迈入21世纪,智慧化居住空间已成未来趋势,运用高科技与自动化设备,让生活变得更舒适方便,不再只是电影中的虚幻情境,而是可以展现在日常生活中的真实场景,也因此,台湾近年来的房屋建案,不时可见智慧建筑的诉求。
积极管理 方能落实节能效益
一栋建筑物究竟该具备哪些功能,才能符合智慧化的定义?基本的四大指标为安全监控、健康照护、便利舒适及永续节能,过往,智慧建筑在发展上,以前叁项指标为主,不过,在能源价格节节上涨,及全球暖化危机的双重因素影响下,永续节能的重要性将日益升高,成为智慧建筑未来的发展主力。
传统永续节能建筑,偏重于再生能源(如:太阳能、风力、水力)的运用,最常见例子就是在建物外墙或屋顶上架设太阳能电池板,将阳光转换成日常生活所需电力,然而落实节能减碳目标,不该只是採用再生能源,而要有更积极的作为才是,亦即从能源管理开始做起,了解日常生活中能源使用状况,降低不必要的能源支出,最后才是搭配再生能源的使用。
目前建筑物节能的方法相当多,包括选择採光通风俱佳的地点、採用不易聚热建材、良好室内空间设计、高能源效率家电(如:变频冷气、LED灯泡)等。
无论上述哪一种方式,最终都得朝能源管理(Building Energy Management System;BEMS)的方向发展,BEMS整合建筑自动化系统、保全系统、资讯系统、及能源监视系统,再搭配环境感测器与人工智慧技术,达到设备耗能的最有效系统化控制,及能源的最佳化调配管理,一来可避免发生无效耗能的情况,二来则是让现有能源与再生能源互相调配运用。
BEMS终极目标是让能源可以自给自足,未来,每一栋建筑都将设置风力或太阳能发电机,建构出专属的智慧型电网,也就是一套独立的电力供应系统,不需仰仗电力公司的能源,在行有余力之际,还可将多余电力转卖回电力公司。
而人工智慧则是这套系统的关键技术,人工智慧系统负责分析环境感测器所搜集到的能源使用资料,从中模拟出居住者生活型态及未来的耗能需求,再搭配气象预报估计出能源供给量,当能源供给量低于需求量时,由系统自动控制能源使用状况,反之则可将多余电力卖给台电公司。
自动化设备 能源管理最佳帮手
自动化系统是BEMS架构中的基本配备,其中DDC-HVAC为控制器主流,传统DDC控制器多走封闭式网路架构,必需花费大量时间整合系统,随着工业乙太网路成熟发展,在许多控制器上都能看到工业乙太网路踪影,控制器导入工业乙太网路功能已相当成熟,由于乙太网路具备开放、单价较低、连网速度快及节点佈建容易等优势,故成为DDC控制器的通讯新宠儿。
目前市面上的建筑自动化系统,除了支援传统通讯标準Modbus、BACnet外,也都已纳入乙太网路标準,方便让管理者透过网路远端监控设备运作状况,及登录图控软体(或人机介面),检阅各类能源统计报表,包括能耗使用状况、耗能分析、及二氧化碳排放量等,从中规划节能省电的方法,例如:将尖峰时间非必要的耗电设备挪至离峰或半尖峰时间再启动。
除了工业乙太网路外,新一代DDC控制器的另一个特色是已先预设简单PID控制逻辑,并提供离线模拟及线上除错功能,有效简化BA系统导入工作。
从大楼往内延伸至室内空间来看,住家或企业办公室该如何做好能源管理?目前的作法主要是利用物联网架构打造居家能源监控系统,现在建筑领域所用的物联网通讯标準,以ZigBee为主,经由ZigBee感测设备(如:数位电表、环境感知设备等)将讯号传输至嵌入式系统,也就是主机端,匯总呈现居家环境品质与能源使用状况,甚至可进一步结合烟雾侦测器,发挥节能与安全防护的双重效益,Zigbee之所以能成为建筑领域的主流通讯标準,重点在于低功耗与多节点的拓朴特色,由于建筑物内的感测点多,不可能一一佈线维持电力,因此感测器的电力来源必须为电池,而为避免频繁更换电池的繁琐维护工作,低耗电便成为感测网路通讯设计时的重点考量,Zigbee的低耗电与多节点特色,完全符合智慧建筑所需,因此成为该领域的主流标準。
不过即便DDC控制器与 Zigbee已是智慧建筑的主流标準,但并非唯一,建筑与其他非消费性领域应用一样,都有一定的客製化设计,客製化设计对技术与标準的需求并非效能,而是“最适性”,在“最适性”考量下,所有的技术都可被纳入设计,因此智慧建筑的技术选择考量,是从最后的系统功能设计反推回去。
从系统面反推的思维作法,与现在的消费性IT产品作法不同,这类作法需要仔细釐清本身特色,方能知道需求何在,不过目前建筑的智慧节能设计仍处起步阶段,IT与建筑两方产业的经验都有限,系统自我评估并不容易,因此这类刚起步的应用,多是参考其他业者的成功案例,再微调其模式套用至自己身上。
不过在营利思考下,一般企业通常不愿意分享其成功案例,因此为带动产业,多由政府机关领头,在公营或有官股之处,以政府之力先行打造成功案例,一来可起示範作用,二来也可带动需求,吸引业界厂商投入,在绿建筑方面,台湾最知名的案例莫过于台北101大楼。
101大楼 成功示範绿建筑标準
台北101大楼在2011年获得LEED认证,成为全球最高的绿建筑,同时也是目前与美国五角大厦并列世界唯二的万坪面积白金绿建筑,101大楼的节能系统,主要是由西门子、美商EcoTech Internation,以及李肇勋国际室内设计公司共同合作。
101 大楼透过自动技术,将能源效益最佳化,在系统完成前后,其用电、用水及垃圾量差距高达10%,与一般建筑相较,101大楼的能源效益高出30%,每年大约可节省70万美元的能源成本,参与此案的西门子指出,建筑物佔40%的全球能源耗用量及21%温室气体排放量,因此能源及成本的节约,具有永续性的潜力,绿建筑的业主或经营者,不仅能大幅降低对环境的衝击,更可在建筑物的生命週期中有效地节约成本。
101大楼的能源控管核心系统为西门子的「能源监测与控制系统(EMCS)」,此系统针对大楼内空调设备操作与控制相关规画,将能源运用最佳化;此外并透过冰水系统的计算与操作程序的变动,更大幅提高冷却系统的效率,至于空气品质改善部份,101大楼在11个机械层中,设置了二氧化碳感测器空调箱,当二氧化碳浓度过高时,会自动吸入户外新鲜空气;此外在湿度方面,101大楼则在每个楼层都增设两组湿度感测器,并调节空调冰水量以降低湿度,提高使用者舒适度,另外,台北101也全面进行垃圾减量分类,超过60%的资源回收,促成全大楼一週约仅产生4吨垃圾的成果,全面导入绿建筑技术后,101大楼每年节省了1,400万度电,约新台币3,600 万元,无论是对于101大楼或是整个建筑业而言,申请LEED认证都有重大意义,业界人士也多认为,101对市场的绿建筑概念影响相当大,对台湾的相关产业而言,是非常成功的示範。