舊貨櫃的新未來 國立中央大學打造「白色能源屋」

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文 張佳琇 圖 吳志學、集思創意編採團隊

在科技部國家型能源計畫「低碳排智慧綠建築之系統整合開發技術研究」和綠能科技聯合研發計畫的「低耗能建築之智慧能源技術開發」、「高效能交流微電網運轉與電力調節研究」支持下,國立中央大學機械工程系曾重仁教授帶領研究團隊(以下簡稱團隊),運用經濟實惠又堅固耐用的貨櫃,整合創、儲、節能技術,打造低碳排智慧綠能的「白色能源屋」,於今(108)年2月正式啟用,儼然成為異軍突起的住宅與商業空間新型態,成為節能建築新亮點。

蓊蓊鬱鬱的林蔭環繞下,這棟由兩個40呎回收貨櫃屋所組成、矗立在中央大學機械系館旁的「白色能源屋」,顯得格外醒目。以兩人長照住宅作為情境背景,在五所學校的能源團隊合作下,運用建築能源管理系統(Building Energy Management System,BEMS),整合高效能建材、智慧空調、智慧照明、節能家電和智慧電表,統合建築能源監控和智慧電網兩大系統,設計而成的18坪室內空間,經過實測,節能效率比傳統建築高出35%。

高效能建材創造回收貨櫃新生命

傳統貨櫃屋構造簡單,由快速導熱的鋼板組合而成,在陽光照射下給人的既定印象就是悶熱,因此「白色能源屋」面臨的第一道關卡就是隔熱。

國立成功大學能源科技與策略研究中心李訓谷組長表示,隔熱的關鍵在高效能建材,首先利用在鋼板外塗冷屋頂隔熱塗料、內鋪隔熱毯的方式,反射大部分的太陽輻射,減少熱量進入建築物,再採用雙層屋頂設計,讓流動的空氣帶走熱氣;而屋頂上另行建置的太陽能板,也能阻隔光線、達到隔熱功效,這些作法可使屋頂表面溫度下降15 °C。另外,牆採用氣凝膠相變隔熱塗層外牆,以水泥砂為介質,兼顧建築防水與節能的機能。

這棟小屋除了有屋頂太陽能板創能之外,還配有鋰電池儲能,若以平均日照時數計算,每天可創造24kWh的發電量,最多可存下21.6度電,也就是說這套系統在一日負載需求約10度的家庭用電基礎下,遇上無日照的情況尚可以獨立運行兩日,若是連續好幾天都沒有陽光也不用擔心,還有一套5kW的氫能燃料電池備用。

全屋的採光通風窗除了可以在白天減少一盞日光燈組(40W)的照明,夜晚還可以有效將室內的熱空氣排出,達到降溫與提高室內空氣品質的目的。而在薄膜式透光太陽光電玻璃、抗UV/IR的節能膜門窗和高透光紅外線反射隔熱膜層層隔絕保護之下,室內溫度不易受到戶外天氣影響、穩定度佳,讓空調耗電降低12%,有效達到節能的效果。

AI智慧家居 創造人因光環境

「隨手關燈、節約能源」是眾所周知的道理,但往往知易行難,為了落實節約用電,團隊初期以「智能」設計為基礎,兼顧節能效益與舒適度,將空間與使用者的互動模式加以細化,蒐集相關數據,針對不同情境及用電模式之創、儲能複合系統進行分析。

負責這項子計畫的國立中央大學光電科學與工程學系張榮森教授,整合能源屋的技術架構,通盤考慮了全域微型感測器開發及安裝、後期智能居家AI學習模組的系統後,大量布建的分散式感測器偵測系統,透過溫溼度、光線照度與PM2.5空氣品質的監測,將所有負載耗電、空氣品質、環境參數等數值統一聯網進行記錄監控及分析,建立出完整的空間資訊模型,結合節能建材、智慧空調、智慧照明,成為新一代的白色能源屋。

另外,「光」是空間的靈魂,人們藉由光掌握物體色彩與亮度的呈現,也讓環境空間的氛圍和質感更顯張力。計畫主持人曾重仁教授指出:「傳統的照明規畫,不太特別注重使用能源的細節。

一般民眾雖然可以理解LED燈比較省電,也知道LED可以隨情境改變亮度與色溫,但一涉及到智能控制,其背後更包括許多的控制器和感測器,透過能源與照明團隊共同合作,就有機會以過去在各自領域中未思考到的角度切入設計,開發出更省電的照明用具及系統。」

也由於「光」包含了情境的氛圍與人們對於季節時令的感知,為了掌握「光」所產生的空間情境變化,國立臺北科技大學建築系周鼎金教授以智慧照明控制系統及自然光的變化,作為照明設計概念呈現,依據人們的使用情境,結合生活作息與時程,規劃場景氛圍的分段控制,開發照明情境控制系統的可視化介面與情境管理系統。

「能源屋會依據使用者喜好及需求設定光環境需求,將室內照明分成公領域(玄關、客廳、餐廳、廚房)和私領域(臥房、衛浴及通道),公領域部分可設定主燈照明、重點照明、工作照明、氛圍照明等不同模式,私領域如臥室的空間光環境,則可調整成主燈照明、閱讀照明、睡眠、晨喚等模式,依據從事的活動或喜好的光環境做不同的變化。」團隊成員莊哲瑋解釋。

為了創造更細膩貼心的光環境,當使用者一回到家,系統還會透過人臉辨識偵測是哪位家庭成員,自動將照明調整為該名成員所偏好的光環境。而在低碳排智慧建築光環境場域設計與建置概念下,原本配置的LED照明燈具與一般省電照明之耗能相比,節能效益約為36%;再加上智慧燈光情境控制,節能效益更可達50%以上。

建置熱回收空調系統 涼爽過一夏

除了運用綠建材解決建築本身的隔熱問題,在這個計畫裡頭,團隊的目標是做到在夏天不使用傳統冷氣空調,也能擁有涼爽的空間,因此必須同時針對電力配置和空調進行研究。於是國立勤益大學冷凍空調與能源系管衍德教授指導團隊建置空間熱特徵模型,針對不同負載擺放配置和室內規劃,找出空間熱點及模擬出空間平均溫度,進而找出最合適的熱回收空調系統配置方式。

而能源屋配備的熱回收空調系統,簡單來說就是利用熱泵系統同時獲得冷、熱源,分送到冷水和熱水桶,夏天時將冷水傳送到團隊研發的室內壁掛型熱交換器(空調),利用水量控制調節室內溫度;熱水可用來洗澡。冬天時以熱水與室內機提供暖氣,形成雙效利用。

運用大數據分析建立智慧之家

由於能源屋的電力主要依賴間歇性的太陽光電,必須搭配功能完善的儲能電池系統及電力品質監控系統,才能確保穩定供電。中央大學電機工程學系陳正一副教授透過開發建築內部微電網及物聯網系統,解決這個問題。不過,微電網和物聯網說來簡單,事實上卻讓「整合」成為全案最大的難關,團隊成員莊哲瑋表示,「我們為了讓所有的資訊都連網,勢必得讓每個設備的通訊介面都一樣。」加上能源屋基地本來並沒有配置任何的網路以及預留電線,所以舉目所及的所有線路,都由學生自己親手拉線布置而成,雖然辛苦,但也累積出未來可實際應用的經驗。

除此之外,為了達到更全面的建築內部參數監控,團隊開發了輕便且低成本的微型感測器,大量布建在室內,以取得更準確的區域分布環境參數,即時調整電器使用狀況,進而提升整體節能效率。而運用大數據分析也能達到節能的目的,例如氣候偵測發現未來幾天是陰雨天,則會自動調整為節電模式,即時監控電池用量,並分析剩餘用電時間,並提醒使用者節約用電。

這套系統甚至可依照使用者的生活模式,結合行動裝置,建立出優化的系統運行與控制策略。例如使用者快到家的時候,照明和室內空調將主動先行開啟;若室溫低於設定溫度,空調將自動關閉;白天若戶外光線充足,內部將自動調整光源模式。而現代人相當注重的室內環境溫濕度與空氣品質,則結合冷氣、除濕機、空氣清淨機和氣窗,讓居住環境成為舒適健康的全自動智能環境。

白色能源屋將行動貨櫃屋改造成家屋的案例,在建置時就引來許多路過民眾的好奇詢問,落成後更吸引多家廠商高度興趣,成功與九家廠商建立產學合作,對團隊來說,宛如樂高積木般可堆疊、便於移動的方塊結構,能源屋彷彿「霍爾的移動城堡」改變了人們慣有的生活方式,提供現代住宅和商業空間,一種全新的生活方式的選擇可能,未來希望能將整套能源屋的成本降至新臺幣300萬元以下,如此一來,將有望推廣於普羅大眾。

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