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Assessment of Residential Building’s Energy Consumption and
Improvement
............................................................................
............................................................................................1
1-1 ……………………………………………….. 1
1-2 ....................................................................10
...............................................................................12
2-1 .................................................................................13
2-2 eQUEST ...………………………………14
2-3 .................................................................14
...................................................................19
3-1 ...................................................19
3-2 …………...………………………………20
Abstract
According to the U.S. Energy Department survey in 2007, residential energy
consumption accounted for 21.4% of the total annual energy consumption. The
purposes of this study are to analyze the actual residential energy consumption
through eQUEST software; and, collocating with building energy classification
label of different countries, to understand more comprehensively the causes of
continuously rise in global residential energy consumption and to explore the
directions to improve. The study takes the Sung Shan public housing of Taiwan
Taipei as the actual case for analysis. The building operation schedule is divided
into two types, typical use and seasonal use, and the activity areas are allocated
to residential bedroom, residential single family, as well as kitchen and food
preparation. Apart from the air-conditioning system, power load is subdivided
into interior lighting, auto refrigeration equipment, cooking and miscellaneous.
The operation schedule of HVAC system is divided into three types, with 65kBtuh
cooling capacity. From the simulation results of the annual electricity
consumption, we recognize that air-conditioning power consumption from
March to October is the highest monthly. And in six months throughout the year,
electricity consumption for lighting occupies 1/3 of the monthly electricity
consumption. Hence, improvements in energy conservation should proceed from
air conditioning and lighting. Increase of the set temperature, the addition of
high-frequency lamps and electronic ballast are possible solutions to increase
energy efficiency. In addition, summing up the building energy efficiency
standards of different countries such as the United States HERS, the Europe EPBD,
the Germany EnEV 2007, etc., we can obtain the energy efficiency of Sung Shan
public housing corresponding to the standards, and derive out suitable building
energy-saving strategies for Taiwan.
1
國立中山大學機械與機電工程學系
第一章 緒論
1-1 緣起與目的
近年來,隨著科技發展、人口增加,人類對能源需求持
續上升,而各國的住宅耗能也逐年大幅提高。在過去幾年,
國 際 能 源 署 統 計 中 指 出 美 國 一 直 為 全 球 總 能 源 消 耗 第 一 大
國,且根據 2007 年美國能源署調查,其住宅耗能占全年總
耗能的 21.4%。直到 2009 年,中國每年總耗能量值首次超越
美國,其住宅耗能仍持續攀高。有鑒於此,美國、歐洲、德
國 、 英 國 和 香 港 等 各 國 政 府 紛 紛 制 定 出 家 用 住 宅 的 節 能 規
範。透過此規範強制建商採用綠色建材,和鼓勵人民優先採
用更高效率的節能住宅。
1-2 各國住宅節能規範
(一)美國國家建築能源分級標籤
由 於 國 家 能 源 性 能 評 級 制 度 有 助 於 使 用 者 了 解 建 築 本
身耗能效率之外部基準相對於全國同性質的建築物,以有效
比較建築物之能源使用。分級制度是 1-100 相對百分等級,
例如:和整體建築相較,50 分的評級代表此建築效能為平均
2
國立中山大學機械與機電工程學系
值,而 75 分以上被評級為頂級效能,圖一中即詳細說明建
築物分級標準。相同的 1-100 評定量表中,同時使用固定評
估的數值或字母分級,其分別為:低劣、低於平均、平均、
高於平均、高級和超高效能;分數也同時可對照 A-G,每一
個英文字母又再分成三區,每區間隔 25 分。舉例來說:75
分以下都算是 A 級,A1 是 25 分以下,是所有建築中校能最
高的,其次是 A2 是 25-50 分,A3 是 50-75 分。左邊是對照
每年二氧化碳排放量;圖一是建築物由預估的 C 值和實際使
用的 D 值之分級標示。此外,同時包含室內環境品質檢測與
評估,其分析屬於特定某年所測量的能量性能資料,提供原
始與商用的評級間比較的一致性。圖二是傳統建築和新建築
分級上的比較圖,現在新建築的一般標準是 130 kWh/m2
a。
3
國立中山大學機械與機電工程學系
除此之外,美國能源之星(ENERGY STAR)建築節能的
圖一、建築實際與預估耗能的分級比較
圖二、傳統與新建築耗能的分級比較
4
國立中山大學機械與機電工程學系
分級制度也提供家庭建築的能源證書,其詳細說明建築外殼
結構、內部電熱系統和照明等耗能設備。五顆星+代表被分
級在 71-86 分的區間,其中以顯示此建築能源消耗與其所占
百分比,也就是說,分數越低,星星數越多,此建築能源效
率越高且耗能越少。
(二)歐洲
歐盟提出在 2020 年達到增加 20%能源效率的目標。根
據調查,建築物消耗的能源占 40%總耗能量,歐盟將針對建
築界立法制定建築物耗能的相關標準之規定,名為 Energy
Performance of Building Directive (EPBD)作為建築界設計指
標,需將建築耗能效率分成 A 到 G 級提供使用者參考,EPDB
也要求歐盟會員國達到建議的節能效率值。 EPBD 主要分成
四部分:建築認證、檢測熱管與空調系統和提供適合的審查
人員。
EN 15603 的能源評級標準定義此節能性能分級範圍是
現有計畫和建築物的能源服務。其用於評估整體耗能等級的
一次能源、二氧化碳排放量、國家能源策略定義的其他參數
之計算與一個建築物的能源整體使用情況。EN15603 透過現
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國立中山大學機械與機電工程學系
有的標準來評估建築每年能源使用項目:加熱、冷卻與除
濕、通風系統除濕、生活用熱水、照明、其他的選擇性設備,
使能源消耗和產生的最終結果可以合併以提升整體的能源
效率。此外,依據 EN15603 作為輸入 EN15217 使用整合能
源效率的等級,該標準負責計算建築物最終評等;他表達效
能和其要求,並提供建議內容、效能分級和證書。
在圖三耗能規範計算流程中,能源需求在不同系統(如
照明系統為 EN15193-1)使用不同的 EN 標準,再根據外界
環境影響的規範完成計算流程;圖二到圖四表示所得的實際
值加總之後依照歐盟標準的 EP 分級,其中也可以看出耗能
比重最高的是加熱,以其作為之後改善方向的優先選項。
圖三、耗能規範計算流程
6
國立中山大學機械與機電工程學系
表一、實際值加總後的 E 級和改善加熱部分後的 B 級
(三)德國
強制性能源證書與能源節約法(EnEV 2007)已在德國
實施,而 Agentur GmbH (dena) 是此計畫中國家代表機構,
發行標示作為建築能源效率的認證,是用範圍從新建建築到
改建住宅。城市發展能源節能條例中( EnEV),新建築必須
至少符合 ” KfW40” 的房屋標準,即每年能源消耗不超過
40kWh/m2
。
評估建築能源效率的標籤是指法例規定新建築物和節
能法規(EnEV)相比。指定其計算的基礎資料採用與建築物
有關的數據和假設標準化下的邊界條件求出工作效率的數
值,其顯示新建築相對於舊有建築,原有建築最大能量需求
7
國立中山大學機械與機電工程學系
是 100 座電能來做為比較基礎。70 代表新建築相較於舊建築
僅消耗原有建築 70%能量,表二即為舊有建築與改良建築的
比較,其對應原始建築的耗能比例並參照德國 EnEV 的標
準。因此,量值越低代表此建築有較高的能源使用效率。
藉位在德國 1972 年完供的公寓式建築,佔地 500 米平
方 , 改 善 後 採 用 的 建 材 如 圖 四 , 其 初 級 能 源 需 求
250kWh/m2
a,最終能源需求是 222 kWh/m2
a,並搭配德國供
暖成本條例或其他適當的計費數據。在德國有標準化的數據
可將氣象因素與測量結果換算為加熱能源的消耗量,供應暖
氣與熱水系統所需要的耗能,可另外求出對應值,如圖四。
表二、德國建築能源效率規範對照表
8
國立中山大學機械與機電工程學系
圖四、初級與中級能源需求量的實際案例
(四)英國
SAP 家 庭 能 源 評 級 是 由 政 府 建 議 的 系 統 ( 標 準 評 估 程
式)來計算,只能針對能源成本的空間和熱水供應作為能源
成本的評級。SAP 建築物的等級從 1 至 100+。1 是非常差,
100 是極好。在 2005 年 SAP 評級上新規定的建材使 L 型建
築最後的計算值會接近 80-100 或 SAP 更高的分數。根據英
國調查數據顯示,一個住房平均的 SAP 從過去的 48 升至 59,
表示在 9 年間平均增加 11 分。
國家家庭能源(National Home Energy Rating, NHER)
的能源分級在標準條件下,是根據每年每平方米的總使用費
9
國立中山大學機械與機電工程學系
來預估能源使用成本,由 0.0(差)20.0(出色)來表示。此
分級類似於 SAP,但 NHER 計畫不同於 SAP 的地方 NHER
會考慮使用電器產品和全英國不同氣候的影響因素,也會計
算 空 間 、 熱 水 和 烹 飪 照 明 或 其 他 的 設 備 成 本 。 因 此 , NHER
比 SAP 更精確。一般來說,商用建築為 C 級,而一般家庭則
是 D 級。
RdSAP( Reduced Data SAP)是新政府核准的標準化系
統,其針對一個現有的住宅進行能源消耗量調查。RdSAP 是
一 個 結 合 專 業 資 料 和 其 本 身 欠 缺 資 料 的 標 準 方 法 之 合 集 。
NHER 從最差的 0.0 和最好的 10.0 範圍間作為評級標準。目
前 RdSAP 將家庭建築能源使用效率分成 A 到 G 級(見圖
五 ), 級 別 越 往 上 代 表 能 源 使 用 效 率 越 高 , 在 耗 能 上 也 花 費
較少,反之等級越往下,則表建築能源使用效率低落,能源
支出相對提高。此外,右方的左欄代表實際使用的數值,右
欄則是預估值。
10
國立中山大學機械與機電工程學系
圖五、RdSAP 對 EPC 之家庭效能分級表
(五)香港
香港居家建築耗能量表分為 ABC 三個等級。分級標準
是比較百分等級跟每年耗能量(kW/m2
/year),例如:A 級為
前百分之二十五,每年耗能量小於 102.9Kw/m2
/year(圖六)。
並針對房子內部細部結構作分級(表三)。
表三、香港各類耗能參數之分級標準
11
國立中山大學機械與機電工程學系
且 為 了 推 廣 建 築 的 能 源 效 益 與 節 能 , 香 港 特 別 行 政 區 政
府 的 能 源 諮 詢 委 員 會 推 行 一 套 綜 合 性 的 建 築 能 源 效 益 守 則
並分兩階段實施。守則中包含了建築物的照明、空調、電力、
昇降機與自動梯等裝置。強制性能源效益標籤計畫第一階段
(圖七)涵蓋空調機、冷凍設備與螢光燈泡三類產品。已於
2009 年 11 月 9 日起全面實施。第二階段計畫涵蓋洗衣機和
除濕機此兩類電器用品。
圖七、首接段空調、冷藏設備與螢光燈之能源政策
圖六、香港建築 ABC 三級條件與整體百分比之對應
12
國立中山大學機械與機電工程學系
第二章 研究方法
2-1 耗能指標
在設計家用住宅中,主要考慮耗能的來源分別有建築結
構、空調、照明和烹調。建築結構影響壁體傳熱、玻璃面傳
熱、玻璃面輻射熱和間隙風負荷,此即所謂的外部負荷,例
如:鋼骨、鋼筋混泥土或木造建材、開窗率、面 相及樓層數。
空調通常是一般家庭耗能多寡的主要指標,例如:是否採用
冷凍空調系統(HVAC 系統)、使用溫度設定值之高低、冷卻
效能(EER)。
2-2 eQUEST 建築效能模擬軟體
由美國能源署與電力研究院開發的軟體,是一種易於用
於分析建築物能源使用效率的工具,軟體中的建築物各項耗
能參數是基於美國能源署對牆、窗戶、玻璃、人、插頭負載
和通風大樓的設計規定與風扇、水泵、冷水機組、鍋爐和其
他耗能設備的性能作類比,並由設計者建立的模擬建築來評
估能源效率的指標。此外,它同時能夠搭配電費估算能源成
本 、 採 光 和 照 明 系 統 的 控 制 及 能 源 效 益 的 自 動 化 等 相 關 功
能。使用的步驟大致為先建立建築內含的一般資訊,例如:
13
國立中山大學機械與機電工程學系
建築形式、位置或電器設備等等條件,eQUEST 軟體對此建
築做出每年的耗能分析,並根據在同一個案例中,先區分供
應能量的方式為天然氣和電氣,然後個別比較方形對矩形、
是否裝玻璃、引入日光及同時引入日光及裝設玻璃,軟體統
計後比較它各種耗能的設備之影響。
2-3 實際操作案例
將台北松山國宅內的其中一戶作為實際案例,一戶佔地
面積為 894 平方英呎、三層樓高、沒有地下室、為 T 字型平
面,如圖八。
圖八、建築物外部架構的建材資料
14
國立中山大學機械與機電工程學系
外部建材使用水泥屋頂、鋼骨牆壁,內部天花板、隔間
牆與地板的各種材質,則如圖九所示。根據調查,台北建築
平均的開窗率為 10.7%,松山國宅採用相同的開窗率,而它
有雙層與單層玻璃兩種窗戶,其尺寸為長 5 英呎寬 3 英呎,
並附有水平式百頁窗。
圖九、建築物內部架構的建材資料
整戶建築的使用時間區分為典型的白天使用模式、第二
類季節的非白天使用模式和第三類季節非白天使用模式。典
15
國立中山大學機械與機電工程學系
型使用模式,是指全年的一般使用時程,再區分成平日與假
日,假日包含星期六日跟放假日,以二十四小時為基準;而
第一類與第二類季節則是依據特定月分作為區別。第二類季
節為四月和十月,第三類季節則是五月、六月和十月,其全
部詳細的使用時段見圖十。
圖十、建築物使用時段的詳細資訊
內 部 活 動 範 圍 的 設 定 是 依 據 建 築 內 用 於 不 同 性 質 的 活
動來劃分。松山國宅是純家用住宅,把它或分成三區:起居
是 、 家 中 活 動 區 和 食 物 料 理 區 , 其 面 積 所 占 的 比 率 分 別 為
40.2%、52.9% 、6.9%,如圖十一。
16
國立中山大學機械與機電工程學系
圖十一、內部活動類型於樓層之分配圖
除了空調耗能設備,將耗能部分再區隔成內部照明、自
動控溫設備、烹調和雜項這四種。在照明耗能中,起居室與
活動區的電位面積裝置電力一般為 0.7W/SqFt,而烹調照明
則設為 0.65W/SqFt,其廚房的電力負載為 1.58 W/SqFt。自
動控溫設備在各區的潛熱為 1.0frac,雜項的各區電力負載為
0.3 W/SqFt、電力潛熱為 1.0 frac、天然氣潛熱 1.0 frac,如
下圖十二所示。
17
國立中山大學機械與機電工程學系
圖十二、烹調、自動控溫與雜項設備的各種電力負載與潛熱
使 用 冷 凍 盤 管 為 冷 凍 空 調 的 製 冷 系 統 , 製 冷 量 為
65kBtuh, EER 為 9.24。空調開始運轉冷卻模式的啟動溫度
是 78℉,其全年典型的運轉模式中平日使用時數為 8 小時,
第二類季節為 12 小時和第三類季節的 13 小時,如其後的圖
十三所示。
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國立中山大學機械與機電工程學系
圖十三、 HVAC 全年運轉時段
19
國立中山大學機械與機電工程學系
第三章 實驗結果與討論
3-1 松山國宅的原始耗能基準線
根據 2-2 節,由 eQUEST 軟體可估計出全年一戶家庭每
月 基 本 的 耗 電 量 ( 見 , 圖 十 四 ), 由 於 夏 季 炎 熱 , 因 此 耗 電
量在四月開始逐漸攀升,直至七和八月份的用電高峰期,用
電量最後隨著進入冬季而逐漸下降。此外,我們可以從直條
圖看出各個耗能設備在每月的用電量比重;藍色代表空調耗
照明的黃色,在全年中有六個月份都占三分之一。最後我們
圖十四、全年各項設備耗電量分布圖
20
國立中山大學機械與機電工程學系
將全年消耗總電量除面積後,會得到每年單位面積耗電量為
346.7 kWh/m
2
a,其可對應至第一章提到歐美的家用建築能源
分級制度中 E 級的位置,而在香港居家建築耗能量表則為 C
級,由此可見我國家用住宅能源使用效率上仍有很大的改善
空間。
3-2 改善設備的耗電量
根據日本的三菱電機公司研究,只要增加照明設備中高
頻燈管與電子式安定器的使用,即可節省 24%耗電量。因此,
我們可以先從改善照明方向著手,假設我們額外加設照明設
備中高頻燈管與電子式兒安定器,可將原來的單位面積裝置
電力的 0.7W/SpFt 降低製原始值的百分七十五,得到 0.532
W/SpFt。並利用 eQUEST 軟體重新求得新的全年耗電基準線。

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