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陽明交大校園的智慧物聯網,如何讓「小房子運動」成真?|林一平專欄

陽明交大校園的智慧物聯網,如何讓「小房子運動」成真?|林一平專欄
梭羅(Henry David Thoreau)的著作《湖濱散記》被視為「小房子運動」的靈感泉源。圖片來源:林一平提供
2022-03-29
文・林一平
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小房子運動(tiny-house movement)是一個建築和社會運動,主張縮小生活空間、簡化生活的需求。梭羅(Henry David Thoreau)的著作《湖濱散記》(Walden),便被視為早期「小房子運動」的靈感泉源,引導藝術家韋克斯勒(Allan Wexler)於1970年代開始研究緊湊生活空間的概念。

聯合國永續發展目標(SDGs)來檢視目前台灣城鄉發展,可以發現台灣鄉村基礎建設與人力資源的不足,衍生教育及醫療面向的城鄉差距。面對後疫情時代,未來的鄉村與都市必須建立起互補的能力,透過資源的重新分配及佈局,提升再生能源、智慧醫療、智慧教育的基礎建設,達到地方創生的目的,使得鄉村人口復甦,降低都市人口密度並及均衡區域發展。

面對後疫情時代及永續發展目標的雙重考驗,需要同時考量國家整體的能源轉型、後疫情時代的社交距離、區域發展的平衡等議題。

如何利用再生能源達到鄉村社區的能源自主,並符合後疫情時代的生活需求,讓我們發現「小房子運動」在未來城市可扮演的角色;而我研究團隊的曾聖凱教授設計的智慧貨櫃屋,則可作為小房子運動的進階版。

我們的設計,稱為「可移動式社區型智慧小房子」(AIoT Tiny House)。這個AIoT小房子以台灣鄉村作為設計基地,考慮除須面對典型亞熱帶氣候,亦須面對中高海拔氣候型態。目前實作的驗證場域,就在陽明交通大學新竹光復校區校園空曠處,小房子位置獨立,不受人群與周遭建築物干擾,確保實驗變因可控。

新竹屬於亞熱帶氣候,夏季長且炎熱,夏季氣溫可達27到35度,濕度也較高;冬季較短,一月平均氣溫介於15至21度。每年九月至12月特有的「九降風」強勁,風速超過10m/s,可用以模擬山區落山風,確認小房子具備抗風壓的能力。

AIoT小房子的建築主體構造,改造自回收的20呎貨櫃,保留貨櫃的結構框架,在框架間設置斷熱牆體與高斷熱性能落地氣密窗框及玻璃,強化建築的基礎斷熱與氣密能力。同時加入電子紙遮陽立面,可依據戶外環境照度資訊,調整電子紙的黑白灰階變化,改變光線進入空間的照度,取代傳統可動機構的遮陽系統。

AIoT-小房子-陽明交通大學-智慧小房子-構造-智慧城市-林一平-智慧建築AIoT小房子建築構造。圖片來源:林一平提供

另外,加入用物聯網系統控制的熱電製冷晶片結合冷熱輻射系統,作為溫控中樞。建築頂部設置可變傾角的季節追日太陽光電系統(裝置量為1.5 KWP),並輔以鋰鐵電池作為儲能(裝置量為200 AH),透過混和型逆變器(Hybrid Inverter),提供獨立、穩定的能源供應,並可因應不同基地的需求進行能源並網,作為社區備載能源使用。

以回收貨櫃屋作為基礎結構的好處是,可依基地需求擴充設備硬體,具備模組化功能。拼接連通數個小房子,提供不同機能,延長基地使用的生命週期,達到循環設計的準則。

AIoT-小房子-太陽能-追日發電系統-智慧城市-林一平-智慧建築AIoT小房子的外觀,以及太陽能追日發電系統(右)。圖片來源:林一平提供

上圖為場域中實際的建築物。能源方面以太陽能追日、儲能及能源管理系統,創造可兼具電網並聯(Grid-Connected)及獨立使用(Stand-Alone)的混合型太陽能系統(Hybrid PV System)。由於小房子具備獨立電源供應,它所設置的物聯網系統及4G、5G通訊系統,亦可作為緊急通訊、環境監測之用。

小房子的微氣候控制中心系統,以熱電製冷晶片(Thermoelectric Chip)做為熱泵核心,搭配太陽能光電板發電的直流電驅動,避免交直流電轉換造成的能量耗損;將該系統日間發電轉換為熱泵動力,同時採暖(Heating)及採冷(Cooling),分別儲存於冰水桶及熱水桶中;再將冷熱水做為熱傳遞的介質,分別導入熱輻射地板及冷樑格柵天花系統,搭配室內溫濕度偵測器,控制冷熱水進出室內空間的時間,將日間儲存的冷及熱,在需要的時間引入室內,有效控制室內溫度。

AIoT-小房子-即時數據-儀表板-監控-陽明交通大學-智慧城市-林一平-智慧建築小房子的室內即時數據資料儀表板頁面(上),和室內設備即時監控頁面(下)。圖片來源:林一平提供

上述功能,都適用即時環境數據進行設備控制。我們的做法,是將小房子內的感測器跟設備連上IoTtalk物聯網平台,利用人工智慧進行即時環境數值監控,依據環境數值控制相對應的設備,包括室內泵浦、三通閥、燈光、排風扇、製冷機,並充分利用室外太陽能板的傾角與電子紙遮陽系統。

AIoT-小房子-電子紙遮陽系統-陽明交通大學-智慧城市-林一平-智慧建築小房子室外的電子紙遮陽系統。圖片來源:林一平提供

小房子透過IoTtalk物聯網平台,結合廣達智慧醫療包,提供舒適節能的防疫隔離環境:完整的能源供應系統,可依據感測器的環境數值,及醫療包量測的人體生理訊號,即時為使用者調整風扇、電燈、冷暖氣等電力設備,提供舒適的臨時防疫隔離。

廣達-智慧醫療包-AIoT-小房子-智慧城市-林一平-智慧建築小房子透過物聯網平台結合廣達智慧醫療包,可以依據人體數據調節室內設備。圖片來源:林一平提供

同時,智慧醫療包可經由IoTtalk,將人體生理資料與環境參數傳回至醫院,進行遠距監控、檢測及診療。依據台北榮民總醫院的實驗,透過動態調整的燈光色溫與控制環境溫度,可使年長者達到舒適且平靜放鬆的程度,輔以攝影機系統,保障年長者活動安全。(延伸閱讀|「沒有病人的名醫」台大雲林分院副院長馬惠明 如何把偏鄉變智慧醫療示範城?

AIoT小房子已完成初步開發的可模組化單元,所佈建的感測器及設備,已能透過IoTtalk平台監測與控制。

分析實驗場域內所收集的數據,利用非傳統空調式的低耗能設備控制溫度,對比沒有智慧化控制時的自然溫度,可以發現,透過本平台監控的場域,溫度變化都維持在穩定的區間。進一步比較有控制與沒控制與戶外溫度差異,能達成最高提升77%、最低12%的降溫效果,平均亦可提升56%的降溫效果。

在光環境的色溫與溫度控制系統方面,AIoT小房子技術正在台北榮總醫院進行人體試驗,期待透過環境參數的控制,輔以機器學習自動化修正,達到使用者最舒適的身心狀態。

在延遲量測方面,IoTtalk平台具備低延遲、快速反應的特性(平均反應時間為0.30513秒),可以快速且動態地依據環境變化,調整場域內的設備。

光環境-台北榮總-反應時間-IoTtalk-AIoT-小房子-智慧城市-林一平-智慧建築台北榮總醫院的光環境實驗場域 (左),以及IoTtalk平台的平均反應時間(右)。圖片來源:林一平提供

AIoT小房子以人本設計為考量,並依據社區發展的需求,設計多樣的應用模組。目前已完成小房子的空間建置,及初步平台與設備系統的開發;並透過回收貨櫃大幅降低結構成本,導入被動式建築設計及再生能源,創造低維運成本。

在物聯網及資通訊技術方面,AIoT小房子已在大型實驗場域中測試效能與低延遲狀態,成效良好,經濟及技術可行性極高。

藉由AIoT小房子的建置,我期待能將「小房子運動」延續於未來城市!(延伸閱讀|智慧建築系統多,怎樣驗收才確保正常運作?|林一平專欄

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