台積電辦公室自動化監控系統於智慧建築之應用及未來發展藍圖

前言

隨著建築產業與自動化產業結合，台積電辦公室建築與日漸進，雖然各系統自動化監控，均已在建廠初期建制，但由於公司管理部門眾多，如人資部門管理的門禁系統、工安環保部管理的消防系統、IT 部門管理的網路系統，各部門依所屬執掌專業分工，皆有屬於自己領域管理的自動化監控系統，雖然個別自動化監控系統皆屬先進、監控功能完整，但跨部門間的各系統的整合度不足，以致於監控資訊無法共享、互用，做更智慧化整合運用，讓系統做更智慧化的判斷，整體效益無法極大化。目前門禁系統、消防系統、網路系統、BA系統、各自獨立，無法把人員進出位置資料或發生火警警報位置的訊號，透過網路分享給BA系統做安全防災連動及人員疏散，還有會議室公共空間，人員開完會議後往往開啟會議室內的照明與空調系統後，但卻在離開時忘記關閉照明與空調而造成能源的浪費，或使用者成功預約會議室後卻無人使用，造成會議室無效預約，所以跨系統平台整合中央監控系統、做更智慧化的節能控制，著實是台積電未來需要努力的目標。

文獻回顧

BA歷史發展沿革

智慧建築的發展起因於世界大戰終了冷戰時期開始，眾多原本運用於軍事的高科技，因為市場考量紛紛轉為商業應用。智慧建築概念最早於1984年美國UTBS (United Technologies Buildings System)公司在康州所建設的City Place大樓，藉由BA (Building Automation)自動化應用而達到省人工、省能源、便利性、舒適性及提高管理能力等附加價值^[1]。1995年日本更導入Teletopia（通信智慧型都市）概念，藉由智慧及廣域通信科技打造智慧型都市藍圖願景，將智慧型大樓機能分類為建築和環境系統(Architecture Engineering, AE)、辦公室自動化(Office Automation, OA)、通訊自動化(Communication Automation, CA)、建築物自動化(Building Automation, BA)等，以追求高度機能之智慧型都市。

國內智慧建築發展歷程

智慧建築為21世紀都市資訊化之標竿，智慧型建築需求殷切，為讓建築物邁向高品質、高效能的智慧型建築，遂計畫透過智慧建築標章之宣導與推廣，於2003年完成「智慧建築標章」作業要點暨評估系統，落實各指標之量化評估準則與指標操作之解說，以作為執行「智慧建築標章」申請之評估手冊，並於2004年起，正式受理智慧建築標章之申請，並希望透過此一認證制度，彰顯建築物之差異化價值，可藉其直接提高我國建築之品質，間接更可提升國家競爭力。

內政部於1996年，將智慧建築物明確的定義為「係指建築物及其基地設置建築自動化系統(Building Automation System, BAS，配合建築空間與建築體元件，從人體工學、物理環境、作業型態及管理型態角度整合，將建築物內之電氣、電信、給排水、空調、防災、防盜及輸送等設備系統與空間使用之運轉、維護管理予以自動化，使建築物功能與品質提昇，以達到建築之安全、健康、節能、便利與舒適等目的」^[2]。 圖一所示為台灣智慧型建築之發展歷程，大致可歸納為十個階段 。

智慧建築即為整合上述理念之技術應用，建構辦公及居室空間更具人性化與智慧化，實現現代化建築所應有之水準，並進而創造出更具未來性、更符合人性之建築物，作為引領建築產業邁向新紀元之最高依循與指標。

傳統BA系統架構介紹

大樓自動化系統通常由上自下分為三層，最上層為管理層，設施系統伺服器主機電腦位於中央控制室內，透過資訊網路與機房內的控制器連接，接收由控制器提供各樣的監控數據。第二層屬於控制器層，控制器上提供一些輸入/輸出的訊號模組連接訊號，控制器上可以根據需求，客製化一些控制策略的程式，依據設施操作者指示的設定點運行，及完成控制各項設備， 圖二為DDC控制器與各元件架構。第三層為區域控制器或設備層，一般只提供較少的輸出入點且功能較為固定，使用於小型元件如VAV風門控制、室溫控制和燈具迴路控制等，或各類型感應器及驅動器元件，可以將建築物空間中各項感測數據傳回系統中分析，並依據控制器之指令進行設備控制， 圖三為傳統BA系統架構，如建築物中佈放的溫度感測器，會將空間中的感測溫度，即時傳遞回控制器中，控制器會將此空間溫度與我們需要的舒適溫度進行比對，經過計算後，輸出控制訊號修正冷氣供應量，進而營造舒適的環境，及達到能源的節省。

BA目前於台積電智慧建築應用之現況

目前台積電各新建廠區建築物的BA系統架構，皆以直接式數位控制器(Direct Digital Controller)，接收及發送多種型態的電氣或電子訊號，並使用他們來控制或監視所有種類的機械與電氣系統，結合整合式圖控軟體、人機介面，實行遠端圖形監控。

使用單一中央監控操作平台，採用開放式的通訊協定架構，如國際間廣泛使用的BACnet、LonWorks或Modbus等開放式通信協定，將各單一子系統整合成同一資料庫，以便分享各系統間彼此資訊，即時改變系統參數，進而優化各子系統，也提供大量的歷史數據，並提供操作人員分析重要資訊後，制訂改善之運轉及控制策略， 圖四為開放式的通訊協定架構。

BA系統整合了其他監控系統於同一監控平台，如 圖五所示，包含照明系統、電梯系統、局部消防連動空調系統，加上原有的空調系統、給排水系統、送排氣系統、電力系統等，達到自動啟停、狀態監控、排程控制、設備故障及警報通知，並可結合完整監控整合環境，應用於空調及轉動設備運轉最佳化、節能運轉及智慧型電表資訊收集，作用電量統計分析等。

電力監控

電力系統各變電站電力線路設有綜合數位式電表，電表經傳輸至中央控制室之監控系統，監控電腦必須提供傳輸接收程式，將電表之電力測量值（A, V, PF, F, KW, KVA, KWH等）整合至監控系統之資料庫，並提供高低限警報、資料記錄、日報表、月報表、年報表及歷史趨勢曲線變化。

空調監控

各公共空間及辦公空間，目前採用空調系統皆導入節能監控管理功能，其透過溫度偵測結果與空調設備進行運轉控制，控制方式以分區運轉控制、運轉風量與室內環境整合連動、空調外氣供應節能控制、以及時間排程離峰卸載控制等，包括FCU控制、VAV控制、AHU控制、MAU控制、熱泵熱水系統等。

AHU迴風CO2偵測器連動外氣空調箱進氣風管內之給氣風門，設定換氣控制程式，於夜間外氣焓值較低時自動全開風門作全量換氣，日間由程式作兩段CO2控制外氣新鮮空氣進氣量，以保持辦公室空間之CO2濃度可合乎標準（1000ppm以下），維持良好空氣品質。於會議室與各樓層辦公空間全面裝置CO2偵測裝置，連接至BA系統監控。

於地下室停車場各樓層空間裝置CO偵測裝置，連接至中央監控系統，並整合進排氣設備，導入新鮮空氣，確保廠內CO濃度合乎標準，維持良好空氣品質。

照明監控

照明控制系統，可按時間排程自動控制辦公室照明開啟及關閉，直通樓梯間設置窗戶照明計連動燈具迴路控制點，配合日光照度開關照明迴路，此外，亦可提供照明亮度百分比設定，以不同區域需求提供適當照度，達到舒適照明及節能之目的。

衛生給排水監控

提供各樓層衛生給排水設備運轉狀態，及閥基液位高低狀態監控，當系統發生異常時，透過中央監控系統得以24小時遠端監控大樓內各項衛生給排水設備的運轉狀況，一旦設備發生異常故障，將產生警報訊息發出簡訊、e-mail通知管理人員，進行即時修復設備，確保系統能正常運作。

設置漏水偵測器偵測訊號併入中央監控系統，可即時顯示用水不當或管路破損警報；並具備雨量過高警報功能，當雨量過高時，即連動地下集水池抽水馬達啟動，先行排水至低水位。

室內環境品質資訊監視

設置「室內外環境品質資訊系統」監視回傳室外環境及各樓層室內空調環境品質（包括：溫度、濕度、CO2二氧化碳濃度及CO一氧化碳濃度）資訊，24小時監測並傳輸並以趨勢圖(trend chart)記錄環境品質趨勢資訊，以了解建築物各樓層之空調環境變化，提供空調運轉調整參考之依據，達成室內空調舒適環境與節能平衡的效果。

電梯監控

各電梯具緊急通話按鈕及監視攝影機等監視功能，並連接到中央監控室，得以24小時遠端監控電梯運轉狀況，手扶梯附設離峰節能控制開關，離峰時間自動進入怠速運轉，可節省離峰時段之使用電量。與定址式火警偵測器連動，當火警警報發生時，電梯召回於避難層待命。

停車場自動計數車輛辨識系統

利用eTag做為停車管理系統辨識，能即時顯示車位狀態，包含樓層/車道剩餘車位數量，監視各車輛停滯時間，於停車場進出口及場內通道亦設有行車信號指示及柵欄，並由保全人員看守，其柵欄具備e-Tag、車牌辨識、員工識別證自動控制功能。

提供車輛循車功能，藉由車輛eTag感應連接員工證識別，可與停車場出入口進行尋車，以減少員工下班尋找車輛的時間。

停車管理系統可隨時監控停車場狀態，可偵測超速、逆向、車輛識別管理等，如有異常可自動以簡訊、Mail發報，以隨時掌握停車場狀態。

台積電未來BA發展藍圖

BA作為建築物重要的核心系統，需匯集各個子系統的大量數據信息整合應用，擔任著建築物的重要中樞管理任務，以下提出五點進階的整合與應用作為台積電未來改善的藍圖。

跨廠區BA系統整合

台積電廠區幅員遼廣散佈全省，主要分佈於新竹科學園區（12廠），台中科學園區（15廠）及台南科學園區（14廠），目前使用同一BA操作平臺但各自獨立運作，若各廠區皆完成BA系統整合後，值班工程師如果在它廠區開會或上課，可以透過此平台跨廠區操作設定及處理即時發生的問題，同時線上作經驗交流，各部門主管亦可透過此一系統平台了解各地廠區各系統運轉及能源使用狀況， 圖六為各廠區BA系統整合架構。亦可將使用中各棟建築物中即時重要之監控資訊，提供給遠端的營運中心，透過大型的觸控螢幕，將即時的資訊轉變為各項圖表，以便進行各項數據分析及指令下達。

行動裝置應用

在物聯網時代，各項資料傳輸透過多樣化的數據收集端、無所不在的傳輸網路、雲端後台數據處理機制，系統操作人員可以透過安裝於智慧型手機或平版上的APP，透過無線化的區域網路或網際網路，隨時可以接收各項資訊及警報訊息，當系統發現異常時，會即時將異常訊息資料傳送給管理人員，管理人員可以即時以智慧型手機或平版裝置，透過網路連線至伺服器之資料庫中，了解BA系統各項數據及資訊，以進行各項監視及控制管理，不需要回到中央控制室中操作工作站，提高人員效率及降低系統失效產生的損害。

如即時接收到系統提醒異常之報警訊號，人員不需要工作站，即可立即處置。工作人員在現場發現任何異常時，即可馬上透過手機或平版進行了解即處理。

動態智慧化自動控制

• 系統依據天氣資訊，並依據建築物外面熱負荷及室內負載需求，隨時調整改變溫度設定值，提供每個空間的舒適的環境。並可以隨時依據日照調整室內採光環境與照明環境。
• 電力使用已經超過與台電的契約容量時，電力系統會通知各子系統進行相關的調整，如關閉部分照明迴路，空調溫度設定溫度改變等等。
• 當災害發生時，閉路電視系統可以將該區域的即時影像並結合電子地圖，提供給操作人員參考外，同一時間，各子系統會進行相關的連動控制，如消防系統進行閃光及鳴動提醒人員進行避難，空調系統會自動關閉空調箱防止供應新鮮空氣助燃，門禁系統會解除逃生路徑上的電鎖，照明系統會點亮路徑的燈光，供人員逃生，通風系統依據受災區域，進行各區域空氣加壓及減壓，引導並防止煙霧擴散，阻礙人員避難，電梯自動降至一樓，防止人員搭乘。
• 系統連接氣象局取得天氣預測資料後，依據預測資料、建築物外部熱負載及室內舒適需求，隨時進行溫度動態設定調整，並根據日照調整照明環境，達到節能及舒適， 圖七為動態智慧化自動控制。

  圖七、動態智慧化自動控制

  

廣義的能源管理

在能源管理應用上，可透過以下工具達到最佳的能源使用效率。

能源管理系統HEM

收集各項能源使用資訊，無論是各區域電力，瓦斯、水資源的等能源耗用，系統可以可以進行能源耗用分析，及需量管控，提供各項報表及耗用之歷史數據，建築物耗能超過合約約定時，系統亦可以提供告警，每時每分的成本耗用報表，月/年的能源累積量，歷年的單月比較分析等等，可以提供管理者即時系統資訊及相對歷史資訊進行分析，制訂建築物內能源耗用標準之基準線，可以有效掌握目前的耗能情況及節約能源的可行之方向，依各項數據進行設定調整，找出運轉效率異常的設備，進行調整、維護保養或更換。

告示板(dash board)系統

可以將系統資訊即時公告，讓每個使用者大家都可以充分了解能源的使用情形，進而減少能源使用，除了為企業形象加分，也對地球未來盡一份心力，以求人類永續經營與發展。

依據能源管理系統提供的數據進行各項KPI數值分析

找出能耗的原因，進而進行系統調整及改善能源的不當使用，透過系統整合後，歸納出各項KPI指標可達成節省能源、節約人力與提高生產力之目的，並可進行資產效能管理，安排訂定設備管理維護計畫，系統亦可以依據設備使用時間，自動通知及安排預防保養時程，如遇突發性故障時，系統可以馬上安排人員進行故障排除，提供設備相關資訊，庫存數量，和採購程序等等， 圖八為能源管理及分析圖例。

結合物聯網技術整合智慧化會議室管理

應用Wi-Fi網路環境結合人員移動感測器(Motion Sensor)，架構智能會議室節能機制與預約系統整合導入智能會議室系統，包括：能源管理、智能預約，24小時主動掌握會議室的使用狀態，並可即時監控會議室的使用狀態（有人/無人），並透過人員移動感測器(Motion Sensor)將所監測到的數位訊號，透過廠區內部的Wi-Fi網路環境，回傳至後台控制電腦端，並經程式(Logic)判讀無誤後，其一於能源管理端之應用，可直接控制（開/關）會議室的燈光照明，並同步告知本棟廠辦的建築自動化系統(Building Automation, BA)進行空調系統之控制（開/關），有效減少運轉能耗並落實節能減碳管理。

利用即時更新會議室的使用狀態，並透過數位訊號之回傳，提供會議室智慧化預約系統之應用資訊，可減少會議室無效預約次數及提升使用率，並改善以往需透過管理者以人工方式進行會議室之借用與協調，達到智慧化預約系統的成效。

門禁系統資料整合進階應用

安全系統提供一個以安全防護技術為手段，覆蓋事前、事中、事後及必要之處理手段，且具有信息管理和處理能力的系統，包括人的管理及物的管理。

• 門禁卡片如果結合RFID (Radio Frequency Identification)系統，上班時間人員開車進入停車場時，可以立即識別出通行權限，並提供停車區域之引導，並記錄停車位置，進場停放時間等資訊，人員通行管制區域時，無需刷卡即可解禁門鎖讓人員通行，人員尚未到達辦公室時，系統可以自動開啟辦公室之室內空調，照明設備，並依使用者需求習慣，系統自動變更溫度設定值。預約開會時間到時，系統會先開啟會議室之空調及照明，依據使用者需求習慣設定溫度，並依據與會人員人數，調整適當的新鮮空氣供應量，以避免會議室中空氣之二氧化碳濃度過高，影響效率及人員健康，會議結束人員離開會議室後，無需人員操作，系統便會依據會議室內，是否還有人員之RFID位置判讀，自動關閉空調及照明節省能源。
• 如火警警報發生時，系統可以連動附近攝影機查看，即時自動通知、派遣警衛人員到達區域警戒，並解除對應區域的門禁管制，並自動通知相關單位進行災害管控，系統自動連動燈光及聲響，引導人員避難，讓管理者及救災人員，迅速掌握建築物人員尚有未撤離之人數及位置，方便救災，避免悲劇發生，系統連動相對應的送排風機、灑水或滅火氣體進行侷限與排除作業，並自動提供相關SOP供中控人員，進行指揮及確認執行步驟是否完成， 圖九為火警信號連動逃生系統。

  圖九、火警信號連動逃生系統

  
• 將少數重要設備貼上RFID晶片，也可以有效追蹤及管理，可以提供給需要此設備的人員迅速找到，活用資產，及增加效率。

安全防災系統與BA系統連動

安全防災系統主要包含，防火系統、防汛系統、防有害氣體以及緊急求救系統，如 圖十，以整個防火系統組織為最上層偵測系統，當防火系統作動時系統經過區域網絡，連動指令下達至BA整合平台，透過BA系統進行相關防災智慧連動機制。

• 連動廣播警報與移報ERC，ERC人員前往處理、確認，火警排煙系統開始作動。
• 電梯往逃生避難層移動後暫停使用，當樓層燈控系統下達全亮模式以利人員逃生。
• 空調系統停止運轉，防止火災產生煙霧經回風管路送往全樓層。

室內空氣品質監控

為確實掌握室外環境及辦公室各樓層室內環境品質，符合環保署室內空氣品質標準，如 表一環保署室內空氣品質標準所示，設置室內空氣品質監控系統，包括：CO2二氧化碳濃度、CO一氧化碳濃度，甲醛(HCHO)、總揮發性有機化合物（TVOC，包含：十二種苯類及烯類之總和）、臭氧 (O3)、粒徑小於等於10微米(μm)之懸浮微粒(PM10)、粒徑小於等於2.5微米(μm)之懸浮微粒(PM2.5)及外氣溫度、相對濕度、露點溫度等資訊，整合設置「環境品質監測系統」，系統24小時監測並傳輸記錄環境品質資訊，以了解建築物各樓層環境空氣品質之變化，並配合引入室外新鮮空氣，或過濾去除設備，提供空調節能運轉之依據參考，達成室內優質工作空調環境與節能效果。

結論

綜觀國內有關智慧建築、綠建築、智慧綠建築、建築能源管理系統(Building Energy Management System, BEMS)與美國綠建築系統中的能源與環境先導設計(Leadership in Energy and Environmental Design, LEED)，皆是以節能省碳、減少廢氣物的排放、注重環境保護與珍惜使用地球的資源及創造以人為本舒適貼心為目的，而進化過的整合型BA中央監控系統(Smart Building Management System)，又稱為建築設備自動化管理系統，是表現建築智慧程度的重要核心，是建築產業與自動化 IT產業的高度整合的結果。期望能藉由智慧化與自動化技術的運用，在台積電未來新建辦公室建築建立綜合的操控模式，作好建築物的管理維護，進而提升建築物之使用品質，有效達成建築物安全、健康、便利、舒適、節能之使用效益，使環境、人、建築物三者之間能達到共生共榮的平衡狀態，進而使建築物得以永續，以期創造出最先進，也是最貼近人心的永續智慧建築。