建築能源模擬(Energy Modeling, Energy Simulation)為使用電腦模型,針對建築物在營運時的能源使用量進行模擬計算,得到建築物的能耗量及營運成本。能源模擬的最大特點為能逐時(hour-by-hour)、分區(space-by-space)進行互動式(interactive)能源消耗量計算。較之傳統經驗式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)。

 

什麼是能源模擬

簡單來說,能源模擬為使用電腦程式,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,進行逐時能耗計算。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。

 

新建築能源模擬設計流程

理想中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。首先進行基地選擇、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。接著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。最後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。

 

能源模擬的特點

一、逐時分析(hour-by-hour)

能源模擬採取逐時分析的方式進行動態(dynamic)模擬,有別於一般傳統的概算法。在能源模型中,會依建築物及外在環境每個時刻的情況計算出當時的能耗量,並依當時的費率計算出當下的電費、瓦斯費…等能源成本。由於建築物的內在情況(如人數、溫度設定…等)及外在環境情況(如室外氣溫、風速、太陽輻射強度…等)都不斷隨著時間在做變化,且前一時刻的條件有可能影響到後一時刻的條件(如建築外牆儲熱的延遲效應),所以惟有採取逐時步進分析的模擬方式才能算出準確的能源消耗量。

二、分區計算(space-by-space)

在實際情況下,建築物中的各個空間性質不一,且彼此互相影響。例如沿著外牆周圍的空間受到太陽的影響較建物核心區大,並會將熱往內傳到核心區。在能源模型中,會針對各個空間進行模擬,並將鄰近區域造成的影響考慮進去。

三、互動性(interactive)

互動性最簡單的意思就是彼此互相影響,可以說使用能源模擬的最終目的就是為了能進行互動性的計算。在能源模型中,互動性即各個參數彼此之間互相影響的關係,逐時分析及分區計算就廣義來說,也是為了達到互動性的一種方式。舉例來說,當你為建築添加遮陽設計時,一方面可以因減少日曬而降低空調的使用量,但另一方面卻也因減少日光而使得白天的照明電量增加。所以如何判斷添加的遮陽是不是一個好設計?此時就得依賴能源模擬的互動性特點才能予以解答。

 

能源模擬的應用

一、新建築的設計

能源模擬在新建築設計中的應用最明顯,且導入設計階段的時間越早,成效越彰,這可從上頭的設計流程看出。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。

二、舊建築的節能改善

在舊建築的節能改善中,一項很重要的評估指標即成本回收年限(payback years)。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。

三、美國綠建築LEED認證申請

美國綠建築評級系統LEED(Leadership in Energy and Environmental Design)為目前全世界最多人申請的綠建築認證,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。除此之外,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。

 

總結

本文目的在概略性地介紹能源模擬,從流程、特點、應用等出發,希望讓讀者能從一個較高、較全面的角度來認識能源模擬,建立初步的概念,最重要的是勾起大家對能源模擬的興趣。能源模擬在國外已有長久的發展歷史,但在台灣仍在起步階段,尤其在實務界方面,更是少有人使用。但從本文中,相信大家可以認識到,正確的能源模擬將能科學化地設計出節能綠建築,更進一步達到零碳建築(zero carbon building)的理想。希望在不久的將來,這個理想能靠著建築師、空調技師、能源模擬師、建築物使用者…等各方人士的整合,在台灣實現!

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