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空調系統節能應用. 國立台北科技大學 蔡尤溪. 課程內容大綱. 空調系統設計之基礎 節能設計應有之規範 節能設計 考量與 方法 降低空調負載之方法 節能之運轉與管理 節能案例說明. 前言. 空調設備 包括冰水主機、水泵、風機、冷卻水塔風扇馬達，通常是建築最大耗電項目，也是電力尖峰需求之主因。. 前言. 如圖，某百貨 公司空調與照 明為主要用 電，約各佔 45% ，夏季時 空調卻約佔總 用電之 55% 。. 空調系統設計之基礎. 設計目標 — 耗能指標.
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空調系統節能應用 國立台北科技大學 蔡尤溪
課程內容大綱 • 空調系統設計之基礎 • 節能設計應有之規範 • 節能設計考量與方法 • 降低空調負載之方法 • 節能之運轉與管理 • 節能案例說明
前言 • 空調設備 • 包括冰水主機、水泵、風機、冷卻水塔風扇馬達，通常是建築最大耗電項目，也是電力尖峰需求之主因。
前言 如圖，某百貨 公司空調與照 明為主要用 電，約各佔 45%，夏季時 空調卻約佔總 用電之55%。
設計目標—耗能指標 • 單位面積年耗電量EUI(Energy Utility Intensity)， (kWh/m2yr)，此指標可再細分為各別設備耗電指標，如空調單位面積年耗電量。 • 單位面積電力需量DUI(Demand Utility Intensity，W/m2)，節能空調設計會使EUI及DUI值降低，同時降低耗電量及電力尖峰負載。 • 空調及其它系統效率之各項指標，空調部份需考慮所有空調耗電因子，包括設備裝置量、風管水管系統耗電、控制設計、保溫及管理等指標。
壓力與功率 壓差為動力之主要來源，壓力亦為流體之能量， 如N/m2改寫為Nm/m3(J/m3)， 見壓力為單位體積之能量密度。 • 空調空氣與水系統之流體搬運功之計算為 • 搬運功(Watt) = 搬運所需之壓差(Pa) x • 搬運之體積流量(m3/s) / • 搬運設備效率
送風與送水 • (一)減少壓差可減少搬運功，應設計低阻力之管路 系統，壓損與管徑之5次方成反比。 • (二)水密度約為1000kg/m3，相對之下空氣在20℃及 一氣壓之密度約為1.20kg/m3，送風較耗能。 • (三)實際需考量搬運設備如風機或水泵之效率。
空調單位 空調之冷凍(冷卻)能力常以冷凍噸(Refrigeration Ton, RT)稱 以美國冷凍噸之定義為將一英噸(2000 lb)之水在一天(24小時)凍結成冰，常用之計算值如下 ： 1.0 RT = 12000 Btu/hr 或 1.0 RT = 3024 kcal/hr 1.0 RT = 3.515 kW
溫度與效率 壓縮功 當冷凝與蒸發之壓差越大，壓縮機作工之途徑越長，所需之作工能量就越大 為使冷凝與蒸發之溫差縮小，就需有高效率之熱交換
空調負荷 • 熱獲得(heat gain)並非等於空調熱負荷(cooling load)。 • 空調熱負荷之定義為，空間內之空氣所獲得之顯熱(溫升)或潛熱(濕度增加)，室內之熱獲得不一定立即傳予空氣
空調節能規範 至少應包括九大項 一、機器設備效率 二、系統負荷及容量設計 三、空調區劃與控制 四、空氣側系統 五、水側系統 六、散熱設備 七、能源回收 八、風管及水管路保溫 九、系統測試、平衡與驗收
以空調節能規範作節能設計 • 系統負荷及容量設計—避免過大設計 • 空調主機設備效率—降低耗電 • 溫度控制—因應負荷變化 • 離峰控制—避免浪費 • 水側系統節能—降低泵耗電 • 散熱設備(如冷卻水塔)節能 • 送風節能—減少風機耗電 • 熱回收設備—排氣能源回收 • 風管及管路保溫—減少熱損 • 系統監測與記錄—能源管理 • 系統測試、平衡與驗收—增加系統性能
系統負荷計算 室外設計條件(取全年1%最高氣溫) 冷房 最大乾球溫度(℃) 對應濕球溫度(℃) 台北 34.6 26.8 新竹 34.0 27.3 台中 34.2 27.7 台南 33.2 27.1 高雄 33.1 26.3 花蓮 32.0 26.7 對於新設空調，空調負荷計算為正確選擇系統和設備容量之必要，避免過大設計。
系統負荷計算 (a)依設計條件(如下)計算空調負荷，建築內外週 區或各隔間應作個別之空調負荷計算。 (b)計算輸入之參數應包含人員密度、照明用電密 度、各項設備用電密度、溫度控制器之溫度設 定值、空調系統運轉條件。 (c)含顯熱及潛熱之空調負荷計算應包含各項建築 外殼熱得與室內設備與人員發散熱，並且計算 程序應考慮熱質量效應之影響。 (d)各分區所需之送風量。
空調主機設備效率 空調主機之能源效率值應不低於經濟部能源委員會依「能源管理法」第十四條公告之「空調系統冰水主機能源效率標準」、「窗型冷氣機能源效率標準比值標準對照表」、「箱型冷氣機能源效率標準比值標準對照表」所示之標準值，且有部份負載時之節能卸載裝置與控制。 中央冰水主機需具有性能測試報告，冰水主機之規格與性能測試參考標準 CNS 12575 “容積式冰水主機組”。 CNS 12812 “離心式冰水主機組”。 美國 ARI 550/590標準
執行階段 第一階段 第二階段 實施日期 民國九十二年一月一日 民國九十四年一月一日 型 式 冷卻能力等級 (EER) kcal/h-W 性能係數(COP) (EER) kcal/h-W 性能係數(COP) 水冷式 容積式 壓縮機 <150RT 3.50 4.07 3.83 4.45 ≧150RT ≦500RT 3.60 4.19 4.21 4.90 >500RT 4.00 4.65 4.73 5.50 離心式 壓縮機 <150RT 4.30 5.00 4.30 5.00 ≧150RT<300RT 4.77 5.55 4.77 5.55 ≧300RT 4.77 5.55 5.25 6.10 冷氣式 全機種 2.40 2.79 2.40 2.79 空調冰水主機能源效率標準
溫度控制 每一空間，或空調使用行為相近（例如：溫度及空調時程）之多空間群組應設置個別之溫度感測器以進行溫度自動控制，其中至少每一樓層應設置一個溫度感測器。
離峰控制 空調系統應具有下列之自動控制功能： 4自動停機--可藉由人員感測器、可程式空調使用時程控制器或手動之定時器進行自動停機。 4獨立空調區域--區劃獨立空調區域，各區域需提供自動關閉空調送風、外氣和排氣之控制裝置，每一獨立空調區域不可大於2300㎡(25,000ft2)空調樓地板面積及一個樓層。
離峰控制 4密閉停車場之排氣風扇送風量大於14000 L/s (30,000cfm)時，必須設計下列至少一種可依停車場停車狀況而自動控制排氣通風扇之控制器： (a)根據停車空間之一氧化碳濃度值進行風扇啟停控 制或通風量調整之控制器。 (b)設置符合離峰控制功能之控制器，也就是當停車場使用 強度降低時，可停止通風扇運轉或調整通風量。
離峰控制 空調系統所需外氣大於1400 L/s (3,000cfm)且其冷房服務空間之人員密度大於1人/㎡時，必須設計可依人口密度自動調整外氣引入量之功能（例如二氧化碳偵測器）。而依本規範相關規定設置全熱交換器時，可不受本條款之限制。 高人員密度之通風控制
可變水量系統 • HVAC泵系統應設計為可變流量，其流量可控制 至原設計流量的50%或以下。 • 在可變流量系統中的各泵揚程超過300kPa (100ft)且動力超過37kW(50hp)時，在50%的 設計水量時，須有控制及裝置(例如設備側應 採比例式二通控制閥及可變速度的泵控制)使 泵耗電不大於全載之30%。 • 控制或裝置需具有需求流量控制或最小差壓力 的控制功能。差壓量測點應位於最遠端的熱 交換器或熱交換器最大差壓需求的地方。
散熱設備(如冷卻水塔) 約200RT冷凍能力之系統 散熱裝置中每個動力大於5.0kW (6.7hp)的風扇，需能操作在2/3的全載速度或以下，以及可自動改變風扇速度以控制離開的流體溫度或冷凝溫度/壓力。
送風節能 為達到空氣側系統之節能效果，空調系統的總風扇系統馬力應符合相關之節能控制之設計與施工，以有效控制送風系統之節能效果。
送風量 允許之馬達銘牌額定馬力值 定風量 可變風量 ＜9400 L/s ＜20,000 cfm 1.9 kW/1000 L/s 1.2 hp/1000 cfm 2.7 kW/1000 L/s 1.7 hp/1000 cfm ≧9400 L/s ≧20,000 cfm 1.7 kW /1000 L/s 1.1 hp/1000 cfm 2.4 kW/1000 L/s 1.5 hp/1000 cfm 風扇動力限制
可變風量風扇控制(VAV) 部份負載風扇動力限制 個別的VAV風扇馬達大於等於22kW(30hp)時，須設有部份負載控制器及裝置，根據製造商合格的風扇資料可證明在靜壓設定點等於三分之一總設計靜壓的條件下，當送風量為設計風量的50%時，其風扇耗電量不大於30%之設計耗電量。
可變風量風扇控制(VAV) 靜壓感測器的位置 控制VAV風扇的靜壓感測器，除了直接數位控制(DDC)系統具有區間重設功能，可安裝在風扇出口以外，必須安裝在小於風扇設計總靜壓力的1/3處。如果因此要求而導致感測器必須置於主風管下游的分支處時，則需在每一個主要分支管上安裝感測器，以確保恆定的靜壓力。
熱回收設備--排氣能源回收 個別送風扇系統中，具70%的最小外氣量及2400L/s(5000cfm)或更大的送風量設計時，須裝置回收效率至少50%的能源回收系統。50%的能源回收效率，是表示當外氣與回風在設計條件時，外氣提供了相當50%的焓差。
降低熱損之節能改善--風管及管路保溫 按本節的保溫要求必須依據公認的工業標準安裝。本條規範不適用於完整HVAC設備中所附屬的風管及管路，因為該狀況已被其他的標準所涵蓋。必須至少根據以下所列要求，保護保溫材避免因日光、濕氣、設備維修、及風吹而遭受損壞：
風管所在位置 戶外 與外氣相通之閣樓 不與外氣相通且無屋頂隔熱之閣樓 不與外氣相通且有屋頂隔熱之閣樓 非空調空間 間接空調空間 埋管 Exterior Ventilated Attic Unvented Attic with Backloaded Ceiling Unvented Attic with Roof Insulation Unconditioned Space+ Indirectly Conditioned Space** Buried 冷氣 送風管 R-1.06 R-1.06 R-1.06 R-.0.62 R-.0.62 - R-.0.62 冷氣回風管 R-0.62 R-0.62 R-0.62 - - - - 風管保溫(m2.K/W)
管路保溫, cm 非標準k值保溫厚度之修正 T= r{(l+t/r)K/k-1} r －管外半徑，in K －實際所用隔熱之熱傳係數
系統監測與記錄 各建築物之空調機房，設電子式多功能電錶，可顯示三相電壓、電流、功率因數等等資訊，以計算空調設備之用電量，並將相關數據經由網路載入中央監控系統，精確紀錄各棟空調系統用電量，以作為日後改善用電效能之依據。
系統測試、平衡與驗收 竣工圖 手冊 系統平衡 空氣側系統平衡 水側系統平衡 噪音控制
竣工圖 系統驗收後的90天內，需對建築物的所有者提交實際安裝圖說的建造文件。圖上的記載應包括每一個最小設備的位置和性能資料，風管和水管系統的一般平面配置，包括尺寸及終端空氣或設計的水流量。
手冊 系統驗收後的90天內，需對建築物的所有者提交依據相關工會認可之標準所撰寫的操作、維修手冊，並且至少需包含以下各項: (a)提出每一個設備需要維修的資料，說明設備 尺寸及選擇的選配件。 (b)除了設備沒有裝置零配件以外，每一個設備 皆需要操作及維修手冊，並且需明定例行的 維修動作。
手冊 (c)至少一個維修代理商的名稱及地址。 (d)HVAC控制系統的維修和校準資訊，包含 線路圖、示意圖，和控制順序的描述。 希望或規定的設定點，該需永久記錄在 控制裝置的控制圖上或數位控制系統程 序設計的註解中。 (e)對每一個系統未來的操作方法及建議設 定點的完整敘述。
系統平衡 空調系統完工驗收時需依相關標準進行量測、平衡及調整，使風管風量及水量與設計值之差異必須低於10%。
系統平衡 空氣側系統平衡 空氣系統的平衡時，需首先打開風門使其損失減到最少，然後除了可變流量分配系統的調節裝置不需平衡以外(例如，校準過的VAV終端箱)，系統動力大於0.75kW(1hp)的風扇，其速度須被調整至設計的流量。
系統平衡 水側系統平衡 水系統的平衡時需首先打開節流閥使其損失減到最少，然後修整泵葉輪或調整泵速度至設計的流量。每個水系統應具有測量泵的差壓壓力的功能或者在每個泵的每側皆留有測試口。
噪音控制 辦公室及會議室之空調總噪音值應維持於40db(A)以下，並依環保署噪音管制規定設置避震設備、消音箱、消音百葉等設備。
窗型之效率 1.只有兩個馬達，送風與冷凝風量自然調配 2.送風路徑短，風機耗電約只有整體之15% 3.需輕薄短小，不易作高效率設計 4.分離式體積上有較大的彈性，效率較高 5.各別控制，可避免浪費 6.缺外氣與空氣淨化
COP之極限—以氣冷式為例 • 卡諾循環35℃熱沉25℃熱源COP=27.8 • 15℃送風增加10℃溫差後COP=14.4 • 考慮10℃冷凝熱傳溫差後COP=9.6 • 考慮10℃蒸發熱傳溫差後COP=6.95 • 系統▲P效應 5℃後COP=6.18 • 考慮壓縮機與馬達效率(75%)後COP=4.6 • 加上風機耗電(15%)後EER=4.03(3.46kcal/h/W)
單位 1992標準 1998標準 kW/RT EER or COP IPLV＝0.17A＋0.39B＋0.33C＋0.11D IPLV＝0.01A＋0.42B＋0.45C＋0.12D 其中：A＝於100%製冷能力時之kW/ton 【EER 或COP】 B＝於75%製冷能力時之kW/ton 【EER 或COP】 C＝於50%製冷能力時之kW/ton 【EER 或COP】 D＝於25%製冷能力時之kW/ton 【EER 或COP】 綜合部份負載值-Integrated Part Load Value ARI550/590 新舊版IPLV計算公式係數比較
空調節能設計概要 • 全面性之省能應包含至少以下之節能措施﹕ • 應用節能之空調科技 • 選用高效率空調設備 • 設計合理耗能之空調系統 • 以管理手法節約空調耗能 • 正確之維護使系統處在最省能之狀態
