何為建築能源模擬

建築能源模擬(Energy Modeling, Energy Simulation)是運用電腦程式輸入建築物與環境的物理資訊和營運資訊，例如：建築物外在環境、座向、建材、開窗率、空調系統、營運模式…等建立起這棟建築物的能源模型。能源模型建立後，讓建築物及外界環境在模型中依照先前輸入的資訊運作，進行逐時(hour-by-hour)、分區(space-by-space)的互動式(interactive)能源消耗量模擬計算，以得到建築物在營運時的能源使用量及營運成本，一般為考慮春夏秋冬四季對建築物的影響，會採取計算建築物12個月能耗量及營運成本的方式。

較之傳統經驗式、概算法或統計迴歸式能源計算，不僅準確度更高，也更能兼顧不同建築物的個體性，這也正是能源模擬的最大存在價值。藉由對建築物營運能耗及成本的計算，在建築設計階段即能比較各種不同建築設計與空調設計對能耗量的影響，進行科學化的綠建築設計；另一方面，能源模擬亦可用於舊建築節能改善，例如：能源服務業(ESCO)，評估各種改善手法對建築物的影響，可計算出最精準的成本回收年限(payback years)。

建築能源模擬特點

能源模擬設計應用

以理想的新建築的設計而言，在新建築設計階段導入能源模擬，建築師、空調技師…等相關設計人員即可根據能源模擬的結果來評估、整合、修改各自的設計，藉此做出最節能、對環境最有益的設計方案。結合能源模擬的設計流程可以分成三大部份：建築設計、空調設計及生命週期評估。

• Step 1 -進行基地選擇、建材、玻璃、座向…等建築設計的能源模擬，在不使用空調的狀況下達到使用者最大的舒適度。
• Step 2 -進行空調系統的選擇與設計，將空調系統放入能源模型中，在可接受的舒適度下將使用的能源最少化。
• Step 3 – 進行建築物的生命週期評估(life cycle assessment, LCA)，在成本預算下達到建築物的最大生命週期。

我們可以發現，結合能源模擬的建築物設計流程，將可以在設計過程中知道每一種設計對建築物能耗量的影響，進而選擇出對環境最有益的節能設計方案，能源模擬不只在新建築的設計上可以運用，也能夠評估各項節能措施在舊建築的能耗影響，計算出成本回收年限(payback years)，這是一項在舊建築的節能改善中很重要的評估指標。在節能改善前，建立舊建築物的能源模型，以此將各個節能改善措施導入模型中，評估不同改善措施對建築能耗造成的影響，準確計算出節能量。有了能源模擬的節能量，即能較精準地計算出成本回收年限。

目前全世界最多人申請的綠建築認證──美國綠建築評級系統LEED(Leadership in Energy and Environmental Design)，在台灣的申請案件亦有逐漸增加的趨勢。新建物在申請LEED認證時，被要求一定要進行能源模擬，且必須比美國冷凍空調技師協會ASHRAE(American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers)規定的基準(Baseline)達到至少10%的節能量。此外，LEED認證中的再生能源(renewable energy)、能源系統量測(measurement and verification, M&V)…等積分都和能源模擬脫不了關係，能源模擬可說是踏入LEED申請門檻最重要的關鍵所在。

為何需要能源模擬

概算法較容易理解，而迴歸式和能源模擬兩者背後分別代表了兩種彼此相對的觀點：迴歸式重視的是現象之間的關聯，能源模擬重視的則是現象下面的真象如何運作。

迴歸式是建立應變數(Y)和自變數(X)之間關係的式子，以上面冷氣機噸數的例子，應變數就是冷氣機噸數，自變數就是辦公室人數(X1)、日照取得係數(X2)、熱損失係數(X3)…等。在建築物能耗的迴歸式中，自變數的選擇很重要，該如何選擇一般依靠的是經驗與物理直覺。台灣目前建築能耗的迴歸式中，一般皆為線性迴歸式，以上面冷氣機噸數的例子寫出來即為Y=a0+a1*X1+a2*X2+a3*X3…，a0、a1、a2、a3…即為迴歸係數。但若能將自變數的性質考慮進去，在適當的地方採用非線性迴歸，將能反映出更好的結果。在選出自變數後，還需要大量的統計樣本，代入迴歸式中去定出迴歸係數，才算完成整個迴歸式。這最後一個定迴歸係數的步驟是極容易出問題的，該如何選出合理的建築物樣本是一門學問，一般建築物的資料包含能耗量更是不易取得。

能源模擬的計算則是建基於物理學的公式上頭，利用熱傳學、能量守恆、流體力學…為基礎，將建築物的所有情況儘可能的納入模型中，再利用電腦來做數值求解。動態是能源模擬的最大特色之一，在迴歸式中，自變數都只能是一個時間與空間的平均等效係數，並不能隨著時間與空間的變動而改變，如上頭提到的日照取得係數，一般只能分成東西南北四個方位的各別平均，不會細分到每面牆，這是空間的平均等效；一般也只會取整年的平均值，這是取時間上的平均等效。但在能源模擬中，則可細分到每面牆、每個小時的日照取得量，並逐時進行疊代計算。利用能源模擬，除了可得到準確的能耗量，還可得到能耗量在一年中每個小時在建築物空間中的分佈情形。

實際案例比較

空調主機容量設計

此處我們以一棟台灣北部1,100坪的辦公大樓中央空調主機容量(capacity)的選取作為例子，來說明概算法、迴歸式和能源模擬三種方法各自如何得到中央空調冰水主機的容量。

• 概算法：概算法依靠經驗法則(rule of thumb)，是一種十分粗略的估計方式。在選取中央空調主機容量時，會先以建築物使用型態如辦公室、銀行、醫院、工廠…等加以分類，再從以往的資料經驗得到此種建築物型態在一般情況下每坪需要多少噸的冰水量，再乘以面積得到中央空調冰水主機的容量大小。以上頭的例子做計算，辦公大樓我們取每坪0.13噸，乘上總坪數1,100坪後，得到0.13 X 1100=143噸。概算法亦能做得更詳細，納入更多主機容量影響因子，如將區域分成外周區及內周區、計算各向外牆和玻璃熱得…等，得到更準確的結果。
  
• 迴歸式：在藉由統計資料得到迴歸方程式後，即能將建築物不同的條件變數代入此方程式以便得到空調主機容量。這邊我們以台灣綠建築標章(EEWH)為例，參考綠建築解說與評估手冊2009年版中的3-4.2節公式：(每噸冰水所能提供給建築物的最大空調面積) = 0.8 X (a0 + a1 X 建築外殼耗能量 + a2 X 空調系統分區之外周區係數)，其中a0、a1和a2為迴歸係數。在這個公式中，共考慮了建築外殼、建築物外周區和內周區、建築物所在區域氣候、建築物使用型態等四個變因。藉由查表得知台灣北部辦公大樓的a0= 63.7、a1= –0.179、a2= –30.8，假設建築外殼耗能量為50 kWh/sm．a，空調系統分區之外周區係數為0.4，則得到結果為 0.8 X (63.7 – 0.179 X 50 – 30.8 X 0.4) = 33.944 平方公尺/噸，即每坪0.097噸，接著乘上面積1,100坪得到 0.097 X 1100 = 106.7噸。
  
• 能源模擬：在能源模擬中，我們將建築物的相關資訊輸入能源模擬軟體中，從建築外殼、空調分區、空調系統種類、照明、建築物使用人員分佈…等，將影響能源效率的因素盡可能放入模型中，讓能源模擬軟體依照熱力學、流體力學、光學…等物理定律，對這些因素求出各種與能源相關的解。其中一項解就是建築物各空間在各時間點的熱負載量，依此熱負載量我們可以選擇出最佳的空調主機容量。在這邊我們以美國能源局能源模擬軟體eQUEST (the QUick Energy Simulation Tool)進行操作，放入台灣北部的氣象資料及一般辦公大樓的建築資訊，得到冰水主機容量為113.25噸。
  

每棟建築物都是獨一無二，如同我們得因材施教一般，最佳的設計是對建築物進行綜合考量後提出客製化的設計方案。以此處空調主機容量設計為例，影響因素從建築物所在區域氣候環境、建築物使用型態…一直到照明，可能有數十種。在這些影響因素中，有些對空調容量的影響力較大，有些影響力較小。在未使用能源模擬做完整考量，如概算法或迴歸式，僅能將影響力較大之因素納入，如建築物使用型態、建築外殼…等，做一個普遍性適用的估計。但基於每棟建築物的獨特性，這些因素的影響力大小會有變化，有時甚至相反。如對一般建築物來說，外殼熱得為建築物內一項重要的熱負載來源，但對一棟被鄰近大樓環繞的大樓而言，由於周圍大樓的陰影影響，外殼熱得的重要性反而大為下降。諸如此類的因素，使得概算法和迴歸式計算錯誤的可能性大為增加，為了避免空調容量設計不足，於是嚴重超量設計空調主機容量(暫時排除不正當的商業利益因素)，使得設計出來的空調系統未能在最佳效率下運轉，造成能源浪費。而使用能源模擬時，由於是依賴不變的物理定律來計算，且幾乎將所有影響因素納入考量，只要影響因素能被正確地放入能源模型中，即能得到正確的結果。

空調操作程序最佳化

節能的目標除了靠正確的建築物與空調設計之外，還要有正確的建築物和空調營運程序才能真正成功。這邊以空調操作程序最佳化為例，來說明能源模擬在建築物整體營運上的功用。能源模擬在空調操作程序設計的應用主要可分成兩方面：提供建築物熱負載分佈及空調操作程序試跑。要進行空調操作程序設計的最佳化，我們首先得先知道建築物各個空間在一年各個時間點(至少各季節、每天不同時段)對空調的需求量(冰水量、出風量、外氣量…等)，才能去設定各個空間的空調在各時間點該如何運作，而建築物熱負載分佈的資訊就能依靠建築物能源模型來提供。接著依照建築物熱負載分佈，我們會設計出幾套空調操作程序方案，再將這幾套空調操作程序方案放入能源模型中去試跑，得到最佳的空調設計方案。除此之外，還能得到各方案的運作方式能否負荷建築物的熱負載，讓我們在節能之外，還能兼顧建築物使用人員的舒適度。以上這兩點，都是概算法和迴歸式無法做到，但又是空調操作程序最佳化不可或缺的。

建築節能效益評估

能源模擬一個很大的特點就是互動性(interactive)，即能計算建築物中所有因子環環相扣的影響，所以當我們評估一個節能設計的效益時，我們除了考慮這個設計的直接影響外，尚需考慮這個設計帶來的間接影響。一般做節能效益評估時皆使用概算法，僅能考慮這個設計的直接影響，而無法就建築物所有的影響因子做一整體性的考量。舉例來說，一般我們減少室內照明帶來的節能效益就是照明用電量減少了，這是直接影響。但在減少室內照明的同時，室內熱源也減少了，這將造成夏天的冷氣用量降低，間接造成空調方面的節能；但若有使用暖氣，室內熱源減少將造成冬天暖氣用量增加，在空調方面反而增加耗能。所以對減少室內照明這項節能設計做效益評估時，最完整的方式要同時考慮照明和冷氣節能量及暖氣耗能量，才能知道減少室內照明這項我們直覺上認定可以節能的設計到底是節能還是耗能。我們現在舉一個虛擬的例子，一棟台北地區二層樓高共700坪的辦公建築，上班時間為一年260天，每天9小時，原本室內照明設計為每坪51.6W，現在減少室內照明至原本的一半，即每坪25.8W，試評估本節能設計的節能量。

• 概算法：原本每年室內照明用電量為51.6 X 700 X 260 X 9 = 84,520.8 kWh/year，減少至25.8W後每年室內照明用電量為25.8 X 700 X 260 X 9 = 42,260.4 kWh/year，共節能 84,520.8 – 42,260.4 = 42260.4 kWh/year。
• 能源模擬：這邊使用能源模擬軟體eQUEST為例，將建築物相關資訊輸入後，在僅更改照明設計的情形下分別以每坪51.6W及每坪25.8W跑模擬，得到的結果如下圖。
  

首先我們可以發現，在室內照明(Task Lighting)部份的用電量比概算法算出來的少，這是因為在能源模擬軟體中可以設定各個空間的照明排程(Lighting Schedule)，可根據人員使用多寡決定照明負載，但在概算法中一般皆如上式直接使用全載來計算(概算法亦能根據照明排程來計算，但計算量大且所費需時，反而喪失概算法省時的優點)。再來我們可以發現，在將照明設計減少一半後，室內照明用電量和冷氣(Space Cool)用電量減少了，但暖氣(Space Heat)用電量反而增加了，最後總節能量為164,190 – 120,320 = 43,870 kWh/year，約與概算法差了1,600度電。



從這個簡單的例子就可以看出，能源模擬所能考量的範圍非概算法所能相比，當納入更多的節能設計時，每個設計間的交互影響就越來越多，情況也越來越複雜，非能源模擬沒辦法得到正確的節能效益評估結果。而除了新建築物設計階段的節能評估外，在舊建築物的節能改善上，能源模擬亦佔有重要的地位。這是因為進行節能改善措施時，首要即是評估節能改善措施的成本回收年限(payback year)，去判斷這項節能改善投資是否符合經驗效益，這就得依靠能源模擬軟體精準評估出改善措施每年的節能量，對能源技術服務業(Energy Service Company, ESCO)進行的節能績效保證契約(Energy Saving Performance Contract, ESPC)尤其重要。一旦節能績效評估不準確，即可能造成公司虧損及週轉的危機。

希望藉由以上介紹與實例，能讓讀者們了解到使用能源模擬來取代概算法及迴歸式的必要性。

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