台灣位處亞熱帶，冷房需求期長達八至十個月。在商業建築中，空調系統的電力消耗通常佔建築總用電量的 40% 至 50%[1]。這意味著空調系統的效能設計，不僅影響業主的營運成本，更直接關乎國家整體的能源消耗與碳排放目標。本文將從台灣建築節能法規的演進脈絡出發，探討空調工程師在設計階段可採行的效能提升策略。

一、台灣建築節能法規的演進

建築技術規則——強制性基準

內政部《建築技術規則》建築設計施工編第十七章「綠建築基準」，是台灣建築節能的強制性法規依據[2]。其中與空調系統直接相關的規定包括：

  • 建築外殼節能設計：規範外牆、屋頂、開窗之熱傳透率（U 值）與遮陽係數，以降低空調冷房負荷
  • 空調系統效率基準：規範中央空調系統主機之最低能效比（COP/EER），依設備類型與容量分級訂定
  • 照明節能：限制照明功率密度（LPD），間接降低空調散熱負荷

2024 年修正版進一步提高了建築外殼的節能要求，並新增了對既有建築進行能效改善時的適用規定[3]。

EEWH 綠建築標章——自願性卓越標準

台灣的 EEWH（Ecology, Energy Saving, Waste Reduction, Health）綠建築評估系統，由內政部建築研究所於 1999 年建立，是亞洲最早的綠建築評估體系之一[4]。其中「日常節能指標」直接評估空調與照明系統的能源效率，涵蓋以下面向：

  • 建築外殼耗能指標 ENVLOAD（空調尖峰負荷之外殼貢獻度）
  • 空調系統節能效率 EAC（Energy-efficiency of Air Conditioning system），評估整體空調系統的年度用電效率
  • 照明系統節能效率 EL

EAC 指標的計算涵蓋主機效率（COP/IPLV）、送風系統效率、泵浦系統效率及熱回收等因素，是對空調系統全面性的效能評估[5]。取得 EEWH 標章的建築，其空調系統效能通常需較法規基準提升 20% 以上。

2050 淨零排放路徑

2022 年，國家發展委員會公布「台灣 2050 淨零排放路徑」[6]，其中「節能」為關鍵戰略之一。建築部門被設定為重要的減碳領域，具體目標包括：

  • 2030 年前：建築能效提升 50%（相較基準年）
  • 2040 年前：新建建築達到近零碳建築標準
  • 2050 年前：所有建築達到近零碳建築標準

這些目標對空調系統設計意味著，未來十至二十年內，空調能效標準將持續大幅提高。工程師在進行設計時，應以超前法規的思維進行規劃。

二、空調系統效能指標

評估空調系統效能的核心指標包括：

COP 與 EER

冷凍機（Chiller）的效能通常以 COP（Coefficient of Performance）表示，定義為冷凍能力（kW）與輸入功率（kW）之比。水冷式螺旋壓縮機的全載 COP 典型值約 4.5–6.5，而離心式壓縮機在大容量（>500 RT）時可達 6.0–7.0 以上[7]。

IPLV/NPLV

由於空調系統在大部分運轉時間並非處於滿載狀態，AHRI Standard 550/590 定義了 IPLV（Integrated Part Load Value）作為部分負載效能的綜合指標[8]：

IPLV = 0.01A + 0.42B + 0.45C + 0.12D

其中 A、B、C、D 分別為 100%、75%、50%、25% 負載時的 COP/EER。此加權反映了實際運轉中部分負載的出現頻率——50% 和 75% 負載佔最大權重。變頻離心式主機因其優異的部分負載表現，IPLV 值可達全載 COP 的 1.5 至 2.0 倍[9]。

三、設計階段的節能策略

策略一：降低空調負荷

最有效的節能，是從源頭減少空調負荷。具體措施包括：

  • 建築外殼優化：高性能 Low-E 玻璃、適當的遮陽設計、外牆及屋頂的隔熱強化。研究顯示，良好的外殼設計可降低空調尖峰負荷 15–30%[10]
  • 照明熱得控制：採用 LED 照明並搭配調光控制，降低照明散熱對空調的負擔
  • 內部熱得管理：合理配置設備散熱，善用自然通風預冷（適用於過渡季節）

策略二：提升主機效率

  • 變頻主機的採用：變頻離心式或螺旋式冰水主機在部分負載時的效能遠優於定速機型。對於負載變動大的建築（如商辦、百貨），變頻主機的年度節能效益可達 20–35%[11]
  • 主機台數與容量的合理配置：避免單一大容量主機長期在低負載運轉。採用多台主機搭配分階啟停策略，使每台主機運轉在高效率區間
  • 冰水溫度提升：冰水出水溫度每提高 1°C，主機 COP 約可提升 2–3%[12]。在過渡季節或部分負載時，適度提升冰水溫度是簡單有效的節能手段

策略三：送水與送風系統最佳化

  • 變頻泵浦與變頻風機：依據風機定律（Fan Laws），風量降低 20% 時，功率可降低約 49%[13]。變頻驅動（VFD）的投資回收期通常在 2–4 年
  • 大溫差設計（ΔT）：採用較大的冰水供回溫差（如 7°C 取代傳統 5°C），可在相同冷卻能力下減少冰水流量，降低泵浦能耗
  • 管路系統的壓損最佳化：合理的管徑選擇與配管路徑規劃，避免不必要的閥件與彎頭，降低系統阻力

策略四：智慧控制與運轉最佳化

  • 冰水主機群組最佳化控制：基於即時負載與外氣條件，動態調整主機啟停台數、冰水溫度設定值及冷卻水溫設定值
  • 冷卻塔自由冷卻（Free Cooling）：當外氣濕球溫度足夠低時，利用冷卻塔直接提供冷水，減少或停止主機運轉
  • 全年能耗模擬：在設計階段利用 EnergyPlus、eQUEST 等能耗模擬軟體，驗證不同設計方案的年度能耗表現[14]

四、既有建築的空調節能改善

相較於新建建築可從零開始設計，既有建築的空調節能改善需在現有系統架構的限制下尋求最佳解。根據經濟部能源署的統計，台灣既有建築的空調系統平均使用年限超過 15 年[15]，許多系統的運轉效率已大幅衰退。

常見且效益顯著的改善措施包括：

  • 冰水主機汰換：將 15 年以上的舊型主機更換為高效變頻機型，典型的節能率可達 30–50%
  • 加裝變頻器：對既有的定速泵浦與風機加裝 VFD，改為依需求調速運轉
  • 控制系統升級：導入建築能源管理系統（BEMS），整合各子系統的監控與最佳化控制
  • 冷凝器清洗與水處理：維持冷凝器的傳熱效率，冷凝器結垢每增加 0.1°C 的趨近溫度，主機能耗約增加 1%

結語

台灣的建築節能法規從強制性基準到自願性的 EEWH 標章，再到 2050 淨零排放的國家目標，對空調系統的效能要求正在加速提升。作為冷凍空調工程技師，我們不應僅僅滿足於法規的最低要求，而應以更前瞻的視角，將節能設計融入每一個工程決策之中。當我們為一座建築設計空調系統時，我們所影響的不僅是未來二十年的電費帳單，更是這座建築對環境的長期責任。