建築淨零耗能 觀念轉型促成能源轉型

發布時間:106年06月30日

資料來源:經濟部能源局「能源報導」

春末入夏的午後,太陽高掛天上,暑氣已然蒸騰。走上台大工學院頂樓,一片片的太陽能板承接著陽光,在掛滿了太陽能研究資料板的「二代零能屋(ZEH-2)」裡,沒開冷氣,卻有一股涼意襲來,跟一般的頂樓加蓋大不相同。

「零能屋」(Zero Energy House)的設計以遮陽、隔熱技術減少空調使用,採高效率空調機與LED照明技術減少耗能,再搭配太陽能發電和蓄電池,從初代貨櫃屋到第二代組合屋,8坪的空間造價降至百萬元內,成本更低,基本概念始終如一:「低耗能+太陽能=淨零耗能」,傳遞的是台大機械系黃秉鈞教授對能源永續的理想!

 

太陽光電加儲能電池 自發自用不浪費

1976年,黃秉鈞自美返台,一心投入太陽能研究,經40幾年也不厭倦。在機械系任教至今,工學院屋頂的零能屋、樓梯間照明和5樓的機械系辦公室,都成了他的太陽能實驗場,靠著頂樓多片太陽能板和蓄電設備,打造不論晴雨都能供電的自發電系統。

黃秉鈞設計的光電加蓄電系統(見原始連結),將太陽能板(PV)接到電力調控器與逆變器(Inverter),當光電充足時,可儲進蓄電池裡,或經由逆變器直流轉交流,可直接供電;或是以蓄熱代替蓄電,類似太陽能熱水器的功能,將電能轉成熱水,比蓄電更划算。當光電不足,控制器可自動切換成市電供應,不虞斷電,提供實用的小家庭自發電設計,不將太陽能輸入電網。

在工學院頂樓的示範系統(見原始連結),及胸的電箱裡裝有小型蓄電池、逆變器和切換開關等,都是黃秉鈞和學生一起購買零件組裝而成,若要設計成一般家庭使用,體積還可更小。屋頂上多組系統各自進行不同的實驗,如更換鉛酸電池、鋰電池等不同的蓄電池測試穩定度和成本考量;使用儲能式的空調機將太陽能轉為熱能儲存來替代儲電;太陽能板改造成重置式或掀蓋式的;或是進行小量產的實驗。

最先進的,大概就是所謂「金字塔微電網」的互聯設計了。黃秉鈞解釋,若在太陽光電充足時零能屋沒人、沒有耗用能源,蓄電池充滿後,太陽能板就不能發電而浪費了,但若利用電力調控器將零能屋和樓梯間的系統互聯,可將多餘電力調至樓梯間照明使用,或再往下接到系辦公室,透過控制器的自動調度,形成小型的金字塔微電網,提升發電效益。

打開機械系辦公室的「能源改善對照表」,這太陽能系統,省下了24%電力。不過,若是要談「建築淨零耗能」,那麼重點還是在節能!150坪、15人的辦公室,每月電費從10,388元降至593元,從萬元電費變成千元有找,主因是更換高效率的空調冷氣和LED照明、玻璃窗貼上抗紅外線輻射膜:省電60%;辦公室的桌機都換成筆電,省電10%,加上太陽能省下24%,總計省下94%!

 

節能不做 創能儲能再多也沒用

「我一輩子研究太陽能,但是我不迷信太陽能,因為我太瞭解它了。」談到能源議題,黃秉鈞不以太陽能為優先,反而一再強調節能的重要,原因無他,不節能,再怎麼增加能源都沒用。

「我舉個例,太陽能熱水器推廣幾十年了,根據統計,推廣之前每個人每天洗澡用熱水大概15公升,安裝太陽能熱水器後,熱水一開就來,每個人每天用量平均變成50公升!這樣耗電會比較少嗎?」

能源隨手可得,反而成為浪費的根源,當用電量節節高升,供給面只能被動追趕,將成為永無止盡的耗能大賽。如何解決?首先就得從節約能源下手。

從機械系辦公室的實例可知,最簡單也最快速的節能,就是從空調、照明這兩位「用電大戶」入手。綠基會調查,空調與照明用電占全國總電力消耗的26%,若將熱水用電的4.7%加上,已占總用電量3成。在黃秉鈞眼中,只要這3成節下一半電力,就能省下15%電力。「調查顯示,全國的空調機有3千萬台,每年市場賣出120萬台,如果舊換新以1:1計算,大概是30年可以更新一輪,目前服役中、超過10年的舊型空調機至少還有1千萬台。空調設備的發展很快,10年以上的老舊空調機如果換成新型高效率的機種,省電一半以上沒問題!」

將老舊空調機汰舊換新,將照明更換成省電的LED燈,全國用電量就減下15%。根據台電資料,近幾年來核電占比18%,在再生能源努力提高占比之時,若能有效節電,有可能僅需補足3%的電力缺口,搭配節流的非核之路可以好走許多。

汰換老舊耗能設備來節能,並不是新鮮事,而是產業界行之有年的努力。經濟部能源局委託綠基會及工研院輔導產業節能,長期推廣耕耘之下,台灣的產業節能已經達到世界一流的水準。黃秉鈞擔任能源局節約能源績優廠商評審團的召集人,每年帶著10幾位委員到幾十家工廠現場查看並帶回資料,對於產業節能的績效也十分瞭解。「現在不論是哪些產業,能源耗比(能源成本除以公司營業額)平均僅占1~5%,耗比占5%以上的產業,表示耗能多或產品價值較低,都已經很難經營了。應該運用智慧,考慮轉型。」產業節能成為轉型的契機,下一步,則是住商要努力了。

 

分散式儲能出發點:減少電網負擔 卸除尖載警訊

照黃秉鈞理論,節能可省下15%用電量,但談用電,怎能只論節流,不提開源?我們目前仍有98%能源仰賴進口,政府目前力推的太陽光電與風力發電,是缺乏自產能源的我國較有機會大量裝設、提高能源自給率的再生能源。

太陽光電目標裝置容量20GW,屋頂目標設置3GW、地面目標設置17GW,風力發電目標4.2GW,政府用心無庸置疑。能源局近期已盤點1.2萬公頃閒置土地,如公家機關、工廠等屋頂可裝屋頂型太陽光電,嚴重地層下陷地、水庫或埤塘等水域空間可裝地面型(含浮動型)太陽光電,要讓光電達標,全力衝刺不留一分餘力。

不過,將太陽光電與離岸風電等再生能源全部匯入電網的做法,黃秉鈞則持保留態度。「政府保障太陽光電有20年的收購費率,一定有益於推廣,但一來成本太高,若達到20GW目標,可能會破產或大漲電價;二來,短時間內大量裝設太陽光電,饋線不足的話,裝好了也無法送電;第三,現行電網沒有偵測設備,即使有也無法準確預測每個太陽光電廠的瞬間未來發電量,當太陽能突然升高或降低,容易造成電網不穩;最後是裝設密度太高,一片雲過來,太陽光電1小時內就可能減少80%電力,電網怎麼調度?」

他舉去年(2016)6月6日台電的發電資料為例,併入電網中的太陽光電,50分鐘內就從372MW降至105MW,也就是每10分鐘減少14%電力。當太陽光電達到20GW的裝置容量目標,14%就是2,800MW,一座核三廠裝置容量約1,000MW,10分鐘內調度3座核電廠補缺口,談何容易?

與大家耳熟能詳、地廣人稀的歐洲再生能源大國如德國相比,台灣實在太小,又有山地多、平原少的限制,密集裝設下,電網容易不穩。但不是因此就不發展再生能源,黃秉鈞認為,分散式自用的太陽光電,可從需求端減輕電網調度的供電負擔,是可行的解決之道。分散式太陽光電的靈感來自德國。

1990年起,德國實施千屋計畫,政府補助7成經費,供千戶人家裝設1~5kW裝置容量的太陽能系統,到了1995年,有2,250戶響應,總裝置容量達到5.6MW。一個千屋計畫,引出了比預期多上2、3倍的用戶申請。

若要確實將再生能源用在刀口上,採搭配儲能系統的太陽光電,也才能達到平抑尖載的效果。黃秉鈞說明:「尖峰用電落在白天中午,光電跟用電尖載同步,確實可以緩解白天的電力供應情形。不過你看去年夏天的資料,一天有3個尖載落在早上10點、下午2點和晚上7、8點,當白天以太陽能供電平抑尖載後,一天最高峰就移到晚上7、8點了。當太陽下山,風力發電也不足(受東北季風影響,秋冬是風力發電高峰),電力調度就會有困難。」

炎熱的夏季,空調、照明等電力需求節節上升,到了涼爽的秋冬,用電量較低,電廠機組也進入歲修期程,同樣可能產生備轉容量率不足的情形,自發自用的分散式儲能,減低住商的電力需求,或許是個解方。

而在黃秉鈞眼中,儲能不只是小家戶可以做,電力公司更應該做!有儲能的電網才是穩定的電網,蓋儲電站也比發電廠便宜。使用傳統的鉛酸電池,儲電站不像手機電池需要帶著走,即使體積較大、較重也無妨。而加上儲能,尖峰與離峰的電力調度將能更加穩定。

 

觀念轉型 才能促成能源轉型

參照能源局成立產業、商業及政府機關節約能源技術服務團的經驗,透過全面節約能源體檢的方式,推動能源大用戶能源查核輔導、訂定節能目標與改善方案、執行用電器具、車輛及漁船引擎效率管理等,這樣完善的機制,黃秉鈞認為住商用戶也可比照辦理。

「我們想組1個住商綠能服務團,透過電力公司調出資料,針對用電量大的住商用戶,主動服務到家做能源診斷、耗能分析、提出改善方案、協助經費補助,讓小家庭也可以節能。先做小規模的示範計畫,也可以補助裝設太陽光電與儲能系統跟冷凍空調照明設備更新,一邊做、一邊追蹤數據,若確定可行,過幾年就可以具體推行到全國百萬屋!」

考慮發電成本,黃秉鈞並不認為住商用戶要做到太陽能供應百分百的自用電,而是對用電超過700度的用戶喊話。由於台灣採階梯電價,用越多單價越高,超過700度以上每度電費用超過6元,若裝設太陽能加蓄電系統,成本一樣落在6、7元之間,只要提供20~30%自用電力,將單價較高的用電以太陽能取代,就可以達到不賠本又降尖載的效用。依照台電數據,每月用電量超過700度的用戶有130萬戶,裝起來亦是不小的數字。

對用電戶來說,6、7塊一度的電費貴不貴?剛好打平,不虧本但也很難發財,那為什麼要做?黃秉鈞認真地說:「再生能源不該是發財工具,台灣人也不全是經濟動物。如果你裝太陽光電時會問,幾年可以回本?我想問,你買電視機、電冰箱有沒有在算幾年回本?太陽能發電是綠色商品,為了維護環境而使用再生能源,是值得做的事,也是應該做的事,有能力付出的,就要付出。」

能源使用要考慮成本,但絕對不是只有成本,這點,黃秉鈞深有感觸。10年前太陽能熱水器推廣開始推廣,他曾認為必定會失敗,畢竟《太陽能熱水系統推廣獎勵辦法》(2000年)僅補助太陽能熱水系統每平方公尺新台幣1千至1千5百元(離島最高3千元),比起每平方公尺8,190元的裝設成本,還要自費5,000元/平方公尺,成本並不便宜。誰知第1年申請就有5,000多件,隔年(2001年)上升到13,154件!現在每年還維持3萬戶的安裝量,打破了他對台灣人都是經濟動物的想像。

在工研院後續做的問卷調查中,也顯示這群熱水器的客戶,首重安全(避免瓦斯爆炸意外)、次要舒適(全天供應熱水)、三講環保。這些願意為了安全、舒適和環保的地球付出的人,是發電自用分散式太陽能系統可能的目標客群;如何讓更多人願意為了能源永續的理念付出,則是每一個關心社會、思考未來的公民應該要為之努力的。(沒錯!筆者就是在跟各位讀者們喊話呢!)

而對談到太陽能就眼睛發光的黃秉鈞來說,研究成果可以落實到生活中,真的是非常美好的事,持續鑽研各式各樣的太陽能實驗,是他一輩子都不會疲倦的事吧!