儲冰式空調系統

內容 前言 儲冰式空調系統概述 儲冰式空調系統可行性評估 案例探討 結語與建議

前言 近年來，由於國民所得提高，冷氣負載大幅增加，導致電力系統尖峰負載激增。因此，如何推廣儲能空調系統至一般大型商業辦公大樓及工業界使用，為現階段最直接也是最有效的負載管理方式。國內現在雖有少數大樓採用儲冰系統或冰水儲存系統，但一般而言其回收年限太過於長久，因此無法有效的推廣。

儲冰式空調系統概述 基本原理 優缺點 運轉操作方式 儲冰方式

基本原理 人類在幾千年前利用嚴寒冬季湖泊凍結的冰塊，切割成為冰磚，儲存於地窖中，以備炎熱的夏季使用。 在電力離峰時間，利用儲冷介質將冷能儲存。 尖峰時段將冷能釋放用於滿足空調需求或冷卻負載。

系統組成設備 儲冰式空調系統係由 一個或數個儲冰設備 管線（Pipings） 閥門（Valves） 控制裝置（Control device） 空調系統（HVAC） 冰水機組（Chiller unit） 空調機（Air handling unit） 室內送風機（Fan coil unit） 泵(Pump) 等元件的組合系統 黃建翔、林志明 編

儲冰式空調系統優點 冷凍主機容量降低，電力設備費用與機械室面積減少，受電容量設備可減少。 冷凍主機均處於滿載運轉，電力負載平均及電力供給平穩。 運轉費用減少，此因冷凍主機容量降低，減少基本電費之支出。且主機處於高效率狀況下，可節省電力，並且享受電力公司離峰時段優惠的時間電價，而減少流動電費的支出。 空調區間設備容量減少、噪音降低，此乃由於儲冰式空調區間出水溫度較低之原故。 提供消防系統之用水，節省保險費用。

儲冰式空調系統之優點 相對溫度低，係因為低溫經過冷卻盤管時，除濕量多，室內相對濕度降低，空調區間品質、舒適性均較高。 利用送水泵浦，可以分區相當精細。 可與汽電共生配合，回收熱能並增加經濟效益。 儲冰設備在機器損壞或保養時，可以馬上供應空調區間之冷房能力 提高電力系統設備利用率。 抑制電力之尖峰用電負載，達到平衡尖離峰時電力負載。 結合區域冷房系統，降低初設費用及運轉費用，更具節能功效。

儲冰式空調系統之缺點 增加儲冰設備之裝置費用與空間。 製冰時，蒸發溫度降低，冷凍主機製冷能力降低，單位耗量增加。 系統設計規劃較複雜。

儲冰式空調系統運轉操作方式 主機利用夜間離峰電力將尖峰所需的空調負載，以製冰或冰水的方式將冷能儲存起來，而於白天尖峰時段釋放出來，以供空調負載，而方式分成下列兩種 全量儲冰式 分量儲冰式

全量儲冰式 空調系統於離峰時段全載運轉儲冰，白天尖峰時段空調主機完全停止運轉，而由儲冰槽供應空調所需全部負載，將尖峰時段所需之空調電力全部轉移至離峰，故尖離峰電價差越大時最有利。 全量儲冰式

儲冰過程

空調過程

分量儲冰式 分量儲冰式藉冷凍主機全日運轉，在離峰或非空調時段儲冰，待尖峰或空調時段由儲冰設備提供空調能力，不足部份則再運轉冷凍主機分擔部份空調負載。 分量儲存式

儲冰過程

空調過程

分量儲冰式設備之運轉順序 分量儲冰式依冷凍主機，儲冰設備藉由運轉順序不同，可再分為： 冰水機優先運轉 儲冰設備優先運轉

冰水機優先運轉 係空調負載大於冷凍主機容量時，優先運轉冷凍主機，不足之空調負載則由儲冰設備補充備應。在空調負載低於冷凍主機容量時，則不需儲冰，而冷凍主機均運轉於較高的蒸發溫度下，以冷凍主機的運轉效率較高。

儲冰設備優先運轉 空調時，優先運轉儲冰設備提供空調負載，不足之空調負載，則運轉冷凍主機補充，當空調負載較小時，可全部由儲冰設備供應，而僅需離峰或非空調時段造冷，充分利用電力公司離峰時段的優惠電價。但因運轉之冷媒蒸發溫度較低，所以主機運轉較耗電。

全量及分量儲冰系統特性比較 比較值 種類 全量儲冰式 分量儲冰式 初設費用 高 低 主機容量 大 小 運轉時間 短 長 主機效率 普通 較佳 轉移電力 最多 較少 適用位置 負載大使用時間短如：教堂、會議室 負載小使用時間長如：醫院、旅館 項目

結冰方式 空調回來之滷水通過結冰管路之內部而使之結冰的方式分為: 內溶冰式 外溶冰式

內溶冰式 內溶冰係指藉空調回水(滷水)通過結冰管路之內部而使結冰層自管壁處逐漸向外溶化之方式。此模式由於熱阻關係，使溶冰釋冷之速率受阻，影響滷水未能充分與冰、水進行熱交換，使溫度上升。

外溶冰式 外溶冰則係藉空調回水(滷水)通之溫水，直接進入結滿冰層的儲冰槽內，融冰方式係將冰自外而內逐漸的溶解。此模式由於空調回水直接與冰直接接觸溶冰的結果而有較佳的熱交換效率，因此大抵可維持相變化溫度（0℃）左右，約（1℃）左右之離槽溫度。

冷媒離開儲冰槽之溫度變化

儲冰方式 冰盤管式 完全凍結式 製冰滑落式 優態鹽(無機鹽)類 儲冰水方式

冰盤管式 將冰直接結在冷媒盤管上。 冷凍系統的蒸發器盤管伸入儲冰槽內構成結冰時候的主幹管。 溶冰時則使空調系統之回水直接沖蝕桶內之冰而溶釋出冷凍能力。

完全凍結式 儲冰桶內以PVC管當結冰盤管。 管內通以冷水(滷水)，依內溶冰方式在儲冰桶內將水凍結。 溶冰釋冷係藉由空調區之溫滷水通過結冰盤管之內部融化釋冷。 採用間接冷凍方式

完全凍結式儲冰系統運轉模式 白天空調模式 夜間製冰模式

製冰滑落式 以冷媒蒸發溫度控制結冰厚度。 結冰達到一定厚度時，即利用熱氣除霜方式將裸板上結冰層刮除，掉進儲冰槽中。 製冰滑落式設計要點： 儲冰槽須有足夠的高度。 儲槽本身須有適當的深度。 須考慮溶冰釋冷時之水路設計。

製冰滑落式

優態鹽(無機鹽)類 優態鹽一般係指水、無機鹽類及添加劑等不同配方所組成之混合物。 日前廣用之商用品有42℉及47℉進行相變化兩種。 具較高之結凍溫度，可採用較佳效率之一般冰水主機。 須具自動切換控制閥之線路。 須注意在高除濕要求下之盤管選取。 儲冰槽與冰水主機之間的水路系統設置穩壓閥與安全閥 。 優態鹽類成本較高。

優態鹽(無機鹽)類 優態鹽類特點： 可使用一般的冰水主機系統 採一般傳統式冰水系統設計 不須設計冷凍管線 不須額外之水處理 保養容易 設計各類之運轉模式彈性較大

儲冰水方式 即傳統式系統再加上冰水儲冰槽所組成 。 以冰水之顯熱能力蓄冷 。 溫度範圍為一般之空調冰水溫度 。

儲冰式及儲冰水式之比較 比較值 種類 儲冰式 儲冰水式 容量體積 小 大 壓縮機消耗動力 循環泵消耗動力 冷凍效果 佳 不佳 蓄冰效率 高 低 所佔體積(m3/RT-HR) 0.04 0.3~0.5 項目

儲冰式空調系統可行性評估

儲冰式空調系統可行性評估 設計者考慮之事項 輸入基本資料 計算所需之冷凍能量 選取冷凍主機容量及主機運轉操作模式 決定儲冰設備容量 預估耗電量 運轉、初期投資及維修保養費用 經濟效益評估

儲冰式空調系統可行性分析流程圖 設計者考慮之事項 輸入基本資料 決定儲冰設備容量 計算所需之冷凍能量 預估耗電量 選取冷凍主機容量及主機運轉操作模式 運轉、初期投資及維修保養費用 經濟效益評估

設計者考慮之事項 電價結構 建築物之類型 空間可利用率 業主的要求

電價結構 儲冰式空調系統夾帶著其優越之「負載轉移」及「負載攤平」等功能。因此須要電力公司儘量拉大時間電價的差距，才得以享受節省運轉電費之益。

建築物之類型 不同類型建築物，其空調負載型態亦不相同。就建築物空調使用時間及用途不同，可區分為四類： 第一類：全天使用空調的建築物，其空調負載變動率不高 且較平均，如醫院、觀光旅館及生產工廠等。 第二類：白天及晚上使用空調的建築物，如百貨公司、餐 飲店及電影院等。 第三類：白天使用空調的建築物，如商業辦公大樓。 第四類：晚上使用空調的建築物，如娛樂場所。 我們可以很明顯得知，第三類商業辦公大樓之空調負載較集中且發生在電費較貴的尖峰時段，因此若採用儲冰系統，即能充分享受電力公司所提供之優惠離峰時段電價，是深具發展儲冰式空調系統潛力的建築物。

空間可利用率 儲冰設備之規劃深受擺設位置，建築物結構型態和冷凍機組位置的影響。儲冰槽空間的大小，亦影響選取儲冰設計的類別。

業主的要求 業主對儲冰式空調系統種類的特殊偏好，都會影響儲冰式空調系統的最後選擇。

輸入基本資料 當地的氣象資料 建築物之類型及結構 工程設備資料 空調區間設計之條件

當地的氣象資料 儲冰式空調系統必須很準確的計算動態的逐時空調負載。而外界的氣象條件如外氣之乾球溫度、濕球溫度、日射量、雲量、風向及風速皆是影響動態空調負載的六大重要因素。

建築物之類型及結構 由前述知建築物可區分為四大類型，不管何類型的建築物，其結構型態對於動態的空調負載影響很大，此及因建築物外殼接受日照後，產生相當程度的熱質量效應，而使白天的熱取得，由於時滯現象，反應於空調負載上，而產生峰值減小及熱傳波振幅漸減之現象。

工程設備資料 基於儲冰式空調系統乃是一種系統的組合，因此對各元件的性能效率，必須加以分析，藉此選取最佳組合元件。 一般儲冰式空調系統，其組合元件可區分如下： 儲冰設備側 冷凍設備主機 冷卻排熱裝置

空調區間設計之條件 包括室內、外的設計溫度及濕度以及空調使用時間之時序。

計算所需之冷凍能量 此部份實際那逐時空調負載計算，有以下兩種方式： 以動態空調負載計算逐時負載 以參數估算法

選取冷凍主機容量及主機運轉操作模式 由前述知我們必須考慮冷凍主機因蒸發溫度降低，所產生「冷凍能力的打折」效應。 冷凍主機在空調（冷房）及製冰（儲冰）時段，所產生的冷凍能量，須滿足計算所需冷凍能量之最大空調負載能量。

決定儲冰設備容量 儲冰設備容量深受建築物空調的尖峰負載、最大空調負載能量（指「冷凍噸小時」）以及運轉操作模式等之影響。

預估耗電量 能源消耗除因系統組件之性能效率優劣影響外，尚受全年氣象條件所左右。 我們可以根據系統組件（如冷凍主機、冷卻排熱裝置、儲冰設備、泵、攪拌裝置、空調箱及室內送風機等）製造廠商所提供之資料，選取較佳組件之性能率，一般性能效率以KW/RT表示。 再依據整年的氣象資料，計算出全年1至12月各月份之平均空調負載能量，此即各月份能源消耗之預估值。

運轉、初期投資及維修保養費用 運轉費用即儲冰式空調系統的流動電費與基本電費之總和。其中，流動電費係由預估耗電量，依據空調負載能量和組件性能效率，再加上電力公司的時間電價表，基本電費乃依據契約容量而得。 初期投資費用在儲冰式空調系統中，除了傳統式中央空調系統之組件外，尚須包括儲冰的設備。有時還包括自動控制系統的投資。

經濟效益評估 欲作整個儲冰式空調系統可行性之評估，除了系統性能效率外，尚無法充分表現其可行性分析。因此我們必須將整個系統換算成費用，然後與傳統式中央空調系統作比較，選取最有經濟效益的系統。

案例探討 系統背景簡介 系統運轉模式 系統耗電量比較 經濟效益分析

系統背景簡介 建築物名稱：中山大學理工實驗大樓 建築物位置：台灣南部高雄市西子灣 建 築 方 式：三棟六樓各自獨立的混凝土結構建築 空調總面積：7482m2 最大空調負載：420冷凍噸 所需冷凍量：3915冷凍噸小時 冷 凍 主 機：離心式冷凍主機（200冷凍噸2台） 儲 冰 設 備：優態鹽（35640塊） 室內設計條件：乾球溫度26℃，相對溼度50% 時 間 電 價 ：二段式電價 基本電費：NT＄171/KW/月 流動電費：尖峰NT＄1.83/KWH 離峰NT＄0.96/KWH 儲 冰 時 間：週一～週五 22：30－7：30 空 調 時 間：週一～週五 8：00－18：00 週六 8：00－13：00

系統運轉模式 儲冰過程（無負載時） 儲冰過程（有負載時） 分量儲存（主機優先） 全量儲存（旁通主機） 分量儲存（並聯式） 分量儲存（儲冰槽優先）

系統耗電量比較 傳統模式耗電率為：1.2KW/RT 儲冰式的尖峰耗電率為：1.35KW/RT 離峰耗電率為：1.07KW/RT 儲冰式轉移44.4%的尖峰負載至離峰時段 儲冰是比傳統模式多耗2.1%的電 儲冰槽的大小影響系統最佳化及初期投資成本

經濟效益分析

初設費用 增加部份： 減少部份： 初設費用合計增加：NT＄4348030 優態鹽及補助水泵 NT＄7000000 自動控自系統 槽體防水及配式元件 NT＄600000 增加部份合計 NT＄8680000 減少電源電路補助費 NT＄365220 減少電力費用補助費 NT＄710150 離心式主機一台 冷卻水塔 冷卻水泵浦 冰水泵浦 NT＄3256600 減少部份合計 NT＄4331970

操作費用 系統運轉電量比較： 基本電費（契約容量）：416556元/年 流動電費：204552元/年 減少變壓器自耗損失：152175元 減少維護保養費：180000元 每年可節省種電費為953283元，比傳統式節省27.4% 傳統式 儲冰式 KWH/年 716909 734120

結論與建議 系統趨於最適化的方式 儲冰系統之最適化運轉 時間電價之合理訂定 套裝式小型儲冰空調系統

參考文獻 李靖男，「儲冷式空調系統之應用與經濟效益評估」， 國立中山大學機械工程研究所碩士論文，1988 楊冠雄，「儲冷式空調系統分析」，1998 蔡尤溪、李宗興，「儲冰空調系統技術」，2004

~報告完畢~