, 窗牆比為 30.6% 主樓的寬深比為 1.35:1, 副樓的寬深比為 1:1.6 建築物約 75% 的樓地板面積為辦公室空間 (65,575 平方公尺 ) 其它的空間則為電腦機房會議室禮堂餐廳廚房商店銀行與停車場建築外觀如圖 1 圖 1 台電總部大樓外觀 1

建築物以中央空調系統供冷至各空調區間冰水主機位於地下三樓機房, 空調箱機房位於主樓 14 15 樓, 而冷卻水塔位於副樓樓頂冰水主機的總冷凍噸數為 2,000 冷凍噸, 並分成兩個冰水迴路第一冰水迴路, 稱為 24HR 系統, 有 2 台 200 噸冰水主機,

PTAC) 供冷圖 2 顯示此建築物的空調系統架構依據建築物資料, 以 SketchUp 3D 繪圖軟體繪製建築外觀模型如圖 3 圖 2 建築物的空調系統架構圖 3 本文使用 SketchUp 軟體繪製的建築物 3D 模型 3.

2 建築物以中央空調系統供冷至各空調區間冰水主機位於地下三樓機房, 空調箱機房位於主樓樓, 而冷卻水塔位於副樓樓頂冰水主機的總冷凍噸數為 2,000 冷凍噸, 並分成兩個冰水迴路第一冰水迴路, 稱為 24HR 系統, 有 2 台 200 噸冰水主機, 供應高樓層的辦公室空間第二冰水迴路, 稱為 10HR 系統, 有 4 台 400 噸冰水主機, 供應主樓中低樓層及副樓的辦公室空間而分布在不同樓層的電腦機房空間則是利用箱型機空調系統 (Packaged Terminal Air Conditioning units, PTAC) 供冷圖 2 顯示此建築物的空調系統架構依據建築物資料, 以 SketchUp 3D 繪圖軟體繪製建築外觀模型如圖 3 圖 2 建築物的空調系統架構圖 3 本文使用 SketchUp 軟體繪製的建築物 3D 模型 3. 建構全建築的能源模型使用 EnergyPlus 軟體詳細建構一棟建築物的能源模型所需輸入的參數將超過 4 千項多數使用軟體的內定值, 但針對本文的能耗模擬研究目的, 所需的設定參數並不需如此繁雜, 就已能提供夠準確的模擬結果了本研究的能耗模型主要輸入參數可分成三大類 : 建築物外殼特性內部負載空調系統規格參數 2

3 3.1 能耗模型主要輸入參數建築物外殼特性整棟建築物主要是由混凝土所建構開窗部主要是使用單層玻璃在 EnergyPlus 軟體中的建築物外殼隔熱性能的參數輸入如表 1 表 1 建築物外殼的熱傳性能 U 值建築物外殼熱傳 U 值, U-value [W/m 2 K] 樓地板 (Floor) 0.05 屋頂 (Roof) 1.42 天花板 (Ceiling) 1.42 牆 (Wall) 0.80 窗戶 (Window) 4.00 ( 單層玻璃,single glazing) 門 (Door) 1.18 內部負載在 EnergyPlus 軟體中, 計算內部負載需輸入 4 類參數 : 人員數目照明機電設備空氣滲透量為了定義使用人員的數目, 必須先估計建築物中的使用人員最大量, 再依不同的使用時段調整人員數量對最大量的比例照明的內部負載計算所需輸入的參數為照明能耗密度 (Lighting Power Density, LPD), 單位為 W/m 2, 此方法需進行現場實地勘查以驗證計算表 2 使用人員數目最大值設定參數建築物名稱使用人員的最大量主樓 4,029 副樓 963 總計 4,992 3

4 表 3 各空間的照明能耗密度設定值空間名稱面積 [m 2 ] 照明消耗功率 [W] 照明能耗密度 (LPD) [W/m 2 ] 辦公室 37, , 走廊 27, ,842 7 大廳 840 8, 會議室 , 電腦機房 1,306 24, 樓梯間 347 2, 儲物間 321 3, 餐廳 2,135 14,942 7 廚房 218 2, 空調機房 1,567 7, 商店 218 3, 銀行 611 7, 禮堂 828 5, 停車場 13,890 29, 總計 88, ,879 機電設備或挿座負載的計算, 則必須由蒐集建築物的詳細資料著手另在本研究中, 餐廳的食物料理區之挿座負載能耗密度經現場估算設為 50 W/m 2 表 4 辦公室的機電設備項目額定消耗功率 (W) 數量挿座負載總計 (W) 桌上型電腦 380 4,057 1,541,660 電腦伺服器 2, ,000,000 筆記型電腦 ,580 印表機 ,900 投影機 ,100 監控攝影機 ,140 總計 2,834,380 4

5 空調系統額定規格參數本研究的台電大樓有兩套空調冰水迴路這些冰水迴路所使用的冰水主機規格詳述如表 5 EnergyPlus 軟體的輸入參數值則直接是由這些冰水主機的銘牌規格而來表 5 舊冰水主機的規格參數第一冰水迴路 (24HR) 第二冰水迴路 (10HR) 廠牌 Trane Carrier 冷凍噸數 (RT) 200(x2) 400(x4) 性能係數 COP 壓縮機型式螺旋式螺旋式冷凝器型式水冷式水冷式冷媒 R-22 R-134a 冰水出水溫 (⁰C) 建築物能源模型的有效性驗證該建築物能源模型的基準模型在輸入參數後建立接續的步驟是驗證此建築物基準能源模型的有效性本研究蒐集該建築物前兩年的電費單做為參考依據, 以比對能源基準模型所計算出來的逐月能耗基線, 其比較結果如圖 4 所示圖 4 能耗模型計算值與 2013 及 2014 電費單據耗電量之比較 5

根據比對的結果, 由於每月份的模擬計算值與電費單實際耗電量的平均誤差均小於 5%, 可以確認本研究所建構的能源模型具備有效性平均誤差 (Mean Bias Error, MBE) 計算公式如方程式 (1) 所示, 每月的平均誤差計算結果均小於 5%, 符合 ASHRAE Guideline 14 規定的可接受基準此處, m i 與 n i 1 ( mi si ) MBE(%) (1) n (

6 根據比對的結果, 由於每月份的模擬計算值與電費單實際耗電量的平均誤差均小於 5%, 可以確認本研究所建構的能源模型具備有效性平均誤差 (Mean Bias Error, MBE) 計算公式如方程式 (1) 所示, 每月的平均誤差計算結果均小於 5%, 符合 ASHRAE Guideline 14 規定的可接受基準此處, m i 與 n i 1 ( mi si ) MBE(%) (1) n ( m ) i 1 i s i 分別代表耗電量的量測值與模擬值, 而 n 值由 1 到 12 代表每月的誤差計算值在基準模型建立後, 能耗分布狀況也應進一步分析, 如此, 建築物業主或管理者才能鑑別出最大耗電因子並聚焦在這些領域的節能改善圖 5 為基準模型計算建築物空調照明挿座電腦伺服器廚房與用餐區電梯與其它等系統全年電力消耗的比例其中空調系統是建築物整體能源消耗中的最大區塊進一步分析空調系統不同元件的能耗可知, 箱型冷氣機與冰水主機幾乎占了空調系統總耗電量的 70% 其它 30% 的耗電量是由冷卻水塔水泵與風扇風機所造成, 包括箱型冷氣機的空調風機冰水主機系統的空調箱風機停車場通風風機圖 5 能源模型所計算的電力消耗分布圖 6

7 圖 6 能源模型所計算的空調系統耗電分布圖 4. 導入節能減碳技術與節能方案的效益評估為了提升該建築物的能源使用效率, 利用所建構的建築物能源模型, 評估各種不同的節能減碳技術與節能方案的節電量, 包括 : 更新空調系統設備, 例如冰水主機水泵風扇風機等建築物外殼表面增添隔熱材料, 例如窗戶玻璃貼隔熱貼膜屋頂與外牆噴塗隔熱塗料等更新成高效率室內照明燈具與辦公室設備等由模擬結果可知, 更新冰水主機的節能改善效益最佳第一冰水迴路以一台 400RT 的變頻式冰水主機取代原先的二台 200RT 的定頻式冰水主機 ; 同時, 第二冰水迴路以三台各 600RT 的變頻式冰水主機取代原先的三台 400RT 定頻式冰機變頻式冰水主機的特性是可隨著室內空調負載而變化調整冷凍能力與運轉效率新冰水主機的規格參數整理如表 6 所示表 6 新冰水主機的規格參數第一冰水迴路 (24HR) 第二冰水迴路 (10HR) 廠牌 Carrier York 冷凍噸數 (RT) 400 (x1) 600(x3) 性能係數 COP 壓縮機型式離心式離心式冷凝器型式水冷式水冷式冷媒 R-134a R-134a 冰水出水溫 (⁰C)

8 另外, 以建築物的能源模型評估窗戶玻璃貼上隔熱貼膜, 以及屋頂與外牆進行隔熱塗料噴塗工程的節能效果表 7 顯示本研究所使用的隔熱塗料的熱傳性質表 7 屋頂與外牆之隔熱塗料的熱傳性質名稱隔熱塗料粗糙性光滑型厚度 m 熱傳導性數 W/m.K 密度 800 kg/m 3 比熱 1508 J/kg.K 熱吸收比 0.9 (Thermal absorptance) 太陽光吸收比 0.25 (Solar absorptance) 可見光吸收比 0.25 (Visible absorptance) 本研究評估的另一節能改善技術項目是窗戶貼上可反射太陽幅射能量的隔熱貼紙因此, 夏天來自戶外太陽幅射能量所造成的室內空調冷房負荷可以大量降低此玻璃隔熱貼膜會降低建築物開窗處的太陽熱得係數 (Solar Heat Gain Coefficient, SHGC) 本研究所使用的玻璃隔熱貼膜將使建築物窗戶的太陽熱得係數由原先的 0.8 降低為 0.66 上述各項節能技術項目的節能效果, 可由本研究所建構的建築物能源模型完成計算與評估表 8 顯示各項節能改善工程在空調系統各項設備所產生的節電量利用所建構的建築物能源模型進行各種不同節能改善技術項目的節電量計算以及對空調系統各項組成元件的耗電量影響包括定頻式舊冰水主機更新成高效率變頻機種增強建築物外殼 : 屋頂外牆窗戶的隔熱性能根據模擬結果顯示, 更新冰水主機的節電量最多, 每年約可節電 45.6 萬度而隔熱材料應用在本文研究的高樓層辦公室建築物所能獲得的節電比率相當低 8

9 表 8 各種不同節能改善技術項目的節電量比較節電量節能改善技術項目 [kwh/yr] 冰水主機玻璃隔熱貼膜屋頂隔熱塗料外牆隔熱塗料冰水主機 451,929 34,563 1,901 12,454 冷卻水塔 14,879 1, 水泵 19,319 5, 風機 - 空調箱 -29,836 8,203 1,101 5,013 風機 - 箱型冷氣機系統 0 0 2, 箱型冷氣機 0 17,348 14,164 6,697 TOTAL 總計 456,207 67,624 19,339 25,915 9

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國立中山大學學位論文典藏.PDF Analysis and Experimental Investigation on Energy Consumption of a Science and Technology Museum I II III IV V VI VII VIII Abstract IX 1 2 3 4 5 . Q = m C p T Q : CP :. m : T: 6 7 8 EUI = DUI = 9 10 11