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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

381期2024年1/2月號

出版日期:2024/02/07

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電網互動式建築智慧節能

撰文/陳怡如

淨零永續的建築挑戰-電網互動式建築智慧節能。
淨零永續的建築挑戰-電網互動式建築智慧節能。

隨著淨零減碳風潮吹到食衣住行各個領域,建築也不例外。為了提升住、商建築的能源效率,並且協助電力調節,提升電網韌性,新一代採用智慧技術的節能型建築「電網互動式建築」就此誕生。

當淨零成為全球趨勢,用能設備也逐漸朝向電氣化發展,未來電網負荷調節將愈來愈複雜,讓建築裡的能源管理也成為關注焦點,催生了電網互動式建築(Grid-interactive Efficiency Building;GEB)的興起。

工研院產業科技國際策略發展所經理李宏俊指出,所謂的電網互動式建築,是指運用資通訊科技,如物聯網(IoT)、人工智慧(AI)、資料探勘(Data Mining),對住、商部門建築,主動進行電力調控、電力需量反應以及調配分散式能源,並搭配高能效的建築與用能設備,將能源使用效率最佳化,同時滿足必要的電網服務和使用者需求,減少能源費用。

「GEB的獨特之處在於,它能夠連接本地電網系統並與之互動調控,電網和GEB之間的雙向信息流,使建築物內部的用能設備能夠作為電網配置調度的靈活資源。」例如當電網處於高峰使用時,建築物可以利用離峰儲存能量轉移其負載;或是通過調暗燈光及減少暖通空調(HVAC)能源消耗等方式減少負載。

淨零趨勢、用電增長 促使GEB誕生

GEB的出現,李宏俊歸納出四大背景,首先經濟持續成長,用電需求持續增加,也加重電力系統負荷。第二,淨零趨勢促使再生能源占比提升,但再生能源的發電量與氣候高度相關,不可控因素提高,當再生能源大量併網後,電力系統也會遭遇不同挑戰。第三,隨著電動車、電氣化設備日益普及,對現有電網系統也形成新的挑戰。第四,全球倡議淨零排放運動,政府以及企業面臨減排壓力日益提升。

在這樣的情況下,「讓能源、用電結合新興科技,如物聯網、大數據,可提升能源使用效率,提高用電彈性化,減輕電網負荷、節約能源、促進零碳,並進一步創造更多節能科技商機。」

美國能源部自2018年就開始研討GEB相關技術,預估導入GEB後,到2030年,在中度導入的情境下,尖峰負載減少量為原有的1.56倍(15.6 GW),節電量為原來的1.28倍(505 TWh)。若在積極導入的情境下,尖峰負載減少量則為原有的3.33倍(33.3 GW),節電量為原來的1.81倍(622 TWh)。

其他非量化效益還包括減緩對配電供應的負荷,更有彈性地調整電力供應配比,消費者可在不影響住商空間的舒適系和生產效率的情況下,享受更有彈性的費率,提升性價比。在淨零趨勢下,也可以減緩來自節能減排的壓力,減少再生能源採購數量,同時提升適應特殊氣候變化的能力,未來隨著電氣化設備比例增加,以及電動車滲透率提升,GEB的效果也將更加提升。

技術持續進展 仍有不少挑戰

GEB調節電力有幾個運作模式,包含提升能效(EE)、降載(Load Shed)、轉載(Load Shift)和調控(Modulate)。實際應用技術如智能恆溫系統、智慧照明、熱儲存系統、相變化儲熱(冷)材料、熱晶體等,或是整體的預知控制系統,能與能源管理系統整合,透過大數據分析預測天氣和行為模式,進行用電設備的儲能與調節,轉移尖峰時的用電。

也有將電腦、電子設備等產品的電源管理控制,自動轉換為低功耗模式,並以最小功耗讓設備保持連接以進行開機。或是打造直流供電系統,直接供應直流電給用電設備,減少交╱直流電轉換損耗,提高能效,並可直接與再生能源、儲能櫃整合,進行負載轉移。

GEB看似優點不少,但李宏俊也指出,導入GEB仍需克服幾大障礙。目前系統的通訊能力和互通性尚未普及,缺乏互通性將大幅增加系統整合成本,並阻礙採用或優化GEB,複雜的自動化控制技術,也降低管理者採購與參加的意願;此外,在互通性的同時,資安問題也至關重要。

對電廠、運營商來說,只有在滿足特定法規或標案條件才會規劃能效以及直接驅動力指標(DF),目前尚無財務或監管激勵措施,促使電網事業考慮這些選項。此外,GEB也考驗電廠、運營商的信任度,目前運營商對於要聚集達到具備電網規模的GEB數量仍有疑慮,對比傳統的發電方式,GEB對電網及時性的反應能力與速度也還未確定。

此外,也缺乏評估GEB效益的方法及工具,使用者缺乏GEB所帶來的量化財務價值,投資者擁有的電力公司,通常沒有足夠的財務激勵來提升能源效率,並在投資報酬率不明的情況下導入GEB。

四大策略 助攻臺灣發展GEB

雖然挑戰不少,但在全球低碳、零碳的發展趨勢下,GEB的重要性仍日益增加。李宏俊建議,未來臺灣可朝以下四大策略進行,首先加速研發GEB所需要的技術以及資料,並強化研發未來技術。第二,推動創新性、有充足誘因的GEB計畫,強化使用者與電廠對GEB的價值觀。

第三,建立提供管理者設計開發GEB以及規劃營運策略工具,為有關人員建構GEB所需要的能力。第四,推動示範計畫,落實GEB技術及新興商業模式。透過多管齊下的方式,實現GEB的節能效率與靈活性。

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