112 年 國立臺灣大學農藝系暨研究所生物統計乙組《建築環境控制》

本題主要在測試考生對於建築節能與熱舒適性相關名詞的理解與區分能力。

(1) 淨零能源建築 (Net zero energy building) 與 淨零排放建築 (Net zero emission building)

• 淨零能源建築 (Net zero energy building, NZEB)：

  • 定義：指建築物在一個年度內，其使用能源（通常指來自外部電網的能源）的總量，與其建築物本身再生能源的生產總量相抵後，淨值為零或負值。
  • 核心概念：強調的是「能源」的淨零。建築物本身或其基地所產生的再生能源（如太陽能光電）必須足以滿足其全年消耗的能源。這通常意味著建築物需要極高的能源效率設計，並搭配足夠的再生能源發電系統。
  • 重點：關注的是建築物「使用」的能源量與「生產」的能源量之間的平衡。

• 淨零排放建築 (Net zero emission building, NZEB)：

  • 定義：指建築物在一個年度內，其營運過程中產生的溫室氣體總排放量（包括建築物使用能源產生的碳排放，以及其他營運相關的排放），與透過建築物自身或外部抵銷（如購買碳權、植樹等）所減少的溫室氣體總量相抵後，淨值為零或負值。
  • 核心概念：強調的是「溫室氣體排放」的淨零。這比 NZEB 的範圍更廣，不僅包含能源使用，還可能涵蓋建築材料的生產、運輸、維護、廢棄等生命週期中的排放，或是其他非能源相關的營運排放（如冷媒洩漏）。
  • 重點：關注的是建築物「產生」的碳排放量與「抵銷」的碳排放量之間的平衡。

• 差異闡述：

  • 範疇：NZEB 主要關注「能源」的淨值，而 NZEB (emission) 則關注「溫室氣體排放」的淨值。
  • 涵蓋範圍：NZEB 主要著重於建築物營運階段的能源消耗與生產。NZEB (emission) 的範疇可能更廣，可涵蓋建築的生命週期（如建材、施工、拆除）或更廣泛的營運排放。
  • 達成方式：NZEB 主要透過提高能源效率和安裝再生能源系統來達成。NZEB (emission) 除了上述方法外，還可能需要透過其他碳抵銷機制（如碳權購買）來達成。
  • 關係：一個達成 NZEB 的建築，很可能同時也達成 NZEB (emission)，但反之不然。例如，一個建築物能源自給自足（NZEB），但其使用的部分再生能源設備（如太陽能板）在生產過程中碳排放量很高，或其營運中尚有其他無法避免的碳排放，則可能不是 NZEB (emission)。反之，一個建築物可能透過購買大量碳權來抵銷其能源使用產生的碳排放，使其成為 NZEB (emission)，但其本身能源效率可能並不高，並非 NZEB。

(2) 熱平衡模型 (Heat balance thermal comfort model) 與 熱適應模型 (Adaptive thermal comfort model)

本題主要在探討建築照明節能的策略，需要從設計手法和技術層面進行闡述。

建築照明節能之手法與考量事項

建築照明節能主要可從「提高能源效率」與「減少不必要照明」兩大方向著手，並可透過優良的設計手法與先進的技術來實現。

一、 設計手法層面

1. 自然採光最大化 (Daylighting Integration)：

   • 手法：透過建築設計，如加大窗戶面積、設置採光井、天窗、光導管，以及運用淺色或反射性內裝材料，將自然光引入室內空間，減少對人工照明的依賴。
   • 考量事項：需注意自然光的引入是否會造成眩光、過度日照熱能增加（尤其在夏季），以及自然光分布的均勻性。需搭配人工照明系統，在自然光不足時自動補足。

2. 空間機能與使用分區 (Space Functionality and Zoning)：

   • 手法：針對不同空間的使用需求（如辦公區、會議室、走道、儲藏室）和使用時間，設計不同照度標準和照明控制策略。例如，走道和儲藏室可採用較低照度，並配合感應器控制。
   • 考量事項：確保各區域的照度符合人體工學和視覺作業需求，避免過度照明。

3. 照明系統規劃與配置 (Lighting System Planning and Layout)：

   • 手法：合理規劃燈具的數量、類型、位置與間距，以達到均勻、充足且無眩光的照明效果。避免燈具過密或位置不當造成浪費。
   • 考量事項：考慮燈具的發光效率 (lm/W)、光分布特性、演色性 (CRI)、色溫 (CCT) 等，並預留未來空間調整的彈性。

4. 視覺舒適性設計 (Visual Comfort Design)：

   • 手法：減少視覺眩光（直接眩光、間接眩光），確保光線品質，提供良好的視覺環境，避免視覺疲勞，進而提升工作效率與舒適度。
   • 考量事項：燈具的遮光角、格柵、柔光罩的設計，以及牆面、天花板、桌面等表面的亮度分布。

二、 技術層面

1. 高效率光源替換 (High-Efficiency Light Sources)：

   • 技術：將傳統白熾燈、螢光燈替換為 LED (Light Emitting Diode) 燈具。LED 具有高光效、長壽命、可調光、體積小、無汞等優點。
   • 考量事項：LED 燈具的品質差異大，需選擇信譽良好、光效高、演色性佳、壽命有保證的產品。同時考量其散熱設計，避免過早衰退。

2. 智慧照明控制系統 (Smart Lighting Control Systems)：

   • 技術：
     • 感應器控制 (Sensor-based Control)：

本題旨在探討雙層玻璃帷幕外牆（Double Skin Facade, DSF）的定義、節能優缺點，以及在台灣亞熱帶濕熱氣候下的適用性與考量。

一、 Double Skin 玻璃帷幕外牆 (DSF) 定義

Double Skin 玻璃帷幕外牆是一種建築外殼設計，其特徵是在建築物外層與結構牆體（或內層帷幕牆）之間，形成一個具有一定厚度的空氣層（或稱為「腔體」）。這個空氣層通常由兩層玻璃或玻璃與其他透明/半透明材料構成，其中一層是外層的玻璃帷幕，另一層是內層的玻璃帷幕或結構牆上的開窗。空氣層的厚度可從數十公分到數公尺不等，且通常設有進、排氣口，並可透過百葉窗、遮陽板等裝置來控制進入空氣層的日照與通風。

二、 DSF 在節能上的優缺點

優點：

1. 改善熱性能，降低空調負荷 (Improved Thermal Performance, Reduced HVAC Load)：

   • 保溫效果：冬季時，空氣層可作為一層緩衝，減少室內熱量向外散失，類似於雙層窗戶的保溫作用。
   • 隔熱效果：夏季時，若能透過通風將空氣層內積聚的熱空氣排出，或利用遮陽裝置阻擋日照，可有效降低進入室內的太陽輻射熱和傳導熱，減少夏季空調負荷。
   • 熱能回收：在冬季，建築物內部的熱量（包括太陽輻射熱和內部發熱）可以被空氣層吸收並重新利用，或透過控制通風將熱量導向需要的部分。

2. 自然通風與採光 (Natural Ventilation and Daylighting)：

   • 促進自然通風：透過煙囪效應（Chimney Effect）或風壓作用，空氣層可引導新鮮空氣進入室內，改善室內空氣品質，並在適當的室外條件下，減少對機械通風的依賴。
   • 增加自然採光：外層玻璃與內層玻璃之間的空間，有助於將自然光更均勻地引入室內，減少對人工照明的需求。

3. 隔音效果 (Acoustic Insulation)：

   • 雙層結構及其間的空氣層，能有效阻擋外部噪音傳入室內，提供更寧靜的室內環境，尤其適用於噪音較大的都市環境。

4. 遮陽與控制 (Shading and Control)：

   • 在空氣層內設置活動式遮陽裝置（如百葉、捲簾），可以有效阻擋強烈的太陽輻射，且相較於設置在建築外部的遮陽，其維護更方便，且不易受風雨侵蝕。

缺點：

1. 初期建造成本高 (High Initial Construction Cost)：

   • 相較於單層玻璃帷幕牆，DSF 需要兩層玻璃、結構支撐、空氣腔體、通風與控制系統，導致建造成本顯著增加。

2. 空間需求與結構負荷 (Space Requirement and Structural Load)：

   • 空氣層的寬度需要額外的建築空間，增加了建築的總體積和結構負荷。

3. 維護與清潔複雜 (Complex Maintenance and Cleaning)：

   • 夾在兩層玻璃之間的空氣腔體，其清潔與維護相對困難，尤其是在高層建築中。

4. 控制系統複雜性 (Complexity of Control Systems)：

   • 要有效利用 DSF 的節能潛力，需要精密的控制系統來管理通風、遮陽，以應對不斷變化的室外氣候條件和室內需求。系統設計與操作失誤可能導致節能效果不彰，甚至適得其反。

5. 夏季悶熱風險 (Risk of Overheating in Summer)：

   • 若通風和遮陽控制不當，空氣層可能積聚過多熱量，反而增加室內熱負荷，導致夏季悶熱。

本題主要在探討中央空調與個別式空調的差異、節能選用原則，以及各自的節能技術與原理。

一、 中央空調與個別式空調之差異

二、 節能考量之選用原則

選擇中央空調或個別式空調，節能是重要的考量因素之一，其選用原則主要基於以下幾點：

1. 建築規模與空間劃分：

   • 大型建築、開放空間、均勻需求：中央空調通常是較優的選擇。其集中處理空氣、統一送風的模式，在高效率主機的加持下，尤其在滿載運轉時，整體能效可能更高。
   • 小型建築、住宅、獨立房間、需求差異大：個別式空調（特別是 VRF 或高效分離式冷氣）可能更節能，因為可以針對個別空間的需求進行精確控制，避免不必要的製冷或製熱，減少能源浪費。

2. 負載變化性與精確度要求：

   • 負載變化大且需精確控制：VRF (Variable Refrigerant Flow) 系統作為一種先進的個別式空調，可根據各室內機的負載需求，精確調節冷媒流量，在部分負載時能維持較高的效率，非常適合負載變化大的場合。
   • 負載相對穩定且要求統一舒適：傳統中央空調（如冰水系統）在穩定負載下效率高，但若需為每個房間獨立精確控制溫度，則需搭配 VAV (Variable Air Volume) 等系統，增加了複雜度和成本。

本題旨在探討我國政府設定 2050 淨零排放目標後，住商部門應如何因應，這涉及建築物在能源消費與減碳方面的策略。

我國住商部門因應 2050 淨零排放目標之策略

2050 淨零排放目標的達成，需要社會各界的共同努力，其中住商部門作為主要的能源消費端，其因應策略至關重要。住商部門的能源消費主要用於照明、空調、通訊設備、家電等，因此，其減碳行動主要聚焦於提高能源效率、使用再生能源，以及改變消費行為。

一、 提升建築物能源效率 (Improving Building Energy Efficiency)

這是住商部門最直接且有效的減碳途徑。

1. 建築物設計與新建 (New Construction)：

   • 綠建築標章與認證：鼓勵新建建築取得綠建築標章（如 EEWH）或鑽石級綠建築，這些標章強調建築的節能、綠化、水資源、廢棄物、健康樂活等面向。
   • 被動式設計 (Passive Design)：在建築設計階段，充分運用自然採光、自然通風、良好的隔熱（如高效率外殼、複層玻璃）、遮陽等設計，從根本上減少對主動式空調和照明的依賴。
   • 高效率設備選用：強制或鼓勵使用能效等級高的空調、照明、熱水器、家電等設備。

2. 既有建築改善 (Retrofitting Existing Buildings)：

   • ESCO 節能服務：鼓勵與推廣能源服務公司 (ESCO) 模式，透過專業的節能診斷與改善工程，為既有建築進行隔熱、門窗更新、空調系統升級、照明汰換等，並以節省的能源費用來回收投資。
   • 設備汰換補助：政府可提供補助，鼓勵住戶及商家汰換老舊、低效率的空調、冰箱、熱水器等設備，更換為國家認證的節能標章產品。
   • 智慧化升級：導入智慧電表、智慧照明、智慧溫控器等，實現能源使用的可視化與精確化管理，進而優化能源使用模式。

二、 導入與使用再生能源 (Adopting and Utilizing Renewable Energy)

在確保能源效率的基礎上，增加再生能源的使用比例。

1. 屋頂太陽光電系統 (Rooftop Solar Photovoltaic Systems)：
   • 鼓勵安裝：提供補助、簡化申請流程、推動躉購電價等措施，鼓勵住戶及商家在自有或可利用的屋頂空間安裝太陽光電系統。
   • 共享與儲能：推動社區型太陽光電、虛擬電廠、以及搭配儲能系統的應用，提高再生能源的利用率和穩定性。