整合設計101

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「建築節能」首重提升能效
 
建築的目的就是提供一個舒適的生活與工作環境。節能不是不開燈摸黑吃飯,或是關掉空調揮汗工作,這是「節儉」是一種美德,但並非是「節能」的真諦。「節能」是在維持生活/工作舒適前提下,讓消耗的能源降到最低,發揮最大的效用。
 
建築還具有很龐大的節能潛力。國外數個不同的研究報告都顯示住商建築還有約60-70%的節能空間,主要仰賴三類技術: 節能建材(含窗/遮陽)與設備(照明/空調/其他電器)可貢獻約25%,能源管理(包括培養良好用電習慣)10%,整合節能設計約25-35%
 
應強化整合設計

整合設計是目前國內較少討論的技術部門,但它的節能潛力卻是能源管理加節能建材與設備的總和!而且整合設計是軟技術」,沒有硬體成本。所以反過來說,若我們能充分發揮整合設計的節能潛力,我們就能大幅攤低建築節能硬體與能源管理系統的成本!

關鍵技術: 全建築能耗模擬分析

整合設計的主要觀念就是節能設計不能各個設備或次系統分開來看,各做各的,而是整棟建築必須做整體性、系統化的評估,才能以最低成本創造最大綜效。而其中最關鍵的技術就是建築能耗模擬分析。

傳統11,串聯式設計流程


 
全建物能耗模擬分析,整合式設計流程

建築能耗模擬分析為何重要?
  • 輔助人為判斷之不足 - 建築耗能會受到環境、外型、結構、照明、空調、用電行為等等很多因素之影響。這些因素之間環環相扣,非常複雜,既使是很有經驗的設計團隊也很難準確量化。模擬分析數據可以有效輔助設計團隊做更準確的判斷與決策。
  • 激發創新節能設計 -目前的建築節能設計大都仰賴過去的實際成功經驗,導致很多高節能設計組合隱藏不為人知,沒有被開發出來。類似AlphaGo對圍棋的影響,模擬分析可以突破建築節能設計傳統以過去經驗為基礎的框框,有效協助開發創新的節能設計組合。  
  • 提升節能設計功力- 模擬分析的量化數據可驗證設計團隊的直覺判斷。類似飛行員的電腦模擬駕駛,建築能耗模擬分析也是一個很好的訓練工具。多做模擬分析,設計團隊的基本節能設計能力也自然會跟著提升

模擬分析越早做效益越大 
  
一個建案(新建築或舊建築改建)在觀念設計(CD)與初步設計階段(SD),可溝通改善的潛力最大,可變更的自由度也最大。這時就開始做全建物能耗模擬分析,人力/時間投入小、回收大,可事半功倍。進入細部設計(DD)階段,可變更的空間越來越小,變更設計的成本也會大幅提升。

模擬分析輔助整合設計流程 




  • 基本模型 : 通常以符合建築節能法規最低標準的規格建立第一個能耗模擬分析模型。 
  • 參數分析 : 若加入節能設計A會對耗產生多少影響? 若改成B,或A+B,會是甚麼結果? 如此循環分析,到與基本模型之耗能比較所降低的%達到或接近目標為止。在初始設計階段常分析的參數包括外型、建材、開窗與遮陽。若基地較大,建築物的座向也是好的分析參數。至於建築物所在位置、用途、環境通常固定,不太能改變。 
  • 比較分析結果 : 把分析過的參數與結果列表比較。最常用來比較是每單位樓板面積耗能(Energy Use Index,簡稱EUI)。通常還會加入其他因素,例如空調容積、成本等一起考量。 
  • 決策 : 從中挑選一個相對較佳之方案,然後進入下一個設計流程。


示範例

座落於台中之一新廠辦,坐南朝北,總樓地板面積近1800m2。以原始外型構想建立基本模型如下。設定之節能目標: 5%總能耗




參數分析分兩輪進行。第一輪針對業主與建築師都能接受的三個外型兩種結構做比較



 
分析結果第2與第3外型+鋼筋混凝土結構相對最節能。因業主與建築師較偏愛第3外型,就選擇以第3外型為基本模型進入第二輪參數分析。分析參數包括降低開窗率,加大遮陽,降低窗日射透過率及增加屋頂隔熱。分析結果比較如下:



兩輪合計共10個快速模擬分析,可降低(9.6+6.1)/218.6=7.2% 總熱負荷(若只比外殼所產生之熱負荷,則降低達36%)另外空調容積降低(2.2+1.3)/108=3.2%

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