台灣綠色生產力基金會 小型空調及熱水系統節能設計規劃介紹 大弘冷凍空調工業技師事務所技師鄭正仁 中華民國 104 年 05 月 07 日 1
報告內容 : 一. 小型空調系統節能設計規劃與應用 1) 人員舒適與空調功能 2) 小型空調機之型式 3) 小型空調系統之節能設計 二. 熱水系統節能設計規劃與應用 1) 小型熱水系統之型式 2) 各種加熱設備之能源效率與燃料費比較 3) 熱泵技術與應用 2
1-1. 人體的舒適的定義 : 一. 人體散發的熱量完全被環境所吸收, 處於人體與環境保持熱平衡的狀況, 稱為一舒適的環境 二. 人體散發的熱量 : 1) 人體內有一複雜的調節系統, 不管環境條件如何變化, 身體內部溫度始終保持在 98.6F (36.9C) 2) 人體藉由皮膚的散發顯熱, 及藉由呼吸及流汗的散發潛熱, 維持體溫 3) 人體產生和散發的熱量與活動量 年齡 身體大小和性別有關 三. 環境條件的控制 : 1) 空調系統提供足夠冷卻與除溼能力之系統, 用以維持合宜之室內環境 2) 主要項目為乾球溫度 相對濕度 空氣之流速 3
1-2. 身體與環境保持熱平衡 ( 人體舒適 ) 之影響因子 : 1. 影響人體熱平衡的環境因子包括 : 1. 周圍空氣的乾球溫度 2. 周圍空氣的相對溼度 空調系統的功能 3. 周圍空氣的相對速度 2. 影響人體熱平衡的個人變數因子包括 : 1. 活動量 (met) 2. 衣著量 (clo) 4
1-3-1. 環境因子 乾球溫度 1) 溫度, 溫度是最容易測量的, 有時稱為空氣溫度或乾球溫度 2) 溫度會影響血液循環所帶到皮膚表面的散熱量, 夏天室內溫度在 21 C~28 C (70 F~83 F) 區間內, 人員是舒適的 3) 藉由空調機之顯熱冷卻功能, 控制室內乾球溫度 5
1-3-2. 環境因子 相對濕度 1) 濕度, 在壓力和乾球溫度已知下, 可以利用濕空氣學上所定義的項目來描述 包含直接量測的濕球溫度及間接算得的相對濕度 2) 相對濕度會影響藉由皮膚表面之質傳和熱傳的散熱, 例如皮膚流汗下, 夏天室內相對濕溫度在 30%~65% 區間內, 人員是舒適的 3) 藉由空調機之除溼功能, 控制室內相對濕度 6
1-3-3. 環境因子 -- 氣流的流動速度 1) 空氣的流動速度, 可以直接測量得到, 也可藉由流體力學的原理預測而得 2) 空氣的流動會影響人體皮膚表面空氣模之熱阻, 流速愈快熱阻愈小, 散熱與發汗愈容易, 室內氣流的速度在 0.075~0.125 M/s(15~25 fpm ) 區間內, 人員是舒適的 3) 同時運轉空調與電風扇, 增加空氣循環流速 建議可用範圍 轉載自 ASHRAE Standard 55-2004 7
1-4-1. 個人變數因子 -- 衣著量 1) 衣服通常被視為包住整個身體的均勻隔熱層 2) 衣服的隔熱效果單位為 clo: 1clo=0.880(F-ft 2 hr)/btu 0.155(m 2 -C)/W 3) 厚的兩件式辦公套裝加外套的隔熱值為 1.0clo, 而一套短袖的襯衫的隔熱值為 0.5 4) 衣著量會影響人員可感受舒適之溫度 8
1-4-2. 衣著量對應可接受室內溫度的上限值 23.0 C 26.0 C 9
1-5-1. 個人變數因子 -- 活動量 ( 新陳代謝率 ) 1) 人體經由新陳代謝所產生的能量, 隨著活動量的不同而有明顯的變化 2) 每單位人體表面積新陳代謝之速率單位為 met, 該單位是以靜止 ( 靜靜地坐著 ) 人員的新陳代謝為標準 3) 1met=18.4Btu/(hr-ft2 )=58.2W/m2 4) 一位成年人之有效熱傳表面積平均為 19.6 ft2, 當安靜坐著時, 散發的熱量約為 400 Btu/hr(1.2met) 身體發熱量 =400 Btu/hr(1.2met) 身體發熱量 =1000 Btu/hr(2.6met) 10
1-5-2. 人員活動量對應可接受室內溫度的上限值 27.0 C 24.5 C 22.0 C 25.5 C 27.0 C 24.5 C 22.0 C 辦公 快走 1.2 met 11
1-6. 人體舒適圖表 - 影響因子之相互關係 : 3. 空氣流速 夏季舒適滿意度 2. 相對濕度 冬季舒適滿意度 1. 乾球溫度 12
1-7. 空調之功能 : 空調系統之功能 營造人員感覺舒適之空間 : 1) 調節空間之溫度 2) 調節空間之相對濕度 ( 或濕度比 ) 3) 空氣之適宜流動與均勻分布 4) 空氣之過濾與稀釋 5) 防治噪音 13
2-1. 小型空調機 - 冷凍循環系統 散熱出風 冷卻水進水 冷卻水回水 散熱進風 冷氣回風 冰水出水 冰水回水 冷氣出風 14
2-2. 不同型式空調機之熱傳遞方式 : 分離式 VRV 系統 水冷式小型冰水系統 氣冷式小型冰水系統 水冷式箱型機 15
2-3. 熱傳迴圈說明 : 1) 室內迴圈 - 最左側 : 室內循環空氣, 藉由送風風機驅動經過冷卻除濕盤管, 冷卻除濕後之空氣冷卻室內空間 2) 冰水迴圈 : 將經過冷卻除濕盤管之冰水回水, 由冰水泵驅動進入冰水機之蒸發器再次冷卻 3) 冷媒迴圈 : 使用相變之冷媒, 由冰水機之壓縮機將冰水回水的熱傳至冷卻水 4) 冷卻水迴圈 : 冰水機之冷凝器吸收冰卻水熱量後, 由冷卻水泵驅動將冷卻水送至冷卻水塔再次冷卻 5) 冷卻水塔迴圈 : 冷卻水塔之風扇驅動空氣與開放之溫熱冷卻水交錯, 同時將冷卻水之熱傳至大氣中 16
2-4. 各型空調機之熱傳迴圈 : 小型空調機 17
2-5-1. 分離式冷氣機 氣冷式箱型機之系統圖 : 分離式冷氣機 氣冷式箱型機 18
2-5-2. 小型氣冷式冰水機之系統圖 : 小型氣冷式冰水機 19
2-5-3. 小型水冷式冰水機之系統圖 : 小型水冷式冰水機 20
2-5-4. 氣冷式箱型冷氣機之組件 : 室內機 室外機 21
2-5-5. 水冷式箱型冷氣機之組件 : 室內機 冷卻水塔及水泵 22
2-5-6. 可變冷媒量冷氣機之系統圖 : Second Branch Piping First Branch Piping Second Branch Piping Main Piping VRV 可變冷媒量冷氣機 23
3-1. 空調節能設計 - 使用能源效率高之設備 : 24
3-1-1. 空調機之能源效率分級 : 1) 中小型空調機的性能效率指標 EER (COP) 定義為 : 能源效率比 = 冷房能力 / 消耗電力 2) 冷房能力是冷氣機運轉一小時, 可從室內移走的最大熱量, 單位為 kcal/hour 或 BTU/hour 或 W( 瓦 ) 3) 消耗電力是冷氣機額定運轉時所需的電力, 單位為 W( 瓦 ) 或 kw( 千瓦 ) 4) 單機之冷房能力及耗電資訊可由設備型錄或銘牌得知 5) EER 的標示, 可以由能源效率分級標示圖和能源效率分級基準表來比較 摘錄自綠基會連鎖企業節能技術手冊 25
3-1-2. 小型空調機之能源效率標示 : COP= 2.97 摘錄自綠基會連鎖企業節能技術手冊 26
3-1-3. 3kW 以下空調機之能源效率分級 : 27
3-1-4. 26kW 以下空調機之能源效率分級 : 28
3-2. 空調節能設計 - 使用變頻空調機 : 變頻式空調與非變頻空調的差異 : 1) 變頻式空調系統 : 可改變壓縮機馬達輸入頻率 即可改變馬達轉速 即可控制冷媒通過室內機製冷盤管的冷媒流率 即可控制空調機之輸出能量 2) 非變頻式空調系統 : 無法改變壓縮機馬達輸入頻率 空調機之輸出能量是固定的 29
3-2-1. 變頻空調機能量控制 : 製冷能力 (kcal/h) 壓縮機轉速 (R.P.M) H 定頻運轉點 M 變頻運轉線 L L 標準 H 冷媒流速 (M / S) 30
3-2-2. 變頻空調機能量控制 : 1) 能改變室內機製冷能力, 並配合精密溫度感測及冷媒流率控制, 可達到 ±0.5 C 近似恆溫的空調要求 2) 可隨室內熱源負荷增減, 做適當製冷能力的調整 ( 近似恆溫 ), 可減少能源的浪費, 是一個舒適節能的空調系統 31
室內溫度 一. 小型空調系統節能設計規劃與應用 3-2-3. 變頻空調機溫度控制 : O C 30 25 一般空調機 20 15 變頻式空調機 10 20 30 40 50 60 70 運轉時間 Min 32
3-2-4. 變頻空調機之節能量 : 電力輸入規格 220V-60HZ 壓縮機轉速 昇高頻率 (max:110hz) 降低頻率 (min:29hz) 變頻空調機 高速轉動 低速轉動 產生較低能力 產生較高能力 減少因定速運轉所造成之電力浪費 33
3-3. 空調節能設計 - 使用全熱交換器 : 1) 足量新鮮空氣引入, 與適量汙濁空氣排出, 確保健康之室內環境 2) 高溫高濕的外氣, 會大量增加空調負荷, 排出熱性質很好之汙濁空氣, 也是能源損失 3) 兩全其美 - 使用全熱交換器 4) 使用全熱交換器應注意之重點 : (1). 質量守恆 (2). 引入 / 排出之間建立一能量交換之管道 34
3-3-1. 空調為何要新鮮空氣? 考量人類生存之生理需求, 為提共一舒適的室內環境,( 室內空氣品質管理法 ) 我們需要... 空調系統 + 通風系統 Air-conditioner + Ventilation System A well designed system 35
3-3-2. 新鮮空氣對空調的影響 : 1) 足量新鮮空氣確保室內微正壓 : 室內保持微正壓, 外氣不易滲入, 不會有不適感及出風口水滴凝結之問題 2) 新鮮空氣, 會增加空調負荷 : 高溫高濕的外氣, 會大量增加空調負荷 3) 新鮮空氣直接引入, 會有不適感及溫濕度之波動 : 新鮮空氣引入前需預先預冷處理 36
3-3-3. 全熱交換器之原理與功能 : 外氣引入 排風排出 新鮮外氣 室內排氣 外氣引入 室外 排風排出 室內排氣 室內 新鮮外氣 1) 室內之排出空氣與室外新鮮進氣, 經由交換輪內的顯熱與潛熱交換 2) 全熱交換器回收室內的顯熱與潛熱, 以達到節能的目的 3) 夏季時可將進氣預冷及除濕 4) 冬季時可將進氣預熱與加濕 5) 能源回收能力可以達到 75% 以上, 降低空調設備之規模及耗電量 37
3-3-4. 全熱交換器之節能潛力 : i o i s O.A ADP S.A R.A M.A i o i s = 4.43 i 2 i1 節能 38
3-4. 空調節能設計 - 正確地選用室內空調機 : 冷卻及除濕 Cooling & Dehumidification 混氣 Mixing 室內調節 Air Condition 一般空調室內冷房之處理程序 39
3-4-1. 室內負荷的性質 - 來源及屬性 : 40
3-4-2. 室內負荷的性質 - 不同屬性負荷之比例 : 水氣負荷 ( 潛熱 ) 溫差負荷 ( 顯熱 ) 41
3-4-3. 空調機的能力 - 處理建物 室內及外氣負荷量 : 42
3-4-4. 空調機的能力 - 不同屬性能力之比例 : i 1 i 3 除水氣能力 ( 潛熱 ) i 2 降溫能力 ( 顯熱 ) 43
3-4-5. 空調機之能力 - 不同之設備顯熱比 : 固定的進風進水條件 4R-8F GSHF=0.864 8R-8F GSHF=0.752 44
3-4-6. 正確的室內空調機選用 : 1) 選用適合室內負荷性質之空調機 : 工廠類 ( 電力耗能高 人員密度少 外氣少 無水汽產生 ) RSHF 高 ( 0.95) 餐廳類 ( 電力耗能低 人員密度高 外氣多 大量水汽產生 ) RSHF 低 ( 0.75) 2) 影響空調機性能之變數 : 冰水溫度低 ( 冷媒蒸發溫度低 ) 管排數多 GSHF 低 除濕能力高冰水溫度高 ( 冷媒蒸發溫度高 ) 管排數少 GSHF 高 除濕能力低 3) 正確地搭配, 空調空間才有正確舒適的溫濕度 45
3-4-7. 小型空調機安裝原則 : 1) 中小型門市空調多半採用分離式 ( 直膨系統 ) 冷氣機, 從一對一或一對多 多聯變頻機組或氣冷 水冷箱型機組合採用 2) 通常門市規模會有一套以上之小型空調, 避免設備故障時不至於造成空調系統失效之問題, 也能視氣候或來店客人多寡調整開啟數量達到省能之效益 3) 空調機在部分負載時, 尤其是低負載時, 能源效率較差, 因此建議使用變頻機種 4) 建議使用符合國家能源效率第 1 級的空調機組 摘錄自綠基會連鎖企業節能技術手冊 46
3-5. 空調節能設計 - 設置內 外遮陽, 減少輻射熱得 : 1) 太陽之輻射熱 2) Q = 面積 A (sq.ft) x K (Sun gain) x 遮蔽係數 3) 遮蔽係數 = 依不同遮蔽設施種類 (shading) 而定 47
3-6. 空調節能設計 - 設置空氣簾或自動門, 減少冷氣外洩 : 摘錄自綠基會連鎖企業節能技術手冊 48
二. 熱水系統節能設計規劃與應用 1-1-1. 小型熱水系統 太陽能熱水器 : 1. 熱水加熱用 ( 易受天候影響, 一般用於輔助加熱 ) 2. 儲熱式 ( 附儲水槽 ) 3. 溫度可達 50 C 49
二. 熱水系統節能設計規劃與應用 1-1-2. 台灣地區年日照時數 (hr) 及日照率 (%): 1) 台灣氣候的平均日照強度高, 每平方公尺之集熱器面積約可提供每人每次淋浴約 50~80 公升之儲水量 2) 每一平方公尺集熱器一年約可節省 1,900 元瓦斯費, 一年約可供應 22,800 公升洗澡水 50
二. 熱水系統節能設計規劃與應用 1-2. 小型熱水系統 電能熱水器 : 1. 熱水加熱用 ( 不受天候影響 ) 2. 可為儲熱式 ( 附儲水槽 ) 或即 熱式 3. 溫度可達 70 C 51
二. 熱水系統節能設計規劃與應用 1-3. 小型熱水系統 瓦斯熱水器 : 1. 熱水加熱用 ( 不受天候影響 ) 2. 需有氣源及管線 3. 安裝位置需有良好通風 4. 可為儲熱式 ( 附儲水槽 ) 或即 熱式 5. 溫度可達 70 C 52
二. 熱水系統節能設計規劃與應用 1-4-1. 小型熱水系統 熱泵熱水器 : 1. 熱水加熱用 ( 易受天候影 響, 一般用於輔助加熱 ) 2. 需有穩定之取熱源 3. 可為儲熱式 ( 附儲水槽 ) 或即熱式 ( 循環水加熱 ) 4. 溫度可達 55 C 53
二. 熱水系統節能設計規劃與應用 1-4-2. 小型熱水系統 熱泵熱水器 : 54
二. 熱水系統節能設計規劃與應用 2-1. 各種加熱設備之能源效率 : 55
二. 熱水系統節能設計規劃與應用 2-2. 各種能源之熱值及產出熱值 : 加熱設備 熱值 平均熱效率 COP 產出熱值 電熱水器 860 仟卡 / 度 90% 774 仟卡 / 度 液化瓦斯熱水器 12,000 仟卡 / 公斤 75% 9,000 仟卡 / 公斤 柴油鍋爐熱水器 8,816 仟卡 / 公升 75% 6,612 仟卡 / 公升 天然氣熱水器 8,942 仟卡 / 度 75% 6,707 仟卡 / 度 小型熱泵熱水器 860 仟卡 / 度 260% 2,236 仟卡 / 度 大型熱泵熱水器 860 仟卡 / 度 360% 3,096 仟卡 / 度 56
二. 熱水系統節能設計規劃與應用 2-3. 各種能源之燃料費比較 : ** 上表是以 1,000 公升冷水, 由 21 C 加熱至 58 C 成為熱水, 需熱 37,000 Kcal 為例計算 2013.09.23 能源價格摘錄自台灣石油公司及電力公司網站 57
二. 熱水系統節能設計規劃與應用 2-4. 各種能源之燃料費比較 : 2013.09.23 能源價格摘錄自台灣石油公司及電力公司網站 58
二. 熱水系統節能設計規劃與應用 3-1-1. 熱泵技術 -1: 1) 在自然界中, 水是由高處流向低處, 熱量也是從高溫傳向低溫 2) 水泵可以藉由電能 (kw) 的驅動, 把水從低處提升到高處, 實現水由低處向高處流動之可能 3) 同樣藉由電能 (kw) 的驅動, 熱泵可以把熱量從低溫處 ( 溫度較低的環境或物體 ) 傳遞到高溫處 ( 溫度較高的環境或物體 ) 59
二. 熱水系統節能設計規劃與應用 3-1-2. 熱泵技術 -2: 4) 熱泵是依壓縮機的熱力循環, 把熱能從一個低溫處 ( 冷房或低溫水 ) 移到另一個高溫處 ( 大氣或高溫水 ), 這個移動熱能的作用需要藉由電能 (kw) 的驅動 5) 熱泵依能量不滅原理, 自高溫處排出的熱量 (QC), 等於輸入的電能 (kw) 加上從低溫處吸取的熱量 (QE), 即 QC=QE+kW 6) 熱泵與冷氣機之工作原理相同, 都是按照逆卡諾循環工作的, 不同的是工作溫度範圍不一樣 7) 取其製冷功能 < 製造冷氣或冰水 > 稱為冷氣機或冰水機, 取其製熱功能 < 製造暖氣或熱水 > 稱為暖氣機或熱水機 60
二. 熱水系統節能設計規劃與應用 3-2-1. 冷氣機之冷媒循環迴路 : 冷氣回風或冰水回水 輸入電能 kw 從低溫處吸取熱量 QE 蒸發器 壓縮機 冷凝器 排出熱量 QC 到高溫處 ( 大氣或冷卻水塔 ) 冷氣出風或冰水出水 冷媒控制器 ( 膨脹閥 ) 61
二. 熱水系統節能設計規劃與應用 3-2-2. 熱泵之冷媒循環迴路 : 輸入電能 kw 暖氣出風或熱水出水 從低溫處吸取熱量 QE ( 大氣或廢熱源 ) 蒸發器 壓縮機 冷凝器 排出熱量 QC 到高溫處 冷媒控制器 ( 膨脹閥 ) 暖氣回風或原水進水 62
pressure pressure 二. 熱水系統節能設計規劃與應用 3-2-3. 熱泵與冷氣機之不同工作溫度 : 1. 冷氣機之蒸發 冷凝溫度接近定值 2. 熱泵之蒸發 冷凝溫度依實際需求 condenser condenser expansion device 40.0 C 2.2 C evaporator compressor expansion device evaporator compressor enthalpy enthalpy 63
二. 熱水系統節能設計規劃與應用 3-3-1. 熱泵之分類 - 依取熱源分類 : 1) 空氣源 -- 從空氣取熱型 : 從大氣 直接冷房取熱 2) 水源 -- 從水取熱型 (1). 從空調系統之冷卻水 ( 冰水機廢熱 ) (2). 從製程 流程之廢熱水 ( 無塵室 殺菌爐 溫泉廢水 泳池廢水.) (3). 從空調系統之冰水 ( 間接冷房取熱 ) 3) 地熱源 -- 從地下水 地底泥土層取熱 4) 太陽輻射源 -- 從太陽輻射源與大氣取熱 < 雙熱源型 > 64
二. 熱水系統節能設計規劃與應用 3-3-2. 熱泵之分類 - 依使用功能分類 : 1) 氣對水型 -- 從空氣取熱 對水加熱 : (1). 熱泵熱水機 -- 從大氣取熱, 對熱水箱加熱 (2). 熱泵熱水機 -- 從變電室 機械室取熱, 對熱水箱加熱 3) 水對水型 -- 從水取熱 對水加熱 : (1). 熱泵熱水機 -- 從廢水取熱, 對熱水箱加熱 (2). 熱回收冰水機 -- 產製冰水時, 取自冰水降溫之廢熱, 對熱水箱預熱或加熱 65
二. 熱水系統節能設計規劃與應用 3-4-1. 熱泵系統之運轉特性 : 1) 熱泵熱水機之加熱, 是採長時間運轉儲存, 因此, 必須裝置足夠水量之儲槽, 與一般燃料鍋爐之即熱式加熱方法不同 2) 熱泵熱水機可與一般或原有加熱設備並用, 可作預熱或加熱用途 3) 如儲槽之儲水量夠大, 熱泵熱水機之加熱時間, 可以控制在離峰時段, 使用離峰電力 4) 水對水熱泵可同時間供應熱水及冰水, 但是熱水及冰水之負荷必須同時存在 且平衡 66
二. 熱水系統節能設計規劃與應用 3-4-2. 熱泵系統與既有熱水設施串接 : ( 出水 ) HWS 職業訓練 HWR ( 回水 ) 心 ( 自來水 ) CW 空調供冷 氣對水熱泵主機 既有 熱水設施 空氣中熱源 水質處理器 新設儲熱水槽 2 熱水循環泵 67
二. 熱水系統節能設計規劃與應用 3-4-3. 熱泵系統與太陽能及既有熱水設施串接 : 68
二. 熱水系統節能設計規劃與應用 3-5. 熱泵系統之特點 : 1) 環保 : 熱泵是一種吸取大自然中之熱能加以利用, 它不採燃燒式製熱, 因此在產生熱水之餘不會再產生二氧化碳與其他廢熱製造污染 2) 高效率 : 一般加熱設備, 柴油鍋爐 瓦斯鍋爐或電熱鍋爐, 其加熱系統的性能係數一般約在 0.80 ~ 0.95 熱泵熱水器的性能係數 COP 高達 2.0~5.0, 可節能 3) 多功能 : 製熱水之同時能提供冷氣 除濕 4) 安全性高 : 無燃燒 無廢氣, 無爆炸之危險 無瓦斯中毒 無觸電之顧慮 5) 安裝操作方便 : 可利用原有系統擴充 全自動控制, 操作系統之 開或關即可 6) 適用性廣 : 適用於醫院 旅館飯店等需用熱水之場所 69
二. 熱水系統節能設計規劃與應用 3-6-1. 氣對水熱泵加熱系統 熱泵主機 : 70
二. 熱水系統節能設計規劃與應用 3-6-2. 水對水熱泵加熱系統 -- 熱水箱 : 71
二. 熱水系統節能設計規劃與應用 3-6-3. 水對水熱泵加熱系統 -- 熱泵主機 : 72