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房屋這樣蓋,節能又減碳?看各國如何設計零耗能建築

2017 年 04 月 19 日

文/林品安|國研院科政中心

近二百年來的工業發展、人口增加、自然棲地的破壞等,全球氣候變遷且出現許多極端氣候,譬如 2015 年的蘇迪勒颱風、2009 年的莫拉克颱風,颱風規模大且結實,帶來強風豪雨讓台灣停電、水汙染、災情甚重。全球方面,北美大風雪、菲律賓的浩劫餘生,此種非常態的結果,主要原因乃是人為大量排放溫室氣體。康乃狄克大學顎班(Urban)教授指出,全球氣溫若提高 2℃,全球恐怕有 5.2% 物種面臨威脅等見解(Urban, 2015)。因此近幾年來推行的「節能減碳」運動,期望可以減緩改善當前氣候變遷的局勢。

圖片來源:準建築人手札網站 Forgemind ArchiMedia @Flickr

UNEP 研究報告指出,建築部分能源使用占全球能源消耗的 40%,且其溫室氣體排放佔其全社會排放的 33% 以上(UNEP, 2015),視為大部分國家之最大排放源。倘若能在建築部分達到節能減碳成效,將會對環境有很大助益。

而根據國際能源署(International Energy Agency, IEA) 估計全球建築還有 65% 的節能潛力,約可節省全球目前總耗能的 25%。因此,在建築上講求能源效率的提升與節能、資源與材料妥善利用、室內環境品質及符合環境容受力等,甚至利用再生能源生產能源,同時搭配能源資通訊智慧化管理,使房屋的耗能與產能達到平衡(圖一),依循此概念,所以產生零耗能建築(Net-zero energy building, NZEB)想法,其中最積極的為英國、歐盟與美國。

圖一 零耗能建築模型示意圖。/圖片來源:美國 GE 官網;科技政策修改繪製

國際上的零耗能建築發展

英國政府自 2010 年起開始推動新建住宅零耗能政策,預計於 2016 年使所有的新建住宅達零耗能目標,住宅以外的建築也要在 2019 年之前實現零耗能。歐盟則規劃在 2018 年所有公共建物要達到近(Nearly)零耗能,2020 年所有新建物皆需達到近零耗能的標準。

美國根據歐巴馬內閣於 2011 年提出的「優越建築挑戰計畫(Better Buildings Challenges)」,能源部訂出 2030 年商業建築需達到零耗能、2040 年 50% 商業建築需達到零耗能,並於 2050 年前全面達到零耗能的目標。美國加州公共事務委員會也推動「零耗能行動計畫(CPUC, 2015)」,預計在 2020 年,讓所有新住宅符合零耗能建築。在政策面的推動下,歐美等先進國家亦從 2001 年開始有零耗能建築落成(見表一)。

資料來源:謝秉翰,2014;本研究(科技政策)整理。

除此之外,在中國、香港也開始打造近零耗能的高樓層大樓。2012 年在中國廣州珠江城大廈為 309 公尺高,採用雙層玻璃牆,並可將熱氣輸送至上方的設備樓層來除去濕氣,大廈立面裝設太陽能面板發電,最特別的是大樓曲面設計來進行風力發電,目前統計指出此摩天大樓以節能設計加上自產電力,使得自身耗能降低近 60%。

香港也於 2013 年興建了占地 13,700 平方公尺的「零碳天地」,雖然建築本身僅佔地 47%,搭配周邊的綠化環境來對建築進行降溫以及利用生質能源及太陽能產生電力,預估此建築的耗能為一般大樓的 55%。

美國國家標準與技術研究院(NIST) 為了將零耗能建築於建材、結構關乎其產能耗能結果進行標準化,在 2011 年擬定了「零耗能房屋實驗計畫」(Pettit, Gates, Fanney & Healy, 2015)。在總居住面積 252 平方公尺的地下一樓、地上二樓住宅裡住了一個虛擬家庭,成員是皆為上班族的爸爸、媽媽,和一個 14 歲與一個 8 歲的孩子。此房屋的建材選用加強隔熱,窗戶三層設計、牆壁結構多層設計讓屋內溫度穩定,屋頂設計加強對流降溫,使建築外殼熱負荷量降低、提高建築隔熱性能以及降低室內外熱交換率。

在軟體上,屋內有多處設有感應器來感應室內溫度狀況而進行最佳化控制,根據家庭生活習慣來做能量最適化的配置,達到省能的目標。除了降低耗能之外,就是生產能源,此團隊根據當地環境條件於房子屋頂裝置 32 個太陽能電板、以及利用太陽的能量來加熱水。未來目標還有加裝燃料電池以及利用地熱等等能源來產能。

目前的實驗結果,於 2013 到 2014 年間,恰巧遇到美國大風雪肆虐,平均下雪的天數比往年要多出 38 天,這一年來能源消耗為 13,086 度,高出了原先預估的 3,000 度,但依然比在平均年溫較高的氣候下的一般住房(27,000度)較為低。除此之外,在這樣嚴峻的環境下,屋頂被雪長期覆蓋,生產的能源仍有 13,577 度,房屋淨產了 491 度。

根據這樣的實驗結果,美國國家標準與技術研究院甚至指出,倘若將每年多產出的能源來提供家用電動車使用,此電動車將可行駛 2,304 公里之遠(DuRant, 2014)。此實驗計畫在今年 8 月更提出了屋內空氣感測器的監視結果,發現當初在建材的選用低揮發性有機物質並在施工過程講究其封裝、且在屋頂增添的對流系統,而確保了擁有隔熱效果的醛類材料,並無汙染屋內空氣品質(Bello, 2015)。

台灣如何發展零耗能建築?

各國的政策來看,歐美等先進國家提倡、甚至具體實行補助零耗能建築為世界趨勢,且相當有趣的是,美國甚至設立實驗室來量測多方數據進,並將之標準化。而台灣的政策推動計畫,自 1997 年起亦有在建築上推行節能減碳的概念,由行政院內政部建築研究所歷年辦理「綠建築與居住環境科技中程計畫」及「綠建築與永續環境科技計畫中程綱要計畫」,到 2010 年為止,陸續完成建築節約能源、資源有效利用、建築污染防制、室內環境品質及綠建築示範推廣等研究發展工作。

自 2011 年起行政院科技部辦理「永續綠建築與節能減碳科技中程個案計畫」,以綠建築既有技術與評估系統為基礎,持續推動綠建築評估工具之更新與擴大應用。目前在台灣政府推動建築的節能減碳計畫下,可以發現台灣在符合 LEED 規格的「綠建築」有顯著的發展,2013 年至 2014 年在世界排名內由十名外跑進世界第八名(圖二)。可見台灣在此部分的重視及高效率。而在 2012 年,經濟部也成立「零耗能建築技術發展聯盟(ZEBTA)」,開始導入零耗能建築的理想。因此可望 ZEBTA 能更加積極推動零耗能建築的發展,來加強減低台灣環境污染的負擔。

圖二 依據總建築面積世界擁有綠建築國家排名。圖片/資料來源:SustainableBusiness, 2015;本研究(科技政策)繪製。

零耗能建築技術發展聯盟(ZEBTA)的工作有哪些?

ZEBTA 的工作規劃包含了在短期內透過示範案例來證明可實行性,中期計畫為研訂各種評估模式、評估平台及指標之研究,長期計畫為研擬新建物和既有建物的能源耗用基準及查驗程序和執行機制(謝惠子, 2011)。而目前成效為在 2014 年 8 月,中台灣零耗能示範建築主體完工,預計以創新設計降低全年耗電 50%,同時由太陽光電提供再生能源,達到淨零耗能餐廳的目標(ZEBTA, 2015)。

從 ZEBTA 的規劃來看,無論是在實行面、量測評估面、執行面甚至是獎勵面似乎皆有完整的考量,倘若參考先進國家之規劃,將有可再強化的空間。如一、可將示範建築仿照美國 NIST 的零耗能實驗來量測其耗能標準、居住品質,將可助益於規範此類建築的評估標準;二、參考歐美國家的政策推動,皆在目標上面訂有明確的時程及數字;三、希望台灣政府除了在 ZEBTA 實行產學官研開發的行動外,另外藉由示範住宅的成立過程、專家討論來訂定實體化的目標,或許會有助益於在零耗能建築的推動。

而在推動的過程中,成本問題往往是各國零耗能行動計畫最大的阻礙,譬如英國原本規劃在 2016 年就要使所有新住宅都成為零耗能建築,但最終在經濟的考量下,政策有所轉變而延後該目標。在 NIST 的零耗能房屋實驗結果也顯示其建造費用較一般同等住宅多出 16 萬美元左右,而以其每年所節省下的能源計以當前電費來看,將需要約 28 年的時間來平反建造成本(Kneifel, 2014)。因此在實行計畫的過程中,與電力公司合作透過優惠電價計算進行補助,並且提倡使用低耗能高效率的各種電器,將會是實行上需要注意的課題。

(本文授權改寫自:國研院科政中心 科技政策觀點網站《淺談全球零耗能建築發展概況》


參考文獻

  1. CPUC. (2015). New Residential Zero Net Energy Action Plan. Retrieved September 10, 2015, from http://www.cpuc.ca.gov/PUC/energy/Energy+Efficiency/eesp/res_zne_action+plan.html
  2. DuRant, H. (2014). NIST home puts energy back into the grid | Science/AAAS | News. Retrieved September 10, 2015, from http://news.sciencemag.org/environment/2014/07/nist-home-puts-energy-back-grid
  3. Kneifel, J. (2014). Life-Cycle Cost Comparison of the NIST Net Zero Energy Residential Test Facility to a Maryland Code-Compliant Design. Retrieved from http://www.researchgate.net/profile/Joshua_Kneifel/publication/268215714_Life-Cycle_Cost_Comparison_of_the_NIST_Net_Zero_Energy_Residential_Test_Facility_to_a_Maryland_Code-Compliant_Design/links/5464f7e00cf25b85d17d2317.pdf
  4. Mark Bello. (2015). At NIST Net-Zero Energy House, Energy Efficiency, Clean Air Are Compatible Goals. Retrieved September 10, 2015, from http://www.nist.gov/el/highperformance_buildings/20150824nzertf.cfm
  5. Mark C. Urban. (2015). Accelerating extinction risk from climate change. Science, 348(6234), 571–573.
  6. Pettit, B., Gates, C., Fanney, A. H., & Healy, W. M. (1847). Design Challenges of the NIST Net Zero Energy Residential Test Facility. NIST Technical Note. Retrieved from http://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/TechnicalNotes/NIST.TN.1847.pdf
  7. SustainableBusiness. (2015). US Still Leads On Green Building: Top 10 Countries. Retrieved September 10, 2015, from http://www.sustainablebusiness.com/index.cfm/go/news.display/id/26392 UNEP. (2015). The emissions gap report 2014.
  8. ZEBTA. (2015). ZEBTA零耗能建築技術發展聯盟. Retrieved October 14, 2015, from http://www.zebta.org.tw/activity.html
  9. 謝惠子(2011)。「零耗能建築技術發展聯盟」成立大會紀實。能源報導。
  10. 謝秉翰(2014)。零耗能建築之分析。檢索自 http://www.slideshare.net/BehanShieh/ss-35596877
圖片來源:準建築人手札網站 Forgemind ArchiMedia @Flickr

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