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。

廣告

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。