智慧建筑的舒适与节能

建筑与生活

根据统计，人的一生约有近七成以上的时间是生活在建筑中。建筑提供了人们休息，工作和从事各种活动的环境，所以建筑的好坏会大大的影响居住者的生活质量。一个好的建筑除了要能提供良好的遮蔽，保护居住者不受外界的干扰外，还必须能适时的交换室内与室外的气体和讯息，将适合的、舒适的元素留在室内，把对人不好的、有害的，从建筑中排出。在传统上，只要设计完工的建筑，其功能与性能多半就已经定型了。随着使用时间的变长，居住人口变多，人们依赖建筑的程度会越来越大，传统建筑的性能却会越来越低，最后便需要翻修还有整建才能再次符合居住者的需求。为了能提供更良好的生活质量，并适时反应居住需求，“智慧建筑”的概念便相应而生。

智慧建筑

所谓智慧建筑，乃是结合自动控制与资通信技术的建筑体。由于此类的建筑导入了环境感知与设备自动控制的功能，就如同身体的感知与动作，能够侦测建筑内外各种不同的事件。并且透过自动控制，适时地根据不同的情境做出反应。有别于一般传统的建筑，智慧建筑能更适切的满足居住者的需求，并增加建筑使用的年限。国内在资通信技术上已发展的相当成熟，但过去极少应用在建筑领域里。而发展智慧建筑最重要的便是整合这些异质领域的技术，使之能互补有无。就目前资通信技术的角度来观察，以无线感测网络 (Wireless Sensor Networks) 作为发展智能建筑感知系统最为合适。

无线感测网络是由一群传感器所组成，各个传感器节点可以感测周围环境的变化。每个节点都具有无线通信的功能接口，可以互相传递感测到的信息，形成网络通信的架构。由于近年来微型芯片技术的进步，传感器的价格越来越便宜，更易于将这样的技术应用在实际产业中。而 Zigbee Alliance 以 IEEE 802.15.4 为底层，定义了无线感测网络的标准 ZigBee(TM)，该标准主要有低速率、低耗电、及支持大量网络节点等特性。因为改由无线的传输方式，更易于布建在建筑环境里，同时低耗电低速率的特性，也方便长期使用与维护。尤其在既有建筑中，若需要重新设计及改变有线回路来装设传感器，将会是一项极大的工程。反观无线感测网络易于布建与维护的特性，可以大大的节省施工的成本，更可加速智慧建筑产业的发展与落实。

就功能面来说，智能建筑的好坏以“安全防灾”，“健康舒适”及“设备节能”为评估的指标。其中，“安全防灾”指标是关乎生命财产的项目，需要实时快速并且可靠的通信来完成。虽然“健康舒适”及“设备节能”指标的标准没有那么绝对严格，但近年来人们对于生活质量与能源议题越来越重视，如何能提供舒适与节能的居住空间，也成为设计智能建筑的重要功能与议题。在节约能源的议题上建筑中最为耗能的便是维持室内热环境质量的空调设备。如图书馆，学校教室等般的公共建筑会订定开启空调的温度范围来节省空调耗能，但往往使造成室内环境的不舒适。因此，智慧建筑要节约能源首重在于解决空调的过渡耗能，但同时也需要考虑居住者的环境质量才行。

建筑、热环境与节能

在建筑用电里，最耗电便是空调设备，其次才是照明设备。空调设备主要是要解决建筑环境过冷或过热的情况。但对于环境是否过冷或过热，人们往往会依据主观情绪来决定是否感觉舒服。实际上，我们仍可以透过标准的程序来判断环境的舒适度。国际标准 ISO-7730 定义了室内的热环境舒适指标 PMV (Predicted Mean Vote)。会影响 PMV 的参数包括有“空气温度”、“人体代谢率”、“平均辐射热”、“空气流速”、“人体活动量”及“湿度”等6种。这种评估热环境的方式是由 Fanger 博士在1972 年所提出的。其观念是由热平衡的角度来估计热舒适度。在室内的环境中，人与环境的热交换是一种动态的过程。居住在建筑内的人会不断的从体表散失热量到室内环境，也会从环境中获得热量。当人体散失的热量多过于从环境所得到的，则人们会感觉到冷。相反的，当人体散失的热量少于环境所给予的热量，则人们会感觉环境较热。最舒适的情况是，人体散失的热量等同于从环境所得到的热量。透过如此的定义，便可以将原本完全是主观好恶来判断舒适的观点，改变为从热量交换的角度来合理量化热舒适问题。若将热环境的状态换算成标准的指标来看，当 PMV 指标为一正的数值时，代表环境较热。当环境较冷，计算出来的PMV指标数值会小于零。PMV 是用数值表示室内环境冷热的感觉，PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) 则是用该空间不满意的人数比例来描述空间的舒适度。PMV 与 PPD 的关系如图2所表示述。当PMV为零时，室内空间只会有5％的人感到不满意。PPD 将数值换成不满意人数的预估值，其意义能更清楚的表现出来。ISO-7730 建议 PMV 指标值落在正负 0.5 内，能满足 90% 大多数人的热环境需求。

虽然热舒适指标的计算较为复杂，但相较于传统只使用温度来衡量室内环境， PMV 指标能更适切并且更完整的描述热环境的状态。以中国台湾地区夏季为例，由于海岛型气候与接近赤道的缘故，纵使晚间温度能降到较低的温度，由于湿气过重，人们仍然会觉得闷热不舒服。相反的，在某些地区虽然温度偏高，但是气候干燥，人们反倒不会觉得环境是热的。而在室内环境里，为了省电，我们常会用开电风扇来替代开冷气，同样也会感觉凉爽舒适。这从 PMV 指标也可以看出来，当空气流速提高时，PMV 指标值也跟着会下降，但若我们单从温度值来观察却无法察觉这样的情况。所以适宜的室内热环境调控技术应该依据 PMV 数值，不是单靠温度值来作调整会更符合居住热环境的需要。

智慧建筑的舒适与节能 

我们现在了解可以用 PMV 指针来代替温度来衡量热环境的舒适度，这对节省电能有很大的影响。举例来说，如果可以增加风速来降低 PMV 值至舒适的范围，就可以避免开启较耗电的冷气，进一步节约电器使用的能源耗损。也就是说，我们可以使用不同的设备控制的策略，来满足热舒适的需求。相较于过去只用冷气来调控温度，这样的思考方向会更有节能的空间。资策会团队根据此原则提出了PMV-EER (Predicted Mean Vote-Energy Efficiency Ratio) 专利技术来制订设备调控的操作策略。其原则就在于，选择启动最节能最有效率的设备，来达到舒适的热环境状态。与单靠冷气的热环境控制系统比较，PMV-EER 技术会参照室内外环境状态，使用除湿机，风扇，自然对流装置以及冷气，能够提供更多元节能的舒适调控策略。这样的节能控制技术，可以整合更多设备来调整室内环境舒适度，甚至可以自然引入外部环境的气候，达到更自然更节能的居住质量。

在智能建筑中，透过感测网络的布建，我们可以实时收集环境的温度、湿度等气候信息。就如同身体的皮肤一样，具有感知的功能。透过 PMV-EER 技术，我们可以适当地调整环境的热舒适状态。如同当身体感觉冷或热时，会采取各种方式来维持正常状态一样。如此一来，建筑就像是被赋予智慧一般，可以依据环境的变化，调整成最具舒适节能的环境。发展智慧建筑设备的自动化，也有利于居住者的方便性，可以为既有建筑产生加值的效果。除此之外，室内环境的变化与电器设备的使用也会在智能建筑中也会被纪录起来。透过分析这些环境信息与设备用电纪录，有助于得知使用者的行为，进一步可以找出更节能的操作策略。如同大脑的记忆功能，能够从经验中找出最有利的调控策略。

展望与挑战 

建筑与资通信技术的整合发展方兴未艾，预期能提供系统整合商与建筑业者相当大的商机。此外，智能建筑的舒适节能功能，也能提供给居住者更大的购买诱因。但在系统整合上，还缺乏普遍且容易沟通的平台接口，使得在整合各类设备花费较多的时间与成本。此外，在 PMV 值的计算当中，一些参数值如“人体代谢率”及“人体活动量”等，因过去无法正确取得，所以常用一假设情境来订定，但实际上却未必如情境所订定的，这一部份需要更多的研究来左证，来提升计算 PMV 的精准度。从总体来看，智慧建筑可以提升居住的生活质量，也可以促进新兴产业的发展，未来将是一块不可忽视的发展领域。