TWI727557B

TWI727557B - 應用生質能源的淨零耗能綠建築模擬系統及其運作方法

Info

Publication number: TWI727557B
Application number: TW108146819A
Authority: TW
Inventors: 陳上元; 朱正永; 蘇信璋
Original assignee: 逢甲大學
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2021-05-11
Also published as: TW202125237A

Abstract

在氣候變遷與能源匱乏的危機下，本發明提倡淨零耗能建築（Net zero energy building, NZEB）以建築節能設計與再生能源發電的應用，持續改善設計、進行分析，來符合績效。淨零耗能建築的第一階段為追求高效節能建築，第二階段為追求建築耗能與再生能源的平衡。綜合生質能源（如生活汙水、果菜廢棄物產氣等）能源轉化參數，進行能源補償的計算，達到淨零耗能建築（Net Zero energy building, NZEB）之目標。

Description

應用生質能源的淨零耗能綠建築模擬系統及其運作方法

本發明提供一種應用生質能源的淨零耗能綠建築模擬系統及其運作方法，來運用現有綠建築模擬系統結合再生能源利用達到最有效率的能源平衡目標。

隨著地球暖化與能源危機的到來，提倡環保的綠建築概念與相關實施規範成為近年來許多國家的議題。美國綠色建築委員會（USA Green building council, USGBC）的能源與環境設計（Leadership in Energy and Environmental Design : Energy & Atmosphere, LEED : EA）是促進建築、工程和施工行業永續發展的商業模式，其關鍵領域更涉及可持續發展的水和能源效率、位置、生態、材料、室內環境品質、創新和設計的過程，所以依各國不同情形發展各有不同的綠建築評估系統。

先前的綠建築模擬系統構想主要在於建築資訊建構與建築性能分析的結合，是決定永續性的關鍵。然而，針對不同生質能源轉換為電能時可產生的能量多寡如何有詳實的運算，藉以優化綠建築能源利用，此類計算式基礎有賴更多發明來解決。

淨零耗能建築的核心概念是能源平衡，以場內的再生能源發電；或場外的再生能源電場供電，並以再生能源發電總量滿足建築的能源消耗總量。淨零耗能建築必須具備高效節能，其整體耗能使用基地或電網供應的再生能源相互抵消，滿足能源消耗與產出的平衡。

生質能源的種類非常廣泛，凡舉任何食物殘渣、微生物或是牲畜的排泄物都有可能成為生質能源的來源。此外，生質能源面對不同的處理手段下，其可產生的能源產出效率亦不相同，如何有效利用再生能源達到使用最佳化更是當務之急。因此，目前缺乏一套有系統的生質能源轉換效率並將該轉換效率應用於淨零耗能建築（Net Zero energy building, NZEB）建築設計或模擬系統的方法。

本發明提供一種應用生質能源的淨零耗能綠建築模擬系統，來解決先前技術得問題，包含：一能源平衡計算模組，該能源平衡計算模組各分別與一高效節能建築負載演算模組和一再生能源潛能補償演算模組連接；該能源平衡計算模組用以接收來自該高效節能建築負載演算模組與該再生能源潛能補償演算模組的演算結果分析並計算出能源平衡的最佳化結果。

該高效節能建築負載演算模組包含一設計與分析系統、一綠建築評級系統以及一模擬優化計算單元，且該設計與分析系統、該綠建築評級系統以及該模擬優化計算單元彼此互相連接。

該再生能源潛能補償演算模組包含一可燃氣體生產參數記憶單元、一氣態生質能源計算模組以及一再生能源評估模組，該氣態生質能源計算模組連接於該可燃氣體生產參數記憶單元，該再生能源評估模組連接於該氣態生質能源計算模組。

一種應用生質能源的淨零耗能綠建築模擬系統的運作方法，步驟依序如下：（a）於一能源平衡計算模組中設定一淨零耗能綠建築模型之目標與範圍；（b）於一高效節能建築負載演算模組中設定該淨零耗能綠建築模型之高效節能建築負載；（c）於一再生能源潛能補償演算模組中設定該淨零耗能綠建築模型之再生能源潛能補償；（d）於該能源平衡計算模組接收來自該高效節能建築負載演算模組的一第一最佳方案與該再生能源潛能補償演算模組的一第二最佳方案，若不符合當初步驟(a)設定的目標與範圍，則執行步驟（e1），反之則執行步驟（e2）；（e1）得出一最終最佳方案，並於該能源平衡計算模組中進行一淨零耗能建築計算，執行步驟（f），反之則執行步驟（e2）；以及（e2）該能源平衡計算模組設定該淨零耗能綠建築模型之能源方案修正，並回到步驟（b）執行，直到循環回饋出該最終最佳方案為止；以及（f）完成該淨零耗能綠建築模型。

以上對本發明的簡述，目的在於對本發明之數種面向和技術特徵作一基本說明。發明簡述並非對本發明的詳細表述，因此其目的不在特別列舉本發明的關鍵性或重要元件，也不是用來界定本發明的範圍，僅為以簡明的方式呈現本發明的數種概念而已。

為能瞭解本發明的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，茲進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如後：

首先請參照圖1，圖1為本發明應用生質能源的淨零耗能綠建築模擬系統1之實施例。本實施例為一種應用生質能源的淨零耗能綠建築模擬系統1，包含能源平衡計算模組3、高效節能建築負載演算模組4和再生能源潛能補償演算模組5。其中能源平衡計算模組3各與高效節能建築負載演算模組4和再生能源潛能補償演算模組5連接。而該能源平衡計算模組3用以接收來自該高效節能建築負載演算模組4與該再生能源潛能補償演算模組5的演算結果分析並計算出能源平衡的最佳化結果。所謂的能源平衡在此即為達到淨零耗能建築的目標。高效節能建築負載之能量能藉由再生能源的潛能量補償達到平衡。

為了實現淨零耗能建築的能源平衡，該高效節能建築負載演算模組4負責建築本身的節能措施的設計、評估與執行，其中包含設計與分析系統420、綠建築評級系統410以及模擬優化計算單元430，且該設計與分析系統420、該綠建築評級系統410以及該模擬優化計算單元430彼此互相連接；更進一步地，該設計與分析系統420更包含模型建構模組421、模型分析模組422以及性能分析模組423；該模型建構模組421，與該模型分析模組422連接，該模型建構模組421主要負責建築資訊建模（Building information modeling , BIM），再將該建模數據傳輸至該模型分析模組422進行分析；該模型分析模組422，與該性能分析模組423連接，該模型分析模組422主要接收外部資料與內部資料的數據，搭配分析建築資訊建模的結果，再將相關資訊傳給該性能分析模組423，該性能分析模組423包含一當初建築初步設計階段中所選定之初始方案之能源使用強度值，並使用此預設值作整合性的建築性能分析（Building performance analysis, BPA）。該設計與分析系統420經過模型建構模組421、模型分析模組422以及性能分析模組423的資料傳輸後，最終輸出結果在本實施例稱為淨零耗能建築模型。該設計與分析系統420進行的建築性能分析並以該綠建築評級系統410作為規範與基準；該模擬優化計算單元430執行節能計算模擬以及進行優化性能計算分析，並以「優化性能百分比」為優化方案的計算方式，以求得全年耗能負載。總而言之，搭配該設計與分析系統420中被動建築設計單元4211與主動服務系統4212的節能措施，以該綠建築評級系統410為基準，經過該模擬優化計算單元430進行節能計算模擬與優化性能計算分析，來求得高效節能建築的全年耗能負載。

本實施例之應用生質能源的淨零耗能綠建築模擬系統1包含高效節能建築負載演算模組4，其中的設計與分析系統420可以為Green BIM，是建築資訊建模（BIM）與建築性能分析（BPA）的整合平臺技術，以 Autodesk® Revit、Autodesk® GBS 的軟體論述。以該設計與分析系統420設計目標與範圍的建模，作為淨零耗能建築（NZEB）兩階段的高效節能建築負載與再生能源補償的平衡計算。其中該模型建構模組421更包含一被動建築設計單元4211和一主動服務系統4212，該被動建築設計單元4211更包括: 建築座向參數、高性能隔熱材參數、窗戶遮光參數...等，以維持室內的舒適，且不以此為限；該主動服務系統4212更包括: 供熱通風與空氣調節參數（Heating ventilation and air conditioning, HVAC）、家用熱水參數（Domestic hot water, DHW）、室內照明參數...等，不以以上為限。不可避免地，驅動主動系統的能源，以足夠再生能源系統的能源補償抵銷主動系統的能源負載，實現淨零耗能建築（NZEB）的能源平衡。

本實施例之應用生質能源的淨零耗能綠建築模擬系統1的高效節能建築負載演算模組4，其中的該綠建築評級系統410可採用美國綠色建築委員會（USA Green building council, USGBC）的能源與環境設計（Leadership in Energy and Environmental Design : Energy & Atmosphere, LEED : EA），是促進建築、工程和施工行業永續發展的商業模式。美國 LEED 能源與環境類別（USA LEED : energy & atmosphere）的「建築整體耗能」軟體是核心運算的作業方式，以淨零耗能建築（NZEB）的基準值作為軟體計算的參考建築值，以設計值的應用計算各種節能措施的建築物整體耗能值，並以基準值與設計值的差異計算優化性能百分比，此外更整合台灣經濟部能源局公佈的「建築用戶單位面積年耗電量」為該淨零耗能建築的基準值以及用電密度（Energy use intensity, EUI）作為度量指標。能源與大氣環境指標群總共有 3 個必要性指標與 17 個選擇性指標。本實施例主要以必要性指標的建築物耗能最低規範標準與選擇性指標的建築物最適化能耗和再生能源。LEED 系統對臺灣實例的評估，以相對耗能等級方式換算評估。

建築性能分析（Building performance analysis, BPA）的建築初步設計和前施工階段是決定永續性的關鍵，以 Autodesk® Revit軟體建模提供可視化能量分析的結果。基於性能優化（Based performance optimization, BPOpt）的集合架構是可視化住宅建築參數編輯建築資訊建模（BIM）的功能，以建築性能分析模擬進行建築熱能和採光的整合分析，並以 LEED 規範作為詳細計算和整體耗能的實際模型評估。

模擬優化計算單元430更包含：一建築外型設計最佳化單元431、一供熱通風與空氣調節系統最佳化單元432以及一建築材料最佳化單元433，該建築外型設計最佳化單元431以Autodesk® Revit 軟體模擬不同建築外型的外牆面積，並以建築相同的座北朝南面向作為用電密度（EUI）之優化性能百分比的節能措施內部資料；該供熱通風與空氣調節系統最佳化單元432接續上述的最佳化建築外型的設計條件，以Autodesk® Revit軟體模擬不同的供熱通風與空氣調節系統（HVAC）系統設計作為用電密度（EUI）之優化性能百分比的節能措施內部資料；接續上述的最佳化建築外型與供熱通風與空氣調節系統最佳化單元432 系統的設計條件，以Autodesk® Revit軟體模擬不同的高R值高性能隔熱材作為用電密度（EUI）之優化性能百分比的節能措施內部資料。

本實施例之應用生質能源的淨零耗能綠建築模擬系統1中的再生能源潛能補償演算模組5，主要負責淨零耗能建築之再生能源能量補償的儲存、計算與評估。該再生能源潛能補償演算模組5包含可燃氣體生產參數記憶單元 510、氣態生質能源計算模組520以及再生能源評估模組530，該氣態生質能源計算模組520連接於該可燃氣體生產參數記憶單元 510；該再生能源評估模組530連接於該氣態生質能源計算模組520，三者以串接的方式傳輸資料。其中該再生能源評估模組530又包含太陽能潛能評估單元531、風力能潛能評估單元以及生質能潛能評估單元533；該可燃氣體生產參數記憶單元 510為記錄氣態生質能實驗的各種數據，以供該氣態生質能源計算模組520作計算分析，再將生質氣體量作潛能量轉換後，該轉換參數與數據於再生能源評估模組530中作評估，並將最後評估結果傳送至該能源平衡計算模組3作能量計算，以足夠再生能源系統的能源補償抵銷主動系統的能源負載為基礎，實現淨零耗能建築（NZEB）的能源平衡。

本應用生質能源的淨零耗能綠建築模擬系統1其中的再生能源來源主要有太陽能、風力能以及生質能，其中本實施例主要以生質能源為大宗，而生質能源的部分又以「果菜廢棄物」及「生活污水」作為產氫烷氣發酵實驗的參數。產氫烷氣發酵實驗的參數儲存在可燃氣體生產參數記憶單元 510，並可進一步地，轉移到氣態生質能源計算模組520。其中該氣態生質能源計算模組520更包含生質氣體累積量計算單元521、生質氣體轉換量單元522以及生質氣體潛能量計算單元523。該生質氣體累積量計算單元521中生質氣體累積量的計算作為二階段產氫烷氣實驗的氫和甲烷氣體總體積累積量；該生質氣體轉換量單元522中生質氣體轉換量的計算作為二階段產氫烷氣實驗的氣體總體積累積量與料源總廢水化學需氧量（Chemical Oxygen Demand, COD）移除量，求得生質氣體總體積累積量的料源總 COD 移除量數值；該生質氣體潛能量計算單元523中生質氣體潛能量的計算作為二階段產氫烷氣實驗的氣體總體積累積量的能源轉化數值，以理想氣體定律的標準常壓（Normal Temperature Pressure, N.T.P）計算氫氣和甲烷的熱值，以上為氣態生質能源的實驗計算。

請同時參照圖1及2，圖2為本發明應用生質能源的淨零耗能綠建築模擬系統實施例的運作方法流程圖。圖2中演示本發明實施例應用生質能源的淨零耗能綠建築模擬系統1的運作方法，其中大略的步驟流程。

本發明實施例在完成步驟（f）淨零耗能綠建築模型之前，尚需經過包括：步驟（a）設定目標與範圍、步驟（b）高效節能建築負載、步驟（c）再生能源潛能補償或（e2）能源方案的修正等步驟。

總括來說，本發明實施例以第一階段的高效節能建築負載演算模組4涉及被動建築設計單元4211與主動服務系統4212的節能措施，求得高效節能建築的全年耗能負載。並以第二階段的再生能源潛能補償演算模組5涉及太陽、風力、生質能潛能的節能措施，求得再生能源系統的全年產能補償。再以能源方案修正上述高效節能建築負載與再生能源潛能補償的模擬，達到設定目標與範圍的最終最佳化方案，所以步驟（e1）淨零耗能建築計算的節能措施是實證高效節能建築負載與再生能源潛能補償的能源平衡目標，最終透過後面所述之式（2）的計算，完成步驟（f）的淨零耗能綠建築模型。

綜上，本實施例基於圖2中的概念，詳盡提供一種應用生質能源的淨零耗能綠建築模擬系統1的運作方法，詳細步驟依序如下：（a）於能源平衡計算模組3中設定淨零耗能綠建築模型之目標與範圍；（b）於高效節能建築負載演算模組4中設定該淨零耗能綠建築模型之高效節能建築負載；（c）於一再生能源潛能補償演算模組5中設定該淨零耗能綠建築模型之再生能源潛能補償；（d）於該能源平衡計算模組3接收來自該高效節能建築負載演算模組4的一第一最佳方案與該再生能源潛能補償演算模組5的一第二最佳方案，若符合當初步驟（a）設定的目標與範圍，則執行步驟（e1），反之則執行步驟（e2）；（e1）得出一最終最佳方案，並於該能源平衡計算模組3中進行一淨零耗能建築計算，執行步驟（f），反之則執行步驟（e2）；（e2）該能源平衡計算模組3設定該淨零耗能綠建築模型之能源方案修正，並回到步驟（b）執行，直到循環回饋出該最終最佳方案為止；以及（f）完成該淨零耗能綠建築模型。

關於淨零耗能建築（NZEB）的高效節能建築與再生能源的能源平衡方法，首先，如圖2所示之步驟（a），設定淨零耗能綠建築模型之目標與範圍，由該能源平衡計算模組3所執行，目標與範圍的架構包括：基地位置調查、建築生命週期範圍、淨零耗能建築（NZEB）目標論述。基地位置調查包含氣候資料、地理位置特性、水文與交通規劃，例如：氣溫與濕度、年均溫、年日照、四季氣候變化、風向變化、風速、住宅總面積、地形周遭變化、坡度、土地利用情況、溪水集流狀況……等，並不以上述為限。

建築生命週期管理（Building life cycle management, BLCM）的建築工程是規劃設計到施工，再到維運，直至拆除為止的過程。在 BLCM 的四個階段是規劃階段、設計階段、施工階段、維運階段，以探討建築物在施工階段，維運階段與拆除階段所需的能源消耗、溫室氣體、成本效益的管理。建築生命週期範圍，是指Green BIM 的設計應用涉及前期設計（PD）、初步設計（SD）、細部設計（DD）的建築生命週期範圍設計階段，以設計階段的提升方案改善建築營運期間的能源消耗。

淨零耗能建築（NZEB）目標的概念是高效節能建築負載與再生能源潛能補償的能源平衡，Green BIM設計與分析工具的Autodesk® Revit軟體作為淨零耗能建築（NZEB）節能措施的兩階段能源平衡論述。第一階段高效節能建築涉及被動建築設計單元4211的建築座向、高性能隔熱材，以主動服務系統4212的供熱通風與空氣調節系統最佳化單元432整合應用，並以被動建築設計單元4211與主動服務系統4212的節能措施，求得高效節能建築的全年耗能負載。第二階段建築耗能與再生能源平衡涉及場內的太陽能、風力能、生質能整合運用，以 Autodesk® Insight360軟體模擬計算建築物屋頂面積的太陽能潛力，並以Autodesk® GBS軟體模擬計算建築物基地的風能潛力，再以建築生活汙水與果菜廢棄物的實驗計算的生質能潛力的節能措施，求得再生能源系統的全年產能補償，依據上述兩方向設計滿足全年耗能負載與全年產能補償的能源平衡計算目標。

上述應用生質能源的淨零耗能綠建築模擬系統1的運作方法，其中步驟（b）主要由該高效節能建築負載演算模組4執行，如圖3所示之方法更包含：（甲）由該設計與分析系統420依據該綠建築評級系統410之標準設定該淨零耗能綠建築模型之節能目標；（乙）該模擬優化計算單元430接收外部資料與內部資料的傳輸後，執行該淨零耗能綠建築模型之節能計算模擬；（丙）該模擬優化計算單元430執行該淨零耗能綠建築模型之優化性能計算分析；（丁）若符合當初步驟（甲）設定節能目標，則執行步驟（戊1），反之則執行步驟（戊2）；（戊1）若符合當初步驟（甲）設定節能目標，則得出一第一最佳方案，並完成高效節能建築負載；（戊2）若不符合當初步驟（甲）設定節能目標，則進行一方案修正，並重回步驟（乙）演算，直到循環回饋出該第一最佳方案為止。

本實施例執行該高效節能建築負載演算模組4的流程中，如圖3所示之步驟（甲），所涉及首先方法之一為設定該淨零耗能綠建築模型之節能目標，由該設計與分析系統420執行。設定節能目標的用電密度（EUI）是優化性能百分比 30% 以上的設計值，以「建築用戶單位面積年耗電量」扣除停車場面積的單位面積耗電量統計作為淨零耗能建築（NZEB）公用的參考基準值論述。其中一實施例為，Green BIM 設計與分析系統420的 Autodesk® Revit 軟體進行中樓層商務住宅耗能建築的 200 人模擬，以高效節能建築的節能措施包括:建築的被動設計外型、高性能隔熱材;主動的服務系統供熱通風與空氣調節系統最佳化單元432 的設計應用，並以公式（1）的基準值與設計值計算最佳的優化性能百分比，求得高效節能建築負載的最佳方案，瞭解高效節能建築負載架構的設定節能目標。

優化性能百分比=

式（1）

式（1）中 EUIb為基準設計方案用電密度（EUI）（kWh/m2-yr）；EUId為優化設計方案用電密度（EUI）（kWh/m2-yr）；用電密度（EUI）為建築物的年耗能量除以建築總樓地板面積，即單位面積年用電量（kWh/m ²-yr）。

本發明執行高效節能建築負載演算模組4的流程中，如圖3所示，所涉及方法之一有一外部資料和一內部資料。外部資料包含氣象數據資料庫及虛擬氣象站數據庫；內部資料包含建築外型設計最佳化單元431、供熱通風與空氣調節系統最佳化單元432以及建築材料最佳化單元433中的相關數據。

而本發明執行高效節能建築負載演算模組4的流程中，如圖3所示之步驟（乙）與步驟（丙），另涉及方法有執行節能計算模擬與優化性能計算分析，皆由該模擬優化計算單元430所執行。該模擬優化計算單元430接收前述外部資料與內部資料的傳輸後，執行該淨零耗能綠建築模型之節能計算模擬，接著進行該淨零耗能綠建築模型之優化性能計算分析。經由Autodesk® Revit軟體的Energy Analysis for Revit 執行節能模擬，包含節能目標、內部資料、外部資料的節能措施與條件範圍論述，以gbXML檔案的格式傳送至Autodesk® GBS雲端的 DOE-2 引擎。並以 Autodesk® GBS 的耗能分析評估作為建築物的年耗能量除以建築總樓地板面積的用電密度（EUI）論述，以 USA LEED : EA 的「建築整體耗能」軟體是核心運算的作業方式，如公式（1）。不同國家的實際情形修正，以符合當地建築節能規定（Energy code）或建築技術規範。因為本發明以淨零耗能建築（NZEB）的基準值作為軟體計算的參考建築值，以設計值的應用計算各種節能措施的建築物整體耗能值，並以基準值與設計值的差異計算優化性能百分比，再以該百分比給予評等與計分，所以該值必須符合美國冷棟空調協會 ASHRAE 90.1 的標準條件，以上即為高效節能建築負載演算模組4的優化性能計算分析。

在執行該高效節能建築負載演算模組4的流程中，如圖3之步驟（丁）所示，於優化性能計算分析後，會檢驗是否符合設定節能目標，若不符合當初節能目標設定，則會有一（戊2）步驟方案修正導入，方案檢討建築效能的變因條件與目標達成度，以基地的氣候環境與建築構造作為節能方案的效正因數或熱點判斷，修正節能方案模擬至趨近當初的設定節能目標，再回到步驟（乙），則步驟（乙）至步驟（丁）會不斷循環，直到循環回饋出第一最佳方案為止，此第一最佳方案即為符合當初的該淨零耗能綠建築模型之節能目標設定；反之，若符合當初節能目標設定，則進行步驟（戊1）完成高效節能建築負載，接續完成步驟（c）。

上述應用生質能源的淨零耗能綠建築模擬系統1的運作方法，其中步驟（c）主要由該再生能源潛能補償演算模組5執行，如圖4所示之方法更包含：（I）由該再生能源評估模組530設定該淨零耗能綠建築模型之產能目標；（II）由該太陽能潛能評估單元與該風力能潛能評估單元進行一太陽與風力能模擬；（III）由該氣態生質能源計算模組進行一氣態生質能實驗，並由該可燃氣體生產參數記憶單元紀錄一實驗參數數據；（IV）該可燃氣體生產參數記憶單元之該實驗參數數據傳輸到該氣態生質能源計算模組後，進行一整合計算；以及（V）進行完該整合計算後，經由該再生能源評估模組530評估後，得出一第二最佳方案，即完成再生能源潛能補償，並將該第二最佳方案傳輸至該能源平衡計算模組3。

本實施例執行再生能源潛能補償演算模組5的流程中，如圖4所示之步驟（I），所涉及首要方法之一為設定產能目標。設定產能目標為使用高效節能建築模擬屋頂、基地、人口作為淨零耗能建築（NZEB）節能措施的潛能評估模擬與實驗計算論述。舉其中一較佳實施例而言，以高效節能建築的屋頂面積作為Autodesk® Insight360軟體模擬的太陽能潛能評估；以高效節能建築多組的風力發電機作為 Autodesk® GBS 軟體模擬的風力能潛能評估，以太陽、風力能潛能評估的節能措施，求得最佳化太陽與風力能模擬的全年產能量，此即步驟（II）太陽與風力能模擬，由該太陽能潛能評估單元531與該風力能潛能評估單元532來實施；由該氣態生質能源計算模組520進行氣態生質能實驗，並由該可燃氣體生產參數記憶單元510紀錄實驗參數數據，接著由該生質能潛能評估單元533，以高效節能建築居住人數的一年所產生之果菜廢棄物量與生活汙水作為本發明二階段產氫烷氣醱酵實驗的氣態生質能潛能評估，來進行氣態生質能潛能評估，此為步驟（III）；該可燃氣體生產參數記憶單元之該實驗參數數據傳輸到該氣態生質能源計算模組後，再以太陽能、風力能、生質能潛能補償的能源進行步驟（IV）的整合計算；進行完該整合計算，經由該再生能源評估模組530評估後，求得再生能源補償的第二最佳方案，來完成步驟（V）。

上述步驟（III）氣態生質能實驗之方法，其詳細方法如圖5所示，更包含：（A）混合料源前處理：混合處理有機廢棄物，形成一實驗溶液；（B）產氫批次實驗：將該實驗溶液倒入容器中；以惰性氣體曝氣該實驗溶液後，再將該實驗溶液執行一密封作業；以及放置於恆溫震盪培養箱內，逐日進行氣體分析與收瓶進行水質分析；（C）產甲烷批次實驗：主要是將未經熱處理的生質能源進行與第一階段相同的實驗，即可產生甲烷。（D）氣態生質能源計算：包含一生質氣體累計量計算、一生質氣體轉換量計算以及一生質氣體潛能量計算。

請參照圖5，在步驟（A）中，基於本發明氣態生質能實驗為本實施例注重的生質能源來源，混合處理料源的有機廢棄物主要以「果菜廢棄物」及「生活汙水」為主，作為產氫烷發酵實驗的參數，此兩者必須進行前處理，形成實驗溶液，主要分為「果菜廢棄物的前處理步驟」與「生活污水的前處理步驟」。

果菜廢棄物的前處理步驟：（一）去除雜質（如骨頭或衛生紙等非生質能標的的部份）；（二）初篩（篩出廚餘中的果菜皮等）；（三）破碎（主要為搗泥）；（四）過篩（使用以1mm x 1mm的篩網篩掉未完全破碎的部份）；以及（五）保存（為避免基質降解，將以攝氏4度的溫度保存其碳源）。

生活污水的前處理步驟：（1）採集；（2）初篩（主要篩去石頭或落葉、雜草等）；（3）過篩（同樣以1mm x 1mm的篩網篩掉過大的雜質）；以及（4）保存（為避免基質降解，將以攝氏4度的溫度保存其碳源）。

本發明圖5中的步驟（A）混合料源前處理，所使用之實驗溶液中的材料與菌種包含果菜廢棄物前處理、汙水前處理、營養鹽溶液、緩衝鹽溶液、植種菌來源與性質、植種菌馴化。果菜廢棄物與汙水的前處理是實驗的料源，營養鹽提供厭氧微生物必要的元素，緩衝鹽溶液減緩 pH 值的變化。

本發明圖5中的氣態生質能實驗之流程圖，方法步驟（B）與步驟（C）包含二階段產氫烷氣醱酵方法，其中一最佳實施例，是血清瓶 200 mL 的批次反應實驗，實驗基本條件涉及磷酸鹽緩衝溶液、反應工作體積，醱酵植種菌（汙水廠菌種，以馴化糖質廢水連續流反應器的出流液）；實驗變因條件涉及有無添加營養鹽、pH 值、溫度、料源混合比例的不同實驗條件。在圖5中，以氣態生質能實驗之流程圖步驟（B）與步驟（C）涉及固定的實驗基本條件，並以產氫烷氣量求得最佳化的實驗變因條件。

在步驟（B）中，產氫批次實驗於固定實驗基本條件中的實驗溶液倒入容器中，在本實施例中此容器可以是血清瓶，以實驗變因條件的不同進行比較；以惰性氣體曝氣該實驗溶液後（此惰性氣體可以是氬氣），再將該實驗溶液執行一密封作業，此密封作業可以是以密封矽膠塞與鋁蓋；以及放置於恆溫震盪培養箱內，待產氫階段停止進行樣品分析，逐日進行氣體分析與收瓶進行水質分析產氫批次實驗；在步驟（C）中，產甲烷批次實驗的未熱處理生活汙水添入血清瓶，進行第一階段相同工作體積，重複操作步驟與測試，待產甲烷階段停止，進行樣品分析，以上為氣態生質能實驗中步驟（B）與步驟（C）的方法。

在進行步驟（B）及步驟（C）後，實驗數據儲存在該可燃氣體生產參數記憶單元 510；接續以上，更有一步驟（D），進行氣態生質能源計算，由氣態生質能源計算模組520執行，其中更包含：氣相組成分析、液相組成分析、固相組成分析、生質氣體累積量計算單元521、生質氣體轉換量計算單元522、生質氣體潛能量計算單元523。氣相組成分析的氣相層析儀作為二階段產氫烷氣實驗的氣體定性與定量檢測；液相組成分析的總糖濃度、化學需氧量、pH值、氨氮分析作為二階段產氫烷氣實驗的水體初始值和最終值的變化量檢測；固相組成分析的總懸浮性固體物、總揮發性懸浮固體物分析作為二階段產氫烷氣實驗的固體初始值和最終值的殘留物、固體物、有機物變化量檢測，以上為氣態生質能的實驗分析。

於本實施例步驟（D）氣態生質能源計算中，該生質氣體累積量計算單元521中生質氣體累積量的計算作為產氫烷氣實驗的氫和甲烷氣體總體積累積量；該生質氣體轉換量單元中生質氣體轉換量的計算作為產氫烷氣實驗的氣體總體積累積量與料源總廢水化學需氧量（Chemical Oxygen Demand, COD）移除量，求得生質氣體總體積累積量的料源總 COD 移除量數值；該生質氣體潛能量計算單元523中生質氣體潛能量的計算作為產氫烷氣實驗的氣體總體積累積量的能源轉化數值，以理想氣體定律的標準常壓（Normal Temperature Pressure, N.T.P）計算氫氣和甲烷的熱值，瞭解氣態生質能源的實驗計算。本發明再生能源潛能補償的方法中，所涉及方法之一的整合計算彙整，請參照圖4步驟（IV），整合計算涉及太陽與風能分析和氣態生質能實驗的全年產能量，以再生能源潛能的總全年產能量作為建築的能源補償，為再生能源補償的整合計算。

本發明提供一種應用生質能源的淨零耗能綠建築模擬系統1的運作方法，如圖2所示，其中步驟（d）能源方案修正，該能源方案的修正包括：通過、未通過的目標設定與範圍。通過目標設定與範圍的建築物淨零耗能計算如公式（2）描述，以建築區域邊界固定的年輸出和輸入能量平衡值是大於等於零的淨零耗能建築（NZEB），並以未通過目標設定與範圍的建築物淨零耗能，重新擬定第一階段高效節能建築負載演算模組4模擬的被動設計與主動系統；第二階段再生能源潛能補償演算模組5模擬的太陽能、風力能、生質能潛能評估，再以持續修正上述高效節能建築負載與再生能源潛能補償的模擬，達到當初步驟（a）設定目標與範圍的最終最佳化方案。經過再生能源潛能補償演算模組5的計算與分析後，結合高效節能建築負載演算模組4中的數據，若符合當初步驟（a）設定目標與範圍，則氣態生質能源計算模組520執行的分析結果再傳輸至該能源平衡計算模組3，進行整合性的步驟（e1）淨零耗能建築計算；反之，若不符合當初步驟（a）設定的目標與範圍，則導入步驟（e2）能源方案的修正作為高效節能建築負載演算模組4與再生能源潛能補償演算模組5的模擬，並重回步驟（b）執行，直到達到設定目標與範圍的最終最佳化方案為止。

式（2）

式（2）中

是建築淨零耗能源（kWh/ y）;

是再生能源前能補償（ kWh/ y） ;

是高效節能建築負載（kWh/ y）。kWh （kilowatt hour ），千瓦小時：千瓦小時（通常為kWh，通常為kW⋅h，kW h為符號）是一個等於3.6兆焦耳的能量單位。如果在一段時間內以恆定速率（功率）傳輸或使用能量，則以千瓦時為單位的總能量等於以千瓦為單位的功率乘以以小時為單位的時間。千瓦時通常用作電力公司向消費者輸送的能源的計費單位。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及說明內容所作之簡單變化與修飾，皆仍屬本發明涵蓋之範圍內。

1:應用生質能源的淨零耗能綠建築模擬系統 3:能源平衡計算模組 4:高效節能建築負載演算模組 410:綠建築評級系統 420:設計與分析系統 421:模型建構模組 4211:被動建築設計單元 4212:主動服務系統 422:模型分析模組 423:性能分析模組 430:模擬優化計算單元 431:建築外型設計最佳化單元 432:供熱通風與空氣調節系統最佳化單元 433:建築材料最佳化單元 5:再生能源潛能補償演算模組 510:可燃氣體生產參數記憶單元 520:氣態生質能源計算模組 521:生質氣體累積量計算單元 522:生質氣體轉換量計算單元 523:生質氣體潛能量計算單元 530:再生能源評估模組 531:太陽能潛能評估單元 532:風力能潛能評估單元 533:生質能潛能評估單元（a）-（d）:步驟（e1）,（e2）:步驟（f）:步驟（甲）-（丁）:步驟（戊1）,（戊2）:步驟（I）-（V）:步驟（A）-（D）:步驟

圖1為本發明應用生質能源的淨零耗能綠建築模擬系統之實施例；圖2為本發明應用生質能源的淨零耗能綠建築模擬系統實施例的運作方法流程圖；圖3為本發明應用生質能源的淨零耗能綠建築模擬系統的運作方法實施例中高效節能建築負載之流程圖；圖4為本發明應用生質能源的淨零耗能綠建築模擬系統的運作方法實施例中再生能源潛能補償之流程圖；圖5為本發明應用生質能源的淨零耗能綠建築模擬系統的運作方法實施例中氣態生質能實驗之流程圖。

1:應用生質能源的淨零耗能綠建築模擬系統

3:能源平衡計算模組

4:高效節能建築負載演算模組

410:綠建築評級系統

420:設計與分析系統

421:模型建構模組

4211:被動建築設計單元

4212:主動服務系統

422:模型分析模組

423:性能分析模組

430:模擬優化計算單元

431:建築外型設計最佳化單元

432:供熱通風與空氣調節系統最佳化單元

433:建築材料最佳化單元

5:再生能源潛能補償演算模組

510:可燃氣體生產參數記憶單元

520:氣態生質能源計算模組

521:生質氣體累積量計算單元

522:生質氣體轉換量計算單元

523:生質氣體潛能量計算單元

530:再生能源評估模組

531:太陽能潛能評估單元

532:風力能潛能評估單元

533:生質能潛能評估單元

Claims

一種應用生質能源的淨零耗能綠建築模擬系統，包含：一能源平衡計算模組，該能源平衡計算模組各與一高效節能建築負載演算模組和一再生能源潛能補償演算模組連接；該高效節能建築負載演算模組包含一設計與分析系統、一綠建築評級系統以及一模擬優化計算單元，且該設計與分析系統、該綠建築評級系統以及該模擬優化計算單元彼此互相連接；其中該設計與分析系統更包含一模型建構模組、一模型分析模組以及一性能分析模組；該再生能源潛能補償演算模組包含一可燃氣體生產參數記憶單元、一氣態生質能源計算模組以及一再生能源評估模組，該氣態生質能源計算模組連接於該可燃氣體生產參數記憶單元，該再生能源評估模組連接於該氣態生質能源計算模組。
如請求項1所述之應用生質能源的淨零耗能綠建築模擬系統，其中該設計與分析系統更包含一被動建築設計單元和一主動服務系統。
如請求項1所述之應用生質能源的淨零耗能綠建築模擬系統，其中該再生能源潛能補償演算模組更包含：一太陽能潛能評估單元、一風力能潛能評估單元以及一生質能潛能評估單元。
如請求項1所述之應用生質能源的淨零耗能綠建築模擬系統，其中該模擬優化計算單元更包含：一建築外型設計最佳化單元、一供熱通風與空氣調節系統最佳化單元以及一建築材料最佳化單元。
如請求項1所述之應用生質能源的淨零耗能綠建築模擬系統，其中該氣態生質能源計算模組更包含一生質氣體累積量計算單元、一生質氣體轉換量單元以及一生質氣體潛能量計算單元。
一種應用生質能源的淨零耗能綠建築模擬系統的運作方法，步驟依序如下：（a）於一能源平衡計算模組中設定一淨零耗能綠建築模型之目標與範圍；（b）於一高效節能建築負載演算模組中設定該淨零耗能綠建築模型之高效節能建築負載；（c）於一再生能源潛能補償演算模組中設定該淨零耗能綠建築模型之再生能源潛能補償；（d）該能源平衡計算模組接收來自該高效節能建築負載演算模組的一第一最佳方案與該再生能源潛能補償演算模組的一第二最佳方案，若符合當初步驟（a）設定的目標與範圍，則執行步驟（e1），反之則執行步驟（e2）；（e1）得出一最終最佳方案，並於該能源平衡計算模組中進行一淨零耗能建築計算，執行步驟（f）；（e2）該能源平衡計算模組設定該淨零耗能綠建築模型之能源方案修正，並回到步驟（b）執行，直到循環回饋出該最終最佳方案為止；以及（f）完成該淨零耗能綠建築模型。
如請求項6所述之應用生質能源的淨零耗能綠建築模擬系統的運作方法，其中步驟（b）主要由該高效節能建築負載演算模組執行，方法更包含：（甲）由一設計與分析系統依據一綠建築評級系統之標準設定該淨零耗能綠建築模型之節能目標；（乙）該模擬優化計算單元接收一外部資料與一內部資料的傳輸後，執行該淨零耗能綠建築模型之一節能計算模擬；（丙）該模擬優化計算單元執行該淨零耗能綠建築模型之一優化性能計算分析；（丁）若符合當初步驟（甲）設定節能目標，則執行步驟（戊1），反之則執行步驟（戊2）；（戊1）若符合當初步驟（甲）設定節能目標，則得出一第一最佳方案，並完成高效節能建築負載；以及（戊2）若不符合當初步驟（甲）設定節能目標，則進行一方案修正，並重回步驟（乙）演算，直到循環回饋出該第一最佳方案為止。
如請求項6所述之應用生質能源的淨零耗能綠建築模擬系統的運作方法，其中步驟（c）主要由該再生能源潛能補償演算模組執行，方法更包含：（I）由該再生能源評估模組設定該淨零耗能綠建築模型之產能目標；（II）由該太陽能潛能評估單元與該風力能潛能評估單元進行一太陽與風力能模擬；（III）由該氣態生質能源計算模組進行一氣態生質能實驗，並由該可燃氣體生產參數記憶單元紀錄一實驗參數數據；（IV）該可燃氣體生產參數記憶單元之該實驗參數數據傳輸到該氣態生質能源計算模組後，進行一整合計算；以及（V）進行完該整合計算後，經由該再生能源評估模組評估後，得出一第二最佳方案，即完成再生能源潛能補償，並將該第二最佳方案傳輸至該能源平衡計算模組。
如請求項9所述之應用生質能源的淨零耗能綠建築模擬系統的運作方法，其中步驟（III）更包含：（A）混合料源前處理：混合處理有機廢棄物，形成一實驗溶液；（B）產氫批次實驗：將該實驗溶液倒入容器中；以惰性氣體曝氣該實驗溶液後，再將該實驗溶液執行一密封作業；以及放置於恆溫震盪培養箱內，逐日進行氣體分析與收瓶進行水質分析；（C）產甲烷批次實驗：主要是將未經熱處理的生質能源進行與第一階段相同的實驗，即可產生甲烷；以及（D）氣態生質能源計算：包含一生質氣體累計量計算、一生質氣體轉換量計算以及一生質氣體潛能量計算。