節能減碳的民間力量

今年夏天全台異常炎熱,引發可能的限電危機,行政院因此要求公務機關共體時艱,在中午尖峰用電時段關掉冷氣兩個星期,加上815大潭電廠跳電事件,再度掀起新一波氣候變遷、核電vs綠電的論戰。

有關氣候變遷,越來越多人認知這將成為常態。但是可能不是很多人知道,根據中央氣象局的紀錄顯示台灣過去百年來的溫度已上升2度C,是全球平均值的兩倍! 加上台灣都市人口密度是全球數一數二,所產生的熱島效應更是火上加油。台灣的氣候變遷問題事實比我們想像的還要急迫!

至於核電vs綠電,就是因為目前兩者都還不完美,所以才會一直討論不完: 核電有安全的顧慮以及核廢料的處理麻煩,綠電則有成本考量與穩定性的問題。其實不論是核電佔比高的國家,像法國、美國,或是綠能大國,例如德國、丹麥,他們都有一個共同點: 就是「節能」優先,長期投入大量資源發展節能技術與產業,尤其是在「建築節能」方面。歐盟(28個會員國)與美國、日本、韓國甚至已經設立2030年零耗能或近零耗能的建築節能法規。目前全世界也已經有超過3,000棟經過認證的零耗能建築在使用中,遍佈5大洲,橫跨各種不同的氣候區。

可能有些人會以為這一定是因為有遠見的政府,魄力的公部門來規畫、執行這一切。但是事實上,其原始動力是來自於民間的自主社會運動。

「2030挑戰」(The 2030 Challenge)

美籍墨裔建築師Edward Mazria 在2002年結合幾位朋友創立了「Architecture 2030」非營利組織,從2006年開始全力推動的節能減碳救地球社會運動「The 2030 Challenge」,目標是希望到了2030年,所有新建築或經過翻修的舊建築都能達到零炭排放。 但為何是建築? 因為碳排放的罪魁禍首之一是燃煤發電廠,其發電量近70%都是為供應住在建築物或在建築物裡工作的我們的用電需要,包括照明、電器設備、空調等等。2030這個數字的重要性是,若無法在2030年前達到零炭排,根據多個國際機構的研究,就很難把全球溫度上升壓在2度C以下,氣候變遷也將跟著大幅惡化,一發不可收拾。

「Challenge 2030」可能是人類近代史上由少數個人推動最成功,影響最巨大的社會運動。在第一年,2006當年,美國建築師協會AIA(American Institute of Architects)覺得這個主意太好了,立即把它納入協會的政策,進一步推出 「AIA 2030 Commitment」(2030承諾), 鼓勵協會會員加入這個運動。作法是加入的建築師事務所簽署一份承諾書,而且每年上網分享成果與進度。這個活動完全自願參加,沒有報酬,但奇異的是,到了2015年底竟然已經有366家建築師事務所簽署了承諾書。2015當年有152家上網分享成果,估計一年所節省的能源相當於6座火力發電廠,減少了約2,100萬公噸的溫室氣體排放

「2030挑戰」很快獲得全美國大多數職業團體的響應與支持。2007年當時的美國總統 George W. Bush 簽署了「能源獨立與安全法案」,其中就規定新建和改建的聯邦建築物必須在2030年之前達到零碳排放。接著10幾個州、縣、市政府也跟進,大幅拉高建築節能法規標準,包括最積極的加州,規定2030年之前所有新建商業建築必須零碳排放,新建住宅則甚至提前在2020年前要達成零碳排。

今天全球有超過100個國家設立類似「2030挑戰」的零碳排目標(達成日期有些設在2050)。Google關鍵字「2030 Challenge」會顯示近3千萬筆資料,其中可以發現無數各行各業對這個行動的支持。

「建築2030」(Architecture 2030)網站上有提供「2030挑戰」相關詳細資料。網址如下: http://architecture2030.org/2030_challenges/2030-challenge/

亞瑟‧羅森費爾德(Arthur H. Rosenfeld)

第二屆「唐獎」得主: 亞瑟‧羅森費爾德(Arthur H. Rosenfeld)素有「能源效率教父」之稱。他原來是加州柏克萊大學的物理教授,在勞倫斯柏克萊國家實驗室(LBNL)創立「建築科學中心」,啟動一系列節能燈具與節能玻璃窗的重要科技研發,後來擔任加州能源委員會專員。30年前美國加州,因為電力需求不斷上漲,面臨缺電危機。當時多數官僚都建議政府建造更多發電廠,但羅森費爾德獨排眾議,成功說服加州州長Jerry Brown通過歷史性的全美最高能源效率標準,加強在建築和家電部門的節能與能效改善。也因此從1970年代以來加州的人均用電能夠一直維持不變,美國其它地區則增加了50%以上。由於節電計畫獲得成功,加州今年取消了兩座新電廠的興建計畫,過去30年總共約省下相當於24座大型發電廠的興建。

減少一座核電廠(One Less Nuclear Power Plant, OLNPP)

ONNPP是韓國政治素人朴元淳(Park Won-soon)在2011年以獨立候選人身分當選首爾市長後推動的一個全面性的節能與能源自主計畫,預計在3年內減少200萬油當量的能源消耗,相當於一座核電廠發電量(約500萬噸二氧化碳排放量)。「減少一座核電廠」這個名稱好像有點政治味,不過朴元淳曾經說明,ONNP並不是要關閉一座核電廠,而是要靠節能與發展可再生能源來應對增長的能源需求,少建一座核電廠。

這個計畫超乎意料的成功,在2014年中估算就已減少了204萬公噸油當量,提前6個月達標。朴元淳於2014年6月成功連任首爾市長後推出更大規模的第二期計畫,預計將減少400萬公噸油當量的能源(約一千萬噸二氧化碳排放量)。

朴元淳是人權律師出生,在2011年與2014年兩次首都大選中獲勝出人意料,被朴元淳支持者視為人民力量的重大勝利。而早在朴元淳提出「減少一座核電廠」之前,位於首爾南部銅雀區的盛大谷(Seongdaegol)的居民金少英就挺身而出,以「關掉一座核電廠」為口號,倡議節能自救,帶領社區連年減少用電,展開一連串節能計畫。

盛大谷還有一間全韓僅此一家,在世界各國也都很少見的節能超市。這家超市除了販售LED燈泡、各種DIY節能商品外還提供太陽能板申請與安裝。如果有需要節能諮商,到府節能診斷,或是建築節能改造,也可以透過這裡獲得相關服務。除此之外,他們也邀請專家們到社區演講,並請綠色韓國聯合(Green Korea United, GKU)協助指導節能。GKU也是非政府的社會企業組織,以透過合作與行動阻止氣候變遷為宗旨,目前已有超過15,000名會員。

「看見台灣」

齊柏林讓我們看到了不同角度台灣的美麗,但也讓我們看到平時很難有機會看到隱藏在後面或平時不為人所注意的人為破壞,包括濫墾的山林、燃煤的黑煙、汙染的河川、防波塊化的海岸線,在強烈對比下更顯得怵目驚心。

「看見台灣」啟發我們對「永續」做更嚴肅與認真的思考。「永續」簡單的說就是不只要解決眼前的問題,也要同時考慮到未來的影響。「綠電」與「核電」雖然雙方的擁護者爭議不休,但其實都有一個共同的理想: 就是希望有潔穩定的電力,降低燃煤發電的汙染。節能=發電=減碳,節能應該是值得大家花更多時間來共同思考、一起努力的。節能也不只是「隨手關燈」或是「中午不開冷氣一小時的節儉美德,更需要有明確的目標與系統化、持續性的作法。期望不久的將來看到台灣更多的齊柏林、Mazria、羅森費爾德、朴元淳、金少英,以及默默努力的無名英雄們挺身而出!

廣告

太陽光電 – 台灣8縣市單位面積發電量

前文提到,我們可以利用建築能耗模擬來估算太陽面板在不同氣候區之逐月發電量。原理是軟體會逐時計算太陽照射面板的角度、輻射強度,然後依面板的光電轉換效率來估算其發電量。

快速建築能耗模擬分析平台RBESP就具有此功能。下面是以RBESP估算台灣8個縣市: 台北、新竹、台中、嘉義、台南、高雄、花蓮、台東每平方米之逐月發電量。氣候檔是依據內政部建築研究所「智慧綠建築資訊網」(網址: http://smartgreen.abri.gov.tw/) 上供檔案下載之「建築能源模擬解析用TMY3標準氣象年資料」。面板假設是水平安裝,效率值0.15。現有太陽光電模組產品之效率值多介於0.11至0.19之間,0.15是中間值。從經濟部能源局「太陽光電模組產品登錄」網站(網址: http://www.tcpv.org.tw/Product/)上可查詢已登錄產品之效率值、功率,以及面板尺寸、性能驗證代號等等。不同效率值之面板發電量可免費在RBESP上做估算。

要注意的是建研所提供的氣候檔是1990-2012 年共23 年的「綜合」。實際上每一年每一月的氣候都會不一樣,所以產出的發電量也會與估計的有差異。不過以氣候檔估算之面板發電值還是據相當參考價值,尤其是與建築物的能耗一起模擬分析,可以準確估算太陽光電可「平衡」多少建築物對外電的依賴。以最北的台北為例每平方米太陽面板每年約可發電137千瓦小時。一般廠辦建築的耗電約每年每平方米120千瓦小時。所以在屋頂鋪滿太陽面板,再加上遮陽效果,應可供應一層樓之用電。

太陽光電 – 隱藏的紅利

為加速太陽光電設置普及化,經濟部能源局制訂收購電價制度,提供固定優惠費率,保障收購再生能源所生產之電力二十年。目前主要收購類型如下:

  • 全額售電:太陽光電發電設備所產生之電力,全部賣給台電,家中用電則向台電購電供應。
  • 餘電售電:白天太陽光電發電設備所產生之電力,優先提供住家用電使用,若有餘電則賣給台電,發電量不足時,則向台電購電供應。pv-fee
            資料來源: 經濟部能源局陽光屋頂百萬座網站

10年內可回收成本

目前市面上的太陽光電產品一般每 1m2面積輸出功率約150(0.150)。所以每 1瓩太陽光電裝置容量約需2坪的面積。以屋頂型為例,多數建築會落在20瓩以上不及100(40-200坪之間)。依太陽光電建置服務廠商估算,若把所發的電全額回售台電,所有成本,包括建置費、系統維護費、每年保險費、空間使用費約可在10年內攤平。因此吸引不少名間投資,甚至出現新創公司透過網路募資平台,在短短一年之間就成立近10個建置案。

隱藏紅利 1: 提供遮陽,降低空調用電

對頂樓用戶,太陽面板阻擋太陽直射屋頂,可提供有效的遮陽效果。而且大多數太陽面板裝置與屋頂之間留有空隙,會產生空氣對流,進一步幫屋頂降溫。至於可降低多少空調用電與尖峰容量,決定於建築物所在的氣候區,以及屋頂本身的隔熱好不好。太陽越大、越炎熱的地區,原本屋頂隔熱差的老舊建築,可能降低的空調用電與尖峰容量越大。而且太陽越大的地方,太陽面板的發電量也越大,所以可說是利上加利。

隱藏紅利 2: 若自用,可降低契約容量

若是選擇「餘電售電」的方式,也就是太陽面板所發的電先自己用,若有餘電再賣給台電,哪額外的紅利就是可降低契約容量與尖峰用電。當然這是針對白天用電量大的商辦建築,包括學校與政府機關。契約容量是與台電用電契約上得使用之最大用電需量。若每個月的實際尖峰用電沒有超過契約容量,就白白多付未用的需量,產生浪費。 若有超過契約容量,就須付罰款,也是浪費。

台灣屬亞熱帶氣候區,尖峰用電時段都是在夏天空調用電高峰時段,通常也是太陽最大、最炎熱的時候。契約容量因每年氣候變化,並不容易掌握。但太陽能面板在夏天的發電量遠大於冬天,幾乎與空調用電量的起伏同步。既使出現異常高溫的日子,太陽能面板也會產生超過平常的發電量,剛好可自動降低氣候不可預測變數之影響。

所以太陽光電不只可降低每個月向台電購電的需量,還可降低因夏季氣候異常超用而被罰款的風險。另外,夏季電費高,尖峰時段的電費更高。對用電量大的商辦建築,太陽光電可幫忙節省的電費效益更加明顯。

隱藏紅利 3: 若普及,可幫台電降低備用容量

目前台灣對綠色能源的討論,大都只針對其佔全年總發電量的表分比。因目前佔比不大,所以覺得影響不大。但綠色能源中的太陽能與風能都有很強的季節性。風力發電在北歐特別普及,除了有優質的風場外,部分原因是冬天的暖氣能源需求特別高,符合風力發電的季節性。相反的,台灣的夏季空調能源需求高,剛好符合太陽能的季節性。台電的備用容量主要決定於夏季的系統尖峰負載。若能降低夏季系統尖峰負載,也就能降低台電的備用容量,進而節省龐大的基礎建設成本。太陽光電在這方面的效益可能遠大於其對總發電量的佔比,值得更進一步的討論與思考。

善用建築能耗模擬技術

目前實務多以面板輸出功率和日照時數來估算全年發電量。但太陽輻射強度並不是固定不變。在不同的時間、不同的地點,太陽的照射角度不同,輻射強度也會不一樣。舉一個簡單的例子。靠近北極圈的地方夏天有「永晝」,一天有24小時的日照時數,但其發電量可能還不及在赤道中午一個小時日照之發電量。更重要的,估算全年總發電量無法反映上述太陽能的「季節性」。

由於建築能耗模擬技術的突飛猛進,我們現在可以應用它來準確估算太陽面板的逐月發電量。建建築能耗模擬是利用「氣候檔」,其中紀錄各個不同氣候區,全年8760小時,逐時的太陽輻射強度。其估算結果當然會比用「日照時數」估算的準確很多。此外建築能耗模擬還能自動估算面板對建築的遮陽效果,空調尖峰負載,以及建築的逐月總耗電。而且有RBESP這類線上快速建築能耗模擬分析工具,整個估算流程在幾秒鐘內就能完成,應可說是事半功倍,何樂不為了。

pv-example.png

 RBESP之估算結果例

如何應用「能耗模擬」推廣「節能產品」

全球節能減碳浪潮帶動龐大商機

「節能減碳」是21世紀極少數能獲得全球共識與支持的議題。2002 由美國建築師 Edward Mazria 開起的「2030 Challenge」運動 (2030前所有新建和翻修建築都達到零炭排)獲得全球廣大迴響。包括歐盟、美國、日本、韓國等先進工業國家都已制定嚴格的近零耗能建築節能法規,而且分階段開始實行。既使法規還沒開始強制要求,今天全球已有超過5,000棟零耗能建築,遍佈5大洲,低耗能建築已成全球性風潮。國際市場調查公司Navigant Research 估計未來3年全球節能產品與服務將成長6倍,在2020年超過6000億美元,並且持續成長,到2020年將超過1.4兆美元。

2015年底全球共有196個國家簽署了巴黎協定,推動以實際行動遏阻溫室氣體排放,將全球溫度上升控制在攝氏 2 度以下。雖然美國總統川普在2017年宣布退出,但該協定已在2016年達到55個碳排放量合計占55%的國家都批准的門檻,正式生效。國際能源總署估計: 簽署國要達成此承諾,在2030之前共需投入$13.5兆美元在建築節能與再生能源。

而且不像無人自動汽車等是由少數公司掌控,建築節能與再生能源對國內中小企業居多的產業生態而言是相對更實際、較容易切入的市場。

如何提升與呈現ROI是最大挑戰

雖然節能減碳環保意志高漲,很多企業或個人都有支持的意願,但如何連結客戶、說服客戶、贏得訂單還是一個不容易跨越的鴻溝。觀察目前國內的節能產品行銷,不論是空調、節能玻璃或是LED燈,都是在強調產品個別的節能效果,而且宣稱可以節能50%、60%,甚至70%、80%都有。但就像一個業主半開玩笑說的,那如果全部都用加起來,總節省不是就超過200%了? 那怎麼可能發生? 所以這50%-80%的節能的依據是甚麼? 從何而來? 很明顯難以排除客戶的疑惑,讓客戶有信心的做決策,更不用提採用你的產品了。

既使有些產品的節能效果確實是有依據的,但也很容易誤導。舉一實例。有一家節能玻璃廠商在網站上公開自家的實驗過程與結果,用來宣傳產品的節能效果。該廠商做了一個大約40cmx40cmx40cm的模型玻璃屋,從側面用一個大鎢絲燈照射,然後量玻璃屋內的溫度變化,依此推估可以產生相當大的節能。但是這裡面有幾個容易產生疑惑的地方:

  • 實際的建築會比模型房子大非常多倍,其表面積(受日照)面積與室內(空調)空間的比會小很多。
  • 實際的太陽照射角度會一直隨時間變動,而且角度越高太陽輻射熱越強,不會水平照射。
  • 實際的室外環境溫度與建築所在位置息息相關,並隨季節變動,不會是固定室溫。

發展趨勢: 模擬分析、整合設計

所以節能產品在不同的氣候環境、不同的建築、不同的設計組合,其實際節能效果都不會相同。如何真實呈現產品的節能效果? 國際市場越來越多採用或要求做模擬分析,比較「有」與「無」使用該產品之能耗差異。這也是最直接、清楚,不會產生混淆或誤導之節能數據。

要有效率的做上述之能耗模擬分析,需要兩樣東西:

  • 快速可靠的建築能耗模擬分析軟體 – 市面上已有不少建築能耗模擬分析軟體:eQUEST, DOE-2, EnergyPlus, OpenStudio, Trace, HAP, IES-VE等等,有些是免費,也有些要收費。但是這些軟體的使用需要專業知識、費時費力,目前最多用來符合國際綠建築標章LEED或建築節能法規之要求,不太適合產品廠商用來彰顯節能產品的節能效果。針對快速模擬分析的市場需求,近幾年出現幾個新興的建築能耗模擬分析軟體,包括 Sefaira, Autodesk Insight 360,以及國內自己發展的RBESP。這些新興快速建築能耗模擬分析軟體有一個共同特色: 大幅度的智慧化與雲端化,使用非常簡單、快速。國產的RBESP(快速建築能耗模擬分析平台)除雲端化/智慧化以外,還有在地化之獨有特色: a. 中文操作介面/分析報告; b. 內建台灣氣候資料庫; c. 將連結國內廠商與產品資訊庫。
  • 產品參數資料庫 – 冷氣機最主要的參數是能源效率比EER(國外較多用COP)。燈具是流明數(亮度)以及總瓦數(含安定器/變壓器)。節能玻璃窗最主要參數包括熱傳透率U值與日射透過率SHGC(國內η),次要參數包括可見光透過率。其他還有一些參數像漏氣率和露點,視不同市場、節能規範之需求。如此也可避免如上述廠商提供的產品資訊莫衷一事,很容易混淆、誤導的例子。下圖是美國常見的節能窗產品標籤。

做過建築能耗模擬分析後會發現一個現象: 單一節能產品所能影響的建築耗能有一定的限度。以節能玻璃窗為例:持續提升其節能規格,成本跟著水漲船高,但受邊際效應影響節能效益會逐漸遞減。所以要達到高節能效果,提升ROI,要能適當搭配、組合其他產品,做整合設計、整合行銷。 例如節能玻璃窗可降低日輻射熱,但進入的自然光可減少燈具裝置,節能燈具進一步降低耗電同時也降低散熱可再減輕空調負荷。如此加成起來的綜合節能效果與ROI可能更具競爭力和說服力,至少能提供顧客新的選擇與服務。

快速建築能耗模擬分析軟體提供節能產品廠商一個有效的新行銷工具。 越來越多採購案也開始主動要求供應商提供能耗模擬分析報告。這個趨勢繼續發展下去,能耗模擬分析有可能成為中小型廠商進入國際市場的重要敲門磚之一。

建築能耗模擬101

看過不少「建築能耗模擬」(Building Energy Modeling, 簡稱BEM)入門文,不過個人覺得美國能源部這個介紹最嚴謹、完整,部分內容摘譯如下。

建築能耗模擬的定義:

建築能耗模擬(BEM)是用物理為基礎的軟體演算程式來模擬分析建築物的能耗。 BEM可輸入建築物的描述,包括: 幾何外型,結構材料,照明,空調,冷凍,熱水,以及再生能源系統的組合與方位,各次系統的能效與控制策略。BEM也可輸入建築物的使用行為,包括: 建物內人員密度與時間的變化,燈光/電器設備的排程與空調的溫度設定等。BEM軟體演算程式運用上述輸入參數,結合在地氣候資訊,以及物理公式來計算建築物的熱負荷,系統的反應,與所產生的能耗,以及一些相關指標,像舒適度和能耗費用。建築能耗模擬是以每小時一步(或更短步長)做一整年的計算,而且也考慮到系統與系統間,例如照明與空調,交互作用所產生的綜效。

建築能耗模擬應用是利用其計算能力來解決其他方法無法解決的問題。目前主要應用包括

建築設計: 建築師用能耗模擬分析來設計高能效建築,特別是提供量化數據可方便比較不同設計對短期建造費用與長期營運成本之影響。在很多實例中建築能耗模擬可以降低電費並且降低建造成本。

空調設計: 商業用空調系統可能大而複雜。建築能耗模擬幫助技師設計匹配熱負荷的高能效空調系統。建築能耗模擬也能幫忙設計與測試空調系統的排程與控制策略。

建築能效評比: 在建築物使用類別的控管中,建築能耗模擬可用來評比建築物的固有能效。建築物固有能效評比是現代建築節能法規,綠建築標章申請,建築節能獎勵輔助流程中的重要依據。

建築群組分析: 建立不同建築類別的樣版模型做能耗模擬分析可協助建築節能法規的制定,並幫助電力公司和地方政府規劃大型的建築節能政策。

隨著建築能耗模擬分析的功能越來越強,也越來越容易使用,創新應用實例也越來越多。

從上面的定義可知建築能耗模擬與國內目前常用的外殼節能設計指標ENVLOAD有三個基本差異:

  1. 理論基礎: 建築能耗模擬是以物理公式為基礎,ENVLOAD計算是以統計學上之數據回歸分析法為基礎;
  2. 時間變數: 建築能耗模擬是全年逐時分析,ENVLOAD是全年一次性綜合計算;
  3. 計算結果: 建築能耗模擬產出多樣量化數據,ENVLOAD產出單一指標。

ENVLOAD是單一指標,很方便應用在建築節能法規或綠建築標章做基本的能效評比。但因為它簡單也就難面面俱到。譬如說鋼筋混凝土建築與輕量的帷幕建築有一個重要差異: 前者有蓄熱性會延遲熱進入建築物的時間,並且在外面溫度將低時把續的熱放出來,因此在相當程度會影響空調用電。但像這樣熱負荷隨時間變化及與用電行為的關連性並不容易轉化成簡單、可手算的公式。而且全球建築朝高能效,甚至近零耗能方向發展。建築節能設計越趨多元化,很難再依賴簡單手算公式與單一指標來評比建築能效。因此國際間越來越多國家的建築節能法規與綠建築標章加入電腦能耗模擬選項。