推介书(酒店案例).doc

一、缘起节能减排是目前全球最热门的话题之一，中国在“十二五”之后，更是明确将节能减排定为首要任务，而台湾方面早些时候在这一领域已经有了相当的成果。根据国际能源总署(IEA)公布的最新数据显示，台湾人口仅占全球不到0.4%，然而却排放将近全球1%的碳量，因此全体上下确实有责任和义务为地球环境贡献心力。.依据台湾当地政府订定的目标，目前各部会机关除了降低本身能源使用外，并订立各种政策措施来辅导及协助所属之机关团体、法人及一般民众，以每年降低2%的能源密度为目标，并减少约563万吨的CO2排放。这对于长期以来惯于享受高排碳量带来的经济成长及生活便利，以至于相较20年前，现今排碳量成长93.4%的台湾人来说，无疑是一项艰巨的任务。因此除了倡导全民养成随手关灯、提高空调温度等习惯之外，当然各项工程的机电设计亦须符合节能原则才是达成目标的最关键因素。再细数各项节能减排的设备成效，按台湾经济部去年度的统计，CO2排放减量最高的乃是风力发电设备，然而高额的建置成本却是未来的一大障碍；位居节能成效第二位的则是再生能源的热能设备，诸如太阳能集热器以及热泵等。这类设备相较于风力发电及太阳光电，建置成本相对便宜许多，可实行的目标也轻易地普及至一般家庭，实为投资报酬率最高，成效最为显著的节能方式。前述提到的太阳能集热器及热泵设备，在过去几年除了不断精进产品的制热效能外，在台湾能源局、公共工程委员会等政府机关的极力推动下，将太阳能以及热泵两种设备结合，交互利用两者不同制热优势以达到更高节能成效的设计，更蔚为主流，在节能成果上大放异彩。这样的设计无疑是在兼顾投资成本及能源回收两方面来说最符合经济效益的方式，而超过八成的金额节能率，亦是各能源业者及能源使用者竞相投入的最大动力。就设计上而言，太阳能集热器的节能率乃依照区域的日照度而有所增减，以台湾地区平均约六成的有效日照量来计算，太阳能就能达到约60%的节能率；余下40%日照量不足的部分，则以热泵再节省下60%的能源金额(如图1)。这样的结合，即可将节能率有效提升至80%以上。下文中，将以台湾某酒店设计为案例，探讨如何以优化的节能设计，达到最高的节能减排成效。二、节能案例提案1、热水能源使用概况本案为新建旅馆，共设208房，并附设96座浴缸。目标物为淋浴用热水设备，设定平日住房率60%，假日住房率100%，则平日用水量为32吨，假日为53吨。兴建后，假设主要设备为天然气锅炉，则按使用状况推算，预估每年使用天然气约70000M，能源耗费约为134.5万元。规格及能源耗量如下表: 每日需求热水量(L)制热设备年耗能源(M)年耗费用(元)31,988(平日)53,056(假日)天然气锅炉69,8181,345,3902.目前状况分析及设计缘起若本案使用天然气锅炉设备，除不符合节能效益外，设备污染及排碳量亦与环保背道而驰；且本案因考虑团进团出，使用者可能集中在同一时段沐浴，用水量超出分批使用方式甚多，因此即使改用电能热水锅炉，亦需高压电力设备方能达到制热需求，恐影响契约容量甚多。为有效落实节能减碳之环保政策，并达到本案成本降低之目标，因此建议设置气源式热泵主机，以电力三分之一的能源成本，由大气中取得热源。加上由于本区日照充足，因此再增加太阳能集热器设备，以达节能目的。兹分析太阳能集热器及热泵主机节能效益如下： (1)太阳能集热器的效能由中央气象局国内一级气象站之日照数据库(如下表)可得知，本第区一年约有52%的天气状况为日照充足。基于太阳能集热器只要大气中具备辐射热即可提升温度的特性来看，我们很容易即可得知这52%的气候条件下，皆可享用免费的太阳能源来制热。然而实际上，以季节性来看，由于太阳能集热器收集的热量与实际需求热量成反比，例如夏季而言，能搜集的阳光最多，然而所需热水却最少。因此，在太阳能集热器的配置上，应考虑最佳经济效益点。以本案而言，目的在作为日间保持水温之用，以确保热泵能作为日间保持水温之用，以确保热泵能利用夜间的离峰时间运转，因此配置铺设太阳能集热器系统所能搜集之能量如下表所见之曲线部分，柱状部分则为每日热水能量需求。 (2)热泵的节能效率热泵乃是利用逆卡诺(Reverse Carnot Cycle)循环原理，机组以少量电能为驱动力，以制冷剂为载体，源源不断地吸收空气或自然环境中难以利用的低品位热能，转化为高品位热能，实现低温热能向高温热能的转移；再将高品位热能释放到水中升温，以制造热水。自法国工程师Nicolas Leonard Sadi Carnot于1824年提出Carnot Efficiency的理论至今，热泵系统在近几年已广为被使用，国内也累积出相当可观的历史数据库，足以忠实地呈现热泵系统的效果。根据经济部能源局公布的能源技术服务业(ESCO)节能绩效保证项目之新闻稿相关数字显示，交通大学将4栋宿舍之瓦斯热水锅炉，改用热泵系统取代，节能率达50.5；花莲教育大学将宿舍使用之电热热水锅炉及电热热水锅炉以热泵系统取代，节能率达35.6。由此可见目前台湾地区的热泵节能率可达到50%以上。(3)节能率的迷失因为相较于太阳能集热器受限于日射量的影响，热泵基于热效率的特性，亦受限于环境温度的影响甚巨。以本区气候条件而言，一年中必然有相当时间无法达到最佳效率。夏春秋冬由下图中可知，以高压二段式时间电价而论，若热泵之COP以较佳的3.5来计算，则在尖峰时间平均每1元新台币可以产生约985Kcal。此数值若在去年初油价较低(10.2元/L未税)时，与能源局公布之低硫锅炉油(重油)之热值9,996Kcal/L相比，则一般锅炉平均每1元新台币也可以产生约939Kcal，即使锅炉的效率降低，亦与热泵之较佳效率相差无几。更遑论热泵的COP在3.5以下的使用状况。另外，目前可见坊间某些热泵业者宣称其效能可省75%以上，其实若深究这个数字，即可发现此为营销宣传的一种手法。此数值乃是设定使用者原有能源为一般家用的表灯用电计费方式，并取其最高峰的电价5.1元/度 来作为基准。且计算的时间周期亦选定在热泵效率最佳的炎炎夏季。换言之，热泵仅在相较于原有的5.1元/度之用电，且在夏季时期运转，才能省下75%以上的费用。再则，细究热泵得以完善运用在热水制造阶段中的，仅止于环境温度较高，且水温不超过50为主，虽热泵至少可将水温加热至55左右，但超过50的部份乃是以效率及低的方式制热，并不符经济效益。我们若将热泵运转过程中，因周遭低温以及末端高温等效率低的部份提取出来，只留下有效率的运转制热能量，与每天的实际需求相比较，则可以清楚了解热泵所不足之处。下图中浅蓝色柱状图为每日平均所需的加热能量，深红色部分则为热泵有效的运转能量，两相比较，则可知热泵不足之处仍需改求其他的解决方案。因此，如何使热泵避开COP较低时的运转状况，并善用台电的非夏季电价，以及提高制水水温，实为此节能系统设计的关键因素。3. 提案系统概述(1)、按实际空间规划，主要设备之太阳能集热器如下表规格及数量如下：设备地点铺设面积屋顶平台93.6(2)、附加热泵设备及热水储热桶槽，并设置辅助备用制热装置，如下表规格及数量。设备地点热泵主机储热桶容量(L)备用天然气锅炉备用装置(G/kW)屋顶平台75RT12,000*348,000kcal*28/4*104 4、节能方法欲改善前述系统所面临的问题点，太阳能集热器则可补其之所不足，以提高制热效率。相对的，太阳能集热器系统先天受限于日照不足的情况，亦正可以热泵作为辅助，达成更具效率的节能方式。(1) 尖峰用电移转目前台电的尖峰用电单价，平均为3.06元/kWh；而离峰用电单价仅需1.38元/kWh。由此可知，若将热泵机组置于尖峰用电时间运转，能源费用将是离峰用电运转的2.2倍。因此若将太阳能集热系统加入设计，则日间免费的太阳能源，即可替代热泵用于尖峰用电时间运转的功能。参照前述的太阳能集热器具71%的节能率可知，祇要设置上述的太阳能集热面积，则可避免热泵的高额电费时段运转费用，仅以45%的电费，达到相同的制热目的。 (2)夏季、住宿人数少时的免费能源另外，热泵虽不似太阳能受限于日照量的影响，但即使于盛夏之际，依然需要电力方能运作，因此只要有热水的使用需求，就必须启动主机运转。而结合太阳能集热器的系统则不受限于此，在设计上，太阳能虽仅作保温之用，但在夏季入水温度较高、日射量充足的情况下，单是太阳能集热器即可轻易达到适合夏季沐浴的40以上水温。使用人数较少的期间热水需求量大幅减少，相对热水使用量亦降低许多，这类型的使用环境，皆能有效发挥太阳能于夏季负担100%制热需求的特性。尤其目前气候状况趋暖，日射量充足的平均天数亦逐渐增加，更显此系统的节能效率。(3) 目标温度的提升至于在冬季提升热水温度的目标上，若将热泵主机设计为入水温至50阶段制热使用，超过50之温度则由太阳能集热器衔接，则能有效配置节能设备的最佳分段。如此一来，整体节能系统的目标温度提高，相对可将热水储存槽的容积缩小，当然可以省下更多建置成本并达到更佳的效益。欧美日等节能先进国家，早已积极推动系统整合之观念，亦以充分落实于各设计案。下图为去年法兰克福能源展德国Wolf GmbH集团提供之系统整合示意图。他山之石，可以攻玉，此乃本公司推动系统整合之最大意义。5、预估节能效益及节能率本系统相较于天然气锅炉，以能源用量计算，节能率可达39.5%；以金额计算，则节能率可达79.1%。相当于每年省下约106.4万元。热能耗值计算，以天然气锅炉为基准，热值以能源局公布之8,900kcal/M，设定运转效率为80%，能源价格为欣湖天然气公司公布100/9/1价格19.27元/ M；本设备并以台电公布之契约两段式电价加权平均单价尖峰3.06元/kWh、离峰1.38元/kWh为计算基准。本设备COP因季节变化设定在2.33.7之间。比较两套设备在等热（相同水量及温度）条件下的制热能源耗量及耗费。 (1)改善前后能源用量分析：虚线部分为天然气锅炉设备能源耗用状况；实线部分为本设备的能源消耗量。 (2)改善前后能源费用分析：长柱状图为原有设备消耗能源费用，短柱状图为改善后设备能源费用；曲线部分则为节能率。三、项目计划执行概要1.设计状况说明本案设定与天然气锅炉作分析比较，每年热水设备耗能约柴油21,830升，总能源费用约为64.4万元；改善后，预估能源费用将降为3.8万元。水量设计方面，每人每次平均可连续使用约7.1分钟之45沐浴用热水，每座浴缸可使用23.9分钟。超出使用之部份，则将以备用天然气锅炉加热系统制水。暨有锅炉制热费用估算方式：总需求热量计算需求水量 T需求水量 ( 出水温度 入水温度 )燃料热值制热效率=实际每单位燃料产生之热值 总需求热量实际热值=每日所需之燃料数量燃料价格所需燃料数量=每日所需之燃料金额每日所需之燃料金额天数年数=总支出燃料费用(年)用水量须求分析: 设计供水目标每人每浴缸沐浴用水温45热水水温55设计水量100L336L平均入水温21.3混合所需冷水量42.3L142L冷热水混合水量142.3L478L龙头全开时间7.11分23.9分备注：莲蓬头出水量，以国内一般饭店常用之水压计算。2、新置设备运转配置：根据用水量分析计算热泵及太阳能集热器制热效率，并模拟各气候状况使用之情形。分析如后：一年四季的平日时期，以及春夏秋三季的假日，无论晴雨，热泵皆足以在离峰用电时间内即制造全日所需热水，冬季则有2/3运转时间使用离峰用电，可避免较高额的尖峰电费。即使寒流其间，备用设备亦仅在周温低于8时方需启动，因此备用锅炉系统除人员增加或用水量超出预期外，几乎无须动作，可大幅降低使用锅炉产生之排碳量以及高额费用等因素。3.太阳能集热器配置：(1)台湾地区日设量分布图根据内政部建筑研究所于民国95年12月公布的台湾太阳能设计用标准日射量与相关检测规范之研究资料，其中按我国地形图绘制日射量分布图，如下图所示，本校所属地区平均日射量为高量级区域，因此可知太阳能集热系统在本案必然能有相当程度的效果。(2)根据中央气象局一级观测站，所测地区日照量表。按此表于日照量不足之时间点，配置热泵主机进行辅助加热。4.控制系统规划也正由于热泵与太阳能皆为以长时间累积热量的特性，因此系统的结合，就让缺乏经验者陷入一个尴尬的窘境。完美的系统设计，应最优先以免费的太阳能源来制热，再以热泵于离峰用电时间补其热量的不足。然而若以太阳能集热器作为保温的系统设计，其运转逻辑却与实际状况相反，乃是以热泵于夜间离峰时间运转为优先，再以太阳能补其保温的不足。所谓天有不测风云，白天阳光的日射量多寡，皆会影响热泵系统运转的时间：日射量超过保温所需时，热泵应减少运转以节省能源；日射量不足供保温使用时，热泵亦应适时于使用热水前启动以辅助加温。由于大部分系统的设计未具备人工智能，加上设计者欠缺相关经验，因此可以预见两种节能系统拼凑的结果：热泵必然无法预期隔天白天的阳光是否充足，因此永远设定在固定时间内运转，无法因阳光充足而减少运转时间以节省能源。至于单纯的太阳能集热系统，往往配置锅炉或电热这类可以迅速加热的系统，作为日射量不足时补充温度之用，所以设计上常以温度感应装置加上时间装置，于热水供应前决定是否启动辅助加热功能。若一旦以热泵取代这个功能，就失去瞬间加热的优势，势必须将热泵辅助加热的时间提前至数小时之前，才能于阴雨天及时供应所需之热水量。然而当热泵启动后，若天气转晴，则不免太阳能与热泵双工运转，对于节能系统而言，尽是一种无谓的能源浪费。因此本系统在热泵与太阳能的调配方面，本公司特以人机接口测量周遭气候环境等变量，让系统自动决定最佳的运转时机，以达到最节能之目的。5、保温材质的设计除了控制部份的细节，节能系统的保温设计往往是系统成败的一大重点。如果热泵及太阳能等节能设备的使用是开源，那么附加的桶槽及管路保温设计就是节流了。保温材质绝对会影响整体系统的节能率，保温系数的高低、材质厚度，必然对保温效果造成影响。例如PU发泡加上玻璃棉及断热铝箔作为保温桶槽的填充材质(如下图)，必然优于一般的PE包覆；而PE外覆铝皮的管路施工方式，当然也比一般保温管路高出许多效果。所谓为山九仞，功亏一篑，若无视保温的设计，那节能设备的锱铢必较又有何意义？6.节能外还要节水以上的设计，的确是在理论上可行的节能方式，但是实际上实行起来，却有许多能源使用者反应出效果不如当初所预期！其实细究原因，实际使用的状况与当初设计时的落差，往往就是导致效果未如预期的最大因素。(1)节能率不明显的原因相较于过去使用能够瞬间温升的锅炉设备，现行的热能节能设备如太阳能集热器以及热泵等，均须以较缓慢的加热速度搜集热量，加上最高制水温度有一定的限制，因此保存热水的储存量配置，就必须以足量的方式作为因应。通常在住宿人员使用热水的案件里，设计上为减低机械设备的建置费用，会设定设备的制热能力，以逐渐累积的方式做一次性的供给，例如太阳能设备必然要搜集全天的日照能量；热泵设备则以长时间加热的方式，将能量集中累积起来，储存在热水储存槽之内。因此有多少人使用，就设计多大的热水储存槽，这是节能设计上的第一个原则。我们可以在许多节能设备改善案例中见到，在改善前使用锅炉时，每个用户平均热水需量约为40-50升，而在设计节能设备时，热水需量会增为80-100-升，一来是因为节能设备无法如锅炉将水温提高到65-70，因此需要用更多的热水和冷水混和；再来也因为锅炉设备即使在用水量超出预期时，亦能以很短的时间制造所需的热水所致。故在节能设计之中，只要能够满足全数使用者的热水需量，那么在人数减少时，当然亦具备足够的热水需量。然而这样的设计也因而陷入一个能源控制不善的窘境。试以一个1,000人使用热水的国立大学宿舍做为案例探讨，太阳能及热泵等节能设备可以忠实地将每日所需的1,000人用热水准备妥当，然后静置在热水储存槽里等候学生使用。然而，周末假期、寒暑假留宿人数骤减时，却也制造了许多不必要的能源；再则如期末考等住宿高峰时期，若再遇上寒流来袭，每位学生的用水需量增加，这时原本设计的热水储存量必然不敷使用。虽说大部分的节能设备，都会在热水储存槽里配置电热等加辅助加热系统，然而碍于节能设备通常将热水集中储存的特性，为了可能增加的20%热水使用量，却要再加热80%以上的储存槽水量。这样一来，好不容易提高节能效能的设备，在这些环节里就功亏一篑了。(2)另一个隐形的节能节水杀手上述提到的问题点，除了学校宿舍外，在饭店、寺庙以及游泳池、体育馆这类热水使用人数会有大量落差的建筑，也都有可能会发生。以饭店而言，住房率在淡旺季期间相差极大，若淡季3-5成的住房率，也制造出满载的热水需量，那节能真有如是在做虚工了。尤其大部分的饭店业者，为了满足顾客使用热水即开即有的需求，通常会将回水纳入系统设计(如下图)，其实这才是最大的节能杀手！加入回水系统，的确能让顾客无需等待热水，享受宾至如归的待遇。然而回水系统是以二十四小时不断循环的方式进行，只要侦测到水温下降，即启动马达将热水推入热水管路，再将冷却的部分拉回系统加热。这样的设计方式，不顾是否为热水使用的高峰期，不断将温降的部分强制循环加热，无形中当然浪费了许多的能源。当然也有将回水系统以定时启动的方式，仅设定在用水高峰期运转的设计案例，但对于以服务为本的饭店业者，要顾客在回水系统关闭时间，去承受使用热水的漫长等待，许多业者表示宁愿多耗费能源费用，也不愿换来顾客的怨声载道。而相较于备受呵护的饭店投宿者，一般宿舍或家庭成员就没有这么贴心的设计了。大部分的宿舍及一般家庭基于能源费用的考虑，并不愿意加装回水系统，换言之，用户若需要热水，就是打开龙头，等待冷水流尽至热水流出为止。由于台湾四面环海，国人大多认知水费低廉，因此一般人的使用习惯都是任由冷水流失，这样无形之中却浪费了许多的水资源。我们以一般家庭用水为例，热水主干管大多以3/4”不锈钢管配置，楼层平面则以1/2”配置，若节能设备配置在三楼屋顶平台，那在楼下的浴室要使用热水，按管径截面积及长度计算，需等待6.9公升左右的冷水流尽后方有热水可使用。如以平均每户每天等待3次热水来计算，每一百万户一年所浪费的水量，就超过750万吨。再计算一般学生宿舍等建筑物，热水主干管主2”，若节能设备同样配置在三楼屋顶平台，那在楼下的浴室就需流失33.9升左右的冷水。以全国住宿的学生浪费的水资源，加上一般家庭浪费掉的冷水量，一年就超越供应北台湾主要用水的石门水库最高蓄水量了！(3)更精进的节水方式要解决以上的问题，其实非常容易，只要在末端出水之前，配置小型的电能热水器，在末端截流作为节水节能的配置即可(如下图)。节水节能装置：保持末端水温加热管内冷水补充不足热水节能设备热水槽管内冷水以学生宿舍为例，末端的电能热水器会保持适合沐浴的水温，当使用者开启龙头时，无需等待冷水流尽，即可马上使用此装置里的热水。而后端管壁里因静置而降温的冷水，则进入装置里继续加热，最后，再衔接热水储存槽里以节能设备制造的热水，这样一来就有源源不断的热水供应。相较于国内饭店广泛使用的回水装置，这样的设计需要用到的能源，只有小型电能热水器里持温，以及管壁内静置降温所需加热的些许能源而以。若以饭店住宿来看，即使静置12小时，也仅需不到新台币2元的电费，就能提供无需等待的热水(如下图)。(4)优化的节水节能设计同时本装置设计为可开启及关闭，淡季时将未销售的房间系统关闭，则完全不浪费任何能源，即使临时有人进住，末端的这套加热装置，也能在20分钟之内将水温提升至适合沐浴的温度。若再配合控制设备(如下图)，更可与订房系统结合，自动启动或关闭系统，达到更佳的节能效益。基于这样的设计方式，则学生宿舍、饭店这类使用人数有极大落差的情形将可获得改善。热泵或太阳能虽具有60%左右的金额节能率，然而当使用人数未达三成时，与其任由节能系统制造大量热水，不如切换为末端的装置直接加热，反而能节省更多的能源。以前述1,000人宿舍为例，当寒假住宿仅余50人时，若制造1,000人用的热水，那末再高的节能率也没有任何意义，反观将系统切换为末端制热，有多少人就制造多少热水，这样才是优化的真正意义。加上由于本装置采末端储存持温热水的方式，因此原设备配置的储热水槽容量，可以因而减少。所以从成本面来看，因为主要的热水储存槽减少，经费移转为末端装置，故预算并没有太大的增加。*说明：此系统并于末端设置电热节水节能装置，即开即热，用来避免因热水管路静置冷却而致使用者等待热水，且能避免住宿时间以外回水加热。同时并可按使用人数多寡来调整水量，亦可确保天候状况不佳或前述装置加热不及时，仍供给住宿使用者热水量充足无虞。7.用电量分析本系统之热泵设备部分，对于用电容量影响不大