智慧化能源管理應用於中央空調系統由於現代科技日新月異, 物聯網觀念深入各行各業, 連動帶起資通訊科技快速發展, 多數工廠製造端及運輸端, 改以電腦通訊設備取代傳統式人力作業管理, 減少許多成本支出, 中央空調系統順應時代變遷, 逐漸使用遠端管理, 以因應公司企業耗電量控管溫溼度控管熱負荷控管及

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款涴耗弓
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1 智慧化能源管理應用於中央空調系統由於現代科技日新月異, 物聯網觀念深入各行各業, 連動帶起資通訊科技快速發展, 多數工廠製造端及運輸端, 改以電腦通訊設備取代傳統式人力作業管理, 減少許多成本支出, 中央空調系統順應時代變遷, 逐漸使用遠端管理, 以因應公司企業耗電量控管溫溼度控管熱負荷控管及人力控管, 達到消耗較少的能源支出, 提升更佳的企業環境提升軟硬體設備進行遠端管理, 可達到長期記錄空調設備運轉成效, 將能研擬出最佳化的調節方式, 方能降低空調設備整體耗電使用情況, 進而將智慧化能源管理應用於空調系統中中央空調系統之耗能常佔建築物總耗能極大之占比, 若以台灣使用狀況而言, 夏季約占四到五成, 冬季也有二到三成的可觀能量耗費, 由此可知, 從空調系統著手導入智慧化能源管理系統, 不僅符合現下物聯網趨勢, 也期待在整合後獲得更優異之節能表現中央空調系統之設備除了冰水主機為耗能之主要來源外, 其他尚有冷卻水塔泵浦 ( 冰水泵與冷卻水泵 ) 小型空調機空調箱等等設備, 如果能將空調系統架構中所有耗能設備整合為一智慧化能源管理系統, 以安裝在設備端之智慧型感測器進行即時數據量測與運算分析, 並可於監控端完整顯示目前系統電力使用情形, 再透過各式設備獨立之控制模組, 使模組間資訊能夠互相協調且溝通, 進行耗能模型之建置, 並經由演算法找出系統最佳化控制點, 確保系統於最小耗電狀況下, 亦能夠達成空間使用之需求除此之外, 即時監控之數據也可比對系統內之專家診斷系統, 針對空調系統及其附屬設備預判可能故障之原因, 減少因故障導致之損失中央空調系統介紹近年夏季氣候較以往高溫難耐, 促使民眾及產業界對於空調設備使用的需求量大幅提升, 導致台灣尖峰用電屢創新高台灣是自然資源相當貧乏的海島型國家, 物質稀少, 土地貧乏, 人口密度更是稠密, 台灣電力公司由於上述條件難以進行開源政策, 導致近年常常面臨限電的危機, 因此若無法進行能源的開拓, 則必須對於現有耗能設備進行節能措施, 而其中空調系統約占一建築物耗電量將近 50%, 因此如何在空調系統上做節能改善是近年政府所積極探討的一項議題

常見幾種空調系統為窗型冷氣機分離式冷氣機箱型冷氣機及中央空調系統, 其中, 中央空調系統常用於工業用途及大型購物中心等地方, 能源消耗量非常可觀, 且往往疏於管理維護, 導致系統運轉效率低下, 能源消耗量日漸提高, 因此在中央空調系統節能這一方向, 是迫切需要改善及宣導, 本章節亦將以中央空調系統做為主要探討主題欲進行空調系統如何節能, 須先了解空調系統組成結構, 運作及耗能流向,

2 常見幾種空調系統為窗型冷氣機分離式冷氣機箱型冷氣機及中央空調系統, 其中, 中央空調系統常用於工業用途及大型購物中心等地方, 能源消耗量非常可觀, 且往往疏於管理維護, 導致系統運轉效率低下, 能源消耗量日漸提高, 因此在中央空調系統節能這一方向, 是迫切需要改善及宣導, 本章節亦將以中央空調系統做為主要探討主題欲進行空調系統如何節能, 須先了解空調系統組成結構, 運作及耗能流向, 並掌握影響耗能因素加以改善, 中央空調系統主要分為四個部份, 分別為主機冰水側冷卻水側及空氣側, 如圖 1 中央空調系統示意圖所示資料來源 : 工業技術研究院 - 能源與資源研究所, 空調系統 - 能源查核及節約能源案例手冊冰水側設計方式介紹圖 1 中央空調系統示意圖 1. 冰水側概述冰水側藉由冰水泵及區域泵輸送冰水, 將冰水主機所提供之冰水分送至各空調區間之空氣調節箱 (Air Handling Unit, AHU) 或小型送風機 (Fan Coil Unit, FCU) 使用, 冰水側主要構成元件包括冰水主機冰水泵及區域泵控制閥等, 其各元件介紹如下 : (1) 冰水主機冰水主機主要功用為製造冰水供負載端使用, 冰水主機的基本元件包括壓縮機冷凝器膨脹裝置及蒸發器其功用如下 : A. 壓縮機 (Compressor) 於冷凍循環中建立高低壓差, 高壓端建立高壓使冷凝器之冷媒容易液化, 低壓端建立令蒸發器維持低壓使其冷媒易於蒸發, 達到製冷效果壓縮機透過冷媒循環, 將熱量由低溫帶至高溫處 B. 冷凝器 (Condenser) 將冷媒在蒸發器所吸收之熱量及壓縮機作功產生之熱量排出, 目的在於將壓縮機之高溫高壓氣態冷媒液化

3 C. 膨脹裝置 (Expansion valve) 使液態冷媒壓力降低, 調節通往蒸發器之冷媒流率 D. 蒸發器 (Evaporator) 吸收冷凍空間之熱量, 得到製冷之目的冷媒進入蒸發器蒸發需吸收蒸發潛熱後氣化, 降低周圍溫度, 壓縮機吸收壓縮循環再使用, 達到製冷的效果 (2) 冰水泵及區域泵冰水泵及區域泵主要功用為輸送冰水, 兩者差別在於冰水泵即為一次泵, 其輸送一次側冰水至二次側, 再由二次泵即區域泵輸送至各負載端使用 (3) 控制閥控制閥用於控制負載側冰水流量流經冷卻盤管之大小, 以維持系統的平衡運作壓損削減 2. 冰水系統設計冰水系統的設計有許多種方式, 其中常見的幾種方式為一次定流量系統一次變流量系統及一 / 二次系統 (Primary-Secondary System, P-S), 其介紹如下 :

4 (1) 一次定流量系統 (Constant Primary Flow System, CPF) 一次定流量系統為一次側冰水泵採定流量設計, 負載側 (AHU/FCU) 藉由三通閥設計, 控制流過冷卻盤管的冰水流量, 以提供各空調區間所需之冰水量, 其系統簡圖如圖 2 所示資料來源 :( 財 ) 台灣綠色生產力基金會, 空調系統管理與節能手冊, 經濟部能源局圖 2 一次定流量系統示意圖

5 (2) 一次流量系統 (Variable Primary Flow System, VPF) 一次變流量系統為一次側冰水泵採變流量設計, 負載側 (AHU/FCU) 藉由二通閥設計, 控制流過冷卻盤管的冰水流量, 以提供各空調區間所需之冰水量, 此系統需設計一旁通管 (By-pass) 以維持主機所需之最小流量, 其系統簡圖, 如圖 3 所示資料來源 :( 財 ) 台灣綠色生產力基金會, 空調系統管理與節能手冊, 經濟部能源局圖 3 一次變流量系統示意圖

6 (3) 一 / 二次系統 (Primary-Secondary System) 一 / 二次系統可簡稱為 P-S 系統,P-S 系統是將冰水側分為二大部區域, 一次側是由冰水主機並聯, 為了使系統穩定運轉, 在每台冰水主機設計搭配 1 組循環泵為一次側冰水泵, 主要是滿足每部冰水機之循環壓損之的最大動力而區域泵, 也就是二次冰水泵, 主要是滿足每台現場空調箱的冷卻管盤閥件與管路損失等, 所需之循環壓損之動力在一 / 二次系統中, 一次側水泵設計為定流量, 二次側為變流量, 若是要達到水路平衡控制, 其關鍵在於共通管的設計, 如圖 4 所示而在冰水水路控制方面, 於水泵可全面採用變水量模式 ; 而二次側是以壓差感測器所回授的訊號, 傳至控制器控制冰水泵的運轉, 促使水路系統能達成最佳控制資料來源 :( 財 ) 台灣綠色生產力基金會, 空調系統管理與節能手冊, 經濟部能源局圖 4 一 / 二次側水量相等示意圖

7 3. 空氣側系統介紹空氣側系統主要是由空調箱送風機外氣及排氣風機風管各式風門及配件所組合而成, 此系統為連結中央空調系統與各項負載的主要橋樑, 功能如人體動靜脈的血管系統, 若是空氣側運轉不佳, 勢必造成該區域空氣調節產生問題, 更是影響內部空氣循環穩定與否的原因之一, 若能更加有效率的進行空氣側的運轉, 可以減少大多數的能量損耗, 使整體系統耗能量下降空氣側主要構成元件有空調箱送風機風管及風門, 其介紹如下 : (1) 空調箱 : 空調箱是將內部流動空氣集中處理, 內部視所需運作之空氣條件加裝空氣過濾器加溼器等空氣處理元件, 本身不含製冷機組, 為空氣處理核心之一, 已達維持室內空氣調節 ( 空氣交換 ), 空氣集塵穩定溼度及壓力風量調節等目的 (2) 送風機 : 送風機經由產生不同的壓差以促使空氣混合均勻流動, 並由連接風管設備將適量處理完後之空氣運送至所需地點, 最後經由排氣風機將循環過後至空氣排放至大氣中 (3) 風管 : 風管為連結空氣側各重要元件, 是空氣輸送主要通道 (4) 風門 : 可調整其閥件進行風量調節, 以維持輸送適量空氣至指定地點, 主要風管交叉口或是出風口常會裝上風門, 方便調節所需風量大小

中央空調系統應用能源管理案例案例一電子廠空調冰水系統監控管理 1. 案例說明某電子廠之空調冰水系統為一 / 二次冰水泵系統, 即所謂的解耦系統 (Decouple System), 其設備組成, 如圖 5 監控系統示意圖, 設備如表 1 與表 2 所示 (1) 冰水系統之出水溫度約為 8.5, 回水溫度約 12, 溫差約為 3.

8 中央空調系統應用能源管理案例案例一電子廠空調冰水系統監控管理 1. 案例說明某電子廠之空調冰水系統為一 / 二次冰水泵系統, 即所謂的解耦系統 (Decouple System), 其設備組成, 如圖 5 監控系統示意圖, 設備如表 1 與表 2 所示 (1) 冰水系統之出水溫度約為 8.5, 回水溫度約 12, 溫差約為 3.5, 主機運轉負載以 90% 為上限 (2) 泵浦皆以額定馬力及流量運轉, 未裝設變頻器, 僅有 on-off 控制, 一天運轉 15 小時, 唯在區域泵之運轉區, 則有少部分泵浦作 24 小時運轉至於冷卻水塔之 4 部風扇馬達則裝有變頻控制器資料來源 : 台北科技大學柯明村教授提供圖 5 監控系統示意圖表 1 冰水主機及冰水ㄧ次泵設備系統種類編號裝置容量效率裝置容量種類編號 (RT) (kw/rt) (hp) # #1 20 # #2 20 冰水冰水 # #3 15 主機一次泵 # # #5 備用 20 總冷凍噸數 (RT) 1,

9 種類區域泵表 2 區域泵冷卻水泵及冷卻水塔設備編號裝置容量 (hp) 種類編號裝置容量 (hp) #1 40 #1 50 #2 20 #2 50 冷卻 #3 20 #3 50 水泵 #4 20 #4 50 #5 15 #5 50 #6 15 #1 15 設有變頻控制冷卻 #7 15 #2 15 設有變頻控制水塔 #8 15 #3 15 設有變頻控制風扇 #9 15 #4 15 設有變頻控制 # # (3) 現場系統運轉, 摘述如下 : A. 冰水一次泵之設計總水量約為 14,500 LPM B. 二次泵 ( 區域泵 ) 之設計總水量約為 13,546 LPM C. 區域泵負載側, 共分為 10 個區域, 由 9 台區域泵負責送冰水 D. 評估全場區現況, 即使在空調最大負載下, 冰水主機只需提供 780 冷凍噸 (RT) 的能力即可正常操作, 一次泵之水量只需約 7,252 LPM; 但區域泵並未重做修正調整, 因而導致二次泵 ( 區域泵 ) 之額定送水量 (13,546 LPM) 遠大於一次泵之送水量 (7,252 LPM) 近乎 2 倍, 造成區域泵因需要供應 13,546 LPM 大水量, 勢必藉連通管直接取用冰水回水以回補不足, 因此造成了混溫效應, 系統冰水出水溫度高達 14, 高於正常值 (9 以下 ), 主機無法依實際空調負載及水溫變化而降載, 造成冰水主機虛耗運轉, 增加電力能源耗費 2. 改善措施 (1) 汰換一台 460 RT 之離心式主機, 以新設之 120 RT 雙壓縮螺旋式主機取代 (2) 將 5 台冰水泵 (20 hp 3+15 hp 2),5 台冷卻水泵 (50 hp 5) 更新為變頻泵浦, 以提高效率原區域泵 ( 二次泵 ) 之 11 台舊有泵浦全數廢除, 管線整併, 重做冰水之集水及送水管路 (3) 配合中央智慧化能源管理控制系統, 增設變頻器及操控盤體, 用以控制泵浦運轉頻率及冷卻水塔風扇頻率, 並調控設備運轉之最佳台數 (4) 導入最適化冰水側最佳運轉控制系統, 整合新冰水主機操作控制, 區域泵管線修改施工, 安裝節能控制感應器於設備端, 含溫度計壓差感應器及溫 / 溼度感測計數位電表等

10 資料來源 : 台北科技大學柯明村教授提供圖 6 空調監控系統畫面圖 ( 一 ) 資料來源 : 台北科技大學柯明村教授提供圖 7 空調監控系統畫面圖 ( 二 )

11 3. 節能效益 (1) 節約用電量 : 更換多台泵浦, 總馬力為 340 hp, 改善前之泵浦效率約為 60% 新置變頻泵浦改善後, 效率提升為 75%, 可節約用電量 20~25%, 約 150,000 kwh/ 年 (340 hp kw/hp 節能 20% 12 h/ 天 237 天 / 年 = 約 150,000 kwh/ 年 ) (2) 節約電費 : 150,000 kwh/ 年平均電價 2.56 元 /kwh = 384,000 元 / 年 (3) CO2 減量 : 150,000 kwh/ 年 kg CO2 e/kwh 1,000 kg/t = 92.4 tco2 e/ 年 (4) 投資費用 : 120RT 雙壓縮螺旋式主機 1,200,000 元 / 台 + 15hp 變頻水泵 60,000 元 / 台 2 台 + 20hp 變頻水泵 80,000 元 / 台 3 台 + 50hp 變頻水泵 200,000 元 / 台 5 台 = 2,560,000 元 ( 以上成本分析皆為估算, 實際價格依廠商而定 ) (5) 回收年限 : 2,560,000 元 384,000 元 / 年 =6.667 年 7 年

12 案例二電信機房空調監控管理系統 1. 案例說明某電信機房全廠空調主要由中央空調系統供給, 部份機房須加裝 10 RT 之箱型冷氣輔助中央空調中央空調系統使用模式分為二十四小時供給 ( 電信機房及客服中心等 ) 及上班時段供給 ( 辦公室及工務處等 ), 設備概述分別如下 : (1) 冰水主機 :CARRIER 離心式主機 280 RT 四台 R-134a 冷媒, 於 1998 年出廠設有智慧感測器於主機, 監測關鍵耗電因素, 並以中央監控系統監視冰水主機運轉狀況, 傳回各主機運轉電流百分比至中央監控系統 (2) 區域泵 : 主要為 100 hp 之泵浦二台, 其額定流量為 4,500 LPM 揚程為 52m, 具可變流量壓差控制, 唯現場系統壓差控制點無法進行變頻控制, 目前採手動控制, 現場操作固定頻率為 50Hz (3) 冰水泵 : 主要為 15 hp 之泵浦四台, 額定流量 2,560 LPM 揚程為 15m (4) 冷卻水塔 : 目前水塔為八台, 共計三組 A. 冷卻能力 2,730,000 kcal /h 900RT 流量 9,100 LPM B. 冷卻能力 3,900,000 kcal /h 1300RT 流量 13,000 LPM C. 冷卻能力 1,365,000 kcal /h 450RT 流量 4,550 LPM (5) 空調箱及送風機 : 空調箱具可變風量控制, 唯現場風機壓差無法進行控制, 現場將變頻功能關閉, 因此可視為定風量系統, 空調箱及送風機冰水管路大部份為二通閥系統 ( 少部份外氣空調箱為三通閥系統 ), 現場二通流量設定為全開狀態 2. 改善措施圖 8 為空調負載逐時分佈圖, 如圖所示自晚間七點後由於人員陸續下班, 空調負荷需求逐漸下降, 冰水主機之出回水溫差逐漸變小, 冰水主機自動卸載, 導致冷凍容量下降, 於早上七點時, 由於上班人潮陸續湧入辦公區導致空調負載再次攀升, 趨使主機加載提高冰水主機出入口冰水溫差, 因此冷凍容量隨之提高由於夜間尚有電信機房及客服中心等機構運作, 因此中央空調系統仍需維持運作, 於夏月時段主機運作為三台冰水主機提供空調所需之冰水, 唯夜間空調負荷遠小於白天, 同樣的運作機制將導致冰水主機在較低的負載下運作而產生較低的效率, 綜觀夜間空調負荷由晚間八點至隔日早晨七點最大空調負載為 507 RT, 考慮主機之冷凍能力為 280 RT 2=560 RT, 因此可在夜間關閉一台冰水主機, 以減少主機耗電及提昇能源效率

13 圖 7 空調負載逐時分佈圖 3. 節能效益 (1) 依目前運轉現況, 於五月 ~ 十二月夜間均維持 280RT 三台主機運轉模式, 參考北部地區每月的逐時平均溫度建議在七月及八月於夜間維持三台主機運轉模式, 其餘可視當日夜間氣溫調整開機台數為二台 (2) 依據當日量測冰水機於夜間之耗電量平均約為 kw( 平均每台負載率約為 51%), 調整為二台冰水主機運轉後其負載率約為 77%, 其單台主機耗電約為 kw (3) 冰水主機之節能效益 : kw-( ) kw=96.1 kw (4) 冰水泵之節能效益 : 依據當日量測, 冰水泵之耗電為 10.8 kw (5) 節能效益預計可節約用電量 181,804 度 / 年及電費約 50 萬元

14 案例三醫療大樓空調監控管理系統 1. 案例說明 (1) 某醫院大樓既設空調系統使用離心式冰水主機, 空調運轉模式分為冬季及夏季運轉, 夏季為 1000RT 或 1000RT 加上 500RT 運轉兩種模式切換使用 ; 冬季為 1000RT 或 500RT 兩種模式切換處理冬天出水溫度為 9 ~10, 夜間溫升 1 ; 夏天則為 7 ~8 既設空調主機設備概況如表 3 所示表 3 既設空調主機設備規格表編號數量冷凍噸 (RT) 廠牌電源 CH-1 2 1,000 TRANE 3 440V60Hz CH TRANE 3 440V60Hz (2) 醫療大樓使用中央空調系統提供現場掛門診病房等所需之冷能, 年運轉時數約 6,840 小時, 若以其使用模式推估年平均負載率約 60%, 運轉年數已逾 22 年以上, 雖堪用但運轉效率不盡理想, 進而使主機耗電及維修費用升高 (3) 本案例整年度電力使用情形如表 4 所示, 分析總用電度數為 21,976,800 kwh/ 年, 總電費約 62,876,727 元 / 年, 平均電價 2.86 元 /kwh, 以此電價作為標的, 計算系統汰換更新後之節能金額表 4 本案例整年度耗電量統計月份用電度數 ( 度 / 月 ) 應繳總金額 ( 元 ) 平均單價 ( 元 ) 1 1,532,400 4,161, ,827,600 4,774, ,443,200 3,735, ,666,800 4,431, ,760,800 4,609, ,896,000 4,985, ,112,800 6,359, ,118,800 6,692, ,146,400 6,772, ,944,800 6,041, ,840,000 5,340, ,687,200 4,971, 合計 21,976,800 62,876,

15 2. 改善措施 (1) 將既有之空調主機汰換, 冷卻水塔增設變頻器控制, 並設有智慧化感測器於耗電設備上, 監測關鍵耗電因素, 整合量測儀器數據及建置監控 / 運算網頁頁面後, 可以中央監控系統監視冰水主機運轉狀況, 傳回各主機運轉電流百分比至中央監控系統, 透過網路將改善後即時節能量回傳至節能績效量測與驗證平台, 可以快速的反映能源使用狀況, 並了解節能率之趨勢圖 8 為節能績效量測與驗證平台網路監控頁面 (2) 針對空調主機與冷卻水塔進行設備耗能量量測 ( 包含電壓電流輸出功率功率因素冰水 / 冷卻水流量冰水 / 冷卻水進出口溫度 ) 圖 8 節能績效量測與驗證平台網路監控頁面 3. 節能效益 (1) 空調系統量測 : 基準線量測方式, 採用台灣綠色生產力基金會之空調機房節能量量測驗證版本 B-02, 測量改善前設備實際耗能量 ( 包含電壓電流輸出功率功率因數冰水流量冰水出回水溫度 ) 之耗能基準, 改善後以連續監控系統記錄及計算節能效益, 並依照約定能源單價計算, 長期累計節能量及節省金額, 即可驗證節能率 (2) 冷卻水塔量測 : 依據水泵節能改善之節能績效量測與驗證方法, 量測專案改善前後單位的耗電量, 驗證節能績效測量改善前設備實際耗能量 ( 包含電壓電流輸出功率功率因數 ) 之耗能基準, 改善後以連續監控系統記錄及計算節能效益, 並依照約定能源單價計算, 長期累計節能量及節省金額, 即可驗證節能率冰水主機之節能效益 : kw-( ) kw=96.1 kw

16 (3) 本案例之量測與驗證搭配導入智慧化能源管理系統後, 節能效果相當卓越, 有效改善傳統量測與驗證執行方法, 除了可加速量測驗證技術之推廣, 也可以有效降低能源服務技術成本, 投資之回收期縮短, 讓使用者有更大意願導入智慧化能源管理系統年運轉時數 6,840 小時 / 年, 能源單價 2.86 元 /kwh, 其整年耗能為 : 3.4(kW) 6,840( 小時 / 年 ) = 23,283 kwh/ 年 23,283 kwh/ 年 2.86 元 /kwh = 66,589 元 / 年 (4) 合計節電量及能源費用 :2,569,239kWh/ 年,734.8 萬元 / 年, 節電率約 51.21% 表 5 本案例改善前後之節能效益統計表系統名稱改善前平均耗電量 (kwh/ 年 ) 改善後平均耗電量 (kwh/ 年 ) 平均節電量 (kwh/ 年 ) 改善前能源費用 ( 元 / 年 ) 改善後能源費用 ( 元 / 年 ) 相差費用 ( 元 / 年 ) 節電率 (%) 空調 4,985,820 2,424,388 2,561,432 14,259,445 6,933,749 7,325, 冷卻水塔變頻控制 31,100 23,283 7,817 88,946 66,589 22, 合計 5,016,920 2,447,671 2,569,239 14,348,391 7,000,338 7,348,

國立中山大學學位論文典藏.PDF

國立中山大學學位論文典藏.PDF Analysis and Experimental Investigation on Energy Consumption of a Science and Technology Museum I II III IV V VI VII VIII Abstract IX 1 2 3 4 5 . Q = m C p T Q : CP :. m : T: 6 7 8 EUI = DUI = 9 10 11