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空調冰水系統節能改善成果

永安科技大樓. 空調冰水系統節能改善成果. 李永裕. CTCI FOUNDATION ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGY DEVELOPMENT CENTER. 中華民國九十一年十一月二十七日. 永安科技大樓. 永安科技大樓為地下 5 層、地上 22 樓的商業辦公大樓，地下層每層面積約 1,300 坪，地上層每層面積約 370 坪。 B5~B4 為停車場， B3 有 800 坪為停車場； 500 坪為辦公室， B1 、 B2 、 B3 為商場， 1 樓為大廳及銀行， 2 樓以上全部為辦公室使用。

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空調冰水系統節能改善成果

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Presentation Transcript

  1. 永安科技大樓 空調冰水系統節能改善成果 李永裕 CTCI FOUNDATION ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGY DEVELOPMENT CENTER 中華民國九十一年十一月二十七日

  2. 永安科技大樓 • 永安科技大樓為地下5層、地上22樓的商業辦公大樓，地下層每層面積約1,300坪，地上層每層面積約370坪。 • B5~B4為停車場，B3有800坪為停車場；500坪為辦公室，B1、B2、B3為商場，1樓為大廳及銀行， 2樓以上全部為辦公室使用。 • 樓地板的總面積共11,240坪，大廳、辦公室(1樓以上) 樓地板的總面積共8,140坪。 • 目前原子能委員會使用2F~8F，其他樓層尚無使用。

  3. 既設空調系統 • 因原設計B3~4F為商場，5F以上為住宅，所以空調冰水機房有2處，分別在B2及B3。 • B2機房的冰水主機為TRANE 離心式500 RT *2 + TRANE往復式120 RT *1，主要供應4F以下的空調負載。 • B3機房的冰水主機為中興-螺旋式300 RT *2 + TRANE往復式140 RT *2，主要供應5F以上的空調負載。 • 冰水系統採一次側/二次側(Primary/Second)方式設計，一次側主機泵隨著主機的啟停開關，二次側區域泵隨現場負載變化開啟。 • 概估空調尖峰負載約1,200-1,500 RT。 • 設備全新，但近10年未使用。

  4. 空調系統設備規格(1) 冰水主機

  5. 空調系統設備規格(2) 冷卻水塔

  6. 空調系統設備規格(3) 冰水泵、區域泵、冷卻水泵

  7. 改善前 –B2機房冰水流程圖 FM 3F-4F 500 RT TO 4F TO 3F FM B2-2F 500 RT TO 2F FM B3F 120 RT TO 1F TO B1F TO B2F F/C & AHU TO B3F

  8. 改善前–改善前B3機房冰水流程圖 300 RT ??? FM 5-22F 300 RT TO 5-22F 140 RT FM 梯廳 140 RT TO 梯廳 F/C & AHU

  9. 希望 … • 少開一些空調設備:目前原子能委員會進住2F~8F，其他樓層尚未使用，但空調需同時開啟B2、B3機房2套系統，有些浪費。 • B2、B3系統能相互支援:目前B2機房、B3機房、梯廳的冰水主機獨立運轉，系統效率差。 • 冰水區域泵能相互支援:原設計4F以下區域泵各自獨立，無法相互支援。 • 系統操作簡單化:原開機程序複雜，需專業人員配合，機動性差。 • 管路配置最佳化:原管路配置不甚理想。 • 改善冷卻水塔使用效率。 • 增設監控系統:掌握空調運轉狀況，記錄歷史資料。 • 空調系統效率最佳化:降低運轉電費。 • 各樓層加裝空調計費系統:明確分擔公共電費。 • 申請綠建築標章。

  10. 改善項目 • 冰水管路修改 • 冰水區域泵加裝變頻控制 • 提高冷卻水塔使用效率 • 監控系統 • 加裝空調計費系統 • 現場三通閥改為二通閥 (住戶自行修改)

  11. 效益

  12. 冰水管路修改 改善後B2機房冰水流程圖 500 RT TO 4F TO 3F 500 RT TO 2F 120 RT TO 1F FM 5-22 CHR FM B2-2F FM 3F-4F FM B3F TO B1F FM 梯廳 CHR TO B2F TO B3F F/C & AHU TO 5-22 CHS TO 梯廳CHS (住戶自行修改)

  13. 冰水管路修改 改善後B3機房冰水流程圖 300 RT FM B2F TO B2F 300 RT TO 5-22F 140 RT FM 5-22F 140 RT TO 梯廳 FM 梯廳 F/C & AHU (住戶自行修改)

  14. 冰水管路修改 改善後冰水管效益 FM 3F-4F FM B2-2F FM B3F FM 5-22 CHR FM B2-2F FM 3F-4F FM B3F

  15. 冰水管路修改 改善後冰水立管流程圖

  16. 冰水管路修改 改善後冰水管效益 改善前空調冰水系統操作模式： B2 供應2F-4F 冰水主機 + 冷卻水塔 + 主機冰水泵 + 冷卻水泵 + 冰水區域泵 120 RT + 5 HP + 7.5 HP + 20 HP + 2F-4F區域泵 B3 供應5F-8F 冰水主機 + 冷卻水塔 + 主機冰水泵 + 冷卻水泵 + 冰水區域泵 140 RT + 5 HP + 10 HP + 25 HP + 5F-8F區域泵 B3 供應梯廳 冰水主機 + 冷卻水塔 + 主機冰水泵 + 冷卻水泵 140 RT + 5 HP + 25 HP + 25 HP PUMP 5 HP + 42.5 HP + 70 HP = 127.5 HP CHILLER 320 kW

  17. 冰水管路修改 改善後冰水管效益 改善前空調冰水系統操作模式： B2 供應2F-8F+梯廳 冰水主機 + 冷卻水塔 + 主機冰水泵 + 冷卻水泵 + 冰水區域泵 500 RT + 7.5 HP*3 + 20 HP + 60 HP + 2F-8F區域泵 PUMP = 102.5 HP CHILLER = 288 kW SAVING PUMP = 25 HP (20 %) CHILLER = 32 kW (10 %) “ You can never save more energy than shutting it off.”

  18. 冰水管路修改 舒適而省能的工作環境 假如在夏天關掉正運轉的冷氣空調系統，辦公室內人員會由於室內空氣悶熱及室內空氣品質不佳而導致工作生產力急遽的降低，甚至根本無法工作！ 行為(Performance)＝能力(Ability)*行動(Motivation)＋環境(Environment) 分析生產力並不是一件容易的事，基本上生產力可以上式表示；”能力”與訓練有關，”行動”與管理有關，”環境”與建築、工程、設備操作有關。事實上，生產力和個人的速度、精確度、創造力、學習效率、教育、適應力、反應力、薪資、健康、環境等都有非常密切的關係。根據調查研究報告發現病態建築物環境在一般標準辦公室工作下，可能會使工作減緩7.2%以上，錯誤增加30%以上，病假大約34%。室內的工作環境對工作人員是有非常大的影響的，當然，不同的工作有不同的影響；不同的人，影響的程度也不相同，因此，分析上是非常複雜而長期的。

  19. 冰水區域泵加裝變頻控制 中央空調系統流程及熱負載關係圖 Conceptual view of a chilled-water air-conditioning system: • Indoor air loop. In the leftmost loop, indoor air is driven by the supply air fan through a cooling coil, where it transfers its heat to chilled water. The cool air then cools the building space. • Chilled water loop. Driven by the chilled water pump, water returns from the cooling coil to the chiller’s evaporator to be re-cooled. • Refrigerant loop. Using a phase-change refrigerant, the chiller’s compressor pumps heat from the chilled water to the condenser water. • Condenser water loop. Water absorbs heat from the chiller’s condenser, and the condenser water pump sends it to the cooling tower. • Cooling tower loop. The cooling tower’s fan drives air across an open flow of the hot condenser water, transferring the heat to the outdoors.

  20. 冰水區域泵加裝變頻控制 傳統定水量三通閥控制冰水系統流程圖 CHILLER F/C & AHU

  21. 冰水區域泵加裝變頻控制 傳統變水量二通閥控制冰水系統流程圖 CHILLER CHILLER ΔP F/C & AHU

  22. 冰水區域泵加裝變頻控制 傳統定水量區域泵+三通閥控制冰水系統流程圖 500 RT 500 RT F/C & AHU

  23. 冰水區域泵加裝變頻控制 負載、流量和溫差 BTU = 500 × ΔT × GPM HIGH CAPACITY + LOW ΔT LOW CAPACITY + HIGH ΔT = 負載變化 = 定流量×變溫差 - 三通閥 負載變化 = 變流量×定溫差 - 二通閥

  24. 冰水區域泵加裝變頻控制 典型的三通閥和盤管 三通閥的冰水系統，會造成流動力上的浪費，因三通閥系統並不是線性的，輕載時不但回水溫度較設計值低，且流量增加，導致後端水量不足、泵耗電增加。

  25. 冰水區域泵加裝變頻控制 三通閥和盤管在全載的條件下 送水溫度 45℉ 回水溫度 45℉ 盤管流量 100 GPM 盤管壓降 20 Ft 負載 500,000 Btuh (flow*ΔT*500) 盤管ΔP CLOSE 旁通流量 0 GPM 三通閥的壓降 10 Ft 設計流量和揚程 100 GPM @30 Ft

  26. 冰水區域泵加裝變頻控制 三通閥和盤管在卸載的條件下 送水溫度 45℉ 回水溫度 45℉ 盤管流量 0 GPM 盤管壓降 CLOSE 負載 0 Btuh (flow*ΔT*500) 盤管ΔP 20 Ft 旁通流量 100 GPM 三通閥的壓降 10 Ft 設計流量和揚程 100 GPM @30 Ft

  27. 冰水區域泵加裝變頻控制 三通閥和盤管在部份負載的條件下 送水溫度 45℉ 回水溫度 49℉ 盤管流量 62.5 GPM 盤管壓降 7.8 Ft 負載 250,000 Btuh (flow*ΔT*500) 盤管ΔP 7.8 Ft 旁通流量 62.5 GPM 三通閥的壓降 10 Ft 設計流量和揚程 100 GPM @30 Ft

  28. 冰水區域泵加裝變頻控制 三通閥的特性和缺點 三通閥系統的缺點： • 低的回水溫度。 • 部份負載下，會使下游盤管冰水量不足。 • 總流量增加，泵耗電增加。 • 可能增加冰水主機運轉台數。 • 可能使冰水主機的耗電量增加。 Typical CHW Flow vs Load Curve for AHU with 3-Way Valve

  29. 冰水區域泵加裝變頻控制 離心式泵特性圖

  30. 冰水區域泵加裝變頻控制 一次側/二次側 變流量系統 + =

  31. 冰水區域泵加裝變頻控制 一次側/二次側 變流量系統： 一次側泵 Primary-secondary pumping provides the means for the constant volume pumping of the low horsepower primary pumps through the chiller. These pumps are lower horsepower than the secondary pumps because they only have to overcome the friction loss associated with the chiller, pipes, and valves in the primary loop. The chiller pumps are balanced to the design flow rate. Pump impellers should be trimmed to minimize the pressure drop across the valve on the discharge of the pump. This is an important energy saving measure.

  32. 冰水區域泵加裝變頻控制 一次側/二次側 變流量系統： 二次側泵 The secondary pumps are higher horsepower because they must overcome the friction loss associated with the secondary loop--the distribution piping, fittings, valves, coils, etc. These pumps operate in the energy saving variable volume mode. Depending on the return on investment, the secondary pumps either remain constant speed and ride their characteristic head-capacity curve, or the designer can incorporate adjustable frequency drives to save additional pumping energy.

  33. 冰水區域泵加裝變頻控制 一次側/二次側 變流量系統： 共通管 • The common pipe • Distribution (secondary) flow equals production (primary) flow. • Distribution flow is greater than production flow. • Production flow is greater than distribution flow.

  34. 冰水區域泵加裝變頻控制 泵之耗能特性

  35. 冰水區域泵加裝變頻控制 不同流量控制方式的耗能 Flow Reduction with Speed Control Flow Control with Bypass Flow Reduction with Throttling

  36. 冰水區域泵加裝變頻控制 離心式泵的定律 在正常的狀況下，空調系統大部份的時間都是部份負載(part load)，尖峰負載時數低於20%以下，因此有80%的時間是有節能的空間。依照風扇定律(fan affinity laws)流量率Q、揚程H，以及制動馬力BHP之間的關係如下： Q1/Q2=N1/N2, 水量與轉速成正比。 H1/H2=(N1/N2)2, 揚程與轉速平方成正比。 BHP1/BHP2=(N1/N2)3, 制動馬力與轉速三次方成正比。 故降低泵的轉速既可降低揚程及流量，更可大量的降低耗電量，依照風扇定律，流量與耗電成3次方正比的關係，因此省能的效益是非常可觀的。

  37. 冰水區域泵加裝變頻控制 泵及系統揚程的特性曲線

  38. 冰水區域泵加裝變頻控制 一次側/二次側冰水系統壓力感測器的位置 一次側/二次側冰水系統壓力感測器的位置

  39. 冰水區域泵加裝變頻控制 變頻泵浦於水路系統之耗能特性 P3 P2 P1 泵浦與系統特性曲線圖

  40. 冰水區域泵加裝變頻控制 變頻泵浦於水路系統之耗能特性 泵浦理論消耗功（又稱為水動力）Pw（W） 電力輸入功Pe 設備效率（或稱電力至水效率）ηe

  41. 冰水區域泵加裝變頻控制 馬達的效率 變頻泵之馬達效率及變頻器效率圖

  42. 冰水區域泵加裝變頻控制 變頻器的效率 變頻器效率比較圖

  43. 冰水區域泵加裝變頻控制 • 在甚麼條件下適合裝變頻器? • 效益如何計算?

  44. 冰水區域泵加裝變頻控制 省能效益計算 a. Chillers KWH = KW / TON x TONS x HRS b. Fan KWH = KW / CFM x CFM x HRS c. Pumping KWH = KW / USGPM x USGPM x HRS In general, Energy Used = Efficiency x Usage x HRS Energy Saved =  Efficiency x Usage x HRS

  45. 冰水區域泵加裝變頻控制 省能效益計算

  46. 冰水區域泵加裝變頻控制 二次側冰水泵效益分析 負載變化 泵規格 780GPM, 120Ft, 40 HP Constant Speed 運轉費用 $472,256 元/年 泵性能曲線

  47. 冰水區域泵加裝變頻控制 二次側冰水泵效益分析 Constant Speed 運轉費用 $472,256 元/年 壓差控制:110 Ft 壓差控制:70 Ft 壓差控制:40 Ft

  48. 提高冷卻水塔使用效率 冷卻水塔特性 冰水主機的負載隨著外氣和現場的需求有不同的變化，冷卻水塔的散熱量也隨之變化，加上四季與日夜外氣條件也不同，一般冷卻水塔風車維持固定的溫度並非最佳運轉點，實際上設計點的外氣濕球溫度一年中平均發生的時間不到2.5%。

  49. Combined kW/RT System Efficiency kW/RT Chiller kW/RT Optimum operation CWS Temperature Cooling Tower kW/RT CWSC Optimized Combined Operation On Chiller and Cooling Towers 提高冷卻水塔使用效率 冰水主機與冷卻水塔的最佳化操作

  50. 提高冷卻水塔使用效率 冷卻水塔水溫最佳設定

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