監控系統在節約能源之應用 (空調系統)

目錄 一、前言 二、空調系統的組成 三、冰水主機耗電的因素 四、冰水主機能源效率標準 五、空調系統的節能 六、結論

前言 空調系統在現代社會中之使用量及重要性日漸增加，但能源浪費的情形亦日益嚴重，其實國內空調系統還有頗大之節能空間，因此欲藉著節約能源經驗的分享，產生拋磚引玉的效果，進而達到節省空調用戶電費支出及降低國家用電壓力的雙贏目標。 空調系統已成為日常生活必需品。尤其是最近幾年空調系統成長的速度更是驚人，除了公共場所及家中所使用的冷氣之外，工廠內為了配合人員舒適需求或是因生產製程環境要求所使用的冷氣，更是大幅成長，當產品愈精緻，空調的用電量就愈大。例如，以前的紡織廠是在門口噴水來增加廠房濕度就能滿足生產的需求，但如今因產品的精緻化及機台產量的增加，不僅是需要空調來排除機台熱負載，對廠內空氣溫濕度的要求更是愈來愈嚴格，其結果是造成空調負載及空調用電的增加。又如目前最熱門的IC產業，根據調查，在同一廠房面積下，潔淨度每升高一級。其空調耗電量約增加三倍。因此，若能在不影響空調品質的情況下，減少空調耗電量，即可達到空調節能的目標。

空調系統的組成 在談節能之前，應對中央空調系統流程做一全面性的瞭解。中央空調系統可以說是一連串驅動流體流動的動件（如泵、風扇及壓縮機）、各種型式的熱交換器（如冷卻除濕盤管、蒸發器、冷凝器及散熱材）及連接各種裝置的管線（如風管、水管及冷媒管）所組合而成的。中央空調系統可分為下列五個循環： 1. 室內空氣循環。 2. 冰水循環。 3. 冷媒循環。 4. 冷卻水循環。 5. 室外空氣循環。 中央空調系統是由這五個循環相扣所形成的，就如連環炮般一環連著一環，而改變其中一個或一個以上循環，就變化成其他形式空調系統。例如少了冰水循環就是水冷式箱型機；少了冷卻水側就變成氣冷式冰水主機；同時少了冰水及冷卻水系統就變成一般家庭常見的窗型機或分離式冷氣機。

冰水主機耗電因素 冷卻水塔異常 冷凝器熱交換不良 冷凝器所需冷卻水流量異常 蒸發器冷媒不足 負載操作不當 逾時定期維護保養 機台設備老舊 空調系統規劃設計不良 人為因素

耗電百分比 耗電百分比 可控制的因素 冷凝器銅管因表面結垢導致冷媒溫度上升1度C耗電3% 冷凝器所需冷卻水流量因不足(低於85%)耗電3% 冷凝器冷媒系統內因有不凝結氣體每上升1PSIG耗電3% 蒸發器因冷媒不足及熱交換率效率每下降1度C耗電3% 蒸發器因冷媒與油混合超過5%以上,其熱交換率每下降1度C耗電3% 負載因操作不當(50%以下運轉)耗電15% 冷卻水塔效率每下降1度C耗電2% 可控制的因素 冷卻水入水溫度每調降1度C可省1.5%電費 當(室內)溫度達到設定值時冰水出水溫度可自動調高,每調升1度C可 省2%電費 室內溫度每調高1度C可省6%電費 階段性時間分配(高負載與低負載作平均分配)可省6%電費 當春秋冬季夜間外氣低於20度C,可將冰水出水溫度提升3度C(例如:原設定7度C可自動提高為10度C)可省6%電費 以上資料來自經濟部能源委員會

空調系統冰水主機能源效率標準 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 型        式 冷卻能力等級 能源效率比值(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 4.30 5.00 ≧150RT <300RT 4.77 5.55 ≧300RT 5.25 6.10 冷氣式 全機種 2.40 2.79 註：   1.冰水機能源效率比值(EER)依CNS12575容積式冰水機組及CNS12812離心式冰水機組規定試驗之冷卻能力(Kcal/h)除以規定試驗之冷卻 消耗電功率(W),測試所得能源效率比值不得小於上表標準值，另廠商於產品上之標示值與測試值誤差應在百分之五以內。 2.性能係數(COP)=冷卻能力(W)冷卻消耗電功率(W)=1.163EER。1 RT(冷凍噸)=3024Kcal/h。

空調系統的節能 由上節可知，構成空調系統的元件不外乎熱交換器與流體機械二種。熱交換器是作為高低溫二種工作流體能量交換的設備，諸如冰水盤管、蒸發器、冷凝器與冷卻水塔散熱材等；流體機械則是推動工作流體循環的動力源，諸如風車、泵與冷媒壓縮機等。當任何一組熱交換器之效果不好時，會增加系統耗電率（kW/RT），不是系統耗電量增加，就是冷凍能力下降。例如冰水主機之蒸發器或冷凝器內管排表面上結垢時會使熱傳效果變差，而使其接近溫度變大，冰水機高低壓差也跟著變大，耗電率也就變大。

節能---契約容量控制冰水主機卸載 即時電力用量偵測 即時電力需量預測 即時電力用量突昇超過契約容量時 於台電責任方界點後(MVCB盤內)裝設一數位式多功能電錶 讀取 MOF Digital Multimeter 電壓、電流、功率因數、即時消耗功率、用電量(度，kwh)等，即時電源使用情形。 即時電力需量預測 即時電力用量已開始接近契約容量時 以過去 3 分鐘電力用量，預測未來 1 分鐘電力需量 如有超過去契約容量之慮時，立即進行卸載 即時電力用量突昇超過契約容量時 立即以超過契約容量 1.1 倍 之緊急卸載容量卸載 即時電力用量如恢復正常時，(低於契約容量 95%)，此緊急卸載容量漸減至 0為止

節能---契約容量控制冰水主機卸載 冰水主機即時電力用量偵測 冰水主機卸載容量計算 由已知電壓、 Digital Multimeter 讀得功率因數、及冰水主機上量得三相平均電流，可算得冰水主機即時消耗功率 冰水主機卸載容量計算 由計算所得冰水主機卸載容量，可再算得冰水主機所應降低之電流 與冰水主機即時電流比較，可再算得冰水主機馬達電流限制值

節能---契約容量控制冰水主機卸載 將計算所得冰水主機馬達電流限制值送到冰水主機控制盤，本控制器將限制冰水主機馬達電流不超過此值，即使冰水主機冰水出水溫度高過設計值，此時空氣側溫度即有可能開始上昇，使得即時電力用量確保在契約容量內運轉，而不超過契約容量

經由PLC 與冰水主機通訊可提供以下 原廠冰水主機訊息： York Chiller 冰水出水溫度遙控模式設定值 馬達電流百分比上限遙控模式設定值 冰機啟/停遙控模式設定狀態 目前冰水出水溫度設定值 目前馬達電流百分比設定值 油壓差 油槽溫度 油濾網壓差 回油電磁閥狀態 低油位保護開關 吐出口溫度 冰機累積運轉小時數 冰機啟動次數 最小運轉電流限制

經由PLC 與冰水主機通訊可提供以下 原廠冰水主機訊息： York Chiller 滑動閥開度 馬達運轉狀態 冰水泵連鎖啟動點狀態 冰機啟/停開關位置[啟(OPEN)/停(MADE)] 冰水水流開關狀態 Eductor solenoid status 防再啟動剩餘時間 冰機警告碼 冰機操作碼 安全停機代碼 循環停機代碼 主機再循環啟動冰水溫度 軸封壓差

經由PLC 與冰水主機通訊可提供以下原廠冰水主機 YSM Operational Code 訊息： York Chiller Unit Stopped - Ready To Start 冰機停機-系統運轉準備就緒 Unit Stopped - Local Shutdown 冰機停機-手動停機 Unit Stopped - Remote Shutdown 冰機停機-遙控停機 Unit Stopped - Warning Active 冰機停機-警告產生 Unit Stopped - Cycling Shutdown 系統循環停機-自動啟動 Unit Stopped - Safety Shutdown 冰機停機-安全停機 Unit Start Inhibit 冰機禁止啟動 Unit Starting 冰機啟動中(預潤滑) Unit Running - No Abnormal Condition 冰機運轉-運轉正常 Unit Running - Warning Active 冰機運轉-警告產生 Unit Running - Chiller Unload Before Shutdown 冰機運轉-葉片在關機前關閉 Unit Lockout Delay 系統鎖定延時 經由PLC 與冰水主機通訊可提供以下原廠冰水主機 YSM Operational Code 訊息：

經由PLC 與冰水主機通訊可提供以下原廠冰水主機 YSM Warning Code訊息： York Chiller No Abnormal Condition 系統正常 Real-Time Clock Failure 即時時鐘故障 Default Setpoints Loaded 設定值被覆蓋 Evaporator Or Condenser Transducer Error 蒸發器或凝結器壓力感測器出錯 Evaporator - Low Pressure Limit 蒸發器低於壓力限制值 Condenser - High Pressure Limit 冷凝器高於壓力限制值 Condenser Transducer Error 凝結器壓力感測器出錯 Condenser - Freeze Threat 冷凝器-結冰危險 Oil - High Temperature 潤滑油-溫度過高 Motor - High Current Limit 超出馬達電流極限 Oil - Filter Dirty 警告-油過濾髒 Maximum Load - Load Limit 警告-最大加載-加載限制 Minimum Load - Load Limit 警告-最小加載-加載限制 Low Discharge Superheat Limit 警告-排氣過熱溫度低於低限值 Low Discharge Superheat Detected 警告-檢測到排氣過熱溫度過低 Slide Valve Uncalibrated 警告-滑動閥未校準 Freeze Threat - Condenser Flow Switch 警告-結冰危險,冷凝器流量開關斷開 經由PLC 與冰水主機通訊可提供以下原廠冰水主機 YSM Warning Code訊息：

經由PLC 與冰水主機通訊可提供以下原廠冰水主機 YSM Cycling Code訊息： York Chiller No Abnormal Condition 冰機正常 Multi-Unit Cycling - Contacts Open 多機組啟停-接點開斷 System Cycling - Contacts Open 系統啟停-接點打開 Oil - Low Temperature 潤滑油-溫度過低 Control Panel - Power Failure 控制中心-斷電 Leaving Chilled Liquid - Low Temperature 冰水出水-溫度過低 Leaving Chilled Liquid - Flow Switch Open 冰水出水-水流開關斷開 Condenser - Flow Switch Open 冷凝器-流量開關斷開 Motor Controller - Contacts Open 馬達控制器-接點斷開 Motor Controller - Loss Of Current 馬達控制器-電流損耗 Power Fault 斷電 Control Panel - Schedule 控制中心-時間表 Starter - Low Supply Line Voltage 啟動器-線電壓過低 Starter - High Supply Line Voltage 啟動器-線電壓過高 經由PLC 與冰水主機通訊可提供以下原廠冰水主機 YSM Cycling Code訊息：

經由PLC 與冰水主機通訊可提供以下原廠冰水主機 YSM Safety Code訊息： York Chiller No Abnormal Condition 冰機正常 Evaporator - Low Pressure 蒸發器壓力過低 Evaporator - Transducer Or Leaving Liquid Probe 傳感器或出水溫度探頭 Evaporator - Temperature Transducer 出水溫度感測器異常 Condenser - High Pressure Contacts Open 高壓保護接點斷開 Condenser - High Pressure 壓力過高 Condenser - Pressure Transducer Out Of Range 壓力感測器超出範圍 Auxiliary Safety - Contacts Closed 輔助安全停機-接點閉合 Discharge - Low Temperature 排氣-溫度過低 Discharge - High Temperature 排氣-溫度過高 Oil - High Temperature 潤滑油-溫度過高 Oil- High Pressure 潤滑油-壓力過高 Oil- Filter Clogged 潤滑油-過濾器堵塞 Oil - Low Seal Differential Pressure 潤滑油-軸封壓差過低 Oil - Low Separator Oil Level 油分離器-油位過低 Control Panel - Power Failure 控制中心-斷電 Motor Or Starter - Current Imbalance 馬達或啟動器-電流不平衡 Starter - Invalid Motor Selection Oil Or Condenser Transducer Error 潤滑油或冷凝器壓力感測器錯誤 Evaporator - Low Pressure - Smart Freeze 蒸發器壓力過低-智能防凍 經由PLC 與冰水主機通訊可提供以下原廠冰水主機 YSM Safety Code訊息：

冰水一次側泵遠端監控 改善前: 改善後: 台中縣政府冰水系統，計有四台冰水一次側泵。 冰水一次側泵之啟動/停止操作，及泵運轉中/泵停機中的指示燈號均在地下室冰水主機機房內的馬達控制面盤上操作及指示。 改善後: 為方便人員操作及了解冰水一次側泵運轉狀態，遠端監控是唯一方案。 將冰水一次側泵運轉/停機信號拉至可程式控制器，並於辦公室內經圖控電腦了解泵運轉/停機狀態，並可經由辦公室內圖控電腦下達啟動/停止泵指令，由可程式控制器輸出控制信號，與現有馬達控制面盤內之啟動/停止控制線路作並/串聯，以達到遠端啟動/停止冰水一次側泵。

冰水區域泵遠端監控 改善前: 改善後: 台中縣政府冰水系統，計有七台冰水區域泵。 冰水區域泵之啟動/停止操作，及泵運轉中/泵停機中的指示燈號均在地下室冰水主機機房內的馬達控制面盤上操作及指示。 改善後: 為方便人員操作及了解冰水區域泵運轉狀態，遠端監控是唯一方案。 將泵運轉/停機信號拉至可程式控制器，並於辦公室內經圖控電腦了解泵運轉/停機狀態，並可經由辦公室內圖控電腦下達啟動/停止泵指令，由可程式控制器輸出控制信號，與現有馬達控制面盤內之啟動/停止控制線路作並/串聯，以達到遠端啟動/停止冰水區域泵。

冷卻水泵遠端監控 改善前: 改善後: 台中縣政府冰水系統，計有四台冷卻水泵。 冷卻水泵之啟動/停止操作，及泵運轉中/泵停機中的指示燈號均在地下室冰水主機機房內的馬達控制面盤上操作及指示。 改善後: 為方便人員操作及了解冷卻水泵運轉狀態，遠端監控是唯一方案。 將冷卻水泵運轉/停機信號拉至可程式控制器，並於辦公室內經圖控電腦了解泵運轉/停機狀態，並可經由辦公室內圖控電腦下達啟動/停止泵指令，由可程式控制器輸出控制信號，與現有馬達控制面盤內之啟動/停止控制線路作並/串聯，以達到遠端啟動/停止冷卻水泵。

冷卻水風扇遠端監控 改善前: 台中縣政府目前共有三座冷卻水塔，每座冷卻水塔計有四台冷卻風扇，合計12台冷卻風扇。 每台冷卻風扇於地下室冰水主機機房內的馬達控制面盤均有一手動/停止/自動切換開關、啟動/停止按鈕及泵運轉中/泵停機中的指示燈號。 當冷卻風扇切置手動後，可於面盤上的啟動/停止按鈕啟動/停止該冷卻風扇； 當冷卻風扇切置停止後，則該冷卻風扇停止運轉； 當冷卻風扇切置自動時，如水管上的溫度感測過高則自動啟動冷卻風扇，(目前即使所有冷卻水泵均停機，水管經日曬後該溫度偵測器感測到高溫，因此自動將冷卻風扇啟動，但如將冷卻水泵啟動，冷卻水在水管內開始流動，溫度偵測器量測恢復正常，因此冷卻風扇又停止了)。

冷卻水風扇遠端監控 改善後: 當冷卻風扇切置自動時，加一啟動限制條件，即當所有四台冷卻水泵均停機時，即使水管上的溫度感測過高，亦不可自動啟動，唯有在至少有一台冷卻水泵有在運轉，且水管上的溫度感測過高，方可自動啟動冷卻風扇。

污水、廢水、揚水、井水馬達節約控制 改善前: 改善後: 污水馬達8台，廢水馬達16台，揚水馬達6台，井水馬達1台於尖峰用電時段內啟動運轉，耗費電量甚多。 改善後: 加裝一組自動控制，限制啟動條件及時間，並於離峰時間內作功，馬達運轉將各污廢水排放淨空污水池，揚水馬達將水塔蓄水充滿，於日間使用，如此切換馬達於離峰運轉，節省原來電費2/3~4/5，成效良好。

結論 運用監控系統來嚴密控制指揮空調系統，進而達到節能需求，已是應用趨勢，且各項監控技術也日趨成熟。在未來節約能源的規劃上，發揮一定的角色與功能。