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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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老建築走出節能路

賴麗秋

工研院綠色低碳院區

「雁門關外野人家,朝穿皮襖午穿紗。」
原本形容沙漠型氣候日夜溫差極大的一句諺語,現在卻適用於許多地區!
當極端氣候成為常態,你我還可以無動於衷嗎?
節能減碳,打造低碳永續家園的腳步必須更積極!
從發展綠色生態環境與能源科技出發,工研院正進一步引導低碳家園的營造;綠色低碳院區(Green Campus)不僅是前瞻綠色科技的實驗場域,更是不久的將來,低碳生活的藍圖。


走進工研院64館,這裡不僅是工研院前瞻綠色科技研發大本營,也是綠色低碳院區(Green Campus)計畫的起點。這棟使用已近三十年,外觀平凡的建築,在陸續導入工研院研發的各項綠色科技與產品後,不僅擁有創新技術的新靈魂,更是老舊建物智能化的新典範。

工研院自2011年推行Green Campus計畫,範圍涵蓋中興院區、光復院區、六甲院區及南創園區等;由於新院區在規劃之初,即已融入節能減碳概念,因此綠色低碳院區計畫真正的挑戰,在舊院區才要開始!

「低碳社會不是說說而已,需要持續地進行。」工研院院長徐爵民語重心長地說:「台灣能源絕大部分仰賴進口,節能只靠隨手關燈是不夠的;必需要利用科技來提升節能效率。」

今年適逢工研院40週年,徐爵民期許同仁除了著重在科技的研發,更要以工研院為前瞻性技術的試驗場,將綠色理念融入產品研發、技術創新與日常生活中。因此,只要是有助低碳院區計畫執行,不論是開發中的技術,甚至是已完成技轉的技術,都有可能派上用場,因為在工研院內,有將近80棟老建物正等著被改造。

Green Campus節能效益顯著

Green Campus計畫主持人陳式千協理指出,工研院以自有院區做為各項新技術的實驗場域,除加速綠色科技的產業化;同時落實節能減碳理念,發揮院區綠色改造典範的功能,進一步帶動國內相關產業發展。

整個綠色低碳院區以「綠色低碳基礎設施建構」、「老舊建築智能化」與「智慧電網監控設施建構」為主;同時號召同仁共同落實低碳的工作與生活。

陳式千表示,整體計劃以2010年為基準,期至2017年達成節能30%,減碳40%,環境綠覆率可以提升至75%以上的目標。

陳式千進一步指出,目前在整體建物耗能部份,改善最顯著的當推中興院區的10館,與計畫實施前相較,節能達32%,2012年的耗電密度(EUI)只有83;其次為64館,節能15%,EUI為87.6。若與能源局調查台灣大型辦公室平均EUI值約在150左右相比,Green Campus計畫已經降低了四成的用電量。

再就2012年已進行措施的預估效益,陳式千表示,總減碳量(包括節電、節紙、節水、節瓦斯、PFC電子產品節能、綠覆率與電動接駁車充電站等之總效益)為7123.4噸;總節電量達386.8萬度;綠覆率也提升至64.4%。就全院總節電量與減少的二氧化碳換算,相當於19.25座的大安森林公園,顯見節能效益非常可觀。

變頻式冰水機 節能15%

但是,節能光靠硬體改善還不夠,更要smart。在Green Campus計畫中,老舊建築要逐一進行智能改造。陳式千指出,運用工研院各項新科技,進行老舊智慧建築節能改造,自2012年開始至今已有8棟建物正進行中;10館是第一個改建成功的案例,在導入了工研院自行開發的「高效變頻式冰水機」與「空調水泵智慧變頻控制技術」後,全建物耗電較原先節電了20%。

國內以往冰水機均需仰賴國外進口,無法在維修體系中取得合理的成本;於是工研院積極投入冰水機技術的開發,由螺旋機開始,一路發展到大型的離心機,再進一步導入變頻技術。

工研院綠能與環境研究所正研究員劉中哲指出,螺旋式冰水機有無變頻功能,在節能效益上的差距達25%;由此可見,10館導入「高效變頻式冰水機」後可產生的節能效益,預估在夏季尖峰耗電可以立即省下三分之一,全年總耗電量約可節省15%。

相較於國際水準的冰水機,工研院研發的冰水機效能係數COP值(Coefficient of Performance)達5.11,較國際水準的4.45優異。工研院開發的變頻螺旋式與離心式冰水機已技轉給國內包括力菱、鑫國等廠商,壓縮機技術也技轉給漢鐘等廠商,建立了國內冰水機的完整自主產業鏈。

10館全建物空調耗電大幅降低的另一個幕後功臣也不容忽視,就是「空調水泵智慧變頻控制技術」。綠能與環境研究所經理陸忠憲指出,室內空調溫度的維持,主要是透過冰水機、冰水泵、冷水泵與水塔等設備組成不斷循環運轉的系統;這些設備也許都有各自最佳操作數據,但不是將這些各自最佳操作數據組合起來,就可以達到最佳節能效果;想達到最佳節電效益,就不能讓這些設備各自為政,而是取得彼此間和諧的運作數據。

工研院開發的空調水泵智慧變頻控制技術,便可依據室內氣象與室內熱負荷條件,由歷史操作數據找出最佳的運轉條件,再控制空調系統水側的冰水泵與冷卻泵變頻運轉,進而達到10%到50%的節電效果。

節能秘密武器 變頻磁浮式冰水機

繼變頻螺旋式與離心式冰水機的技術開發,工研院進一步投入磁浮軸承技術的開發。劉中哲指出,在2009年時發現美國已有業者開發類似的產品,研發團隊有了初步的想法,之後陸續有廠商推出相關產品,讓他們更確認磁浮軸承冰水機未來發展地位;經過4年的研發,由國人自行研發的變頻磁浮式冰水機已於工研院64館進行耐久性運轉測試,預計5月就可以正式運作。

變頻磁浮式冰水機是採用主動式磁浮軸承,利用磁力控制將轉子穩定懸浮,使主軸不與軸承接觸,達到高速無摩擦的效果。劉中哲指出,相較於傳統螺旋式冰水機,變頻磁浮式冰水機在體積與重量上均大幅縮減,同時運轉時噪音也低於75分貝;更重要的省電效率較傳統式高60%,每年約可為64館省下25,000度的電力。

提起變頻磁浮式冰水機的開發過程,劉中哲指出,由於其中涉及的磁浮技術是與日本合作,初期確實面臨到雙方文化差異與技術溝通的問題。劉中哲說,他們向日方提出以夥伴(partner)關係合作,而非單純的供應商角色,為雙方合作擘劃願景,一旦技術開發成功,日後雙方可以共同發展衍生公司,擴大發展。這個想法獲得日商的認同,因此對於後續技術的提供與信賴度等問題,都有了完善的解決。

目前這項計畫鎖定商用市場,劉中哲指出,變頻磁浮式冰水機全球潛在商機約有 2萬台,可帶動20億美元的產業鏈。除此,磁浮軸承與高速流機技術還可以延伸運用於雲端數據中心的散熱、綠建築能源再生空調等,預估潛力產值高達50億美元。

劉中哲表示,變頻磁浮式冰水機關鍵的磁浮離心式壓縮機技術,已經技轉給國內多家廠商;目前工研院在變頻磁浮式冰水機自製率約75%,他們預計在2016年達成100%自製目標。

人因照明系統的人性看得到

照明系統是一般大樓最耗電的項目之一。目前工研院已經將院區路燈照明全數更換為LED燈,預估1年可以省下18萬度電;將院區內所有日光燈管全數更換為T5環保燈管,也可省下25%到30%的耗電。

發揮LED照明體積小、發熱量低、耗電量小及壽命長等優點,64館一樓接待大廳正進行一項革命性的照明系統展示,「人因照明系統」是運用工研院首創光環境演算法,結合人因照明設計與照明控制技術。綠能與環境研究所所長童遷祥指出,人因照明系統可以隨著戶外陽光的走向、強弱,調整燈具照明的亮度與色溫,平均可節省30%的照明用電;因應不同場域與需求,營造舒適的照明環境。

童遷祥指出,今日照明不僅是一盞燈,而是一整個系統,是生活必需品,是現代建築物必備的設備;目前在64館展示的人因照明系統,計有10種照明模式,可因應不同的情境需求;這也是LED燈具日後發展重要的附加價值。目前人因照明系統的軟、硬體技術已分別技轉給精聯電子與神通資訊公司。

iBEMS許你一個舒適的節能空間

綠色低碳院區的營造,除了硬體設備的改善,如果進一步針對建物、使用者等進行耗能分析與管理,所有耗能的因子也將無所遁形。

目前全院區的智慧電網監控設施建構,已完成20棟建物電力監控系統的建置,及30棟建物電力系統調查與評估,同時完成全院智慧電網電力監控iPOWER平台,建立院區建物的耗能分析。

為打造最節能舒適的環境,工研院開發智慧型建物節能管理系統iBEMS,陸忠憲指出,iBEMS採用低耗能的Zigbee無線感測器進行室內溫濕度、二氧化碳等監控,是一套具有整合即時氣象資料、室內感知資料及建物模擬,提供全面性建物用電管理系統。

透過iBEMS對收集資訊的統計與深入分析,可以找出建物耗能問題點,進而改善不必要的耗電,經由系統的分析管理與控制,可達到建物整體用電減少10%到15%。預計3年內就可以回收成本。目前這套系統也已經技轉予穎瑭公司。

陸忠憲指出,利用感測控制技術節電效益雖不如硬體設備更換效率明顯,卻可以更細微的監控用電資訊;未來系統會加入模擬分析功能,對建物節能管理會更聰明。

提起系統開發的過程,陸忠憲表示,這是團隊花了2年時間開發完成的大型系統,最困難的地方在於系統收集資料量非常龐大,如何要系統在3分鐘處理40萬筆資料,然後不塞車,在在考驗同仁的能力。

量身打造的iSleep電腦休眠軟體

大至環境的監控,小至個人電腦的管理,節能可是任何一個環節都不可放過。透過iSleep電腦智慧休眠管理軟體,硬是要再省下10%到15%的電力。

陸忠憲指出,在辦公室個人用電中,資訊設備用電超過70%,是節能改善的重要項目;雖然每一台電腦都內建有休眠軟體,但因使用不便,多數人不會利用。一般電腦螢幕用電介於30到40W,主機用電約在70到140W,使用者如果長時間不在座位,或是下班忘了關機,造成的電力損耗,長期累積下來也是相當可觀。

工研院開發的iSleep可依據使用者習慣,自動學習並調整電腦主機與螢幕休眠時間,讓使用者在不知不覺中就習慣休眠。為了讓使用者對節電更有參與感,開發團隊在系統內加入節能分析功能,隨時顯示使用者用電資訊,與節能程度。

自動關燈 空盪會議室不再耗能

在辦公室內還有一個容易忽略的耗能空間,就是會議室,往往會議一結束,大家一走了之,照明、空調沒關,可能要等到下一組會議使用者進入後才會發現。

為此,工研院開發了「會議室智慧節能控制系統」,只要偵測會議室沒人了,1分鐘後即會自動關閉電源。陸忠憲表示,利用智慧型紅外線動作感測器,偵測會議室中的狀況,沒人時,自動關掉電燈、空調或投影機,減少耗電。如果以3到5坪會議室為例,包括燈具、冷氣機、投影機等,以每周2天透過系統自動關閉電源來統計,1年約可省下5,930元的電費。

陸忠憲也表示,由於會議往往有高層或是外賓參與,系統的穩定度非常重要,千萬不可在會議中突然關燈、關空調。為了降低失誤率,在系統安裝前,需要先在會議室進行人員行為分析,偵測與會人的大、中、小動作,決定感測器安裝位置;一般來說,越是細微的小動作,如動手指,因範圍窄,偵測難度也較高,但相對的,誤判率也會降低。

工研院開發的會議室智慧節能控制系統因穩定度高,也受到台積電的青睞,已經進駐台積電7間會議室,後續還將持續導入。陸忠憲表示,進入台積電是對這套系統很大的考驗也是肯定,因為台積電要求嚴格,只要出了一次差錯,就沒有下次了。

綠色運輸 開拓新空間

綠色低碳院區的二氧化碳減排除了建物,川流於其中的交通運輸當然也要兼顧。車輛電動化的綠色運輸已經在院區陸續導入示範運行,同時也在院外也進行實驗運行。

陳式千指出,綠色運輸在工研院已實施多年,如實施多年的短程移動工具U-Bike自行車,迄今已有78萬人次使用;院區內警衛巡邏也改採電動機車;除此,來往於中興院區與高鐵新竹站間的接駁,也自2011年開始採用電動車運行,每年運行1萬 8千公里,共計減少3,796.2公斤的碳排量。

機械與系統研究所副所長王漢英指出,為消除一般人對電動車馬力不足、跑不遠等既定印象,透過示範運行,搭乘過的人對電動車的疑慮也逐漸消除,效果良好。由於院區使用型態有限,工研院希望可以擴大運行範圍如物流、企業接駁等應用。

王漢英透露,目前新竹貨運已經開始在市區內的物流試行電動車。由於物流車在市區內因送貨而走走停停,同時穿梭在住宅區內,汽車噪音也是一大問題。如果採用電動車,則可以解決上述的問題;且物流車隊行車區域與路線固定,對電動車續航力、保養、充電站等設置的疑慮,反而更容易解決。

透過院區內的示範運行,以及與物流業者的院外實驗運行,王漢英表示,其實電動車既有的功能都已經可以滿足物流業者需求;經由業者的意見回饋,他們發現電動車可以有更多的創新。因此,在第二期的合作計畫中,將會加入更多附加價值的改善,相信對於推廣電動車有更大的助力。

綠色科技產業化之路更順暢

陳式千指出,藉由各項創新技術的導入與應用,已逐漸展現出綠色低碳院區的效益,許多綠色科技的轉移,也加速了綠色科技產業化的發展。未來仍將持續綠色低碳院區的建置與技術擴散。

由計畫執行至今展現出的成果,陳式千很有信心一定可以在2017年達成全院節電30%、減少碳排40%,及環境綠覆率超過75%的目標。

陳式千還透露,低碳生活除了綠化,美化也是重要的一環。而工研院64館外的生態池與周邊景觀,除了提供休閒,更是環保、生態教育最佳教材。目前正進行螢火蟲復育的生態池,順利的話,也許在今年就可以在生態池享受到晚風徐徐、螢火點點的熱鬧夏夜。

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