Transcript 科學展覽專案 - 能源與冷凍空調工程系

空調系統節能介紹
報告人：李文興
目錄
一.何謂空調
二.空調系統介紹
三.冰水主機原理介紹
四.一/二次側冰水系統原理介紹
五.儲冰系統介紹
六.二次側冰水泵變頻節能原理介紹
七.主機與冷卻水塔運轉最佳化原理介紹
2
一、何謂空調
1. 舒適性空調
主要關於人體舒適度的指標，除了衣著量和活動量兩個人體
因子影響舒適度以外，另外還牽涉到溫度、濕度、空氣的流
動、輻射熱交換量。
2. 產業性空調
在改善人類舒適度的同時，也了解到許多產品在控制良好的
環境中，可以生產的更好、更快和更經濟。
3
蒸發器
有一裝液體的瓶子，經由壓
縮機將瓶內的氣體抽出，使
瓶內蒸氣壓降低，造成瓶內
未達飽和蒸汽壓，此時瓶中
液體吸收熱量蒸發來滿足飽
和蒸汽壓，瓶中液體因吸收
熱量，使氣體溫度降低。
此時有風量吹向此瓶子與
瓶內液體進行熱交換，使風
的溫度降低。
4
壓縮機
活塞往下將蒸發器
的氣體抽出而進入
壓縮機，活塞往上
推時將氣體壓力和
溫度提高並把氣體
由另一方送出。
5
冷凝器
將壓縮機送來的高溫
高壓氣體經由散熱而
降溫成飽和液體
6
膨脹閥
將冷凝器送來的高壓液體
降成低壓，然後傳至蒸發
器瓶內，補充蒸發器的液
體。
7
冰水主機原理介紹
低壓測：
膨脹裝置：高壓中溫之液態冷媒經膨
脹裝置，成為低壓低溫之液氣混合
狀態冷媒。
蒸發器：低溫低壓之液氣混合狀態冷
媒進入蒸發器後，與流體（通常為
水）進行熱交換，流體在此處被冷
卻，而冷媒則因吸收熱量而蒸發，
之後以低溫低壓過熱蒸氣狀態進入
壓縮機。
圖十二、基本冰水機組示意圖
8
中央空調系統組成
 空調系統主要分成四個部分:
1. 冰水主機:經由熱交換產生冰水。（如圖七）
2. 冷卻水系統:系統中有冷卻水循環泵浦。主要提供冰水主機散
熱，再將熱水帶至室外冷卻水塔做熱交換。 （如圖八）
3. 冰水系統:系統中有冰水循環泵浦，主要將冰水主機產生之冰
水，帶至各個區域內之空氣調節箱，或小型送風機使用。
4. 空氣調節箱：利用風管系統之出風、回風管（出風、回風
口），將室內空氣經由空氣調節箱與冰水做熱交換，達到降
9
低室內溫度的功能。(如圖九、十）
中央空調系統組成
圖七、450RT冰水主機
10
圖八、冷卻水塔系統
中央空調系統組成
回風
冷卻
盤管
加熱
盤管
A
A
加濕器
H
閘門
外氣
混合箱
C
C
風車
圖九、空調箱元件示意圖
11
圖十、空調箱實圖
二、冰水主機原理介紹
冰水機組之運轉原理如圖十一和圖十
二所示。
以空調應用為例：
高壓側：
壓縮機：冷媒以低溫低壓之過熱狀態
進入壓縮機，經壓縮後成為高溫高
壓過熱狀態之冷媒。
圖十一、基本冰水機組示意圖
12
冷凝器：高溫高壓過熱狀態之冷媒進
入冷凝器後，將熱傳給冷卻水而凝
結成高壓中溫之液態冷媒。一般水
冷式冷凝器之冷凝溫度設計值為
40℃，過冷度5℃。
三、一/二次側冰水系統原理介紹
（一次冰水系統）
 一次冰水系統(Primary Only System)：
 一次冰水系統管路的設計主要分為直接回水系統(圖十三)及逆
回水系統(圖十四)。
 一次冰水系統，是將冰水主機及終端裝置的循環冰水，籍由冰
水泵供應至系統(泵浦設計之流量及揚程容量直接設計供應至整
個系統，而不配置二次或三次泵浦) 。
13
三、一/二次側冰水系統原理介紹
（一次冰水系統）
 一次冰水系統(Primary Only System)：
 直接供水冰水系統設計，一般都會先以定流量(Constant Water
Volume, CWV)考量，其最主要的原因，是確保冰水機之冰水蒸
發器有一定以上之水流量，避免結冰膨脹損害冰水機蒸發器。
 若以變流量(Variable Water Volume, VWV)設計，先決條件必須確
保冰水器之循環水量達到最低需求量的要求(一般約為滿載冰水
量之60%)。
14
三、一/二次側冰水系統原理介紹
（一次冰水系統）
 直接供水直接回水系統終端熱交換裝置管線長度不一，遠端支路壓
力損失較大，造成流量低於其它較靠近冰水來源的終端裝置流量，
為平衡支路間壓力使流量可平均分配，一般可在各分支管上加裝平
衡閥，使各支管水量或壓差達到設計需求。
15
圖十三、 一次供水直接回水系統簡圖
三、一/二次側冰水系統原理介紹
（一次冰水系統）
 直接供水逆回水系統，藉著增加部分管路來等化系統各支路路徑長
度，消除因管線長度不一造成的前後端裝置壓差。直接供水逆回水
系統，已成功應用在克服系統無法保持平衡案例上 。
16
圖十四、 一次供水逆回水系統簡圖
三、一/二次側冰水系統原理介紹
（一次側/二次側冰水循環系統 ）


2

共通
管
圖十五、一次側/二次側冰水循環系統圖
17
1

負
載
區
3
冰水
泵

3
1

負
載
區


冰
水
主
機
3

冰
水
主
機
2

冰
水
主
機
區域泵
 在大型空調系統，
常使用一次側/二次
側冰水循環系統，
如圖十五所示，其
就結構而言是由一
次側泵浦及二次側
負
泵浦結合而成，一
載
區
次側泵浦主要提供
冰水主機側之循環
水量，二次側泵浦
則提供至負載側(空
調箱)之循環水量，
一次側與二次側之
間以共通管聯結。
三、一/二次側冰水系統原理介紹
（一次側/二次側冰水循環系統 ）
 在空調運用上，共通管應用

二次側總流
在一次側/二次側冰水循環
量Q

一次側總流
系統，若一次側設計為定流
量Q
量，二次側為變流量時(二
通閥系統或可變流量泵浦的
設計)，共通管內水的流動
方向及流量，會隨著二次側
流量變動而調整 。
冰
冰
負
負
負
水
水
載
載
載  當負載變動時，共同管內的
主
主
區
區
區
機
機
水流有三種情況可能產生，
當一次側泵浦所提供的冰水
流量與二次則所需流量相等

Q Q AND
時，水流由一次供水側流向
Q =0
圖十六、一/二次側流量平衡時冰水流向圖 二次供水側如圖十六。
2
1



3
2
1
3


2
3
1


冰
水
主
機
1=
3
18
2
三、一/二次側冰水系統原理介紹
（一次側/二次側冰水循環系統 ）


一次側總流量
Q1
二次側總流量
Q2



負
載
區
負
載
區
負
載
區

3
1
2
3
1


Q3

冰
水
主
機
3

冰
水
主
機
2

冰
水
主
機
共
通
管
流
量
Q1= Q2+ Q3
圖十七、一次側流量大於二次側冰水流向圖
19
 當一次側所提供的冰
水量超過二次側流量
時，冰水不僅由一次
供水側流向二次供水
側，並直接由共通管
旁通至一次回水側，
於是由一次側旁通的
冰水與二次側高溫回
水在共同管交界處混
合，使得進入冰水機
水溫降低如圖十七。
三、一/二次側冰水系統原理介紹
（一次側/二次側冰水循環系統 ）


一次側總流量
Q1
二次側總流量
Q2



負
載
區
1
2
3
負
載
區
3
2

1

3

冰
水
主
機


冰
水
主
機
Q3

冰
水
主
機
共
通
管
流
量
Q2= Q1+ Q3
圖十八、二次側流量大於一次側冰水流向圖
20
 當一次側流量小於二
次側時，二次側冰水
供應不足，於是由二
次側回水水流中抽取
高溫回水補充不足的
水量，當高溫回水由
二次側經共同管回流
至二次供水側時，產
負
載
生的水流混合將造成
區
二次供水水溫的上升，
導致致冷能力不足如
圖十八，所以在控制
上應該避免這種情況
發生 。
四、儲冰系統介紹
 「儲冷式空調系統」係指冷凍主機在離峰時間運轉製冷並將冷
能儲存起來，儲存的冷能在尖峰時間釋放出來，以供應空調系
統之所需。
 本系統可移轉尖峰時間用電至離峰時間，充分利用離峰時段較
低廉之電力，用戶不但可以降低經常用電契約容量，享受電價
優惠節省空調電費支出，電源缺乏時還可以提高空調的可靠使
用。
21
運轉模式-全量儲冰
(1) 全量儲冰
將日間所需之空調能
量，於夜間離峰時間內，
全部儲存於儲冰槽內，待
於隔日空調時間，融冰釋
放能量以吸收室內的熱負
荷。
圖十九、全量儲冰
22
運轉模式-分量儲冰
(2) 分量儲冰
於夜間或離峰時間
內，僅儲存部份的空調
負荷容量於儲冰槽內，
待於隔日空調時間，主
機優先運轉供冷，不足
部份則以融冰輔助供冷；
或是優先以儲冰槽能量
冷卻室內負荷，不足部
份則啟動主機輔助供冷。
圖二十、分量儲冰
23
儲冷式空調系統與傳統式空調系統之比較
表一、儲冷式空調系統與傳統式空調系統之比較
24
運轉模式-主機優先
(1)主機優先
主機優先運轉模
式。在空調時間，主
機作為主要冷源供應
固定的冷量，不足部
份再以融冰補充，負
荷區的回水與主機側
的滷水在熱交換器裡
交換能量，在此模式
下，主機於日間是不
停地全載運轉。
圖二十一、主機優先運轉模式
25
運轉模式-儲冰優先
圖二十二、儲冰優先運轉模式
26
(2) 儲冰優先
儲冰優先運轉模
式。在空調時間，儲
冰槽融冰釋放冷能作
為主要冷源，若冷房
負荷超出儲冰供應之
冷量時，再由主機供
應補足。在儲冰優先
模式下，主機在日間
大部份是卸載情況下
運轉。
儲冰式中央空調系統優點
(1)轉移尖峰用電
具有平衡電力負載之功能。
(2)節約流動電費
利用二段式或三段式時間電價，享受電費差價措施。
(3)降低基本電費
若使用儲冰空調，因運轉時間錯開，故當生產設備用電停止
使用後，其電力轉移供主機運轉儲冰，因此基本電費之契約
容量將會低於傳統空調冰水機組。
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儲冰式中央空調系統優點
(4)降低主機容量
採用儲冰系統可拉長主機運轉時數，大幅降低主機容量。
(5)高運轉效率
主機滿載運轉至儲冰完成，機組完全在100 %容量狀況下運
轉，避免卸載運轉時的效率損失。
(6)具擴充功能
在機組能力不變的情況下，只要將運轉時數拉長，即可增加
空調能力，彈性運用自如。
(7)低溫冰水供應
可提供低溫冰水，供冷藏、低溫除濕及製程冷卻系統使用。
28
五、二次側冰水泵變頻節能原理介紹
 一般來說，大部分的二次側冰水泵大都使用離心泵做為輸送流
體的裝置，以下將針對離心泵做一簡介。
 離心泵係藉離心力使流經泵內之流體形成加壓效果而產生壓力
能，從原理、構造及其運轉性能來說，離心泵較其他種泵具較
多的優點，且用途較廣。
29
泵浦簡介
 特性曲線：
1. 泵在一定的轉速及吸入揚程下，流量Q與總揚程H、動力L及
效率間有一定的關係。通常以流量為橫座標，其餘各項為縱
座標，用曲線表示其間的變化關係，此種曲線稱為泵之特性
曲線，如圖二十三。
2. 依特性曲線及管路阻力曲線的關係可求出運轉點，得到運轉
流量與運轉揚程。並可利用特性曲線與阻力曲線的特性設計
串聯運轉或並聯運轉。串聯運轉可在固定流量下增加揚程，
並聯運轉則可在固定揚程下增加流量。
30
泵浦簡介
圖二十三、 泵特性曲線
31
泵浦簡介
 管路曲線：
管路水力損失與通過管路流量的平方成正比，即如果取不同的
Q值，則可以求得相對應的管路水力損失，然後就可繪出的管
路阻力曲線（System curve），如圖二十四。
 泵運轉點：
泵浦的操作點會沿著管路阻力曲線（system curve）與泵浦的特
性曲線（pump curve）交會，這是熱力學第一定律能量守恒的
關係，即輸入的能量＝輸出的能量。能量輸入到泵浦輸送的水
中等於水流過管路的能量損失，流過管路的流量也需等於泵浦
的流量 ，如圖二十五所示。
32
泵浦簡介
圖二十四、 管路阻抗曲線圖
33
泵浦簡介
圖二十五、 運轉點
34
相似定律
 流量相似定律:
3
Q1  D1  N1

 
Q2  D2  N 2
 揚程相似定律:
HT 1
HT 2
2
D  N 
 1   1 
 D2   N 2 
2
 軸動力相似定律:
L1  D1 

 
L2  D2 
5
 N1 


 N2 
3
 由相似定律可得知，其耗電量與轉速的三次方成正比，亦即轉
速減半消耗功率將降為八分之一。
35
泵浦並聯運轉分析
 當管路系統中流量變化較大，而一部泵之容量不足以應付時，
宜採用兩個或兩個以上之泵並聯運轉，其流量為同一揚程下兩
泵單獨運轉流量之和。如圖二十六所示，為特性相同的兩泵並
聯，I為單獨一泵之特性曲線，II為並聯後之特性曲線，則並聯
後之流量QII為
QII=QI+QI=2QI
 圖二十七所示為特性不同兩泵並聯， Ia、Ib為兩泵單獨特性曲
線，II為並聯後之特性曲線，當阻力曲線為R1時，運轉點為A
並聯流量QII為
QII=QIa+QIb
 但當管路阻力曲線大於R2時，則只有泵Ib動作，其流量與泵Ib
單獨運轉時相同。此時泵Ia管路中應有止回閥裝置，否則會發
生逆流現象。
36
泵浦並聯運轉分析
圖二十六、 特性相同之兩泵並聯運轉圖
37
泵浦並聯運轉分析
圖二十七、 特性相同之兩泵並聯運轉圖
38
控制模式
 以下介紹幾種利用流量的變化來達到節能效果的方法：
（1）控制閥控制：
將閥的開口度關小，使流量減少是最簡易的控制方式（如圖
二十八），但缺點是節能效果有限。
（2）近端控制：
固定管路中最接近泵浦二端的壓差使其揚程固定（如圖三
十），所以可以得知H-Q圖在任一流量時其揚程為固定（如圖
三十二）。
（3）遠端控制：
固定管路中最遠端的壓差（如圖三十一），所以可以得知H-Q
圖在任一流量時，會有一個基本的壓差加上管路的阻抗得到
39
運轉曲線（如圖三十三）。
控制模式
 在設計點1的耗電量為1H1-O-Q1所包圍的區域。
 當流量減少至Q2，控制閥
關小到2點時，其耗耗電量
a為2-H2-O-Q2所包圍的區
域。
圖二十八、 二通閥（2-WAY）控制運轉圖
40
控制模式
 在設計點1的耗電量為1H1-O-Q1所包圍的區域，
同圖二十九。
 當流量減少至Q2，泵浦轉
速降低，運轉點移至3點，
其耗電量b為3-H3-O-Q2所
包圍的區域。
 與圖二十九比較可得之節
省的耗電量C為3-2-H2- H3
所包圍的區域。
圖二十九、 變頻控制運轉圖
41
控制模式-近端與遠端控制
圖三十、近端控制系統示意圖
42
圖三十一、遠端控制系統示意圖
控制模式-近端與遠端控制
圖三十二、近端控制節能區域圖
43
圖三十三、遠端控制節能區域圖
泵單台運轉與並聯運轉的流量情形
 一泵以每分鐘1170rpm運轉於一管路系統中，其揚程特性曲線
為H=490-0.26Q2，而系統之阻力曲線為HR=100+1.5Q2，式中Q
單位為k gal/min，分別可求出(a)一台泵單獨運轉流量；(b)兩台
泵並聯運轉流量情形。如圖三十五所示。
(a)一台泵單獨運轉時，運轉點為H及HR兩線相交之點，
即H= HR，可得出Q=14.9 k gal/min
(b)兩個泵並聯時，若全部流量為Q，則每泵單獨流量為Q/2，因
此可得出Q=15.8 k gal/min
44
並聯運轉-相同泵浦不同水管路情形
(a)
圖三十四、 不同水管路系統
圖三十五、特性相同之兩泵並聯運轉之合
45
成特性曲線
(b)
 冷卻水太少的話 會使冷凝器
的冷卻水量不足，也會升高
凝結壓力，亦有可能使泵浦
馬達過載，使整個系統無法
運轉。
六、主機與冷卻水塔運轉最佳化原理介紹
 冷卻水塔與冰水主機之間耗能關係是相對的，要維持較低的冷
卻水出水溫度節省主機耗能，冷卻水塔風扇就必須耗用更多的
能源來維持較低的水溫，冰水主機與冷卻水塔之間存在著一最
佳運轉點，此最佳點為冷卻水塔風扇風量耗能增加率與冰水主
機耗能減少率之和的最小值，如圖三十六所示。
 然而此一最佳點必須根據主機與冷卻水塔之性能曲線與部分負
載率所決定（不同的主機與水塔將有不同的性能曲線），若能
根據各地區每月份平均外氣濕球溫度與冰水主機、冷卻水塔之
性能曲線，發展最佳冷卻水塔出水溫度設定點，並隨著每月外
氣濕球溫度做冷卻水溫設定，將可達到更佳的節能助益。
46
主機與冷卻水塔運轉最佳化原理介紹
47
圖三十六、 冷卻水塔風量與冰水主機、冷卻水塔之耗
能關係
冰水主機效率高低與耗電的關係
冰水、冷卻水及熱交換器的性能皆會對主機性能造成影響。舉
例來說，若蒸發器入口水溫為12℃，出口溫度欲維持在7℃，
效率良好冰水主機蒸發溫度控制在5℃即能完成制冷工作，效
率較差的冰水主機蒸發溫度可能要在4℃才能完成制冷工作，
會造成壓縮機耗電的增加，下面利用理想卡諾循環公式來求蒸
發溫度下降1℃時，壓縮機耗電會增加多少。
A冰水主機蒸發溫度為5℃，冷凝溫度為35℃。
B冰水主機蒸發溫度為4℃，冷凝溫度為35℃。
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冰水主機效率高低與耗電的關係
理論上最佳COP值計算公式為： COP  Tl /(Th  Tl )
A冰水主機理論上最佳COP值為:
B冰水主機理論上最佳COP為:
由上式可知，當蒸發溫度下降1℃時，壓縮機耗電會增加3.2%。
49
全熱交換器節能技術
 室內與室外之空氣有很大之熱焓差異，在同時
引入新鮮空氣與排氣時，若能使兩股氣流進行
熱(或焓)交換，可節約大部份的外氣負荷。以
下為一個熱回收之設計例子，用一個全熱交換
器，使外氣進入室內前將其溼氣與熱吸收，使
進入之外氣降溫降濕；排氣亦先流經全熱交換
器，把濕氣與熱帶到室外。在 70% 之交換效率
下，可將外氣之焓值自 20.6kcal/kg 降至
15.3kcal/kg，節約70%之外氣耗能。
50
全熱交換器節能技術
51
秋冬季節外氣引進
 秋冬季節外氣溫度低於室內設定之室溫時，可
考量引進較多的外氣，以降低室內的空調負載，
惟外氣條件除考量溫度外，亦必須考量其焓值。
52
能源管理系統
 BEMS (Building Energy Manager System)
 建築能源管理系統就是將建築物或建築群
內的變配電、照明、電梯、空調、供熱、
給排水、能源使用狀況及節能管理實行集
中監視、管理和分散控制的建築物管理與
控制系統，稱為BEMS (Building Energy
Manager System)。
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BEMS能源管理系統的效益
1.迅速即時掌握電力及空調設施實際運轉情況，有
效避 開尖峰用電時段。
2.利用監測資料，獲得各項主要設備如冰水主機、
泵、空調箱及冷卻水塔之性能，並進行節能佳化
運轉及系統維護。
3.利用能源管理系統進行各區域空調溫度之監控、
啟停控制，避免不必要的能源浪費。
54
報告完畢
敬請指教
55