氣候變遷對建築環境與節能效益之衝擊與未來發展趨勢 - 李訓谷 研究員

氣候變遷對建築環境與節能效益之衝擊與未來發展趨勢 - 李訓谷 研究員

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1. 「2020臺灣能─潔能科技創意實作競賽」 訓練營 氣候變遷對建築環境與節能效益之衝擊與 未來發展趨勢 主講人：李訓谷 博士 國立成功大學能源科技與策略研究中心 綠色建材產業聯盟 1
2. 氣候變遷對建築環境與節能效益 之衝擊與未來發展趨勢 綠色建材產業聯盟 李訓谷 「2020臺灣能─潔能科技創意實作競賽」訓練營
3. 主講人：李訓谷博士 • 國立成功大學能源科技與策略研究中心 研究員兼組長 • 國立成功大學能源科技與策略研究中心綠晶綠建材聯合研究中心執行長 • 科技部綠色建材產業聯盟主持人 • 台灣建築中心綠建材標章評定委員 • 台灣建築中心智慧建築標章評定委員 • 台灣公安學會防火避難性能評估委員 • 成大研究發展基金會防火性能評定中心委員 • 英國University of Westminster訪問學者, 2017 • 英國University of Nottingham訪問學者, August 2016
4. 被動房 世界各國的建築節能發展趨勢 氣候變遷與都市熱島效應 簡報大綱 建築節能技術介紹與案例 結論
5. 氣候變遷 2015年12月12日世界各國領袖正在法國巴黎舉行 (UNFCCC)第21屆締約方會議(COP21)，全球195個國 家的151位元首信誓旦旦要攜手減碳，對抗全球暖化。 聯合國氣候變化框架公約195個締約國一致同意、歐盟 全力支持，通過《巴黎協議》把全球平均氣溫升幅控制 在工業化前水平以上低於1.5℃之內，同時認識到這將 大大減少氣候變化的風險和影響。  最近幾年在氣候異常的變異下，各國氣候變的極端異常，目前北半球正招 受北極風暴的侵襲，北美將有近2億人口招受歷年最低溫暴風雪侵襲；相對 的，南半球也招受歷年來最大的熱量侵襲，導致數萬隻扁蝠及袋鼠死亡。
6. 都市熱島效應之主因 資料來源：東京環境部 建築物表面的 熱釋放 47% 建築物廢熱排 放 24% 車輛廢熱排放 21% 工業廢熱排放 7% 區域冷熱供應 系統排熱 1%
7. 各部門的減碳潛勢
8. 日本第一次石油危機後日本各部門能源消費統計 1973~2013年，日本實際GDP成長2.5倍。產業部門能源消耗比例減少20%；家庭(住家)與業務部門 (泛指旅館、商辦、百貨超市等零售業)的能源消費量卻同步增加了2.0倍與2.9倍。 所以未達到能源供需穩定，必須由民生部門著手進行。
9. 都市大部分的面積都被建築物所覆蓋 建築物的屋頂材料與都市熱島效應息息相關
10. - 10 - 國家 ZEB目標 ZEB案例 綠建築 零碳排等制度規範 歐盟 2020 V EN50583 德國 2020 V KfW40, KfW60 瑞士 2020 V Miergie 英國 2019 V BREEAM 韓國 2025 V 綠色建築法令 新加坡 - V BCA Green Mark 日本 2030 V ZEB/ZEH 美國 2030 V LEED 台灣 -- -- EEWH 資料來源：日本野村總合研究所報告 世界各國針對綠建築/零耗能建築之目標與規範
11. 日本 11
12. 12 產業 住宅 商業 交通 其他 減少40% ✓ 在2020前實現新建公共建築為 ZEBs ✓ 在2030前實現新建公共建築和私人建築為ZEBs目標
14. ZEB與ZEH的定義與目標 • ZEB (Zero Emission Building) 定義：在維持舒適室內環境下，透過高斷熱、高日射遮蔽、自 然能源利用與高效能設備的導入，達成最大節能效果並 利用太陽能所創造出的能量，使建築物大幅減少能耗的 建儲物稱之為ZEB。 2020年前，所有新的公建築須達成ZEB 2030年前，一半的新建築須達成ZEB - 14 -
15. • ZEH (Zero Emission House) 定義：在維持舒適室內環境下，透過住宅的高斷熱化與高效 能設備的導入，達成最大節能效果，並利用太陽能所 產生能量，使住宅全年的能耗為net ZEH。 2020年前，標準新住宅達成ZEH 2030年前，一半的新住宅達成ZEH - 15 -
16. 16 建築能效標章 (BELS, Building Housing Energy-efficiency Labelling system) <基準等級以上的節能性能> ◼ 新建建築，特別優異的節能 性能 → 接受第三方機構評估，依照 節能性能，以5等級的★標示 <既有建築物符合基準> ◼ 既有建築物的節能修改符合 基準 → 接受行政廳認證，標示符合 基準認證標章(emark) *既有建築物 也可活用 依據指南第7條 設計
17. 17 ZEH ZEB
18. ZEB與ZEH達成手法 • ZEB於設計階段，最大化被動式房屋設計概念，針對使用時間長且難以改造的 建築外牆(斷熱、高遮蔽力玻璃、自然採光、通風)的運用為重心，再輔以高效 率設備的使用，來達成零耗能目標。 • ZEH主要以高隔熱材料(隔熱外牆與斷熱窗戶)，輔以高節能效率設備的導入來 達成零耗能目標。 - 18 -
19. 歐盟 19
20. • 歐盟訂定目標，在2020年需 有20%的能源消耗比例來自 再生能源。 • 目前比例最高為瑞典49%、 最低為馬爾他10%。 • 2030年目標定為27%的能源 消耗比例來自再生能源。 • 歐盟國家於2020年底所有新 建築需為Nearly zero- energy building。 • 歐盟國家於2018年底所有公 有 建 築 需 為 Nearly zero- energy building。 資料來源：http://www.epbd-ca.eu (Energy Performance of Buildings Directive)、 https://en.wikipedia.org/wiki/2015_United_Nations_Climate_Change_Conference 歐盟再生能源與建築零耗能目標 - 20 -
21. 英國能源性能證書(EPC) ➢ 英國2007年開始實施 ➢ 能效分級從Ａ級（最節能）到Ｇ級 （最不節能） ➢ 有效期限為10年 ➢ 新建、既有與翻新的建築都需要認證 ➢ 能源效率揭露制度(Display Energy Certificate (DEC)) ✓ 公有建築物 ✓ 面積超過250m2 ✓ 大眾使用頻繁之建築物 ✓ 面積超過1000m2揭露1年 ✓ 面積介於250~1000m2之間揭露10年 ✓ 未依照規定揭露者，處罰500英鎊 ✓ 私人建物採自願性揭露
22. 英國能源性能證書(EPC)：從節能到減排
23. 英國國家能效資料庫 National Energy Efficiency Data (NEED)
24. 英國國家能效資料庫 National Energy Efficiency Data (NEED)
25. 被動房 25
26. 被動房(Passive House) ➢ 「Passivhaus」源自於1988年德國Adamson教授，字面上所 傳達的意義可以拆解為Passive house 或 building。 ➢ 被動式房屋需要很少的能源即可維持舒適的室內環境，因為其 優異的保溫隔熱性能和高效率的熱回收系統，使得房屋整個年 度幾乎都不需要主動提供暖氣和製冷需求，代表著這些建築是 採取一種「被動」的方式，我們透過極少能源投入甚至是零投 入，就能達成能源節約目標。
27. 被動房vs.傳統屋 「被動式房屋」更注重被設計為一個健康和舒適的居住環境. ➢ 健康:提供充足的新鮮空氣，維持室內良好的空氣品質，並且減 少黑黴菌的產生。 ➢ 舒適:溫度的調節在冬天維持在20度以上，夏天維持在25度以 下，並且不應有冷風出現在室內。 ➢ 耗能:被動式建築使用了極度少的能源，徹底減少了CO2排放量， 也可以說達成近乎零耗能的被動式建築。 被動式房屋 vs. 一般傳統屋
28. Passivhaus Standard • Public awareness • Government support • Technical support A summary of Passivhaus requirements • Space heating demand ≤ 15 kWh/m2yr • Space cooling demand ≤ 15 kWh/m2yr • Airtightness ≤ 0.6 ach @ 50 Pa • Primary energy demand ≤ 120 kWh/m2yr 被動房vs.傳統屋
29. 被動房的特色 • 最小化的冷暖房空調耗電需求 • 最佳的室內環境品質（空氣、熱、健康）
30. 被動房之實踐：比利時布盧賽爾 Building energy performance ranking EUROPE BRUSSELS High Low Nearly Zero Energy by 2020 in regulation 2007： Energy performance and indoor climate of buildings order © Be Passive Report 2011： Passivhaus requirement in 2015
31. © Be Passive Report 被動房之實踐：比利時布盧賽爾
32. 被動房之實踐：比利時布盧賽爾
33. Historical development
34. 被動房主要設計原則
35. 隔熱保溫之外殼 電致變色玻璃 可調性BIPV建材 建築遮陽之節能效益 高隔熱性能之外牆 智慧混凝土
36. 斷熱門窗 門扇和窗戶，無論是窗框， 還是中間使用的採光玻璃， 都是使用具有現代保溫構造 特點的產品。採光玻璃，使 用低輻射的多層中空玻璃。 有些甚至還會安裝使用雙層 窗扇的窗戶
37. 牆體高氣密 「被動式住宅」建造完工時，必須使用專用設備進行 密閉性測試
38. 整合型新風機系統 輔以新風系統，在室外新鮮空氣進入室內前，首先經過埋於地面 冰凍線以下的進氣管，利用大地的熱量將其預熱至5℃，然後通 過新風換氣機吸收室內渾濁氣體80%的熱量
39. 保冷：空調節能 將進氣管埋設地下，溫暖室內空氣排出去的同時，清 潔的室外冷空氣引進來，熱交換效率可達90%左右
40. 建築節能技術 40
41. 住宅建築降溫對策 屋頂綠化 隔熱塗料 考量風向 隔熱磚 遮陽 玻璃隔熱 保水 綠化 壁面綠化 選購省電設備 側面水冷卻 壁面對策 屋頂對策 通風對策 設備對策 建築外部對策 特色設計 41
42. 隔熱塗料（清涼屋頂）與隔熱磚何者較好？ 太陽反射率 太陽反射率 有屋頂隔熱 無屋頂隔熱 空調能耗降低少 空調能耗降低多 ✓ 對於屋頂隔熱不好的老舊建築，採用提高太陽反射率 的清涼屋頂策略，可以有效降低空調能耗與室內溫度。
43. 清涼屋頂在南部有效果、北部沒效果？
44. 既有建築節能改善案例：玻璃隔熱膜 ✓ 宜蘭餐廳建築 ✓ 兩層樓，正面朝東 ✓ 總樓地板面積：527 m2 ✓ 東面：90% 窗牆比, 其餘各面：50%窗牆比
45. 改善方案：玻璃增設隔熱膜 45 性能 數據 性能 數據 visible light穿透率 (380nm～780nm) 68.33 UV 反射率 (300nm～380nm) 4.87 visible light反射率 (380nm～780nm) 8.35 solar heat gain coefficient (SHGC) 0.4904 solar radiation穿透率 (300nm～2500nm) 37.55 Shading Coefficient (Sc) 0.5636 solar radiation反射率 (300nm～2500nm) 17.6 Infrared rejection (780nm～2500nm) 87.54 UV 穿透率 (300nm～380nm) 0.00 thermal transmittance (U) 5.73
46. 改善結果：耗電量增加？ 0 500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 4,000 4,500 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec kWh Month Equipment-2016 Equipment-2017 Indoor Lighting-2016 Indoor Lighting-2017 Outdoor Lighting-2016 Outdoor Lighting-2017 AC-2016 AC-2017 Fan-2016 Fan-2017
47. 節能與經濟 -1,500 -1,000 -500 0 500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 4,000 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec kWh Month AC+Fan 2016 AC+Fan 2017 Difference The electricity consumption of the air conditioner is significantly reduced as the solar control film was attached on the large-area glass curtain, especially in the summer of July to September. The electricity consumption of the air conditioning system after renovation is reduced by 25% compared with that before renovation.
48. 飲水機智慧化：能源節省、設施管理、貼心便利 108年新化高工智慧建築補助案
49. 飲水機節能管理系統架構 49 SMART DISPENSER Change your life
50. 50 行政大樓2F飲水機節電系統施作圖說
51. 飲水機監控 51 SMART DISPENSER Change your life
52. 用電量查詢 ◆各層樓飲水機即時用電量、時/日/月累計用電量圖示 52 SMART DISPENSER Change your life
53. 飲水機維護紀錄 53 SMART DISPENSER Change your life
54. 飲水機節電效益 54 實習大樓3F-飲水機 日期 周用電量 (含假日) 周用電量 (不含假日) 節電率% (含假日) 節電率% (不含假日) 節電量kWh (含假日) 節電量kWh (不含假日) 2019-08-19 00:00:00 105.4721 78.7231 31.17 7.79 32.88 6.13 2019-08-26 00:00:00 101.9234 76.2006 28.78 4.74 29.33 3.61 2019-09-02 00:00:00 112.6451 87.5761 35.55 17.11 40.05 14.98 2019-09-09 00:00:00 108.4639 83.2705 33.07 12.82 35.87 10.68 教學大樓1F-飲水機 日期 周用電量 (含假日) 周用電量 (不含假日) 節電率% (含假日) 節電率% (不含假日) 節電量kWh (含假日) 節電量kWh (不含假日) 2019-08-19 00:00:00 108.9587 78.1349 33.96 7.91 37 6.18 2019-08-26 00:00:00 108.1083 80.5104 33.44 10.62 36.15 8.55 2019-09-02 00:00:00 120.4129 94.0929 40.24 23.53 48.46 22.14 2019-09-09 00:00:00 116.7436 89.8461 38.36 19.91 44.79 17.89 SMART DISPENSER Change your life
55. 智慧飲水機 SMART DISPENSER Change your life 國立台灣科技大學-工業管理所 周碩彥教授團隊
56. SMART DISPENSER Change your life 背景 飲用水對人的必要性 根據報告顯示，我們每天需要喝兩升 的水以防脫水 自來水成分不安全 在台灣，因沒有過濾自來水方案，故 我們不能直接使用自來水喝水。水中 可接受的TDS低於600 mg / L，而自 來水的TDS大於其值。 汽油比飲用水便宜？ 水比汽油貴。一公升飲用水的價格為 30新台幣，而一公升汽油的價格為24 新台幣。 瓶裝水所產生的浪費 假設我們每天需要至少攝取兩個瓶裝 水瓶以滿足人體所需，也就是說，每 年需要730瓶之瓶裝水。 回收塑料瓶 會帶來更大的問題，並造成環境破壞。 飲水機無所不在 台灣各地使用的飲水機大多於公共建築， 其中包括學校、醫院、車站、辦公室等 公共建築中使用。 產生大量的耗能 飲水機每天總共需要5.99 kWh的熱量 來冷卻以及加熱飲用水。在過去的二 十年中，台灣的能源消耗因此增長了 79％。 飲水機是滿足水需求的解決方案之一，儘管它仍然需大量耗能 Source : (1) Health Line Magazine; (2) World Health Organization; (3) 7-11 Retail Price and CPC Corporation Retail Price, Taiwan; (4) Ministry of Interior, Taiwan; (5) Bureau of Energy, Ministry of Economic Affairs, Taiwan
57. 動機 Union UN-9503AG SMART DISPENSER Change your life 加熱 冷卻 @1100 Watt @245 Watt 40 mins 40 mins 40 mins 30 mins 30 mins 30 mins 30 mins 飲水機消耗大量的能源在冷卻以及加熱飲用水上就 算使用者某段期間是沒有在用飲水機 使用者飲用水行為 居家 公共建築 家庭用戶具有某些特定行為，例如：早上 喝熱水、上班時間不會有喝水行為，晚上 則是喝冷水或溫水 公共建築使用者的行為可能依照類型的不 同而有所不同，例如：附近的運動中心人 們傾向於喝冷水 夏天 冬天 使用者會依據所在地方、情境，以及 使用習慣的不同而有不同飲水習慣。 而傳統飲水機無法自動偵測模式的差 別，而持續的加熱以及冷卻飲用水。
58. 動機 SMART DISPENSER Change your life
59. 智慧飲水機系統 SMART DISPENSER Change your life 感測器 行為分析 資料分析 預測性維護 M2M溝通 技術架構 感測器 環境溫度 飲用水高度 飲用水出水量 環境溼度 飲用水品質 紅外線 系統圖 智慧飲水機利用Thingworx平台管理所有功能。 同時，它還利用LoRa來提供更長 的服務範圍，可以與其他智慧城市之服務一起使用。 外部環境 內部環境
60. 基於技術之應用層面 說服型科技 預測分析 M2M機制 預測性維護 Anomaly Detection 3 2 1 Monitoring & Profiling Analyzing historical data SMART DISPENSER Change your life 智慧飲水機可以監視每個用戶（對於家庭 用戶）或基於位置（對於公共建築用戶） 的用戶行為。 它可以對用戶的每個細分 進行分析。 此功能將提高使用效率，可 持續環境和智慧城市發展。 智慧飲水機系統使用基於歷史數據的預測 分析，因此他們可以有效地預測每個分配 器的使用情況。 他們可以有效地進行加 熱和冷卻，同時仍保持服務水平。 智慧飲水機可以與附近位置的其他機器通 信，因此他們可以彼此了解狀態並進行協 調工作。 例如：2樓的智能飲水機不需要 加熱水，因為3樓的熱水仍然有足夠的庫 存。 由於智能飲水機能定期監視數據，因此系 統可以檢測機器中是否發生異常，並直接 警報發送給用戶和服務中心，因此可以避 免更大的問題。 此外，亦可用於更換飲 水機的過濾器。
61. 系統及技術 SMART DISPENSER Change your life
62. 節能貨櫃屋 國立成功大學-綠色建材產業聯盟團隊
63. 淨零能耗示範場域：OXON公司 高效率太陽能光電板 建築隔熱節能膜 節能膠合玻璃 導光玻璃 PCM 隔熱塗層 輻射阻絕隔熱毯 63
65. ✓ 創新相變化材料應用在建築外牆構造，Ｕ值=1.5W/m2-K，低於15cm RC混凝土 外牆之U值(3.5W/m2-K) ✓ 儲熱隔熱金屬外牆構造可提升隔熱性能，並且減少外牆厚度。 相變化＋氣凝膠 砂漿塗層 儲熱隔熱金屬外牆構造 65
66. 屋頂隔熱處理 處理前 66
67. 外殼隔熱處理 屋頂構造示意圖 外牆構造示意圖 通風 太陽能光電板 烤漆浪板 ②隔熱棉 ①氣凝膠相變化 砂漿 冷屋頂隔熱毯 (表面亮面 能反射熱 ) 高熱容相變化建築材料： 達到降低室內溫度、 提高舒適度、 減少建築空調使用量 以及節能減碳的效果 67 雙層屋頂 通風降溫
68. 處理後 屋頂隔熱處理 68
69. 貨櫃顏色對外殼溫度之影響 69
70. 零耗能貨櫃建築示範場域 0 500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 726 1,151 1,718 1,588 2,626 2,117 2,129 898 1,789 1,417 853 1,668 OXON 太陽能自主發電量統計 (Kwh) 計算區間：2018.01.01~12.31 一樓區域 用電量 EUI（kWh/m2) 節電度數 (包含發電量) 節電率 改善前 75,560 370.39 -- -- 改善後 43,920 215.29 50,320 66.60% (41.87%) 6,680 8,800 13,640 15,600 17,840 13,000 4,719 6,393 9,592 9,154 8,023 6,040 0 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 12,000 14,000 16,000 18,000 20,000 1-2月 3-4月 5-6月 7-8月 9-10月 11-12月 106年 107年 單位：Kwh 70
71. 71 中央大學低碳排節能貨櫃建築
72. 應用情形 • 儲熱隔熱金屬外牆構造 -冷屋頂隔熱塗料 -氣凝膠相變化隔熱塗層 • 高透光紅外線反射隔熱膜 • 採光通風窗 • 鋁箔隔熱毯 • 薄膜式透光BIPV太陽光電玻璃 採光通風窗 氣凝膠相變化 隔熱塗層 冷屋頂隔熱塗料 高透光紅外線 反射隔熱膜 隔熱毯 薄膜式透光 BIPV太陽光 電玻璃 冷屋頂塗料 72
73. 採光通風窗 ✓創新通風口結構，可以達到排熱、增加採光、提升室內通風效率的功能。 73
74. 節能效益 ✓ 屋頂以太陽光電板遮陽，外加隔熱毯所組成的雙層屋頂可以使得屋 頂表面溫度下降15 ℃。 ✓ 有添加相變化材料、氣凝膠隔熱材料的砂漿比未添加相變化材料的 砂漿室內溫度約可降低8℃。 ✓ 當窗戶採用高透光高紅外線反射隔熱膜的空調耗電可比沒貼膜玻璃 的空調耗電降低12％。 ✓ 採光通風窗可以在白天減少一盞日光燈組(40W)的照明，並且有效 將室內的熱空氣排出，達到降溫與提高室內空氣品質的目的。 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 (kWh) RC建築 貨櫃建築 42% 節電率 74
75. 交通大學蘭花屋 2014歐洲太陽能十項全能大賽（Solar Decathlon Europe 2014）
76. 結論 ➢ 設計永續與節能建築是順應氣候變遷衝擊 的趨勢。 ➢ 永續建築不僅只考慮到節能，人類健康、 室內環境品質、循環經濟、生命週期評估 等因素都必須考慮。 ➢ 永續建築並非是全新的設計。 ➢ 創新技術：AIOT、區塊鏈、說服型科技、 智慧材料、再生能源是未來永續建築發展 不可或缺的。
77. Thanks! Any questions? You can find me at: 國立成功大學能源科技與策略研究中心 綠色建材產業聯盟 71150 台南市歸仁區六甲里中正南路一段2502號 網址：www.sroof-rcets.tw 電子郵件: sklee1015@gmail.com