Transcript 冷凍空調變頻節能控制 - 冷凍空調與能源系

冷凍空調變頻節能控制
授課老師：蔡貴義 老師
目錄
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1.中央空調系統附屬設備之變頻節能控制
2.中央空調系統協調控制
3.變頻螺旋式冰水機組控制方案
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A
1.中央空調系統附屬設備之變頻節能控制
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1-1前言
1-2中央空調系統架構
1-3附屬設備變頻節能控制
1-4變頻節能效果之評估計算
1-5結論
1-1前言
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綜觀本年度節能績優廠商選拔活動各參選廠商之節能報告
書，在空調系統節能方面，一般空調用戶對中央空調冰水
主機之節能及對變頻器在節能方面之使用，已具備基本之
知識與方法，對節約能源已有相當程度之認知，然而對空
調系統附屬設備之冰水循環系統、散熱冷卻系統及空氣循
環系統則少有良好有效的節能措施，尤其對空調系統整體
之協調省能控制方面以及多機系統節能協調控制方面，鮮
少有業者提出省能方案。
台灣有近98 %能源仰賴進口，但由於生活水準日漸提高，
產業也不斷擴充與升級，例如許多高科技產業像光電、電
子、資訊、生物技術、醫藥等產業，造成空調需求愈來愈
高，耗電量也愈來愈多，因此不管就企業降低成本以提升
利潤或整體社會資源之使用而言，如何在不降低空調品質
的條件下，進一步節約耗電量可說是個很重要的課題 。
1-1前言(續)

當我們討論空調系統電力節能策略時，一般只
注意所謂的主要設備( Primary Equipment ) 如
冰水主機、鍋爐等，而送風機、泵浦等負責傳
送冷/熱的支援性設備則經常在節能考量中被忽
略。一般空調系統可能使用到的附屬輔助設備
相當多，例如送風與回風風機、排風機、冷熱
水泵浦、冷凝器散熱風扇、冷卻水塔風扇、冰
水泵浦等，都是需要長時間運轉而且數量相當
多，因此耗能亦相當可觀。依2000年美國能源
部出版的報告顯示，空調系統附屬設備每年使
用掉約1.5千兆BTU的能量，大概相當於二千三
百萬輛汽車每年所消耗的能源[1]。
1-1前言(續)

觀察一些傳統空調系統，由於考慮到未來需求
擴充，因此所設計需量往往比當時需求大很多，
也因此100﹪全負載運轉的時間並不常見，大部
份時間在部份負載(Partial Load)下運轉，運轉
效率較低，因此改善低負載運轉時的效率，其
省能效果是可以預期的。此外在傳統空調系統
應用中，附屬輔助設備之驅動馬達通常以全速
連續運轉，而以導風板(Vane)和節流閥(Throttle)
來調節風量及水量，如果利用變頻器以調控馬
達的轉速來調節風量及水量，則將遠較以馬達
全速運轉而以節流裝置減少風量及水量更為有
效率。
1-1前言(續)

增加泵浦或風扇之轉速，其輸入功率理論上是隨著轉速的
三次方增加，此表示如果風量或水量增加二倍時，輸入功
率需增加為八倍，因此假設空調系統實際需求之風量及水
量不需要那麼高時，則降低風量及水量至實際需求量即可
減少甚多耗能。例如風量降低20%，則由80%風量的三次
方為51%，亦即僅需51%能源，約可減少一半的耗能，這
也就是為什麼政府部門大力推廣使用變頻器藉以方便調控
馬達轉速，以獲得實際需要的風量及水量達到節能效果。
空調系統附屬設備在以往的節能策略中往往被忽略，大多
集中在研究主要的設備如冰水主機之壓縮機的節能，以致
造成主要設備的能源效率雖然大幅改善，但輔助設備的耗
能卻仍持續在增加。
1-2中央空調系統架構
(一)系統架構
 中央空調系統係由驅動流體流動的機械和各種型式的熱交換器所
組合而成，基本上可分為下列五個循環系統，即如圖一所示之(1)
室內空氣循環系統(2)冰水循環系統(3)冷媒循環系統(4)冷卻水循
環系統(5)冷卻水塔外氣系統。
(二) 主要設備及附屬設備
 圖一所示之五個循環系統一環連著一環，環環相扣，其中熱交換
器是進行高、低溫流體能量交換的設備，如圖中之冰水盤管、蒸
發器、冷凝器及冷卻水塔，流體機械則是驅動流體循環的動力源，
如圖中之風扇、冰水泵浦、壓縮機及冷卻水泵浦等。而上述五個
循環系統中，需要使用到馬達的設備依序分別為風扇(風車)、泵
浦、壓縮機，這五個循環系統若皆以單體而言，主要以冷媒循環
系統之設備耗能最多，為主要設備(Primary Equipment)，如壓縮
機是空調系統中最為耗能之主要設備，而其他四個循環系統之設
備為負責傳送冷/熱的支援性設備，稱為附屬設備(Auxiliary
Equipment)，如泵浦、風扇(風車)等設備。
1-2中央空調系統架構(續)
排氣
外氣
冰水
泵浦
風扇
空調
負載
(1)
室內空氣
冰水
盤管
(2)
冰水
冷卻
水泵
壓縮機
蒸發器
(3)
冷媒
冷凝器
(4)
冷卻水
風扇
冷卻
水塔
(5)
外氣
室外空氣
圖一 中央空調系統架構(1)室內空氣循環系統(2)冰水循環系統(3)冷媒
循環系統(4)冷卻水循環系統(5)冷卻水塔外氣系統
1-2中央空調系統架構(續)

附屬設備中風扇(風車)與泵浦等流體機械的耗能，
大致可以用下列數學式表示︰
KWH 

Q  P  Hr

(1)
KWH是流體機械的耗用電能，耗能的多寡決定
於設備的運轉時數Hr、流體的流量Q、流體循環
所需之揚程P以及效率η，其中效率η包括流體機
械效率、機械效率以及馬達效率等。
1-2中央空調系統架構(續)

空調節能並非鼓勵大家停止使用空調系統，而是當用則用，
當省則省。欲降低耗用電能，首先由式(1)中考慮如何降低
運轉時數（Hr），此有賴於有效合理的能源使用管理，應
儘可能避免空調設備做不必要的運轉。其次，考慮降低式
(1)中所輸送的流體流量(Q)也是節能方法之一，除了避免
空調設備過大設計（Over Sizing）外，採用變流量系統如
變風量(Variable Air Volume， VAV)和變水量(Variable
Water Volume， VWV)，使流量依空調負載需求調整，都
是減少空調系統在部分負載時之耗能的方法。第三，考慮
式(1)中揚程(P)之降低以減少耗能，此目標可以採用變頻器
以驅動風扇(風車)、泵浦以達成之，因為揚程係與馬達轉
速平方成比例，故降低馬達轉速即可降低揚程以減少耗能，
至於效率方面則需搭配系統特性，選配適當的風扇(風車)
及泵浦等流體機械及其驅動馬達。
1-2中央空調系統架構(續)

另一方面如果能在空調系統設計之初即避免過大設計，則
後續每一個循環系統的熱負載可因此減少，各個循環的設
計流量減少則空調設備及管路容量亦可減少，如此不僅減
少了初設費用，系統運轉費用亦隨之降低，易言之在空調
系統五個循環的愈上游做節能工作，每一循環所節省下來
的效益也就愈大，所以建築物之省能設計是相當重要的。
國內採用空調系統性能係數( Performance of Air
Conditioning System, PACS)作為評估建築物空調系統耗
能程度之一指標，對未來建築物設計的節能效果必然可以
收到立竿見影之效。過大的設計不但花費較多的初設成本，
同時空調系統長期處於低負載之下運轉，不僅效率差而且
運轉成本亦高。
一般中央空調系統附屬設備常用的節能方法如下
1、室內空氣循環系統
 (1)選擇高效率之風車。
 (2)採用變風量(VAV)系統。
 (3)提高室內溫度設定。
 (4)以室內空氣中之二氧化碳含量為指標
來控制外氣之進氣量。
 (5)充分利用備用外氣空調箱。
一般中央空調系統附屬設備常用的節能方法如下(續)
2、冰水循環系統
 (1)冰水流量變小時較省能，故冰水流量控制以二通閥之變
流量定溫差控制，取代三通閥之定流量定溫差控制。
 (2)冰水泵浦以變頻控制其冰水流量，由於冰水泵浦耗用功
率係與水流量成立方的比例關係，因此當負載變小時，變
流量控制可以大量的節能。
 (3)中大型空調系統使用P-S系統（Primary -Secondary
System）設計，此種設計係採用二組冰水泵浦，一組負責
送冰水流經冰水主機，另一組則將由冰水主機流出之冰水
送至各負載，如此之水路設計可以減少不少耗能，若負載
變化很大或是大部份時間為輕載時，在二次側泵浦以變頻
器控制轉速可節省更多電能。
 (4)修改冰水泵浦之葉輪以減少流量。
 (5)調高冰水出水溫度，冰水溫度每升1℃約可減少主機耗
能2~3%。
一般中央空調系統附屬設備常用的節能方法如下(續)
3、冷卻水循環系統
 (1)以多組冷卻水塔並聯運轉，並且協調控制冷
卻水塔風扇運轉。
 (2)以水溫控制來開啟冷卻水塔運轉台數或實施
變頻控制。
 (3)修改冷卻水泵浦之葉輪以減少流量。
 (4)冷卻水泵浦以變頻控制其水流量。
 (5)冷卻水之水溫設定隨外氣濕球溫度重置
（Reset），則風扇之耗電可大為減少，冷卻水
溫度每降1℃約可減少主機耗能1.5~2.0%。
一般中央空調系統附屬設備常用的節能方法如下(續)
4、冷卻水塔外氣系統。
 (1)選擇高效率之風扇。
 (2)採用變風量(VAV) 風扇系統。
 (3)冷卻水塔出口之水溫儘可能控制在接
近外氣濕球溫度，使效率提高。
 (4)冷卻水塔風扇控制冷卻水之水溫應愈
低愈好，避免減少了風扇耗能卻犧牲了冰
水主機之效率。
1-3附屬設備變頻節能控制
(一)、變頻節能原理
 傳統空調系統之附屬設備如空調箱風車(風扇)、冰水
機之循環泵浦、冷卻水塔風扇(風車)等大都以感應馬
達為動力來推動空調系統內之風量及水量，進行空氣
調節任務。這些風量及水量與所驅動之馬達軸功率的
關係可用下列表示[2]：
Q1
Q2

N1
N2
P1
P2
 (
N1 2
)
N2
HP1
HP2
 (
N1 3
)
N2
(2)
1-3附屬設備變頻節能控制(續)

上列式子中Qi、Pi、HPi以及Ni， ， ，
i { 1 2}
依序分別表示為風量
(或水量 )、揚程及軸功率(以馬力表示)，
驅動馬達轉速，若各子系統之效率已知
則輸入功率可以表示如下：
PLK 
PK QK
K
(3)
1-3附屬設備變頻節能控制(續)

式 ( 3 )之功率PLK，事實上即為感應馬達轉軸所提供之功
率，由式(2)及式(3)知流量與馬達轉速成正比，而揚程與軸
功率均分別與轉速之平方及立方成正比 。由於空調箱風車、
冰水機之循環泵浦和冷卻水塔風扇之負載轉矩係隨轉速平
方成比例變化，因此針對此類型負載若引進變頻調速控制，
可獲得甚佳的節能效果；因此當空調負載減少時，可調控
上述設備之驅動馬達以較低轉速運轉，能大幅降低馬達電
力需求。此外傳統空調系統大部分運轉狀態均處在輕載狀
態，而空調系統各設備容量卻是依最大負載需求而設計，
當系統負載需求降低時，空調箱風車、冰水主機之循環泵
浦、冷卻水塔風扇若仍舊作全速運轉，則必然浪費過多能
量。由上述原理可知，傳統空調系統節能控制大都以定速
運轉而調控節流閥以控制風量或水量的作法，若改採用變
頻控制，在輕載時即可節省甚大的耗能。
1-3附屬設備變頻節能控制(續)

一般空調系統在設計時是以最高需求量為
設計依據，也就是說空調系統大部分不在
最高效率點運轉，因此相對地就有很大的
節約能源空間。近年來由於電力電子控制
技術的快速進步，使得變頻器成為目前空
調系統節能的重要工具。空調系統以變頻
器控制感應馬達轉速做節能控制時，需注
意馬達選用和變頻器負載能力即變頻器容
量之問題。
1-3附屬設備變頻節能控制(續)
(二)、單機系統之變頻節能控制
 感應馬達可分為三類，即普通常用的定速感應
馬達、變頻控制用感應馬達以及精密伺服控制
用之伺服感應馬達。對於既設空調系統改裝為
變頻控制時，通常必須降額(Derating)使用，因
為與原設計不同，變頻器的開關高頻切換會大
大增加其耗損而增加馬達溫升，故無法承受原
先設計額定功率運轉，因此最好是採用變頻專
用之感應馬達。
1-3附屬設備變頻節能控制(續)
1、室內空氣循環系統變頻節能控制
 利用如圖二所示之閉迴路自動控制，以室內溫度作回授信
號，此回授信號與溫度設定值相比較後得一偏差信號，此
偏差信號經PID控制器作比例、積分、微分處理後送出010V之控制信號去調控變頻器，使空調箱風車驅動馬達之
轉速改變，進而改變供風風量，於穩態時即可達到所設定
之室內溫度值，達到室內冷氣調節之目的，此即可變風量
(VAV) 控制。因空調箱風車驅動馬達之轉速係隨室內溫度
變化，故當空調負載減少時，此變頻節能控制系統即自動
降低馬達之轉速而達到節能效果。由此看來選擇高效率之
風車驅動馬達以及盡可能提高室內溫度之設定可以減少馬
達之耗能。
 一般室內溫度設定範圍以26-28℃為宜，對於經常進出之房
間的室內溫度不要低於室外溫度5℃以上，此外若以室內空
氣中之二氧化碳含量為指標來控制外氣之進氣量更能達到
良好的省能效果。
1-3附屬設備變頻節能控制(續)
冰水
供風
風管
室內溫度
感測轉換器
AHU
空調箱
比
較
器
驅動馬達
+
PID
控制器
變頻器
三相電源
_
控制信號
0~10V
圖二 室內空氣循環系統變頻節能控制
溫
度
設
定
1-3附屬設備變頻節能控制(續)
2、冰水循環系統變頻節能控制
 以冰水出口溫度作回授信號，利用此回授信號與溫度設定
值相比較後之偏差信號去調控變頻器，使冰水泵浦驅動馬
達之轉速隨之改變，進而改變冰水循環系統的冰水溫度，
達到空調系統冰水溫度調節之目的，此即可變水量(VWV)
控制，當空調負載變小時冰水出口溫度降低，冰水泵浦驅
動馬達之轉速亦隨之降低，由於冰水泵浦之耗用功率係按
水流量成立方比例之關係，因此當空調負載變小時，變流
量控制可以大量的節能。冰水循環系統冰水溫度每提升1℃
約可減少主機耗能2~3%，因此在不影響空調品質條件下適
度提高冰水出口溫度，亦即調高其溫度設定值可減少冰水
主機耗能。
 一般空調系統冰水出口溫度設定在7℃，7℃之冰水有良好
的除濕能力，但若潛熱負荷不大或空氣乾燥之季節，當空
調負載低時亦可將冰水溫度調高，以增加冰水主機效率並
減少耗能。
1-3附屬設備變頻節能控制(續)
3、冷卻水循環系統變頻節能控制
 如圖三所示之閉迴路冷卻水溫度控制，利用冷凝器入口之
冷卻水溫度作回授信號，此回授信號與溫度設定值相比較
後之偏差信號經PID控制器作比例、積分、微分處理後，
送出0-10V之控制信號去調控變頻器，使冷卻水泵浦驅動
馬達之轉速改變，進而達到空調系統冷卻水溫度控制之目
的，當空調負載變小時冷卻水溫度降低，冷卻水泵浦驅動
馬達之轉速亦隨之降低，由於冷卻水泵浦耗用功率係與水
流量成立方比例之關係，因此當負載變小時，此變流量控
制可以大量的節能。
 一般空調系統冷凝器入口之冷卻水溫度設定在32℃，若冷
卻水溫度降低1℃約可減少主機耗能1.5~2.0%。因此冷卻
水溫度應在符合冰水主機特性及外氣濕球溫度之限制之下，
儘可能的降低來節約冰水主機耗能。
1-3附屬設備變頻節能控制(續)
溫
度
設
定
比較器
_
+
PID
控制器
冷卻
水塔
冷卻水
泵浦
三相
電源
變頻器
感應馬達
冷凝器
溫度
感測轉換器
圖三 冷卻水循環系統變頻節能控制架構
1-3附屬設備變頻節能控制(續)
(三)多機系統變頻節能協調控制原理
 對於多機系統變頻節能協調控制，首先需要實
際量測各附屬設備單機機組之耗能特性，用以
建立數學模型，其次將協調控制之問題轉化成
為一求解節能最佳化之數學問題，將每一單機
機組之耗能特性以多項式來表示，最後用類似
電力系統多部發電機並聯供應電能之方式，去
實現各機組最經濟的運轉。圖四所示為一空調
附屬設備多機系統協調控制之架構圖。
1-3附屬設備變頻節能控制(續)

圖中之MD即代表該系統之主控制器，而P1 ~ P4為四台冷
卻水循環泵浦，分別由四台感應馬達驅動，以控制其冷卻
水流量Q1 ~ Q4；圖中CT1 ~ CT4則代表四台冷卻水塔，
同樣亦分別由FM1 ~ FM4四台感應馬達分別控制其風扇轉
速，俾調整其散熱量；此外由圖四中亦可見各冷卻水塔之
出水流量q1 ~ q4係由CV1 ~ CV4四控制閥調控之；而SD1
~ SD4四個處理器則可視為四個從屬控制器，即
SDK,(k=1,2,3,4)一方面接受到溫度感測器所量測到之出水
溫度TK,(k=1,2,3,4)並據以控制CVK控制閥之開度，另一方
面同時將所得之TK訊息送達主控制器MD；因此MD基本上
係由接收到之T1 ~ T4及冷卻水循環泵浦入口之回水溫度
TR經由協調控制計算後，決定四台冷卻水循環泵浦驅動馬
達P1 ~ P4之轉速ωr1p~ωr4p，以及四台風扇驅動馬達
FM1~FM4之轉速ωr1f ~ ωr4f。
多機系統變頻節能協調控制係用最佳化的技巧，依照每
一機組性能之不同去分擔不同比例之負載，所以就整體
系統而言變頻協調控制較為省能。
P1
condenser
Q1
冷凝器
ωr1p
P2
Q2
ωr2p
MD
P3
Q3
ωr3p
TR
冷
卻
水
循
環
泵
浦
QT
P4
Q4
ωr4p
溫度感測器
SD1
FM1
ωr1f
CV1
T1
SD2
q2
CT1
FM3
ωr3f
CV3
T3
SD4
CT1
FM2
ωr2f
CV2
T2
SD3
q1
q3
CT1
FM4
ωr4f
CV4
T4
q4
CT1
圖四 多機系統變頻節能協調控制之架構圖
冷
卻
水
塔
1-4變頻節能效果之評估計算


以下用一中央空調冷卻散熱系統為例子，簡單
說明變頻節能效果：
一中央空調冷卻散熱系統因應負載需求調節水
量大小，使水流量在5-2.5 之間變化，若以變頻
器作變速控制以代替節流閥之流量控制，當空
調負載減少時，將自動調整驅動馬達之轉速以
較低轉速運轉，即能降低馬達電力需求達到省
能之目的，圖五所示為本例子所提之空調冷卻
散熱系統冷卻水循環泵浦變頻節能控制架構。
1-4變頻節能效果之評估計算(續)
1、系統概要：
 (1)揚
程：20 m
 (2)流
量：5-2.5 m3 / min
 (3)最高揚程：125 %
 (4)運轉時間(一年)：(A) 全
載 ( 100 % 負載) 3000小時

(B) 部分負載 ( 50 % 負載) 5000小時
 依以上規格描繪泵浦之揚程-流量 (P-Q) 特性如圖六所示：
圖六中A點為規劃設計之系統操作點(P=20 m，Q=5m3 / min)，
B點為部分負載 ( 50 % 負載)時，以節流閥控制流量時之
操作點(P=24 m， Q=2.5 m3 / min)，C點為部分負載 ( 50 % 負
載) 時，以變頻器控制流量時之操作點(P=12
m，
3
Q=2.5 m / min )。
1-4變頻節能效果之評估計算(續)
流
量
設
定
比較器
_
+
流量
感測轉換器
PID
控制器
冷卻
水塔
冷卻水
泵浦
三相
電源
變頻器
感應馬達
冷凝器
圖五 中央空調冷卻散熱循環系統變頻節能控制架構
1-4變頻節能效果之評估計算(續)


2、節能計算：
(1)冷卻水泵浦軸功率計算：
泵浦軸功率可由( 4 )式計算得到；
PLK 







0.163    P  Q
p
：流體比重(g / cm3)
P
：揚程(m)
Q
：流量( m3 / min )
PLK ：泵浦軸功率(KW)
 p ：泵浦效率
計算結果如表一所示；
(4)

(2)節省電費計算：
實際節省之電量可由(5)式計算得到；
KWH  (
PLK 1
m

PLK 2
)  Hour
 m  d
(5)
圖六 冷卻水泵浦揚程-流量 (P-Q) 特性
1-4變頻節能效果之評估計算(續)
表一 冷卻水泵浦軸功率
節流閥控制
變頻器變速控制
流量
3
( m / min )
泵浦軸功率
(KW)
泵浦轉速
(RPM)
5
(100 %)
21.7
3600
2.5
(50%)
16.3
3600
p
p
泵浦軸功率
(KW)
泵浦轉速
(RPM)
0.75
21.7
3600
0.75
0.6
6.52
1800
0.75
1-4變頻節能效果之評估計算(續)
 PLK1 ：節流閥控制時之泵浦軸功率(KW)
 PLK 2：變頻器變速控制時之泵浦軸功率(KW)
 m


：驅動馬達之效率
d ：變頻器之效率
表二所示為變頻器及驅動馬達在全載及部
分負載之效率
1-4變頻節能效果之評估計算(續)
馬達效率
變頻器
d
負載狀況
馬達之轉速
m
全載(100%)
3600RPM
0.9
部分負載(50%)
3600RPM
0.85
全載(100%)
3600RPM
0.9
0.98
部分負載(50%)
1800RPM
0.8
0.95
節流閥
控制
變頻器
變速控制
1-4變頻節能效果之評估計算(續)

每年冷卻水泵浦在部分負載時之節省電量
為：
16.3
6.52
KWH  (

)  5000
0.85 0.8  0.95
 63, 250

若平均電價以每度(KWH)2.5元計算，則
每年可節省電費158,125元。
1-5結論

欲提升中央空調系統附屬設備之節能效益可從多方面加以
改進。首先，可由提升變頻器、驅動馬達等組成元件考慮，
在成本允許情況下選用較佳效率之元件，自然可以提升節
能效益。其次，空調系統所使用的驅動馬達大都有超過實
際額定馬力需求之問題，而此超大容量馬達之運轉會造成
相當大的能源浪費，例如當流量由100%減少到50%時，理
論上省能比例可達8倍，但若選用過大容量之馬達，例如以
選用150%額定馬力為例，則省能比例僅有3.46倍而非理論
值8倍[3]。第三點，實際馬達在低速運轉時容易受到磁飽
和之影響，因此當選用可變電壓可變頻率型(Variable
Voltage Variable Frequency, VVVF)變頻器作調速控制時，
不宜完全固定其V / F比值；適度的隨轉速降低V / F比值，
可以明顯地看到變頻器輸入側之線電流的降低與功率因數
的提升，而減少變頻器與馬達之電力耗損。
1-5結論(續)

第四點，多機系統變頻節能協調控制應量測各單機耗能特
性，以便用最佳化方法求解最佳設定值。第五點，以上所
述方法亦可應用在一般小型空調系統，如少了冰水循環系
統之水冷式箱型機以及少了冷卻水循環系統之氣冷式冷氣
機之變頻節能。最後，應對整體空調系統節能特性全盤了
解，例如冷卻水塔之節能控制中，部份業者往往為了降低
冷卻水塔風扇之耗能，在輕載時即關閉冷卻水塔之運轉，
致使冷卻水溫升高，殊不知冷卻水溫每提升1℃則冰水主機
之耗能將增加約2 %，減少了風扇耗能卻犧牲了主機之效
率，此所謂捨本逐末因小失大，因此應針對所有驅動馬達
之變頻器控制作一協調，俾獲整體系統之最佳效率。由前
述可知變頻器在空調系統附屬設備節能之應用上所節省之
電力，長期而言甚為可觀，這也是為什麼政府大力推廣變
頻器在空調系統節能應用之原因。
2.中央空調系統協調控制






2-1前言
2-2文獻回顧
2-3研究目的及方法
2-4中央空調系統節能控制
2-5空調系統附屬多機系統之節能協調控制
2-6結 論
2-1前言

中央空調系統全負荷運轉時，其附屬設
備冰水泵、冷卻水泵及冷卻水塔風扇耗
電約占中央空調總耗電量的12% - 15%
左右。根據美國空調製冷學會( ARI )的
統計；一般空調設備有90%的時間運轉
在70%負荷以下，因此在部分空調負荷
時，冰水泵、冷卻水泵及冷卻水塔風扇
耗電量所占比例將會更高。
2-1前言(續)

目前中央空調系統省能控制大都針對冰水主機，很少
針對附屬設備中冰水泵、冷卻水泵與冷卻水塔風扇做
研究[1,2]，雖然中央空調系統水泵及冷卻水塔風扇已
漸採用變頻省能控制[3]，然變頻實施後節能效果不一，
發現不少空調散熱系統中冷卻水塔與冰水主機之間節
能運轉存在著顧此失彼，因小失大的問題，影響了系
統的運轉和節能效果。空調系統之節能在傳統上的做
法是以降低設備中最大的軀動馬達(冰水主機之馬達)
耗能為方向，不過這跟最佳化節能目標有相當的偏差，
空調系統運轉效率係依冷卻水泵、冷卻水塔的選擇、
冰水主機型式、空調負載，以及環境濕球溫度而定。
滿負荷時，若減少冷卻水量將得不償失，而在部分負
荷時，適當調節冷卻水流量卻可以達到某種程度之節
能。
2-1前言(續)

臺灣現有的大樓或工、商業等一定規模的空調
系統中，普遍採用有較高運轉效率的水冷式中
央空調系統，但其冷卻散熱系統的冷卻水泵和
冷卻水塔皆按最大空調負荷匹配設置，當空調
系統在部分負荷時，由於製冷量小，冷凝熱負
荷也小。因此，冷卻散熱系統的冷卻水泵、冷
卻水塔風扇就不需全量投入運轉以節約耗能。
為了進ㄧ步提升中央空調整體效率，本計劃針
對中央空調散熱系統之運轉參數(冷卻水溫度)進
行最佳化調節使得整體耗能(包括冰水主機、冷
卻水塔風扇、冷卻水泵的耗能)達到最小。使空
調系統的變頻節能工作盡可能做到完美無缺、
獲得最大的節能效果。
2-2文獻回顧


2-2-1中央空調系統節能的研究現況
2-2-2中央空調系統最佳化控制的研究現
況
2-2-1中央空調系統節能的研究現況
中央空調系統的節能研究方向有很多，降低中央空調系統耗能的方
法主要如下：
 1. 降低建築物空調負荷的需求[11]。
 2. 空調系統最佳化設計[12, 13]。
 考慮冰水機組、冷卻水塔風扇、冰水泵、冷卻水泵、空調箱風車
等各設備間的最佳匹配。
 3. 空調系統附屬設備的最佳化控制(本計畫之研究的方法)。
 在部分負荷時調變空調系統的工作點使整體系統運轉的效率最高。
 4. 採用可變風量、可變水量的空調系統[16, 17]。
 由於風扇和水泵的能量消耗與設備的轉速的三次方成正比，採用
可變風量、可變水量的空調系統可大量節約風扇和水泵的能量。
 5. 採用儲冰技術來節約空調系統的能量消耗。
 儲冰技術主要利用高峰和離峰的電價差額來節約空調系統的運轉
費用。
 6. 利用自然通風或房間的回風節約空調系統的耗能。
2-2-2中央空調系統最佳化控制的研究現況

空調系統是複雜的非線性系統其最佳化的實現
需要分兩步驟來進行；首先需建立被控機組精
確的模型，其次再依據控制目標選用適當的最
佳化方法。空調系統運轉時工作點的最佳化控
制方法是最基本的節能方法，主要在使中央空
調系統在任何情況下都運轉在最節約能量的工
作點上。空調系統最佳化控制的研究早在70年
代即已提出，當時的研究較注重最終量的控制，
系統參數大都經由直接測量或離線回歸的方式
來獲得，由於測量範圍廣、工作量大，使得結
果誤差較大。
2-2-2中央空調系統最佳化控制的研究現況
(續)

文獻[20] U.S. Patent No. 5,600,960 [P]. TRANE公司提出
針對螺旋式冰水主機最佳化冷卻水溫度控制的演算法，從
冰水主機溫控到整體系統的解決方案，並以一400噸冰水
系統在不同操作策略下的運轉成本比較，其最佳化操作模
式較其它傳統做法節省了3% ~5%的系統運轉成本。文獻
[21] H.Zimmer.對冰水機組進行了最佳化控制研究，適用於
多變數單目標函數的演算法，最佳化控制後系統的耗能降
低了3%，但沒有考慮到冰水機組冷凝溫度對空調系統整體
耗能的影響。文獻[22] C.Chun and N.Norden.考慮了冰水
供水溫度等控制變數，並在限制條件中引入“罰點因數”，
最佳化控制後系統的耗能降低了12.5%，但沒有對冰水機
組運轉台數進行最佳化控制。
2-2-2中央空調系統最佳化控制的研究現況
(續)

文獻[23] L.Enterline.採用多維最佳化方法對空
調系統的各組成單元分別進行了最佳化控制研
究，將冰水主機和冰水泵耗能之和作為目標函
數，利用線上方法測繪出耗能隨冰水供水溫度
的變化關係圖，由此擷取所需參數，但沒有考
慮到整個系統各組成單元的相互關係，而且參
數的獲取較為複雜。文獻[24] A.Lau,
W.Beekman考慮到濕球溫度、冰水負荷、冷卻
水塔風扇轉速、冷卻水泵流量、冰水主機運轉
台數等變數採用實測資料獲取參數，該最佳化
策略比一般方法節能1.4%。
2-3研究目的及方法



2-3-1前言
2-3-2研究目的及方法
2-3-3系統架構
2-3-1前言





現有中央空調系統運轉在部分負荷時冷卻水泵、冷卻水塔
與冰水主機之間的協調運轉的做法有如下方法：
1. 將冷卻水泵、冷卻水塔的運轉條件設定在設計的冰水機
冷卻水出水條件下。
2. 將冷卻水泵、冷卻水塔的運轉條件設定在最低的水溫下
(讓冷卻水泵、冷卻水塔風扇全速運轉) ，目的在讓冰水主
機用最省能的方式運轉。
3. 將冷卻水塔的運轉條件設定在和環境濕球溫度維持一定
的溫差下(譬如3°C)。
4. 將冷卻水泵、冷卻水塔的運轉條件設定在維持一定的冰
水主機高低壓力差下。
2-3-2研究目的及方法


針對中央空調系統附屬設備之驅動馬達之變頻控制，研擬
出多機系統之協調節能控制策略以獲得更佳之節能效果，
以及解決空調系統中冰水泵、卻水塔與冰水主機之間節能
運轉存在著顧此失彼因小失大的問題
本研究方法，主要先針對一般變頻馬達固定V/F 變頻控制
加以檢討研究，進一步考慮感應馬達之鐵心損失，研擬出
一非線性V/F 變頻控制，以獲得額外的節能效果。其次再
針對附屬系統之冰水泵、冷水泵及冷却水塔風扇三個次系
統各個驅動馬達量測其耗功與變頻器之輸入頻率之關係。
其基本原理是當變頻之輸入頻率愈高時，馬達轉速愈快，
因此其對應之冰水、冷却水量及風量亦更大，當然其攜熱
或散熱效果更大。
2-3-2研究目的及方法(續)

第三步再利用中央空調系統在額定量之最佳設
定條件，求出冰水機、冷却水入口之最佳溫度 ，
(tc1 )
此時必經事先量測該冰水機之對之
函數Cop 關
tc1
係，同時最佳化是採用非線性規劃法求解其最
佳值。第四步再針對各次系統之各驅動馬達進
一步作最佳化協調控制。其中針對冰水泵及冷
却水泵次系統採用Lagrangian 方法求解最佳協
調控制，而針對冷却水塔風扇各馬達則採用前
tc1
所求最佳溫度設定點 加上濕球溫度補償後，
再利用PID 迴授控制以達節能效果，最後再針
對部分負載情況，採用冰水泵之入口冰水溫度
tz 2
直接調控各變頻器頻率設定，可以避免重複的
最佳化計算過程。
2-3-3系統架構

實驗系統是採用勤益技術學院冷凍空調系
之60噸冰水機組教學系統，其冰水主機壓
縮機驅動馬達容量為60 KW，製冷能力為
169344 Kcal/HR，附屬設備包括5 HP冷
卻水泵浦三台，1.5 HP冷卻水塔風扇三台
及10 HP冰水循環泵一台，系統架構如圖
2.1所示。
2-3-3系統架構(續)
圖 2.1所採用之測試系統架構
2-4中央空調系統節能控制




2-4-1前言
2-4-2空調系統水側溫度變化時對冰水主機效率之影響
2-4-2-1蒸發溫度對主機效率之影響
2-4-2-2 冷凝溫度對主機效率之影響
2-4-3冰水主機性能之電腦模擬分析
2-4-3-1冰水出水溫度變化時對主機效率之影響
2-4-3-2冷卻水進水溫度變化時對主機效率之影響
2-4-3-3負載百分比變化時對主機效率之影響
2-4-4空調系統附屬設備節能控制分析
2-4-4-1冷卻水溫度最佳化控制
2-4-4-2冰水溫度最佳化控制
2-4-4-3中央空調系統部分負荷運轉的節能控制
2-4-1前言


中央空調系統係由驅動流體流動的機械和各種型式的熱交
換器所組合而成，基本上可分為下列五個循環系統，即如
圖3.1所示之(1)室內空氣循環系統(2)冰水循環系統(3)冷媒
循環系統(4)冷卻水循環系統(5)冷卻水塔外氣系統。
圖3.1所示之五個循環系統一環連著一環，環環相扣，其中
熱交換器是進行高、低溫流體能量交換的設備，如圖中之
冰水盤管、蒸發器、冷凝器及冷卻水塔，流體機械則是驅
動流體循環的動力源，如圖中之風扇、冰水泵浦、壓縮機
及冷卻水泵浦等。而上述五個循環系統中，需要使用到馬
達的設備依序分別為風扇(風車)、泵浦、壓縮機，這五個
循環系統若皆以單體而言，主要以冷媒循環系統之設備耗
能最多，為主要設備(Primary Equipment)，如壓縮機是空
調系統中最為耗能之主要設備，而其他四個循環系統之設
備為負責傳送冷/熱的支援性設備，稱為附屬設備(Auxiliary
Equipment)，如泵浦、風扇(風車)等設備。
2-4-1前言(續)
排氣
外氣
冰水
泵浦
風扇
空調
負載
(1)
室內空氣
冰水
盤管
(2)
冰水
冷卻
水泵
壓縮機
蒸發器
(3)
冷媒
冷凝器
(4)
冷卻水
圖 3.1 中央空調系統架構 (1)室內空氣循
環系統(2)冰水循環系統
(3)冷媒循環系統 (4)冷卻水循環系統(5)
冷卻水塔外氣系統
風扇
冷卻
水塔
(5)
室外空氣
外氣
2-4-1前言(續)

隨著經濟的快速發展，各種商業建築普遍設置
了中央空調系統，既設或新建的中央空調系統
數量非常龐大。目前大部分空調循環水泵(冷卻
水及冰水泵) 、冷卻水塔風扇均採用定頻運行方
式，其運轉耗能約占空調系統能耗的40%以上，
大部分電能由於運轉管理不善而白白浪費掉了。
很多己運轉了十幾年既設的中央空調系統，逐
漸要進行系統汰舊換新，將變頻技術應用到這
些大量的早期既設的空調系統中，將顯著降低
泵浦、風扇(風車)的運轉耗能，其節能效果及影
響將是全國性的。
2-4-1前言(續)

眾所周知，空調系統中的冰水主機大部分時間
都在部分負荷條件下運轉，其相應的水泵、風
扇等附屬設備卻在滿負荷運轉，因而造成了能
量的浪費。可見，如果採取適當的措施降低水
泵風扇等設備的運轉耗能，就會降低空調系統
的總體耗能。因此，現在有越來越多的工商業
單位及大樓對其中央空調系統的水泵、風扇等
設備進行變頻控制以達到節能運轉的目的。中
央空調系統的節能潛力大，若加強運轉管理可
節能以及提高水泵風機等附屬設備的運轉效率，
應用變頻調速技術可達到節能10~20%， 經由
隨季節調整運轉方式和增加自動控制系統等措
施還可節能10~20%，綜合節能潛力高達
30%~50% 。
2-4-1前言(續)



提高能源利用率已成為全球經濟持續發展的一個重要課題。
以空調系統而言，如何在滿足空調使用條件的前提下實現
空調系統的最大節能是我們要面對的一大課題，針對空調
系統附屬設備使用變頻調速是實現空調系統節能的重要方
法之一。
隨著高科技產業迅速發展，使得空調系統之耗電量亦同步
地加速攀升，根據台灣夏季用電量的統計資料可得知，空
調系統負荷的用電量約佔總耗能之30﹪～40﹪，其中冰水
主機在空調系統是用電量最大的，因此政府當局非常重視
空調系統之效率，以因應日漸短缺的能源問題。
經濟部依據「能源管理法」中的第14條，於民國九十年九
月十二日公告「空調系統冰水主機能源效率標準」及實施
日期，如表1所示，顯示了國內對於節能與空調系統冰水主
機效率的重視。
2-4-1前言(續)
2-4-2空調系統水側溫度變化時對冰水主機效率之影響

空調系統中，如果冰水機組可以在一定範圍內
變流量運轉，即可獲得相當滿意的節能效果，
因此，在空調系統中如何為水泵、風扇等附屬
設備配置變頻器、如何決定水泵、風扇等附屬
設備的控制等，需要根據該系統空調負荷的變
動範圍、系統設備控制的穩定性和實現的難易
程度等綜合考慮以及對整體空調系統節能特性
的全盤了解，因此變頻節能控制應針對所有驅
動馬達之變頻器控制作一協調，俾獲整體系統
之最佳效率。才能達到既能保證系統正常運轉、
又能節能的目的。
2-4-2-1蒸發溫度對主機效率之影響

在冷凝溫度固定之條件下，蒸發溫度之變
化對於冷凍循環效率所造成的影響，可利
用圖3.2理論循環中兩種不同蒸發溫度下
之性能，探討不同蒸發溫度時對主機效率
之影響。
2-4-2-1蒸發溫度對主機效率之影響(續)
LogP
PC
Pe
Pe'
2
3
4
Te1
4'
Te2
2'
蒸發溫度Te1構成的循環為1-2-3-4
蒸發溫度Te2構成的循環為1’-2’-3-4’
其中Te1＞Te2
1
1'
h
h3
h1 ' h1
h2
h2 '
圖 3.2 不同蒸發溫度之理論冷凍循環
2-4-2-1蒸發溫度對主機效率之影響(續)


由圖3.2中得知蒸發溫度Te1較Te2為高，此外在
兩個循環中均假設膨脹條件為等焓膨脹，因此
h3=h4且h3’=h4’，壓縮方面則假設為理想之絕
熱可逆的壓縮過程。圖3.2中兩個不同蒸發溫度
下的性能之比較可參考表2內理論循環分析結果。
由表2可知，若蒸發溫度由Te2提升至Te1之後，
由於冷媒通過膨脹閥（expansion valve）的閃
蒸量（Flash）減少，因此使得單位質量的冷凍
效果提升，同時壓縮比的降低也使得單位質量
的壓縮功減低。所以蒸發溫度的增加確實能夠
提升系統之性能係數（COP），達到有效的節
能效果。
2-4-2-1蒸發溫度對主機效率之影響(續)
2-4-2-2 冷凝溫度對主機效率之影響


在蒸發溫度固定之條件下，冷凝溫度之變化對
於冷凍循環效率所造成的影響，可以由圖3.3理
論循環中兩種不同冷凝溫度下之性能分析去瞭
解不同冷凝溫度時對主機效率之影響。
圖3.3中的兩個循環均假設膨脹條件為等焓膨脹，
因此h3=h4且h3’=h4’，壓縮過程則假設為理想
之絕熱可逆過程。其中，圖3.3內兩個不同冷凝
溫度下之理論性能比較可見表3中理論循環分析
之結果。
2-4-2-2 冷凝溫度對主機效率之影響(續)
LogP
PC '
TC1
3
PC
2
TC2
3'
2'
冷凝溫度TC1構成的循環為1-2-3-4
冷凝溫度TC2構成的循環為1-2’-3’-4’
其中TC1＞TC2
Pe
4'
h3 '
4
h3
1
h1
h2 '
h2
h
圖 3.3 不同冷凝溫度之理論冷凍循環
2-4-2-2 冷凝溫度對主機效率之影響(續)
2-4-2-2 冷凝溫度對主機效率之影響(續)

由表3可知，當冷凝溫度由TC1降低至
TC2，由於冷媒通過膨脹閥的閃蒸量減少，
因此使得單位質量的冷凍效果能夠提升，
同時壓縮比的降低也使得單位質量之壓縮
功減低。所以冷凝溫度的降低的確可以增
加系統之性能係數，也就是保持較低的冷
凝溫度，對節能的效果較有益。
2-4-3冰水主機性能之電腦模擬分析

模擬的資料方面是採用國立勤益科技大學
冷凍空調與能源系之60噸冰水機組教學系
統，其冰水主機壓縮機驅動馬達容量為60
KW，製冷能力為169344 Kcal/HR，作為
輸入資料。
2-4-3-1冰水出水溫度變化時對主機效率之
影響



圖3.4為冰水主機冰水之出水溫度於不同負載下與耗電量
(kW)的關係圖，由圖中得知，當冰水出水溫度之設定提升
時，耗電量即隨之下降，此外，當負載愈大時，可見其曲
線下降的幅度最大，因此可知，當冰水主機處於高負載百
分比時，若調高其冰水出水溫度之設定，則其所節省的電
能將比低負載時還要有效。
圖3.5為冰水主機之冰水出水溫度於不同負載下與性能係數
(COP)的關係圖，由圖中可知，當冰水出水溫度之設定溫
度增高時，性能係數將隨之提升，亦即效率愈高。
以上之電腦模擬得知當冰水出水溫度之設定溫度增加時，
冰水主機之耗電量(kW)即下降，性能係數(COP)則隨之增
大，此即表示冰水主機於設定較高之冰水出水溫度時，可
獲得較佳的節能效果。
2-4-3-1冰水出水溫度變化時對主機效率之
影響(續)
圖 3.4 冰水主機耗電量與冰水出水溫度之關係
2-4-3-1冰水出水溫度變化時對主機效率之
影響(續)
圖 3.5 冰水主機性能係數與冰水出水溫度之關係
2-4-3-2冷卻水進水溫度變化時對主機效率
之影響

圖3.6為冰水主機之冷卻水入水溫度於不
同負載下與耗電量(kW)的關係圖，由圖中
可得知，若冷卻水入水溫度之設定減低時，
耗電量將隨之下降，此外，當負載愈高其
曲線下降的幅度愈大，得知，當冰水主機
處於高的負載百分比時，若能降低其冷卻
水入水溫度之設定，則其所節省的電量將
比低負載低時來的有效。
2-4-3-2冷卻水進水溫度變化時對主機效率
之影響(續)
圖 3.6 冰水主機耗電量與冷卻水進水溫度之關係
3-4-3-2冷卻水進水溫度變化時對主機效率
之影響(續)


圖3.7為冰水主機之冷卻水入水溫度於不同負載
下與性能係數(COP)之關係圖，圖中得知，當冷
卻水入水溫度之設定溫度增高時，性能係數將
隨之降低，亦即效率愈差。
以上之電腦模擬得知，當冷卻水入水溫度之設
定溫度增加時，冰水主機之耗電量(kW)將會增
大，性能係數(COP)將隨之減小，表示冰水主機
於設定較高之冷卻水入水溫度時，需要耗用更
多的能源才可以達到相同之冷凍效果。
2-4-3-2冷卻水進水溫度變化時對主機效率
之影響(續)
圖 3.7 冰水主機性能係數與冷卻水進水溫度之關係
2-4-3-2冷卻水進水溫度變化時對主機效率
之影響(續)

臺灣地區夏季時屬於高溫高溼之氣候，所
以往往對冷卻水之進水溫度造成不良之影
響，若能夠適時地掌握外氣的溼球溫度，
適當地調整控制冷卻水塔之運轉(台數或
變頻控制)，即能降低冷卻水之進水溫度，
有效地達到提升主機效率以節省能源。
2-4-3-3負載百分比變化時對主機效率之影
響

圖3.8為冰水主機各個負載百分比於不同冰水出
水溫度與耗電量(kW)之關係，圖3.9為不同冷卻
水入水溫度時與耗電量(kW)之關係，由圖中可
知，若負載百分比增高時，耗電量將隨之升高，
其中，當冰水出水溫度設為5℃-7℃或冷卻水入
水溫度設為24℃-30℃，冰水主機耗能量有明顯
增加的趨勢，因此當冰水主機在高負載情形時，
若冰水出水溫度設定愈低或者冷卻水入水溫度
設定愈高時，冰水主機耗能將會大幅增加。
2-4-3-3負載百分比變化時對主機效率之影
響(續)
圖 3.8 冰水主機耗電量與負載百分比之關係－冰水部份
2-4-3-3負載百分比變化時對主機效率之影
響(續)
圖 3.9 冰水主機耗電量與負載百分比之關係－冷卻水部份
2-4-3-3負載百分比變化時對主機效率之影
響(續)

圖3.10、圖3.11為冰水主機各個負載百分
比於不同冰水出水溫度及不同冷卻水入水
溫度時與性能係數(COP)之關係圖，圖中
可知，若負載百分比增高時，性能係數將
隨之升高，表示效率愈佳，除此之外，由
圖中亦可瞭解性能係數的最高值並非發生
於滿載情況，一般性能係數的最高點在負
載百分比為80﹪～90﹪之間。
2-4-3-3負載百分比變化時對主機效率之影
響(續)
圖 3.10 冰水主機性能係數與負載百分比之關係－冰水部份
2-4-3-3負載百分比變化時對主機效率之影
響(續)
圖 3.11 冰水主機性能係數與負載百分比之關係－冷卻水部份
2-4-4空調系統附屬設備節能控制分析



2-4-4-1冷卻水溫度最佳化控制
2-4-4-2冰水溫度最佳化控制
2-4-4-3中央空調系統部分負荷運轉的節
能控制
2-4-4-1冷卻水溫度最佳化控制


本章節針對冷卻水溫度對於冰水主機和冷卻水塔的綜合耗
能的影響實施冷卻水溫度控制、以及冷卻水塔風扇的變頻
調速控制。
對大中型空調系統而言，水冷式冰水機組是採用得最為普
遍的冷源。目前國內的設計標準都把冷卻水供、回水溫度
定義為32℃、37℃的運轉範圍。這是因為我們對冰水機組
性能測定是在冷卻水溫度32℃進入冷凝器，37℃流出冷凝
器的條件下定義的。但冰水機組在實際使用時，有90%以
上的時間運轉在非設計條件(部分負載)下。此時，不但冰
水機組的工作負荷與設計負荷有偏差，而且由於室外天候
條件的變化，冰水機組的工作點也與設計工作點有很大的
不同。在各種不同的空調條件下需要進行冷卻水溫度的最
佳化控制才能使得整體冰水機組的耗能最低。
2-4-4-1冷卻水溫度最佳化控制(續)


對於傳統機械式之冷卻水塔，其風扇轉速越高，冷卻水的
溫度就會越低，此時冷卻水塔的耗電越大；但是對於冰水
主機來說，冷卻水溫度越低，冰水主機的耗電越少。反之，
若冷卻水塔轉速越低，冷卻水的溫度就越高，這樣冷卻水
塔的耗電越少。但對於主機來說，由於進人冷凝器的水溫
升高，相應的主機耗電會增加。這裏顯然存在一個最佳化
控制的問題。
實際上，冰水主機和冷卻水塔的整體最低耗能並非確定在
某一個固定的冷卻水溫度上，它會隨著室外濕球溫度、冰
水主機的負荷的變化而變化。因此，若能在冷卻水系統的
運轉過程中，及時計算出該時刻的冷卻水最佳化溫度，將
之提供給冰水主機的冷凝器，則將減少冰水主機與冷卻水
塔的整體耗能。
2-4-4-1冷卻水溫度最佳化控制(續)


冷卻水溫的調節有許多方法，有冷卻水系統的
旁通泵變頻控制，也有冷卻水塔風扇的兩段風
速控制，還有冷卻水塔風扇的無段變頻控制。
本計畫則採用多部冷卻水塔並聯，對風扇採變
頻調速控制，多部冷卻水塔並聯且以較低轉速
運轉是冷卻水塔本身節能所在。
空調系統部分負荷運轉時，冷卻水系統的節能
調節普遍被忽視。本計畫根據實地測試和計算
分析，提出空調系統部分負荷時，冷卻水系統
的節能調節原則。可指導既存空調系統的節能
調節和新設空調裝置的最佳化設計。
2-4-4-1冷卻水溫度最佳化控制(續)


影響空調系統冰水主機性能的一個主要因素是
冷凝溫度。對於採用水冷式冷凝器的空調系統
冰水主機，冷卻水系統的調節直接影響到冷凝
溫度。當蒸發溫度不變，冷凝溫度升高時，冷
媒循環的壓縮比增大，效率降低，壓縮機的耗
功增加。
在部分負荷時，由於製冷量小，冷凝熱負荷也
小。因此，部分負荷時水泵和冷卻水塔就不需
全量投入運轉。另一方面，如果投入量不足，
冷凝條件惡化，冷凝溫度(壓力)上升。在壓縮式
冷媒循環中，蒸發溫度不變而冷凝溫度上升時，
壓縮機的耗功增大，冰水主機的性能下降。
2-4-4-1冷卻水溫度最佳化控制(續)

冷卻水塔雖然是中央空調系統中的附屬設備，
但它卻擔負著散發整個系統所吸收的總熱量的
重要任務。因此，對冷卻水塔的操作正確與否，
直接關係到整個空調系統的製冷效果和節能。
冷卻水塔出水溫度 ℃ ，ts為濕球溫度，由冷卻
水塔出水溫度15℃為條件可以推出，室外濕球
溫度 ts 必須小於11-12℃ 在自控系統中，現行
的溫濕度感測器測量到的參數為室外乾球溫度
和室外空氣相對濕度，而判斷冷卻水塔投入運
轉量之多寡則是利用室外濕球溫度的大小來衡
量的，因此必須從測量到的室外乾球溫度 ts 和
室外空氣相對濕度去求出室外濕球溫度，這個
求解過程可由空調原理來計算。
2-4-4-2冰水溫度最佳化控制

中央空調冰水機組在標準條件下係按所規定的
冰水回水溫度為12℃，供水溫度7℃溫差為5℃
的條件下運轉的，對於同一台冰水機組來說，
若運轉條件不變，外界負荷固定的情況下，冰
水機組的製冷量是一定的。此時，通過蒸發器
的冰水流量與供、回水溫差成反比關係，即冰
水流量越大，溫差越小；反之，流量越小，溫
差越大。所以，冰水機組規定冰水供回水溫差
5℃這實際上是規定了機組的冰水流量。這種冰
水流量的控制實際上為控制冰水通過蒸發器的
壓力降。
2-4-4-2冰水溫度最佳化控制(續)

當冰水出水溫度之設定溫度增加時，冰水主機
之耗電量(kW)即可下降，性能係數(COP)則將
隨之增大，表示冰水主機於設定較高之冰水出
水溫度時，將可獲得較佳的節能效果。但由於
實際應用時，某些應用場合空調之要求條件較
為嚴格，不允許隨意提升冰水出水溫度，因此
若能在空調系統初期規劃設計時，將高冰水溫
度系統與低冰水溫度需求之系統分別獨立設計，
以不同之冰水主機供給不同冰水水溫必能大幅
地減少運轉成本及能源。
2-4-4-3中央空調系統部分負荷運轉的節
能控制

我國的工商業、大樓等一定規模的中央空調系統中，廣泛
採用水冷式空調系統，水冷式空調系統配備水冷式冷凝器，
冷卻水系統通常按滿負荷配備設備。但是，在實際運轉中，
部分負荷運行的時間占很大比例。在空調系統的設計中，
顯然，按滿負荷配置的冷卻水系統，在部分負荷時存在著
最佳調節問題。在部分負荷時，由於製冷量小，冷凝熱負
荷也小。因此，冷卻水系統的水泵、冷卻水塔就不需全量
投入運轉。但是，如果投入量不足，無疑將使冷凝條件惡
化，造成冷凝溫度上升，相應的冷凝壓力上升。在壓縮式
冷媒循環中，蒸發溫度不變而冷凝壓力(溫度)上升時，壓
縮機的功耗增大，循環性能下降。但水系統的能耗減少。
因此，在一定條件下，減少冷卻水流量可以使總能耗減少，
獲得節能效果。
2-4-4-3中央空調系統部分負荷運轉的節
能控制(續)

如前所述，空調系統大部分時間運轉在部
分負荷狀態下，定頻運轉的水泵、風扇處
於超揚程、超流量的運轉狀態，採用變頻
方法控制水泵、風扇的運轉，可以解決超
揚程、超流量的不利運轉條件，同時通過
適當的水泵、風扇頻率控制策略，可以使
水泵、風扇運轉在高效率區域，並能很好
適應系統流量及揚程需求，達到理想的節
能效果。
2-5空調系統附屬多機系統之節能協調控制



2-5-1中央空調系統多機系統之節能協調
控制
2-5-2中央空調系統節能協調控制策略
2-5-3多機協調節能控制策略
2-5-1中央空調系統多機系統之節能協調
控制

中央空調系統水路屬閉迴路循環系統，其冷卻
水和冰水泵之揚程完全用於克服管路系統流動
水力損失，水泵流量大揚程低，為使整體空調
系統有效節能、讓冷卻水和冰水泵運轉於高效
率，宜採用多台水泵並聯變頻流量調節方式，
有別於自來水恒壓供水之開迴路系統其水泵揚
程大部分用於克服管路系統位壓，其水泵流量
小揚程高，宜採用單台水泵變頻運轉方式。多
機系統之變頻節能協調控制技術可實現中央空
調系統的最佳能量匹配，使得整體耗能大幅降
低。
2-5-1中央空調系統多機系統之節能協調
控制(續)


於多機系統變頻節能協調控制，首先需要實際量測各附屬
設備單機機組之耗能特性，用以建立數學模型，其次將協
調控制之問題轉化成為一求解節能最佳化之數學問題，將
每一單機機組之耗能特性以多項式來表示，最後用類似電
力系統多部發電機並聯供應電能之方式，去實現各機組最
經濟的運轉。
由實際量測之每一單機機組(冰水泵馬達、冷却水泵馬達及
冷却水塔風扇馬達)之耗功對頻率特性曲線 Pzk ( f zk ) 、Pcj ( fcj )
及 Pai ( fai ) ，再用Lagrangian multiplier 方法求出使各次系統
馬達總耗能最低時各驅動馬達之操作頻率，提供各部機組
(冰水泵馬達、冷却水泵馬達及冷却水塔風扇馬達)之輸出。
2-5-1中央空調系統多機系統之節能協調
控制(續)

各附屬設備單機機組之耗能特性之成本函數以三階多
項式表示如下：
Fi Pi   ai Pi 3  bi Pi 2  ci Pi  di
dFi
 i  fi Pi 
dPi




其中
：第部機組輸出
Fi Pi ：第部機組之耗能
 i ：第部機組之增量成本
ai , bi , ci , d i ：第部機組成本函數係數
Pi
(5.1)
(5.2)
2-5-1中央空調系統多機系統之節能協調
控制(續)
圖 5.1 (a)增量成本曲線(b)增量成本反轉曲線
2-5-1中央空調系統多機系統之節能協調
控制(續)

各附屬設備單機機組所需輸出擔負之負荷，亦即各單
機機組之輸出如式 (5.3)所示[25]：
Pi  f i
1
n
i     i 1i k
(5.3)
k 0


欲得到最佳之輸出擔負，依協調法則各單機機組之增
量成本應使其相等；
即   1  2      n
則在負荷需求與各單機機組輸出總合供需平衡時，可
表示如下：
 N
 k
k

Pi   
  i   .LD
 i 1

i 1
k 1 
n
PTOTAL

n

(5.4)
2-5-1中央空調系統多機系統之節能協調
控制(續)

因此，給定增量成本λ值則各機組總輸出
可計算如下：
PTOTAL  r0  r1      r j  j      rn n  LD

其中n
rj 

k 1


k j
(5.5)
(5.6)
：第部機組第階多項式反增量成本
函數之係數
LD
：整個負荷需求
 k J 
以上敘述將之整理成簡易流程並考慮機組額定
之上下限制( Pmax , Pmin )繪成如下所示：
圖 5.2 多機系統之協調控制流程圖
2-5-1中央空調系統多機系統之節能協調
控制(續)

多機系統變頻節能協調控制係採用最佳化
的技巧，依照每一機組性能之不同去分擔
不同比例之負載，所以就整體系統而言變
頻協調控制較為省能。
2-5-2中央空調系統節能協調控制策略



中央空調系統整體節能協調控制策略以四
步驟說明如下：
Step 1： 在額定負載情況下求最佳冷却
水溫度
最佳化節能之目標為讓整體之耗能(冷卻
水泵、壓縮機、冰水泵之耗能) 達到最小；

J 1.163z (t z 2  t z1 )(1 
1
)  1.163c (tc 2  tc1 )
Cop(tc1 )
(5.7)
2-5-2中央空調系統節能協調控制策略
(續)




其中
3
c ：冷却水流量額定值（m HR）
z ：冰水流量額定值（ m HR）
cop：壓縮機性能指標
3
Cop(tc1 )  a tc31  b tc21  c tc1  d

(5.8)
tc1, min  tc1  tc1, max
(5.9)
t  tz 2  tz1  5o c
(5.10)
將最小化minimize J (tc1) 可在額定負載情況下求得最佳
冷却水溫度。
2-5-2中央空調系統節能協調控制策略
(續)



Step2A：冷却水次系統之變頻協調控制
已知條件：冷却水總流量 c。
由 Pck 與 ck之關係
Pck 

Hck
6120 ck
(5.11)
其中
 Pck ：冷却水泵軸功率(kw)



H ：揚程(m)
ck ：冷却水流量 (m
ck ：冷却水泵效率
3
)
HR
2-5-2中央空調系統節能協調控制策略
(續)

在限制條件
 min  ck  ckmax， fckmin  fck  fckmax
ck  k fck



(5.12)
ck
(5.13)
n
之下將冷却水泵總耗能 J   Pck (ck )最小化；
k 1
其中 Pck (ck )  a3k ck3  a2k ck2  a1k ck  aok
(5.14)
k  1 , 2 , 3............n
n

k 1

可得

*
ck
ck
 c
之最佳解；從而求得
(5.15)
f
*
ck
之最佳解（
ck*
f 
k ）
*
ck
2-5-2中央空調系統節能協調控制策略
(續)




Step2A：冷却水次系統之變頻協調控制
已知條件：冷却水總流量 z 。
由 Pzk 與  zk之關係
其中
Hzk
Pzk 
(5.16)
6120  zk

Pzk ：冰水泵軸功率(kw)

H ：揚程(m)

 zk ：冰水流量

 zk ：水泵效率
(m
3
)
HR
2-5-2中央空調系統節能協調控制策略
(續)

min
max
min
max
在限制條件： zk  zk  zk ， f zk  f zk  f zk
zk  k f zk
(5.17)
(5.18)
m

之下將冰水泵總耗能  Pzk (zk ) 最小化

其中 Pzk (zk )  b3k zk3  b2k zk2  b1k zk  bok
k 1
(5.19)
k  1 , 2 , 3............m
zk  z
n
(5.20)
k 1

可求得 f 之最佳解；從而求得 
*
zk
*
zk
zk*
之最佳解（ f   ）
k
*
zk
2-5-2中央空調系統節能協調控制策略
(續)





Step2C： 冷却水塔次系統之變頻協調控制
(a). 各冷却水塔水流量利用球閥手動調整開度，完成
各水塔水流量之協調。
(b). 利用環境濕球溫度校正為最佳設定值，如圖5.9所
示。
*
t
調控多水塔之冷却水溫度均等於 a。
限制條件：
takmin  tak  takmax
(5.21)
f akmin  f ak  f akmax
(5.22)
2-5-2中央空調系統節能協調控制策略
(續)



Step3： 部分負載之協調控制
定義PLR( Partial load ratio)：

t z 2  t zmax
Partial load ratio  PLR  t max  t 2min
z2

(5.23)
z1
0  PLR  1
(5.24)
cP  PLR  c
(5.25)
zP  PLR  z
(5.26)
令   P
c
c
(5.27)
z  zP
(5.28)
Go to step 2 冷却系統之協調控制。
以上敘述將之整理成簡易流程並考慮各參數之上
下限制繪成如圖5.4所示。
圖 5.3 部分負載之協調控制曲線
2-5-3多機協調節能控制策略




2-5-3-1 協調控制事先必須先量測或準備之資
料
2-5-3-2多機協調節能控制策略
2-5-3-3熱平衡方程式及目標函數
2-5-3-4評估分析
2-5-3-1 協調控制事先必須先量測或準備之
資料


協調控制事先必須先量測或準備之資料為：
如下張圖
開始
Step 1
求最佳冷却水溫度

J 1.163 z (t z 2  t z1 )(1 
1
)  1.163c (tc 2  tc1 )
Cop(tc1 )
minimize J (t c1 )
Step 2
A
冷却水次系統之變頻
協調控制

minimize J 
 Pck (ck )
n
冰水次系統之變頻協
調控制
m
P
minimize
k 1
k 1

k 1
ck
解（
f ck*
*
 ck
k

 c
*
取得 ck
之最佳解；
*
從而求得 f ck
zk
( zk )
n
n
之最佳
）
C
B
k 1
zk
 z
*
取得  zk
之最佳解；
*
從而求得 f zk 之最佳
解（
f zk* 
*
 zk
k
）
冷却水塔次系統之變
頻協調控制
(a). 各冷却水塔水流量利
用球閥手動調整開度
，完成各水塔水流量
之協調。
(b). 利用環境濕球溫度校
正為最佳設定值，調
控多部水塔之冷却水
溫度均等於 t a*
Step 3
部分負載之協調控制
定義Partial load ratio

 PLR 
t z 2  t zm2ax
t zm2ax  t zm1in
cP  PLR  c
 zP  PLR   z
令
c  cP
 z   zP
Go to Step 2
圖 5.4 中央空調系統整體節能協調控制策略
。
2-5-3-1 協調控制事先必須先量測或準備之
資料(續)





a. 決定冰水機冰水入口及出口之溫差( t z 2  t z1)及
冷却水出口及入口之溫差 ( tc 2  tc1 )。
b. 求取該空調系統在額定負載下之最佳冷卻水
流量及冰水流量( c 及 z )。
c. 量測冰水機之性能指標 Cop(tc1 )特性。
d. 求取額定負載時最佳冷却水入水溫度 tc1。
e. 量測冰水泵及冷却水泵二次系統各驅動馬達
耗功率與頻率之特性，Pzk' ( f zk )、 Pcj' ( fcj ) 參考圖5.5、
5.6及5.7。
2-5-3-2多機協調節能控制策略(續)




本計畫之多機協調節能控制策略為：
第一步：擷取冰水機回水溫度 t z 2
t z 2  t zmin
計算 PLR  max 1min ( PLR：partial load ratio )
t z1  t z1
第二步： 計算 cP  PLR  c
zP  PLR  z


(5.29)
(5.30)
(5.31)
第三步： 令 c  cP
(5.32)
z  zP
(5.33)
利用lagrangian方法求取各變頻器最佳運轉頻率
f zk*
fcj*
k  1 , 2 , 3............n
j  1 , 2 , 3............,m
2-5-3-2多機協調節能控制策略(續)

第四步：擷取環境濕球溫度進行冷却水入
水溫度 tc1 溫度命令之補償(參考圖5.10)，
由PID迴授控制，決定各風扇馬達之變頻
器頻率
f ai
i  1 , 2 , 3............, p
2-5-3-3熱平衡方程式及目標函數

空調系統附屬設備中冷卻水泵、冰水泵之設計須能滿
足排除空調負荷之熱能及壓縮機所耗機械能之總和，
如式(5.34)[26]。
1.163Wc (tc 2  tc1)  1.163Wz (tz 2  tz1)  3 V I COS

最佳化節能之目標為讓整體之耗能(冷卻水泵、壓縮機、
J
冰水泵之耗能) 達到最小，即將 最小化：
J  1.163Wc (tc 2  tc1)  1.163Wz (tz 2  tz1)(1  1/ cop(tc1))

(5.34)
(5.35)
式(5.34)為熱平衡方程式，式(5.35)為目標函數。根據
式(5.34)熱平衡方程式可決定額定負荷時之冰水流量及
冷卻水流量( c 及 z )。如根據式(5.35)目標函數用非線
性規劃可求出冷卻水溫度 tc1 最佳值。
2-5-3-4評估分析



以2005年1月至12月 ㄧ整年實驗評估分析空調使用情況；平均每
天使用8小時，一年使用了8個月，共計1920小時。經評估：
1. 冷却水泵浦驅動馬達(3 220V 5HP)之耗電量為：(詳見表四及表五)
a. 三部冷却水泵若全以定頻全速運轉，其總耗電能為：
PA  18768.91 KWH

b.三部冷却水泵平均分配負荷變頻運轉，其總耗電能為：
PB  10409.93 KWH

c.以本計劃三部冷却水泵之變頻協調控制策略運轉，其總耗電能
為： PC  9630.04 KWH

圖5.11 為變頻協調與變頻無協調控制二方案，以定頻運轉
為參考之節能率比較。
2-5-3-4評估分析


2. 冰水泵浦驅動馬達(3 220V 10HP)其ㄧ整年定頻運轉
與部分負荷節能變頻運轉策略比較如下：
a. 定頻運轉時：
PA  14023.47 KWH

b. 變頻運轉時：
PB  7796.40 KWH

節能率 = (PA-PB)/PA
= 44.4 %
圖 5.5 冰水泵驅動馬達耗功率(Pz)與頻率(fz)之特性
(a)
(b)
(c)
圖 5.6 冷卻水塔風扇耗功率與頻率之特性 (a) pa1 ; (b) pa2 ; (c) pa3
(a)
(b)
(c)
圖 5.7 冷卻水泵耗功率與頻率之特性 (a) pa1 ; (b) pa2 ; (c) pa3
圖 5.8 量測冰水及冷却水泵各驅動馬達消耗功率與頻率 PCJ ( fCJ )
Pzk ( f zk )
之特性
圖 5.9 擷取冰水主機冰水及冷却水出入口之溫度
及量測冰水機之性能指標COP(tc1)特性
ta*
tc*1
+
-
濕
球
溫
度
感
測
+
+
+
-
PI
fak1
f ak 2
+
+
-
-
PI
PI
f ak 3
fakN
圖 5.10 環境濕球溫度校正為最佳設定值控制冷却水塔風扇之運轉
PA 為定頻時的耗電量，PB 為變頻無協調時的耗電量，PC 為變頻協調時的耗電量
圖 5.11 節能率vs負載率曲線
2-6結論


當空調系統部分負荷時能以低轉速運轉是冷卻
水塔本身節能所在，但以整體效率考量除了冷
卻水塔本身節能之外冰水主機之cop值應同時兼
顧，本計畫技術重點係將冷卻水溫度利用環境
濕球溫度校正為最佳值設定，提供冷卻水塔的
運轉，有別於傳統方法將冷卻水塔的運轉條件
設定在和環境濕球溫度維持一定的溫差下。可
以解決空調散熱系統中冷卻水塔與冰水主機之
間節能運轉存在著顧此失彼因小失大的問題。
利用lagrangian方法推演之次系統最佳的冷卻水
泵變頻協調控制方案，使多部冷卻水泵依其省
能特性各分擔不同之負荷，可較傳統變頻控制
方案額外獲得較佳節能效果。
3.變頻螺旋式冰水機組控制方案
摘要
 以約克公司最新的機組為例，介紹變頻式
冰水機組基於微處理器的自動控制方案及
流程。
 關鍵詞 基於微處理器的控制 冰水機組
3-1引言


隨著單機控制技術的不斷普及和提高，目前大
部分空調和製冷設備都配有基本微處理器的控
制器，做為空調冰水站核心的冰水機組更是需
要用微處理器來自動控制啟動/停止、調節容量、
顯示運轉參數和警報、提供歷史紀錄等，以保
證機組安全、節能及高效率運轉。
了解冰水機組控制器的控制方案和流程對機組
的正確操作、故障檢修、空調冷水站的自控設
計等有有非常重要的作用。
3-2控制方案

冰水機組控制器的主要任務是：根據冷卻
水出口溫度與設定值的偏差以及該溫度的
變化率，控制各壓縮機的啟動、停止和加
載、卸載，進而將冰水溫度控制在設定的
範圍內，並保證冰水機組的安全運轉和延
長機組壽命。下面以最新的約克
MillenniumTM YCAS-F變頻式冰水機組為
例，對其控制方案中的要點做介紹
3-2控制方案(續)
A.啟動條件
 首先將機組啟/停（ON/OFF）開關置
於”ON”的位置，當冰水機的電源接通
後在自動控制模式下，運轉時間表將決
定機組跟水泵的啟/停。手動控制模式一
般用於檢修場合，冰水機機組系統啟動
的其他條件還包括所有的安全元件都得
到滿足以及防再啟動定時器和反重合啟
動定時器的時間已經超過。
3-2控制方案(續)

當驅動電動機啟動時，受啟動電流的影響，
驅動電動機內會產生熱量。在再次啟動之
前，這些熱量要散走，否則驅動電動機會
受到損壞，因此在再次啟動之前應有足夠
的時間來進行冷卻，該時間間隔則由防再
啟動定時器予以確實認定，一般取600秒。
反重合啟動定時器可以防止兩台壓縮機同
時啟動，以免啟動電流過大。一般取60秒
延時。
3-2控制方案(續)
B.抽真空（LLSV）控制
 在啟動和停機時，每台壓縮機都要經過一段抽
真空階段，這樣可以確保液態冷媒不會在啟動
時進入壓縮機。再啟動時，液管電磁閥未激磁
時，控制器讓壓縮機卸載，並讓系統或者抽真
空至低氣壓力切斷值，或者抽真空15秒（取先
達到者）。然後，液管電磁閥激磁，並開始正
常的運轉。
 在停機時，微處理器控制壓縮機卸載，切斷液
管電磁閥和節能器/電機冷卻供液電磁閥。壓縮
機繼續運轉，要不抽真空至低吸氣壓力切斷值，
要不抽真空180秒，取先達到者。當出現故障
緊急停機時，則無抽真空過程。
3-2控制方案(續)
C.超前/滯後壓縮機的選擇

當採用自動超前/滯後時，微處理器試圖平衡
各壓縮機的運轉時間。下面以4回路機組為例：
如果4台壓縮機都可以啟動（防再啟動定時器
時間已過），且他們的運轉時間均相等的話，
微處理器自動將系統1默讓為超前、系統2為第
一滯後、系統3為第二滯後、系統4為第三滯後。
否則，運轉時間最短的壓縮機將首先啟動，如
果超前壓縮機被鎖定，第一滯後壓縮機將接替
為超前，依此類推。
3-2控制方案(續)
D.冷卻水溫度控制

跟傳統控制方法不同的是，微處理機通過改變
滑閥電磁閥的電流進而控制滑閥的油流量來實
現對單台壓縮機加載和卸載，因此，這種容量
調節可以實現無級調節。模糊邏輯根據溫度誤
差（與設定值的偏差）和變化速度求出所需的
加載/卸載量，進而將冷卻水溫度控制在設定
的範圍內。冷卻水溫度設定值及偏差範圍如圖
1所示。例如：如果所需的溫度設定值為7℃，
且範圍為±1℃，那麼微處理器將試圖把冷卻水
出口溫度控制在6℃至8℃。
3-2控制方案(續)

加載時，滑閥電磁閥將油壓加在滑閥上，以增
加容量。卸載時，內部彈簧將滑閥推向相反的
方向，以降低容量。微處理器把每台壓縮機以”
最小容量”到”最大容量”的滑閥移動定義為
0~75級，這樣的劃分足以保證滑閥作連續移動，
實現無級調節。其中0級對應於完全卸載、75級
為完全加載。滑閥每次移動量在1~10級大小範
圍內變化，這由模糊邏輯來決定。當知道了誤
差及速度後，微處理器根據表1來確定是否需要
加載、卸載或保持容量不變。
3-2控制方案(續)
圖1 設定值和偏差範圍示意
3-2控制方案(續)
表1 加載、卸載及保持判斷表
（與設定值的偏差）
誤差
速度
冷卻水溫度變
化速度
負
零
正
負
卸載
卸載
保持
零
卸載
保持
加載
正
保持
加載
加載
3-2控制方案(續)

再接近系統的安全閥值時，會進行加載限制。
如果微處理器預計系統會超過安全閥值，它就
會限制一個系統的加載或卸載量。當某一系統
需要加載並正在接近閥值時，微處理器可以將
平常一台壓縮機的加載級數分攤到幾台壓縮機
上，對它們進行加載。例如：如果系統1正在接
近其電機電流卸載點，並且即將加載，那麼，
微處理器可以將10級的加載訊號分攤到系統1和
2上。它可以給系統1加”2”級、給系統2加”8”
級。在這種情況下，這兩套系統的加載量明顯
不相等。
3-2控制方案(續)
E.壓縮機啟動和加載順序
 加載總是以滑閥級數最低的壓縮機開始，
以便將冷負荷分攤給各個壓縮機，儘可
能地減少壓縮機的啟停次數。每隔10秒，
微處理器將根據誤差和冷卻水溫度的變
化速度以1到10增加滑閥的級數。在無
壓縮機運轉時，在滿足所有的啟動條件
下，超前壓縮機將啟動：
3-2控制方案(續)



向壓縮機滑閥控制電磁閥發送一滿載電流信號，
使內部彈簧將滑閥推到最少加載的位置，以確
保壓縮機在完全卸載的狀態下啟動。
在運轉的前15秒，或抽真空到切斷值為止，液
管電磁閥將保持閉合。
在前15秒運轉之後，微處理機將開始對超前壓
縮機加載，以便使冷卻水溫度降到設定值。
3-2控制方案(續)
再運轉了五分鐘之後，滑閥位置將完全加載至”75%”級，如
果未能降至溫度設定值：
 微處理機將啟動第一滯後壓縮機。
 超前壓縮機將減少容量至”40”級，並保持該容量。
 然後對第一滯後壓縮機加載，直到它也達到”40”的滑閥級
數。
 至此，交替地對壓縮機進行加載，直到冷卻水溫度得到滿
足為止。
 如果兩台壓縮機不能在10分鐘之內滿足負荷的要求：
 微處理器將保持超前壓縮機完全加載，滑閥在”75”級，讓
第一滯後壓縮機在”40”級，並啟動第二滯後壓縮機。
 第二滯後壓縮機將加載，直到它達到”40”級為止。
3-2控制方案(續)





至此，交替地對壓縮機進行加載，直到冷卻水
溫度得到滿足為止。
如果三台壓縮機不能在15分鐘之內滿足負荷的
要求：
第三滯後壓縮機將啟動。
在啟動第三滯後壓縮機之前，超前和第一滯後
壓縮機將維持在滿負荷，並且第二滯後壓縮機
卸載至”40”級的滑閥位置。
如果負荷持續上升，第二和第三滯後壓縮將交
替加載，直到冷卻水出口溫度得到滿足為止。
3-2控制方案(續)
F.壓縮機卸載和停機順序

當發出卸載脈衝時，控制電磁閥上的卸載口打
開，卸下滑閥上的油壓。這使得彈簧壓力推動
滑閥，以降低容量。垂處理機將每隔5秒根據
冷卻水溫度的誤差和變化速度以1到10減少滑
閥的級數。卸載的順序和加載的相反：當負荷
下降時，微處理機將讓滑閥級數最高的壓縮機
卸載，直到所有壓縮機都達到恆定負荷
（如”40”級，該負荷可調）為止。對於有4台
壓縮機運轉的情況，當負荷下降時，超前和第
一、第二滯後壓縮機維持在恆定負荷，只有第
三滯後壓縮機繼續卸載。
3-2控制方案(續)

如果第三滯後壓縮機因負荷降低和需求持
續下降而停機，那麼，第二壓縮機將開始
卸載，如果必要的話還將停機。對於有3
台壓縮機運轉的情況，當負荷下降時，超
前和第一滯後壓縮機維持在恆定負荷，只
有第二滯後壓縮機繼續卸載。如果第二滯
後壓縮機因負荷降低和需求持續下降而停
機，那麼，第一壓縮機將開始卸載，如果
必要的話還將停機。依此類推…
3-2控制方案(續)

如果需求持續下降，並且超前壓縮機是唯
一正在運轉的話，它將繼續卸載並在冷卻
水出口溫度低於控制範圍的下限時停機。
將機組啟/停（ON/OFF）置於”OFF”的
位置，關閉冰水機。
3-2控制方案(續)
G.安全保護功能

一旦流量開關和（或）外部啟停觸點斷開，冰水機將停
止運轉。軟體中沒有預先控制功能，以防在系統工作情
況接近安全閥值時出現緊急停機，避免因安全控制器鎖
定而造成的能量損失。預先控制器監控每台壓縮機的排
氣壓力、電流和吸氣溫度，在快要接近最大極限時，減
少相應壓縮機滑閥的加載量，以避免超出極限。機組故
障停機的原因有：環境溫度過低/過高、冷卻水出口溫度
過低、110Vac欠電壓、流量開關斷開。系統故障停機的
原因有：排氣壓力/排氣溫度過高、油壓差過高/過低、油
溫過高、吸器壓力過低、壓縮機電機電流過高/過低、電
機保護組件（防止繞組過熱）、機械式高壓繼電器斷開、
蒸發溫度過低。他們的缺省設定值如表2所示。
3-2控制方案(續)
可編程值
缺省值
延時
排氣壓力切斷
27.52bar
5秒
低環境溫度切斷
-3.9℃
高環境溫度切斷
54.4℃
排氣壓力卸載
25.86bar
高電機電流卸載
100％
冷卻水出口溫度切斷
2.2℃
吸氣壓力切斷
3.03bar
表2 可編程值的缺省值
60秒
45秒
3-2控制流程圖

約克MillenniumTM YCAS-F變頻式冰水機組的
控制流程圖如圖所示，它主要說明了各系統的
啟/停和加載/卸載控制，其中i可以取1~4分別表
示一台機組的超前、第一、第二和第三滯後壓
縮機。當i取1時，i-1等於零，這是個例外情況
（該壓縮機不存在），因此次只需每10秒對i加
載即可。程序根據溫度感測器測得的數據算出
誤差和變化速度，然後根據表1定出是否需要加
載、卸載或保持。該控制方案可以最大限度地
平衡各壓縮機的運轉時間，減少壓縮機的啟動
次數和磨損，實現容量的無級調節和冷卻水出
口溫度的精確控制。
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A
1.說明中央空調系統變頻節能控制之範圍
ANS
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A(續)
2.繪出回授控制標準方塊圖
ANS
回授控制是指將設定值與系統的輸出值做比較，得出偏
差量，利用此偏差量去調控製程的輸出，使達到與設定
值一致。
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A(續)
3.試以一控制機構用回授控制標準方塊圖予以區分
ANS
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A(續)
4.舉例說明變頻節能控制之工業應用
ANS
A、緣由：
 空調機組以風量為60000m3/ h， ,電機功率為
55kw/ h，滿載運行電流為110A ，每天24 小時
運轉但生產方式為8 小時白班生產，其餘16 小
時不生產,為了維持無塵室無塵狀態，在16 小時
不生產期間無塵室仍要以輸送無塵空氣的方式
來維持無塵室的正壓，以防止污染空氣進入無
塵室。考慮到這16 小時不生產期間並沒有污染
源，所以需要少量的空氣即可達到要求。
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A(續)
B、變頻節能控制方案：
 為了在非生產時間內通過降低無塵空氣流量和
壓力達到節能目的,選用了變頻技術有效解決這
個問題。以風量為60000m3/ h ,電機功率為
55kw 的空調機組為例，在55kw 電機控制採用
雙向回路安裝一台55kw 變頻器，即在8 小時生
產過程中運用第一回路,電機滿載時頻率為50Hz，
8 小時以外非生產時間切換到第二回路(第二回
路串接變頻器) ,經過調試得出在18. 5Hz 時空氣
量及壓力均達到生產要求。此時55kw 電動機的
運行電流為10A ，相當於生產期5kw 電動機的
電力消耗。
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A(續)
5.說明螺旋式冰水主機變頻驅動之省能功效
ANS
 採用變頻驅動能使螺旋式冰水主機內、外壓比始終保持平
衡，進而消除了因內、外壓比不平衡造成的附加功耗; 根
據負荷變化同步調節電機轉速、滑閥開度、滑塊位置以及
節流閥開度,使滑閥位置、壓縮機轉速、內容積比以及蒸發
器供液量始終保持最佳匹配,從而保證機組始終在最佳狀況
下運行。在機組負荷較低(低於60 %) 時，滑閥有效長度不
會變得很短，如此又避免了採用滑閥調節時在低負荷情況
下效率的陡降,同時,由於對供液量的自動調節，使進入蒸
發器的冷媒流量能保持最佳值，避免了因蒸發器供液不足
而造成的蒸發效率降低，所以,採用變頻驅動裝置在低負荷
時的節能效果明顯。
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A(續)
6.說明螺旋式冰水主機變頻驅動之工作原理
ANS
 裝有變頻驅動裝置VSD ( variable2speed device)
的螺旋式冰水主機根據負荷變化同步調節電機
轉速、滑閥開度、滑塊位置以及節流閥開度，
使滑閥位置、壓縮機轉速、內容積比以及蒸發
器供液量始終保持最佳匹配，從而保證機組始
終在最佳狀況下運行。
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A(續)
7.說明變頻控制可以節能的理論依據
ANS
 (1) 水流量與水泵電機速率成正比Q ∝ n
 (2) 電機的軸功率與水泵電機轉速的三次方成正
比P ∝ n 3
 (3) 電機轉速和電源頻率成正比n ∝ f
 (4) 水泵揚程與水流量的平方成正比h ∝ Q 2
 (5) 管道阻力與流速的三次方成正比Z ∝ v 3
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A(續)
8.以下圖說明節能運轉原理
ANS
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A(續)

控制器經由溫度感測器採集冰水、冷卻水
的進、出口溫度信號作為參考信號,經過
分析、處理，確定空調負荷狀況，根據負
荷狀況控制循環水泵的水流量，以達節能
運轉的目的，負荷增加時，提高電機運轉
頻率,加大水泵的轉速,增大流量;反之，負
荷降低時，降低頻率，減小水泵轉速，減
小流量。
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A(續)
9.試以莫里爾線圖說明，調高冰水出水溫度能提高冰水主機效
率並減少耗能，並說明如何調高冰水出水溫度。
ANS
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A(續)
10.試以莫里爾線圖說明，調降冷卻水溫度能提高
冰水主機效率並減少耗能，並說明如何調降冷
卻水溫度。
ANS
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A(續)
11.冷凍空調系統以變頻器控制流量為何可以大幅省能？
ANS
 空調箱風車、冰水機之循環泵浦和冷卻水塔風扇之效率已
知則輸入功率可以表示如下：
PK QK
PLK 

K
PLK事實上即為感應馬達轉軸所提供之功率，以泵浦為例
流量與馬達轉速成正比，而揚程與軸功率均分別與轉速之
平方及立方成正比 。由於空調箱風車、冰水機之循環泵浦
和冷卻水塔風扇之負載轉矩係隨轉速平方成比例變化，因
此針對此類型負載若引進變頻調速控制，可獲得甚佳的節
能效果；因此當空調負載減少時，可調控上述設備之驅動
馬達以較低轉速運轉，能大幅降低馬達電力需求。下圖為
採變頻調速控制與定頻控制省能之例。
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A(續)
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A(續)
12.說明Pump’S Law or Fan’S Law。
ANS
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A(續)
13.中央空調變頻系統具有的優勢為何？
ANS

(1) 節約能源，節約資金。可以採用先進的控制策略，控制參數合理的
反應系統負荷情況，使空調系統適應負荷變化。節約能源消耗量，節能
率一般能夠達到45 %左右,甚至更多,雖然初期投資較大，但在實施變頻
控制的一年內，可以回收初期投資。
 (2) 壓縮機、水泵、風扇具有軟啟動和軟停止功能。變頻系統在啟動時,
轉速逐漸上升,在停機時，轉速緩慢下降,對系統的衝擊小，可延長水泵、
壓縮機、風扇以及管道系統的使用壽命。
 (3) 可以實現一機多泵控制。在用戶有多台循環泵時，以用一台控制器
控制多台水泵運轉，方便用戶系統擴展。
 (4) 變頻系統一般具備標準介面，可以與上位機連接，便於實現大樓的
集中控制。
 (5) 變頻系統一般具備警報和保護功能，使系統在發生異常時，能夠發
出警報和停機保護。
 以上分析可以知:使用中央空調變頻控制系統可以節約大量的能源，同時
投資回報率高，具有很大的應用價值。與中央空調水系統變頻控制相類
似，在VAV 空調系統中,對風量的變頻控制同樣會節約大量的能源。可
以預見變頻控制系統具有良好的市場前景。
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A(續)
14.說明泵浦運轉特性
ANS
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A(續)
15.說明變頻器原理
ANS
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A(續)
16.說明變頻器在冷凍空調系統節能之應用
ANS
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A(續)
17.以圖例說明冷凍空調系統可變風量(VAV) 控制省能效果
ANS
 圖所示為室內空氣循環系統變頻節能控制
 利用如圖所示之閉迴路自動控制，以室內溫度作回授信號，此回
授信號與溫度設定值相比較後得一偏差信號，此偏差信號經PID
控制器作比例、積分、微分處理後送出0-10V之控制信號去調控
變頻器，使空調箱風車驅動馬達之轉速改變，進而改變供風風量，
於穩態時即可達到所設定之室內溫度值，達到室內冷氣調節之目
的，此即可變風量(VAV) 控制。因空調箱風車驅動馬達之轉速係
隨室內溫度變化，故當空調負載減少時，此變頻節能控制系統即
自動降低馬達之轉速而達到節能效果。由此看來選擇高效率之風
車驅動馬達以及盡可能提高室內溫度之設定可以減少馬達之耗能。
 一般室內溫度設定範圍以26-28℃為宜，對於經常進出之房間的
室內溫度不要低於室外溫度5℃以上，此外若以室內空氣中之二
氧化碳含量為指標來控制外氣之進氣量更能達到良好的省能效果。
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A(續)
18.以圖例說明冷凍空調系統可變水量(VWV) 控制省能效果
 ANS：圖所示為冰水循環系統變頻節能控制
 以冰水出口溫度作回授信號，利用此回授信號與溫度設定
值相比較後之偏差信號去調控變頻器，使冰水泵浦驅動馬
達之轉速隨之改變，進而改變冰水循環系統的冰水溫度，
達到空調系統冰水溫度調節之目的，此即可變水量(VWV)
控制，當空調負載變小時冰水出口溫度降低，冰水泵浦驅
動馬達之轉速亦隨之降低，由於冰水泵浦之耗用功率係按
水流量成立方比例之關係，因此當空調負載變小時，變流
量控制可以大量的節能。冰水循環系統冰水溫度每提升1℃
約可減少主機耗能2~3%，因此在不影響空調品質條件下適
度提高冰水出口溫度，亦即調高其溫度設定值可減少冰水
主機耗能。
 一般空調系統冰水出口溫度設定在7℃，7℃之冰水有良好
的除濕能力，但若潛熱負荷不大或空氣乾燥之季節，當空
調負載低時亦可將冰水溫度調高，以增加冰水主機效率並
減少耗能。
流
量
設
定
比較器
_
+
流量
感測轉換器
PID
控制器
冷卻
水塔
冷卻水
泵浦
三相
電源
變頻器
感應馬達
冷凝器
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A(續)
19.以圖例說明冷凍空調系統可變冷媒量(VRV) 控
制省能效果，圖所示為冷媒循環系統變頻控制
 ANS：以冷卻油溫度作回授信號，利用此回授
信號與溫度設定值相比較後之偏差信號去調控
變頻器，使壓縮機驅動馬達之轉速隨之改變，
進而改變蒸發器溫度，達到冷卻油溫度調節之
目的，此即可變水量(VRV) 控制，當空調負載
變小時冷卻油溫度降低，壓縮機驅動馬達之轉
速亦隨之降低，因此當空調負載變小時，變冷
媒量控制可以大量的節能。
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A(續)
20.說明變頻調速原理
ANS
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A(續)
21.詳述使用變頻器調控馬達轉速，可以獲得實際需要的風量及水量
達到空調系統節能效果？
 ANS一些傳統空調系統，由於考慮到未來需求擴充，因此所設計
需量往往比當時需求大很多，也因此100﹪全負載運轉的時間並
不常見，大部份時間在部份負載(Partial Load)下運轉，運轉效率
較低，因此改善低負載運轉時的效率，其省能效果是可以預期的。
此外在傳統空調系統應用中，附屬輔助設備之驅動馬達通常以全
速連續運轉，而以導風板(Vane)和節流閥(Throttle)來調節風量及
水量，如果利用變頻器以調控馬達的轉速來調節風量及水量，則
將遠較以馬達全速運轉而以節流裝置減少風量及水量更為有效率。
增加泵浦或風扇之轉速，其輸入功率理論上是隨著轉速的三次方
增加，此表示如果風量或水量增加二倍時，輸入功率需增加為八
倍，因此假設空調系統實際需求之風量及水量不需要那麼高時，
則降低風量及水量至實際需求量即可減少甚多耗能。例如風量降
低20%，則由80%風量的三次方為51%，亦即僅需51%能源，約
可減少一半的耗能，這也就是為什麼政府部門大力推廣使用變頻
器藉以方便調控馬達轉速，以獲得實際需要的風量及水量達到節
能效果。
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A(續)
22.空調系統變頻節能控制之意義為何？
ANS
 風扇(風車)與泵浦等流體機械的耗能，大致可以
用下列數學式表示︰
Q  P  Hr
KWH 


KWH是流體機械的耗用電能，耗能的多寡決定
於設備的運轉時數Hr、流體的流量Q、流體循環
所需之揚程P以及效率η，其中效率η包括流體機
械效率、機械效率以及馬達效率等。
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A(續)

空調節能並非鼓勵大家停止使用空調系統，而是當用則用，
當省則省。欲降低耗用電能，首先由式(1)中考慮如何降低
運轉時數（Hr），此有賴於有效合理的能源使用管理，應
儘可能避免空調設備做不必要的運轉。其次，考慮降低式
(1)中所輸送的流體流量(Q)也是節能方法之一，除了避免
空調設備過大設計（Over Sizing）外，採用變流量系統如
變風量(Variable Air Volume， VAV)和變水量(Variable
Water Volume， VWV)，使流量依空調負載需求調整，都
是減少空調系統在部分負載時之耗能的方法。第三，考慮
式(1)中揚程(P)之降低以減少耗能，此目標可以採用變頻器
以驅動風扇(風車)、泵浦以達成之，因為揚程係與馬達轉
速平方成比例，故降低馬達轉速即可降低揚程以減少耗能，
至於效率方面則需搭配系統特性，選配適當的風扇(風車)
及泵浦等流體機械及其驅動馬達。
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A(續)
23.一般中央空調系統其附屬設備常用的節能方法
為何
ANS
1、室內空氣循環系統
 (1)選擇高效率之風車。
 (2)採用變風量(VAV)系統。
 (3)提高室內溫度設定。
 (4)以室內空氣中之二氧化碳含量為指標來控制
外氣之進氣量。
 (5)充分利用備用外氣空調箱。
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A(續)
2、冰水循環系統
 (1)冰水流量變小時較省能，故冰水流量控制以二通閥之變
流量定溫差控制，取代三通閥之定流量定溫差控制。
 (2)冰水泵浦以變頻控制其冰水流量，由於冰水泵浦耗用功
率係與水流量成立方的比例關係，因此當負載變小時，變
流量控制可以大量的節能。
 (3)中大型空調系統使用P-S系統（Primary -Secondary
System）設計，此種設計係採用二組冰水泵浦，一組負責
送冰水流經冰水主機，另一組則將由冰水主機流出之冰水
送至各負載，如此之水路設計可以減少不少耗能，若負載
變化很大或是大部份時間為輕載時，在二次側泵浦以變頻
器控制轉速可節省更多電能。
 (4)修改冰水泵浦之葉輪以減少流量。
 (5)調高冰水出水溫度，冰水溫度每升1℃約可減少主機耗
能2~3%。
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A(續)
3、冷卻水循環系統
 (1)以多組冷卻水塔並聯運轉，並且協調控制冷
卻水塔風扇運轉。
 (2)以水溫控制來開啟冷卻水塔運轉台數或實施
變頻控制。
 (3)修改冷卻水泵浦之葉輪以減少流量。
 (4)冷卻水泵浦以變頻控制其水流量。
 (5)冷卻水之水溫設定隨外氣濕球溫度重置
（Reset），則風扇之耗電可大為減少，冷卻水
溫度每降1℃約可減少主機耗能1.5~2.0%。
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A(續)
4、冷卻水塔外氣系統。
 (1)選擇高效率之風扇。
 (2)採用變風量(VAV) 風扇系統。
 (3)冷卻水塔出口之水溫儘可能控制在接
近外氣濕球溫度，使效率提高。
 (4)冷卻水塔風扇控制冷卻水之水溫應愈
低愈好，避免減少了風扇耗能卻犧牲了冰
水主機之效率。
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A(續)
24.完成下列可變水量(VWV) 系統節能計算
ANS
流
量
設
定
比較器
_
+
流量
感測轉換器
PID
控制器
冷卻
水塔
冷卻水
泵浦
三相
電源
變頻器
感應馬達
冷凝器
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A(續)







系統概要：
(1)揚 程：20 m
(2)流 量：5-2.5 m3 / min
(3)最高揚程：125 %
(4)運轉時間(一年)：
(A) 全載 (100 % 負載) 3000小時
(B) 部分負載 ( 50 % 負載) 5000小時
若平均電價以每度(KWH) 2.5元計算，計算每年可節省電費(5)158,125元。
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A(續)







ANS：泵浦軸功率可由計算得到；
PLK 

：流體比重(
)
P ：揚程(m)
Q ：流量(m / min)
PLK：泵浦軸功率(KW)
 p ：泵浦效率
計算結果如表一所示；
g / cm3
3
0.163    P  Q
p
4.冷凍空調變頻節能控制Q&A(續)



(2)節省電費計算：
實際節省之電量可由下式計算得到；




PLK 1
m

PLK 2
)  Hour
 m  d
PLK1 ：節流閥控制時之泵浦軸功率(KW)
：變頻器變速控制時之泵浦軸功率(KW)
m ：驅動馬達之效率
d ：變頻器之效率
表二所示為變頻器及驅動馬達在全載及部分負載之效率
每年冷卻水泵浦在部分負載時之節省電量為：
若平均電價以每度(KWH)2.5元計算，則每年可節省電費
158,125 元
 PLK 2

KWH  (