冷凍空調變頻節能控制

1. 冷凍空調變頻節能控制 授課老師：蔡貴義 老師

2. 目錄 • 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

3. 1.中央空調系統附屬設備之變頻節能控制 • 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

4. 1-1前言 • 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 。

5. 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]。

6. 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。

7. 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。

8. 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。

9. 1-2中央空調系統架構(續) 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

10. 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)

11. 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。

12. 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。

13. 一般中央空調系統附屬設備常用的節能方法如下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。

14. 一般中央空調系統附屬設備常用的節能方法如下(續)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%。

15. 一般中央空調系統附屬設備常用的節能方法如下(續)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%。

16. 一般中央空調系統附屬設備常用的節能方法如下(續)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。

17. 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]： (2)

18. 1-3附屬設備變頻節能控制(續) • 上列式子中Qi、Pi、HPi以及Ni， ， ，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： (3)

19. 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。

20. 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。

21. 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。

22. 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。

23. 1-3附屬設備變頻節能控制(續) 圖二 室內空氣循環系統變頻節能控制

24. 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。

25. 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。

26. 1-3附屬設備變頻節能控制(續) 圖三 冷卻水循環系統變頻節能控制架構

27. 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。

28. 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。

29. 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。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。 圖四 多機系統變頻節能協調控制之架構圖

30. 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。

31. 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 • (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=5 )，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 )，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， Q=2.5 )。

32. 1-4變頻節能效果之評估計算(續) 圖五 中央空調冷卻散熱循環系統變頻節能控制架構

33. 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； • ：流體比重( ) • P ：揚程(m) • ：流量( ) • PLK ：泵浦軸功率(KW) • ：泵浦效率 • 計算結果如表一所示； (4)

34. (5) • (2)節省電費計算： 實際節省之電量可由(5)式計算得到； 圖六 冷卻水泵浦揚程-流量 (P-Q) 特性

35. 1-4變頻節能效果之評估計算(續) 表一 冷卻水泵浦軸功率

36. 1-4變頻節能效果之評估計算(續) • ：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) • ：驅動馬達之效率 • ：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

37. 1-4變頻節能效果之評估計算(續) 馬達效率 變頻器

38. 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： • 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。

39. 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。

40. 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。

41. 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

42. 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。

43. 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。

44. 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。

45. 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

46. 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。

47. 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。

48. 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。

49. 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%。

50. 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