2014年7月9日 星期三

南印度能源效率學習之旅

從實際的量測中我們學得「不是最大最有力的,就是能源效率最好」,但我們一般人總是相信最大、最強的就是最好。這也是我學到形成設備浪費的基本原因,當然就是節能的空間所在。
文/陳楊文 (零碳行動公司執行長)

能源修煉
    生平第一次到印度,雖不是來靈修,也差不多是來修煉的,修煉的是看不到、不易清楚的抽象議題:能源效率。

    趁著還屬於會員國之便,參加亞太生產力組織所辦的「實務導向能源稽核與效率工作坊」(Practice-Oriented Workshop on Energy Audits And Energy Efficiency),到了會場,才知道有來自14個國家25位參與者此盛會,主要都是南亞與東南亞的國家代表。這十天的課程可不輕鬆,不是聽聽學學就算了,首先要照規定的綱要,報告分享自己國家的能源狀況;每天上午上理論課,下午到實習工廠實際操作量測;課程進行到一半時,要分組討論作出老師出的作業,最後還要報告回國後的行動計畫。

    也是這樣扎實的課程,吸引人前來進行「修煉」能源的議題。

    教育場所是能源效率訓練中心 CETEE (The center of excellent training of energy efficiency),這是由日本人所捐贈的複合式建築物。園區主要由核心的教室會議中心,加上兩翼的實習工廠,以及周邊的住宿行政區等。工廠內的各項機械設備當然就都來自日本。可想而知的是,藉由此培訓教育的過程,呈現日本在各種機械設備上的精良與高效能。

圖: 筆者報告台灣的能源近況。
用能的巨量資料(big data)觀
    見面就是先做各國能源國情報告,我報告說,台灣使用的能源絕大部分來自國外進口(98%),整體能源進口的數目,例如在2011年進口了1,382億公秉油當量,使用了1,119億公秉油當量,歷年來供過於使用。進口的能源型態50%為石油,30%為煤。而工業部門使用一半能源左右(53.81%2010年),能源效率不彰,主要是以熱的型態浪費掉,根據能源局的估算,工業部門浪費掉65%能量 (以上資料摘取自經濟部能源局網站)。這同時也是發揮能源效率(Energy Efficiency)的空間,在提高系統的能源效率過程中,同時可以達到節省源能源的目的。

    接下來報告的國家來自蒙古、菲律賓、印尼、越南、寮國、泰國、印度、斯里蘭卡、孟加拉、伊朗、斐濟、馬來西亞與尼泊爾等南亞與東南亞國家。許多國家如印度泰國等主要能源消費國都有能源效率法(Act of Energy Efficiency),即使是亞洲的原油生產大國伊朗(儲油佔全球9%),政府亦有負責能源效率的管理機構,檢視各個行業(如水泥業的用電用熱效率)的能源效率現況並協助改善。反看台灣目前雖有能源法,但法中只規定到用能大戶需要有能源管理人員與定期做用能審計報告,卻無提高能源效率的具體目標。

    泰國自有產原油與天然氣,僅能供應國內消費約一半的量,每年仍需進口各式能源約總量的一半,去年因為能源需求率增加3.7%,進口比率達到56%。仍舊未雨綢繆,在1992年訂立能源促進保護法(The Energy Promotion Act),明訂2011-2030年能夠將能源密度(energy intensity)下降25%,相當節能38,845ktoe,並且編列1280億元的預算來達到此目標。

    當然發展中國家,同樣面臨電網普及率不夠的問題,如斯里蘭卡的能源使用中有46.4%仍是使用傳統的生質能(Biomass),且是所有使用能源,石油、煤、電力中的首位,主要是用在烹飪方面。在斯里蘭卡電力的價格就相對的昂貴,如每個月用電61~90度時,電費費率每度電高達12盧比(新台幣6元)。在這樣的高費率電價情況下,其實反而有利較為昂貴再生能源市場的興起。

    印度同樣有40%人口沒有好的市電,電價從每度電4盧比起價,再生能源如太陽能慢慢在廣大的印度擴散開來,印度的工廠與購物商城,屋頂第一年的折舊率達80%,電費採累積計價付出高價電費,屋頂裝上太陽能板,減少屋頂折舊,又能在最熱的用電高峰時供出最大的電力,因此太陽能板頗受大公司的喜愛。

    我看報紙的一個廣告,一家號稱印度最年輕但最大的再生能源公司 Welspun,強調是唯一有ISO認證的再生能源公司,目前在全印度所裝置,與正在安裝中的屋頂太陽能板,已經高達1.05GW容量。對於廣大的印度土地來說,太陽能板在商用市場方興未艾,對於一般人而言,恐怕還欠缺投資安裝的資金,


圖:工廠上課與講師說明的情況

探索能源效率的根本
    十天的修煉課程核心在於能源效率,所謂能源效率就是給了多少產出多少,數學公式來說就是 Output / Input, O/I,跟我們買東西時,所謂的 CP 值(性能與價格的比例)完全一樣,套用傳統的說法就是「既要馬兒好又要馬兒不(少)吃草」。當我們用此種O/I觀點來看待耗能的系統時,就從設備能不能的問題,進階到好不好的議題。

    我們在日本的訓練工廠觀察了各種工業系統,包括壓縮空氣系統、幫浦系統、風管系統、燈具照明、馬達系統、火爐與蒸汽鍋爐系統與再生能源系統。簡言之,就是動力、溫度與光三種用來生產的能量。

    與實際工廠最大的不同是,所有的系統都在不同的階段設有量測儀器,除了可讓我們操作與可目視能源的變化,更可以連結到電腦收集數據,進而計算出能源的效率O/I。

    先說結果,從實際的量測中我們學得「不是最大最有力的,就是能源效率最好」。但是我們一般人總是相信最大、最強的就是最好。加上設備商也樂於符合顧客的期許,賣多一點大一點的設備,雙方都滿意,造成一些設備的功能有過量的趨勢,我們稱之為over size。

    這也是我學到形成設備浪費的基本原因,當然就是節能的空間所在。

圖三: 筆者所量測到的幫浦效率,在低頻時(30Hz綠線)效率較高。
圖: 風扇與風管系統

    第一個系統是在工廠中常拿來常當作動力來源的壓縮空氣,此系統的構成主要是使用螺旋式壓縮馬達,將空氣以一定的流速灌入接受桶(receiver tank),在此桶子儲存壓縮空氣,然後這些壓縮空氣透過各管線傳輸壓力,並在管線的末端有各種應用的工具,將壓力轉為動力。譬如我們可以看到在修車時,用壓縮空氣來驅動轉子用來鎖緊螺絲。

    我們知道當要將空氣的壓縮,壓的越大時所需要的能量越大,但壓力來自於馬達驅動空氣流速,當要產生一定的壓力時,流速高時反而耗能較低。但是實際的情況卻是需求是變化的,用定速馬達要達到這樣的需求,需要消耗更多的能量,解決的方法是使用變頻器,以改變空氣的流動速度,來維持桶子裡一定的氣壓,且能源的消耗並不會增大,達到較高的能源效率。

    除了使用變頻器來節能外,選擇適當大小口徑的管線,管線口徑太大或是太粗,即使是耗費能源提高流速,都很難讓壓縮空氣達到一定的壓力。當然管線直徑小時,如管線接頭材質有瑕疵,造成管線或是接頭有裂縫或是漏孔,無論是多麼小的孔隙,既使如針孔般1到3mm 直徑的大小,都可以明顯地看到能源浪費掉。

    第二個系統是幫浦(pump)系統,與先前的壓縮空氣系統類似,同樣有馬達驅動,有管線連繫動力,只是管線內不是空氣,而是液體,通常最多的情況是水,例如公寓與住宅的自來水就是利用幫浦系統來輸送。與壓縮空氣最大的差別是,當馬達轉動葉片將液體甩出去時,利用大氣的壓力形成壓力差,將液體”吸”走。

    也因為利用壓力差的關係,幫浦系統要先克服水頭(Head或稱為落差)的阻力,才能讓液體在管線中開始流動。當液體流動速度增加時,水頭(Head)也會隨之減小。結果整個幫浦系統的效率,不是在馬達最高耗能或最大出力時,反而是落在馬達出力約70~80%左右。

    講師告訴我們選擇正確幫浦系統的重要性。剛好我們的作業是關於中央空調系統的幫浦問題,要從空調系統的幫浦負載更動中(Varying AC Load Case)看有無節能的空間。
圖:幫浦管道系統

    某空調系統白天的設定在流速Q = 115 m3/hr 水頭是@ 38 m H,馬達耗能 16.3 kW,當夜間低負載時幫浦系統仍在工作,但如果減小流速到Q = 71.7 m3/hr 水頭反而增加 @ 42 m H,馬達出力8.21 kW,但是其實發現夜間最佳設定值是流速Q = 35 m3/hr @ 10 m H,就可以讓空調工作,問是否仍有節能的空間? 且如不去改變現況將會多耗費多少錢,是否可以用此浪費的能源費用來投資改善設備?如何做?

    我們計算當現況馬達出力在8.21 kW時,能源效率只有63 %,如果我們將之改設定為流速Q = 35 m3/hr 水頭同時也要下降到 @ 10 m H,才能節能,此時就必須利用變頻器(VFD)在夜間將馬達減頻,白天再增頻到原來高流量設定,這樣電能只需每小時耗費1.31kwh度電,每年可解省120,888盧比(印度幣),這筆錢是值得去投資購買與安裝變頻器。

    接下來的動力系統是風管系統(FAN),風管內用電風扇帶動風,有點類似家中所用的電風扇驅動風速,不同的是風扇被密封在管子內,用風來帶動管內較輕的物體,系統主要用來測試風扇在不同頻率下的效能,當轉速頻率高時,同時會引起更高的靜壓力,消耗掉能量,以此系統來看,最佳的效能的轉速在於中間偏高的頻率。

    照明的燈具被廣泛使用在建築中,燈具的能源效率是以每耗能一瓦特(W)所發出的亮度(lm)來檢視。所有的燈具被放置一間密閉的小房間裡,以阻絕外部的光源。我們先看光的品質,也就是演色性(Ra),這是以太陽光的光譜為標準,人造光源照在物體上,當完全類似類似太陽光時,就是百分之百的演色性(定義為物體在光源下的感受與在太陽光下的感受的真實度百分比)。傳統的白熾燈泡的演色性就幾乎高達百分之百,而舊式螢光燈(T8)的演色性就只有70%而已。

    測試各種燈管或燈泡是將之放在屋頂同樣的高度,然後講師拿一個照度計放在桌面來量測,不同的燈管或燈泡所發出的光亮度。我們所熟悉的LED燈表現並不好,我看了一下所使用的各式燈管或燈泡牌子,都是使用荷蘭的P牌。我想燈具的效能變化很大,且所發出的光的品質差距也很大,因此很難用單一個款式來代表該類型的燈具好壞。但很明顯的標示是LED有長達幾萬小時的壽命,而傳統的白熾燈泡只有上千小時的壽命。

圖: 照明的能源效率量測

熔爐與鍋爐
    這種用於重工業或是輪船的設備,一般人很難見得到。熔爐是用天然氣等燃料點火將礦物融化提煉出純質,用於金屬的冶煉,能源的效率在於噴嘴的供氧控制與燃料噴射的比例,我也是好奇操作,由火焰的色彩與型態來判斷能源的使用效率。不過在廠房攝氏高達36度下操作熊熊烈火,大概一生難得有此經驗。

    鍋爐則是煮水產生壓力蒸氣,然後用蒸氣壓力去推動槳葉,這是輪船的動力。由於鍋爐產生的高壓,有如一個炸彈,因此操作者需要有專業的執照,控制水蒸氣、水量、燃料三者之間的平衡,否則容易發生危險。這是唯一不讓我們學員操作,只能看的設備。

    這裡也有安裝再生能源設備,因為都是小型的示範設備,沒有量測儀器,加上天氣炎熱,竟然沒有人有興趣跑到戶外去看。

圖:蒸汽鍋爐有如一枚炸彈。
圖:噴嘴構造。
圖:噴嘴構造與操作。

結尾行動
    最後結束的一天,每個人要準備上台報告五分鐘的心得,以及在此研討會結束後想要做的行動。

    我覺得這是個很難得的機會讓來自十幾個國家的代表,親身操作體驗各種用於工業上的設備。也覺得日本人有自信也很聰明,將自己的設備用於訓練上,也不怕任何人在此檢驗其設備的好壞。台灣如果要在南亞與東南亞擴充影響力,真的可以與主辦單位CETEE合作,如將最好的工業設備捐贈給該中心,而後續仍有來自印度各地甚至各國人來此學習,自然會透過這些設備了解生產國的工業實力,甚至也會前往購買。其他國家代表會後分享,都表達對此十天的課程有高度的肯定。

    我返台後,寫了封信給主辦單位CETEE,說工廠不該如此燠熱,可以運用綠建築的手法去改善。由於這些工廠都是鐵皮外殼,在原產地或原設計地溫帶日本可能還適合使用,但是在南印度的豔陽下,鐵皮屋就像是個大烤爐,最快最便宜也是最高效率的解決方法就在屋頂裝上噴水管線,對屋頂噴水,金屬的傳熱很快,水灑上去受金屬高熱蒸發,蒸發熱很快就能將金屬冷卻,而裝上水管的花費不高,水也不貴。

    另外,目前的屋頂是設有排熱風口,但我看是裝上馬達控制扇片,其實沒有此必要,馬達反而造成阻力,拿掉馬達,讓其隨著戶外的風或是室內的上升氣流,就能不耗能地排熱。且越熱風扇會自動轉得越快,抽出更多的熱氣。

    這樣的建議,馬上受到主辦單位的重視與回覆,稱之為革命性的建議。與他們的追求高能源效率宗旨相符合,建築也應該有高效率(在此為隔熱表現)的表現。


圖: CETEE能源效率中心建築物外觀與屋頂現有的排風口,
目前難以抵抗南印度燠熱的天氣。

    一千六百年前,一位來自大唐長安的旅人,千里迢迢用雙腳走到南亞大陸邊緣,對這裡的環境寫下:「珠利耶國。周二千四五百里。國大都城周十餘里。土野空曠藪澤荒蕪。」(大唐西域記)又說:「居戶寡少群盜公行。氣序溫暑風俗姦宄(作亂)。」(天氣熱,所以人的個性就跟著爆烈,到處為非作歹。)

    一千六百年來,環境與氣候幾乎沒有太大的改變。倒是先前佛法由此東傳到東亞,如今東亞的節能技術又傳回此處,並將由此處散播到南亞。


【作者簡介】
陳楊文,50年前在台北盆地南端登陸地球(出生),自小在水源地生態圈野玩。大學開始自然攝影與科普創作。負笈美國研究構成行為的神經科學,遊遍北美大地。任職國際保育組織,行遍五大洲,編輯國際保育類動植物數冊。近十年研究台灣海洋,著有台灣海洋生態書籍兩本,並以節能減碳、綠建築工作為職業。
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