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呂錫民:主動式建築圍護結構空調系統

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【大紀元2019年11月08日訊】建築部門約占一次能源消耗30-40%,並為全球溫室氣體(GHG)帶來三分之一的排放量,國際能源總署(IEA)預計,到2040年,GHG排放量將再增加30%。大量研究結果證實,要減少建築能耗,首先必須改善建築圍護的節能結構。尤其是台灣地處亞熱帶,人口密集,建築林立,夏季空調高居尖峰電力負荷四成,如何運用與電力負載成正比的太陽能,成為當今最熱門的建築節能議題。

建築圍護之所以重要在於,它可以防止室內產生的(冷)熱能逸散到外部環境,另一方面,阻擋環境(冷)熱能的侵入室內。無論如何設計和優化外殼,由於室內和室外環境存在溫度梯度,兩個空間之間的熱量損失或增加都是不可避免的。簡單來說,由於建築物圍護的隔熱結構,直接減少了室外表面或環境空氣的熱輻射與熱對流。

根據功能和位置,建築圍護結構可分為牆壁、窗戶、屋頂等三大部分。建築業者可以根據居住者對熱舒適性的要求,維護室內人造環境。這可以通過加熱、通風和空調(HVAC)系統操作來實現,手段包括產生冷或熱空氣/表面、保持濕度水平和可接受的空氣速度。

估計藉由適當建築圍護結構設計,可以將總能耗降低20-50%。更準確地說,適當的設計可以包括:目的在於提高熱性能而設計的結構,例如在建築圍護中採用空氣層、Trombe牆、相變材料(PCM)、太陽光電(PV)模組、熱電(TE)模組等。

有別於傳統被動式自然通風空調,主動式建築圍護結構(Active Building Envelope, ABE)充分使用太陽光/電/熱能源,藉此獲得更高效能源管理,據報導,光在炎熱夏季和寒冷冬季的大陸地區,與一般建築物大型牆相比,ABE可得到高達170%的節能幅度。

ABE基本定義共有兩類:(1)條件1:建築圍護結構系統主動利用能量輸入,管理圍護結構的製冷/製熱負荷或室內人造日的照明負荷,直接減少對中央HVAC系統需求,亦即利用ABE透過機械、電氣(子)、化學等控制系統取代部分HVAC功能;(2)條件2:建築物圍護結構系統充當能量轉換器,其中,再生能源(太陽能、風能等)轉換為常規能源(特別是電能、機械能或化學能),並視其為提高建築性能的某種方式。

ABE被分為四類:空氣基、水基、固體基和動力基等立面。空氣基、水基和固體基主動圍護結構的物理結構無法進行更改以實現特定需求,而動力基主動立面可以調整其物理結構來滿足特定目的。

空氣基外殼具有較高熱阻,而空氣可移動性則有助於去除多餘熱能。在封閉式和非封閉式系統下,這些特性促使空氣層結構引發現代建築設計和施工極大關注。儘管如此,主動式建築物牆體和屋頂下一步將使用空氣層,以實現更高建築物性能。基本上,自然冷卻/加熱源或人造設備產生的熱能,應該可以做到這點。

從技術角度來看,熱能比冷能更容易獲得。工程師意識到太陽能是一種完美的自然供熱源,便將其納入基於空氣的加熱牆系統中。與被動式太陽能立面(如Trombe牆)相比,在冬季,基於主動空氣層的太陽能採暖牆可為建築實現更高能效。

空氣和水是存儲和傳遞熱能的常用流體。就主動式玻璃幕牆而言,水基系統比空氣基系統更為有效率。也就是在外部玻璃和內部玻璃形成通道,其中流動水不斷吸收熱量,可以大幅降低室內熱量的吸收。將水流窗與地源熱泵集成一起,結果在夏季節省近40%的冷卻能耗。

一般來說,固態基不透明圍護主要分為三大類別:太陽光電(PV)、熱電(TE)和PV-TE牆或屋頂。PV模組可以將建築圍護結構從能源消耗者轉變為能源生產者,TE圍護需要常規能源作電力輸入,藉此降低建築圍護結構冷熱負荷,並節省能源,上述皆為主動式系統。

使用太陽能發電以實現標準雙層/單層建築立面,PV面板是首選工藝。為了保持玻璃蓋透明度和日光特性,安裝的PV模組應該是透明或半透明。一方面,系統中不透明太陽能電池稀疏分佈,並附著在玻璃板上,可使陽光穿過裝置空間進入室內空間。另一方面,半透明PV材料用於DSF外部玻璃。這是一項具有高度研究興趣和資本投資的技術。

一般來講,通過熱電冷卻/加熱作用,固體基不透明ABE幾乎可以整體實現條件1。它可以由電網供電,也可連接到PV模組。固體基半透明立面種類包括電致變色(EC)玻璃、TE窗和PV-TE窗。三項技術都需要電力輸入,而EC塗層可以低壓設計,簡單調節透射光、眩光和太陽熱量。與EC窗不同,TE窗可以控制熱量增減,對玻璃透射率幾乎沒有影響。

至於條件2型不透明ABE,PV外牆在建築環境中占有主導地位,因為這是一種能源生產者。與PV電池不同,熱電發電機(TEG)可以利用廢熱,並將其轉換為可用電力,且無需機械移動組件。至於半透明外牆,半透明PV玻璃與新興TEG窗則是兩個主要類型。一方面,PV玻璃可以在現場收集太陽能,同時減少室內太陽熱量獲取。另一方面,TEG發電量則取決於溫度差,預期材料科學研究將突破界限,為能源相關工程問題提出更好解決方案。

一般來說,PV模組可以將建築圍護結構,從能源消耗者轉變為能源生產者,此處,PV面板垂直安裝在外牆上,並在夏天留下由散熱片形成的散熱通道。TE效應可在兩端側之間利用溫差產生電能。傳統上,TE圍護需要常規能源作電力輸入,藉此降低建築圍護結構冷熱負荷,並節省能源。

在先進系統中,TE模組可由PV模組的安裝,使用太陽能所轉化電能,形成所謂的PV-TE牆,藉此達到上述空調功能。而這項技術更適合屋頂部署。PV-TE牆系統還可以與風車集成,提供額外新鮮冷空氣,或者使用水冷法以緊湊方式形成新的散熱設計。

另一種動態主動式圍護結構,不需要工作介質,藉由主動更改、調整和改造建築物外殼,以控制太陽熱/光的穿透、自然通風甚至發電,在當前研究範圍內,動態玻璃幕牆需要一種能夠適應不斷變化外部環境條件的可轉換、可控制的玻璃幕牆,從「能源損失者」變為「能源管理者」,最終變為「能源供應者」。

一般而言,基於空氣、水和固體的主動式玻璃幕牆都可以充當「能源供應者」,而動態玻璃系統則更可充當「能源管理者」。與固定式遮陽裝置相比,集成式電動幕簾玻璃幕牆可以改變可用日光入射量,從而動態管理太陽能直接獲取,這可減少人工採光所需能量,並改善熱感舒適度。

ABE未來展望有,(1)除TE空氣不透明包絡系統之外,他種類型(包括半透明)包絡系統,還需要更加強研究;(2)在熱性能評估、參數設計、靈敏度分析、結構優化方面,應該側重於工程挑戰;(3)TE和PV系統的關鍵需求,仍在於系統性能的優化,以降低成本並提供更高產出;(4)從工程學角度來看,未來需要增加系統控制、熱性能和節能評估等項目。

其次,我們建議開放ABE高性能模擬工具,以有效解決建築能源問題。藉由升級商用模擬軟體,以高靈活度且兼容的模擬模組和程式碼,為該領域做出巨大貢獻。另外一個關鍵點為,當與現有無源系統比較時,不同ABE的實際能源性能和效率仍然有待確認。同時因為主動和被動圍護系統對於建築物的能量、結構和土木方面都是至關重要,我們強烈建議透過特定建築設計、控制和優化,對主動和被動策略研究集成有效的混合技術和解決方案。

最後,ABE要成功實行,除了要有建築師與結構師的精心設計之外,另外尚需其他領域諸多科學家、工程師和研究人員一起努力,攜手合作共創建築高效節能的春秋大業。

(作者為工研院能環所前研究員)

責任編輯:蕭明

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2019-11-08 1:50 AM
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