ASHRAE 189.1&90.1在LEED 認證體系之應用 台北科技大學 能源與冷凍空調系 蔡尤溪教授

ASHRAE/USGBC/IESNA 189.1 ASHRAE/IES 90.1 Standard for the Design of High-Performance Green Buildings Except Low-Rise Residential Buildings ASHRAE/IES 90.1 Energy Standard for Buildings Except Low-rise Residential Buildings

冷凍空調技術之發展史 －為人類帶來幸福生活  -1842年美國John Gorrie以風吹過冰塊製造冷風治療 發高燒病人 -1902年Willis Carrier成功以機械方式製造冷氣 -1960年代美國軍方發展無塵室標準 -1980年代美國ASHRAE公佈室內空氣品質標準 -1990年代美國ASHRAE建築防煙列入空調技術 -1990年代美國ASHRAE建立建築節能標準 -冷凍空調已發展成－整合機電系統與建築設備工程之 科技( 如BACnet網路通訊協定)

ASHRAE/USGBC/IESNA 189.1 空調部份與90.1之比較 ASHRAE/IESNA Standard 90.1(基本) Energy Star Equipment Energy Metering(~100RT) Indoor Environmental Quality (62.1) 只允許通風量程序(不可以濾淨取代部份 外氣量) 要求CO2 monitoring 一般需將CO2濃度控制在800 ppm

為何LEED? 美國冷凍空調學會、綠建築協會及照 明學會共同推動 目的為對公共衛生、室內環境、能源 費用及管理有顯著之助益 美國冷凍空調學會、綠建築協會及照 明學會共同推動 目的為對公共衛生、室內環境、能源 費用及管理有顯著之助益 同時對建築市值提供一種具體評估 對人員提供高生產力之環境 當然有助於永續環境發展

能源與環境之評估項目 --必要項目 建築耗能系統項目之性能確認 (commissioning) 包括冷凍空調及相關控制、照明及控制、 熱水系統、再生能源 節能設計之最低門檻(ASHRAE 90.1如 前述) 冷媒系統如環保冷媒之應用及冷媒回收 等

能源與環境之評估項目 --評分項目(得分) 能源應用最佳化，節能方法之應用如 ASHRAE Advanced Energy Design Guide(各類 建築) 再生能源之應用 加強建築能源系統之性能確認 自設計目標階段開始至驗收 加強冷媒處理 降低臭氧層破壞(ODP)及降低溫室效應(GWP) Measurement & Verification建築能源管理監測 Green Power使用再生能源電力

空調節能設計與實現 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(依政府規範或能源之星) 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

系統負荷及容量設計 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。對於舊建築之改善設計，也可參考原設計與測量實際之系統容量作為空調需求之估計。 建築空調負荷計算程序，應根據一般公認的工程標準或具有國際權威與接受的工具書所採用之方法，例如美國冷凍空調學會的標準及工具書-(Fundamentals）。

RTS的計算流程 將 各 項 逐 時 熱 得 分 成 輻射 和 對流 兩 部 分 Σ= 總熱得 計算各外表面逐時的太陽輻射強度 計算逐時的 窗戶輻射熱得 將 各 項 逐 時 熱 得 分 成 輻射 和 對流 兩 部 分 加總各項 逐時對流熱得 計算各表面逐時的太陽空氣溫度 計算逐時的 窗戶傳導熱得 Σ= 總熱得 用PRF計算逐時的表面傳導熱得 計算逐時的 燈具、人員、設備熱得 將各項輻射熱得用RTS法計算後加總 計算逐時的 外氣負荷

台北科大RTS -1 建築外殼構造對空調負荷之影響 假設在此建築之外牆構造為鋼筋混凝土外牆(U值=3.49W/m2K)基礎上， 在外表面對流係數外加上一空氣層與花崗石，以此新外殼做研究。本 研究以PRF/RTF Generator程式，得到新外殼(U值=2.197W/m2K)之週 期反應係數(PRF, Periodic Response Factors)如右下表所示。 時刻 外牆 1 0.0039605 13 0.0125657 2 0.0236999 14 0.0109189 3 0.0411073 15 0.0094879 4 0.0419865 16 0.0082445 5 0.0380431 17 0.007164 6 0.0334413 18 0.0062251 7 0.0291531 19 0.0054092 8 0.0253556 20 0.0047003 9 0.0220383 21 0.0040843 10 0.0191515 22 0.003549 11 0.0166419 23 0.0030839 12 0.0144609 24 0.0026797 PRF/RTF Generator程式輸入介面 新外殼之週期反應係數(PRF)表

建築外殼約占空調負荷之1/3

室外設計條件 (0.4%之極端設計值) 冷房 暖房 最大乾球溫度(℃) 對應平均濕球溫度(℃) 最小乾球溫度 (℃) 台北 34.6   冷房 暖房 最大乾球溫度(℃) 對應平均濕球溫度(℃) 最小乾球溫度 (℃) 台北 34.6 26.8 8.8 新竹 34.0 27.3 8.6 台中 34.2 27.7 7.5 台南 33.2 27.1 10.4 高雄 33.1 26.3 11.2 花蓮 32.0 26.7 11.7

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。 每一度C影響空調耗電~5-6%

離峰控制 空調系統冷暖房能力大於19kW及風扇馬力大於0.5kW時應具有下列之自動控制功能： 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。 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㎡空調樓地板面積及一個樓層。

離峰控制 密閉停車場之排氣風扇送風量大於14000 L/s 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： 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。 規範之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 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） 量販店外氣控制—96年張寅祺碩士論文 空調耗電量(kWh) 節能百分比(%) 年總耗電量(kWh) 原案例(台北) 4723050 - 9716766 人數控制外氣量(台北) 4122667 12.71 9115543 6.18 原案例(台中) 4701703 9687149 人數控制外氣量(台中) 4156096 11.60 9142771 5.62 原案例(高雄) 5262998 10266029 人數控制外氣量(高雄) 4515741 14.19 9518786 7.27 量販店外氣控制—96年張寅祺碩士論文

空調用水泵節能技術

可變水量系統 流量可控制至原設計流量的50%或以下。 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。

泵耗電量與流量有三次方之關係 當流量下降至80%時耗電量可下降至51%。 泵耗電量與流量之關係

冰水側變流量系統之操作 變流量系統(VWV) 因應空調負載變化而改變，當負 載低時定流量系統以旁通法減少冷卻量，變流量系 統則以控制閥減少水流量而實際達到變流量之目的。 簡要來說，定流量系統採用三通閥，以旁通作為冷 卻能力及溫度控制，而變流量系統則採用二通閥， 以改變流量控制溫度。 在負載側變流量與定流量之設計比較

變流量(VWV) 與傳統 定流量 系統比較

變流量系統(VWV)之操作 系統設計觀念為將熱源(主機)與負載側之送水系統分開 控制，其控制介面為一個共同管(common pipe)。 共同管之左側為主迴路(primary loop)，為空調主機機 房內之水循環系統。 熱源側之送水距離短，且送水量隨主機之開啟數變化， 耗能較小。 在負載側方面，其之送水系統(或稱二次迴路， secondary loop)亦需有泵浦作為動力，因送水之距離 長，為送水系統之主要耗能之處，亦是VWV 系統主要節 能之處，系統較大者甚至有三次(tertiary)泵。

可控溫之二次負載迴路 在一些應用上需控制負載側之冰水溫度，可採用二 通閥的二次負載迴路作溫控，其主迴路以二通閥取 代三通閥，由一控制器決定二通閥之開度。

節能流量控制之設計 在流量之控制上，變頻器之使用具有以下之優點﹕ 1.最低的維護成本，變頻器只需有基本之維護。 2.變頻器之轉換效率高，皆可在95%以上。 3.有工程改善之便利，可附裝於現有之水泵。 4.可遠端遙控，控制簡便。 5.當維護變頻器時，可旁路控制，不影響系統基本功能。 因耗電與流量成三次方之變化，在送水量降至50% 時耗電已降至20%以下。

水壓之設定 耗電與流量成三次方之變化，乃基於送水系統搬運 功之分析，送水功率 Q為流率(m3/s)，ΔP為壓損，依管路之系統曲 線，流量與泵之轉速成正比，而壓損與流量之二次 方成正比，如此方有上述耗電與流量成三次方之變 化。

供壓點 在低送水量時，供壓同時降低。 供壓點之選擇以滿足較末端之管路尚有足夠水壓可達 到設計之流量為要。 如感測點設在供應端會形成定壓供水，造成低載時末 端供水壓過大無法有較佳之節能成效。 水壓控制點設在較末端之管路，使部份負載時供應端 之水壓隨負載改變，達到流量改變獲得泵耗功與流量 之三次方成正比。 節能為系統曲線與泵曲線間 之面積(圖取自Danfoss)

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。

風機耗電與節能 過濾器、熱交換器、空調箱體加風管共約4吋 水柱，每RT需190L/S風量，以65%風機效率 90%馬達效率計，需耗電約330W，或 1.74kW/1000L/s。 節約能源 --盤管式(Fan Coil)送風距離較短 --避免風管過長，如以二個AHU取代一個 --VAV，風機耗電與風量之三次方成正比 --風管尺寸之選擇 --超冷風設計以減少送風量

風扇動力限制 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 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

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。

VAV 空調系統之控制流程圖

變風量送風(VAV) 依負載調節空調箱風量 Power ～Q3

不同風量控制之節能比較

比較應用變頻器和只有使用風門的AHU之耗能 (案例) 流量 （﹪） 時數 運行時數 所需電能 40Hp 風機馬達耗能 風門 變頻器 30 10﹪ 876 18 2 15,768 1,752 40 19 3 16,644 2,628 50 15﹪ 1314 21 5 27,594 6,570 60 20﹪ 1752 24 8 42,048 14,016 70 26 11 45,552 19,272 80 27 17 23,652 14,892 90 28 23 24,528 20,148 100 5﹪ 438 31 13,140 13,578 100﹪ 8,760hrs 208,926kWh 92,856kWh

低負載時馬達效率低

Unvented Attic with Roof Indirectly Conditioned 降低熱損 之節能改善 --風管及管路保溫 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-.0.62 - 冷氣回風管 R-0.62

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 設置HVAC系統監測與記錄設備。 各系建築物之空調機房，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。

建築能源管理系統(BEMS之分級) 系統處理裝置之等級 等級1 等級2 等級3 等級4 樓地板面積 2000m2至5,000m2 管理點數 50~250點 250~500點 500~3,000點 3,000點以上 系統之主 要功能 空調系統警報監 視功能 空調系統運轉資 料之記錄功能 基本之設備運轉 狀態監視功能， 包含耗電量、累 積用電、運轉效 率，設備維護記 錄等 設備啟停之時程 管理 料之記錄及存檔 功能 包含大部分設備 之運轉狀態監視 及控制 具備有計費機制 具備有資料處理 功能，將各設備 之用電情形及運 轉狀態，以報表 （月報、季報、 年報等）及各類 圖形之方式作比 較分析 將所有設備皆納入監 視及控制範圍，並設 置管理中心 具有最佳化運轉控制 功能，針對建築室外 環境條件，有效調整 設備之運轉狀態 其他功能： 除計費機制外，設備 之生命週期也一併納 入管理整合消防及保 全系統，包含人員管 理等

線上監測之網路系統

系統測試、平衡與驗收 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%。

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。

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。

結語 配合 應用端管理節能控制—最低成本，能源物盡其用 節能三大原則： 能源之合理化應用(當用則用) 合理之設計評估與成效之實測(實踐) 節能之效益(投資報酬)