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綠建築:綠建築就是太陽能建築嗎

許多綠建築常設有太陽能光電板,但裝有太陽能光電板的建築物不一定是綠建築,因為建築物本身若不實踐節約能源,則再多的太陽能發電也不能挽救浪費能源的本質。
 
 
 
太陽能利用是綠建築重要的技術之一,但很多人把綠建築誤以為就是太陽能建築,這是以偏蓋全的想法。根據研究,人類已知的石油儲存量僅能再使用四十多年、天然氣存量六十餘年、煤存量大約 160 年。因此,開發再生能源取代舊有化石燃料已是刻不容緩的議題。由於太陽能具有無汙染、無公害,且有取之不盡、用之不竭的特性,先進國家無不積極投入研發。尤其是我國能源對外依存度高達 98% 以上,太陽能的利用和發展更深受國人的期待。

太陽能的利用大致上可分為熱能和光能兩種形式,其中又以光電能量轉換的應用比重較大。光電能量利用方式是使用特殊的半導體材料,製造太陽電池或稱晶片;再把晶片模組化後成為太陽能光電板,經由光線照射後,可以把光能直接轉換成電能。

近年來,由於半導體工業的蓬勃發展,使得製作太陽電池的技術快速進步,製造和發電成本也逐漸降低。因此太陽能光電的發展和利用,將和國人生活的居住環境息息相關,其中太陽能系統和建築的整合稱為「建築整合型太陽能光電」(building integrated photovoltaic, BIPV)。

臺灣能源短缺和地窄人稠的環境條件,促使太陽能光電朝向 BIPV 發展,儼然成為時代趨勢,這潮流可以從城鄉環境中觀察得出。近年來,太陽能光電板有如雨後春筍般地湧現,占據了屋頂和空地。

目前國內太陽能光電板設置的經費大多仰賴政府補助,對於太陽能發電的效益評估,偏重在增加多少鋪設面積和增加多少發電總量等數據。而不知除了這些考量因素之外,應當省思我國發展再生能源的方向,是否偏離了地球環保和永續發展的宗旨?

我們經常從傳播媒體得知,某地太陽能光電設置規模刷新紀錄、總發電量是如何地高、回收年限是如何地短等斷章取義且帶有歌頌偉大再生能源的議論。但在宣導上,往往不談再生能源投資昂貴且得來不易的事實。長此下來,恐怕對於民眾能源使用的觀念產生嚴重的誤導作用。

有鑑於此,本文簡述太陽能光電的發展,兼論臺灣日射量特徵,並針對臺灣日射量和德、日比較,最終提出 BIPV 的核心價值所在。

太陽能光電的發展

國際現況

太陽能產業的發展,以德、日發展較先進,美、英也不遑多讓。德國的太陽能發展起步甚早,尤其在 2000 年實施再生能源法(Renewable Energies Laws,德文縮寫是 EEG),促使太陽能科技產業蓬勃發展。

位於亞洲地區的日本,1989 年由政府率先建立規範制度,接著在 1994 年開始實施獎助辦法,每戶 3 千瓦的「與市電並聯型太陽電池發電系統」,政府補助 50%(逐年遞減)。據統計,從 1994 年裝置戶數 539 戶,發電量 1.8 百萬瓦,到 1999 年的裝置戶數超過 18,000 戶,總發電量超過 60 百萬瓦,到了 2003 年時,裝置的戶數達到 10 萬戶,總發電量達 100 百萬瓦。

在美國,1984 年的 Carrisa Plain 設立了 3 百萬瓦集中型系統,奠定了里程碑。1997 年,柯林頓總統宣布了太陽能百萬屋頂計畫,預計到 2010 年在美國國內建造 100 萬座太陽能屋頂。這計畫完成後,每年可以減少排放的二氧化碳相當於 85 萬輛汽車的排放量。

此外,位於我國南邊鄰邦的菲律賓,由西班牙政府、英國的太陽能公司(BP Solar)和菲律賓政府三方簽署協議,斥資 4 千 8 百萬美元在菲律賓南部地區 150 個村落建構太陽能電源,由此可見國際間對於太陽能產業發展的重視。

上述國家對於太陽能產品和建築的整合,多是循著完善且合理的配套程序,對於建築的能源消費、設置地域條件、產品的耐候性能、使用安全維護等環節進行整合研發。特別是 1989 年日本政府建立太陽能建築規範制度,並立法確保太陽能光電產品的品質和保障使用者的安全。

在德國,為了鼓勵設置太陽能光電系統,更採取「產能」補助的策略,也就是政府不直接補助設置太陽能光電硬體設備,而是採取收購並保證回收電價的方式激勵設置風潮。藉由產能補助,積極誘導設置者竭盡所能地維護管理自家的太陽能光電系統,以保持良好的發電運轉效率和設備壽命。

德、日發展太陽能產業的做法,在法制面和推動面上的經驗值得我國借鏡(臺灣在 2010 年 4 月通過再生能源條例,其中已經採納了德國產能補助的觀念)。

臺灣現況

近 10 年來,臺灣掀起設置太陽能光電的流行風潮,到處可以見到設置案例。太陽能光電設備和建築物結合的方式,大多直接在建築物的平屋頂或露臺上架設太陽能光電板。

從建築物外觀而言,太陽能光電設備如同廣告招牌或屋頂水塔,成為名符其實的建築物附加設備,而不是「整合」建築。從建築物能源利用觀點而言,關於發電效率、再生電力和傳統電力規畫、運轉穩定度及管理維護等諸多問題,卻鮮少受到補助者和設置者關心,甚至只是醉心於追逐設置業績的成長表象而已,對於日漸吃緊的傳統電力負載的幫助微乎其微。

對於這種直接架設在平屋頂和露臺的光電板,一般來說,觀感普遍不佳,於是促使設計者暫且忽略光電板發電效率,轉而追求別出心裁的造形變化設計。爾後出現的案例的確令人耳目一新,然而還是患了漠視設計配套程序的弊病(不知做發電效率預估、再生電力與傳統電力規劃、運轉穩定度及管理維護等諸多問題的考量)。這些稱為經典的示範案例,從不宣導如何節約能源,反而誇耀再生能源的科技偉大,如此做法很容易讓普羅大眾陶醉在電力無虞的憧憬中,忘卻節約能源的重要。

最近有些地方政府在所轄水域環境中,引進了太陽能動力船當作遊水運具,以取代部分傳統燃油的遊艇。主辦單位這個作為,從環保觀點來講,採用無噪音、無排放廢氣的綠色交通工具,的確值得讚揚。但是若能進一步宣導告訴民眾,為了環保、節能減碳,花了很多的錢才能得到一點點再生能源,也請民眾多重視居家的節能措施,如此才是真正落實環保教育示範的真諦。

綜上所述,目前國內太陽能利用的設計風潮,大多不以節約能源為設計首要考量,設置目的可能為了宣示高科技、展現造形創意,或為了不計成本的發電而發電。影響所及,恐會誤導民眾以為太陽能發電足以解決建築物能源短缺的問題。

臺灣氣候與太陽能光電的發展

臺灣的日射量

國內對於臺灣日射量一直有「日射量充足」和「日射量不足」之爭。

持日射量不足的論點有「臺灣的日射量明顯低於同緯度地區」、「臺灣只是氣溫高而非日射量高的地區」等論述。持日射量充足的論點有「我國日射量遠比日本及美國大部分地區為佳」、「亞熱帶的臺灣地區,陽光充足,日射量大」、「南臺灣的陽光含金量極高」、「在臺灣的屏東地區,太陽能的發電量足足比德國及日本高出 50%」、「臺灣地處熱帶及亞熱帶地區,日照豐沛、緯度適中,相較於世界其他國家,發展太陽光電具有相對優勢」等論述。

至於國外文獻對於臺灣地區的日射量研究,和同緯度地區比較,則持日射量偏低的看法。例如,美國太空總署對於地球日照輻射的研究顯示,長江中下游和臺灣地區明顯是日射量較低的區域。美國著名的國家再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory, NREL)繪製的地球全天空水平輻射量分布圖和中國日射量輻射分布圖,都顯示臺灣年平均日射量(介於 3.0~4.5 kWh/m2/day 之間)明顯低於同緯度地區。

以上兩派專家學者對於臺灣日射量的看法差異極大,筆者認為太陽能發電量的根源來自於地表接受太陽輻射量的大小,因此試著以我國日射量的研究結果,和日本、德國的日射量文獻比較,來探討這個議題。

臺灣日射量與德國和日本的比較

筆者根據中央氣象局的氣象資料,收集年分是 1997 至 2006 年,統計分析後顯示,臺灣的日射量分布情形,在海拔 500 公尺以下的區域,大致上呈現由東北往西南方向遞增的現象。換言之,從東北角的基隆地區的年平均日射量每平方公尺每日大約 2.2 度(kWh),往嘉南平原一直到恆春地區的 4.7 度而增加。整體而言,臺灣年平均每平方公尺每日約有 3.1 度的日射量。

在德國的日射量方面,筆者根據李培特(Liepert)博士於 1997 年對於德國日射量的研究數據得知,德國年平均日射量每平方公尺每日約為 5.8度。在日本的日射量方面,根據 2001 年日本建築學會的日射量資料庫,日本 14 個城市測候站年平均日射量每平方公尺每日約為 4.9 度。

臺灣、德國和日本 3 地的年平均日射量比較顯示,臺灣的日射量僅是日本的 63%,大約是德國的 53%。這個結果出乎一般人的刻板印象,我們一直以為臺灣地處亞熱帶,理論上「越接近赤道,日射量越強」才是。殊不知長江中下游,從雲南、貴州、四川一路到臺灣,氣候潮溼多雨,空氣中的溼度也就是水蒸氣大量吸收了太陽輻射,因而降低了到達地表的日射量。

關於這一點,也可以從中國古籍文獻中嗅出端倪。例如四川自古以來常以「蜀犬吠日」來形容當地的氣候,根據中國氣象站科學文獻所示,四川成都的地表日射量約為大氣圈外日射量的 10%,廣州和臺灣則同為 20%,都是同緯度地區日射量較少的區域。而我們常見晴朗、清晰的西藏拉薩布達拉宮照片,到達地表的日射量則高達 50%。

綜上所述,臺灣在發展 BIPV 的過程中,在發電效益上應當正視「臺灣的日射量明顯低於同緯度地區」、「臺灣只是氣溫高而非日射量高的地區」的氣候特徵,以免過度期待發電量。

建築整合型太陽能光電的發展 建築運用太陽能也是「綠建築」設計的一環,符合「綠建築」講究的「順應環境」、「因地制宜」的技術。發展太陽能建築,必須有「全球思考、地方行動」的認識,注重「地域環境因素」,同時須考慮「產業環境因素」,以及其他「綜合效益因素」,如此一來,BIPV 的實際效益才會彰顯出來。

從「地域環境因素」而言,應當認清「臺灣的日射量明顯低於同緯度地區」的事實,切莫高估了發電量,甚至誤信「投資太陽能發電產業可以在 5 至 10 年內回收」的神話。這幾年來,筆者也觀察到國外著名的太陽能效益評估軟體進入臺灣,這些軟體的日射量氣象資料庫數據明顯有問題,運算邏輯有的以大氣圈外的日射量來推估,有的以某一城市的片段日射量數據來演釋全臺灣。影響所及,不僅降低了推估準確率,也普遍一致地高估發電量。這是屬於我們必須留意的地域環境因素。

在「產業環境因素」上,政府應當留意綠色產業是否真正在臺灣扎根。目前風行並席捲我國的太陽能光電設置案例中,太陽能板、電力轉換器、監控設備等,有很大比率都是國外製品,我們幾乎快淪為國外產品的拼裝實驗場了。

此外,我國行銷全球 Made in Taiwan 的許多太陽能光電商品,例如茂迪、旺能光電模組、臺達電力轉換器等,品質享譽國際,卻在內銷市場敵不過次級舶來品,到底是何緣故?是否我們的採購制度保障了國外劣級品,而犧牲了優良國貨?這些課題都是必須正視的產業環境因素。

在「綜合效益因素」上,一個好的 BIPV 設計,大多是整合多目標型的案例,而且都會對建築物進行先期能源評估作業。評估能源的合理使用量後,決定再生能源的規畫,再選用或組合以下幾項可能效益,達到建築能源永續發展的目的。
  • 建材減量效益—在建築外殼有利位置,以太陽光電板取代建築材料(例如帷幕牆、頂棚),減少建築材料的使用,也等於降低二氧化碳的排放量。
  • 外殼遮陽效益—太陽能板的構造本體具有遮蔽陽光的效果,因而阻擋太陽輻射熱進入室內,得到降低室內空調負荷的效益。
  • 其他節能效益—為了增進發電效益,結合通風、聚光、功率追蹤等方式以提高發電量,除了可以降低建築物本身對於公共電力的依賴度外,也可做為其他誘導式設計的電力來源。

人類過去不當的觀念,一直以「持續的生產來解決持續的消費」,讓世界提早面臨化石燃料枯竭的危機。隨之興起的再生能源的研究、投資和應用,不應重蹈在電力不夠用時就生產更多電力來消費的「惡性循環」覆轍。因此,國際上對於建築太陽能光電發展的核心價值,首重於「建築生命周期能源消費」的整體評估觀念,也就是先講究設計低耗能的建築,再談再生能源的加持。唯有先落實「節約能源」,再談開發「再生能源」,才能避免墮入永無止盡的電力消費世界。

簡言之,BIPV 的先決條件在於建築本身的節能設計。
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