空調系統節能介紹 報告人：李文興

目錄 何謂空調 空調系統介紹 冰水主機原理介紹 一/二次側冰水系統原理介紹 儲冰系統介紹 二次側冰水泵變頻節能原理介紹 主機與冷卻水塔運轉最佳化原理介紹

一、何謂空調 舒適性空調 主要關於人體舒適度的指標，除了衣著量和活動量兩個人體因子影響舒適度以外，另外還牽涉到溫度、濕度、空氣的流動、輻射熱交換量。 產業性空調 在改善人類舒適度的同時，也了解到許多產品在控制良好的環境中，可以生產的更好、更快和更經濟。

蒸發器 有一裝液體的瓶子，經由壓縮機將瓶內的氣體抽出，使瓶內蒸氣壓降低，造成瓶內未達飽和蒸汽壓，此時瓶中液體吸收熱量蒸發來滿足飽和蒸汽壓，瓶中液體因吸收熱量，使氣體溫度降低。 此時有風量吹向此瓶子與瓶內液體進行熱交換，使風的溫度降低。

壓縮機 活塞往下將蒸發器的氣體抽出而進入壓縮機，活塞往上推時將氣體壓力和溫度提高並把氣體由另一方送出。

冷凝器 將壓縮機送來的高溫高壓氣體經由散熱而降溫成飽和液體

膨脹閥 將冷凝器送來的高壓液體降成低壓，然後傳至蒸發器瓶內，補充蒸發器的液體。

冰水主機原理介紹 低壓測： 膨脹裝置：高壓中溫之液態冷媒經膨脹裝置，成為低壓低溫之液氣混合狀態冷媒。 蒸發器：低溫低壓之液氣混合狀態冷媒進入蒸發器後，與流體（通常為水）進行熱交換，流體在此處被冷卻，而冷媒則因吸收熱量而蒸發，之後以低溫低壓過熱蒸氣狀態進入壓縮機。 圖十二、基本冰水機組示意圖

中央空調系統組成 空調系統主要分成四個部分: 冰水主機:經由熱交換產生冰水。（如圖七） 冷卻水系統:系統中有冷卻水循環泵浦。主要提供冰水主機散 熱，再將熱水帶至室外冷卻水塔做熱交換。 （如圖八） 冰水系統:系統中有冰水循環泵浦，主要將冰水主機產生之冰水，帶至各個區域內之空氣調節箱，或小型送風機使用。 空氣調節箱：利用風管系統之出風、回風管（出風、回風口），將室內空氣經由空氣調節箱與冰水做熱交換，達到降低室內溫度的功能。(如圖九、十）

中央空調系統組成 圖七、450RT冰水主機 圖八、冷卻水塔系統

中央空調系統組成 A C H 回風 外氣 風車 閘門 混合箱 冷卻 盤管 加熱 加濕器 圖九、空調箱元件示意圖 圖十、空調箱實圖

二、冰水主機原理介紹 冰水機組之運轉原理如圖十一和圖十二所示。 以空調應用為例： 高壓側： 壓縮機：冷媒以低溫低壓之過熱狀態進入壓縮機，經壓縮後成為高溫高壓過熱狀態之冷媒。 冷凝器：高溫高壓過熱狀態之冷媒進入冷凝器後，將熱傳給冷卻水而凝結成高壓中溫之液態冷媒。一般水冷式冷凝器之冷凝溫度設計值為40℃，過冷度5℃。 圖十一、基本冰水機組示意圖

三、一/二次側冰水系統原理介紹 （一次冰水系統） 一次冰水系統(Primary Only System)： 一次冰水系統管路的設計主要分為直接回水系統(圖十三)及逆回水系統(圖十四)。 一次冰水系統，是將冰水主機及終端裝置的循環冰水，籍由冰水泵供應至系統(泵浦設計之流量及揚程容量直接設計供應至整個系統，而不配置二次或三次泵浦) 。

三、一/二次側冰水系統原理介紹 （一次冰水系統） 三、一/二次側冰水系統原理介紹 （一次冰水系統） 一次冰水系統(Primary Only System)： 直接供水冰水系統設計，一般都會先以定流量(Constant Water Volume, CWV)考量，其最主要的原因，是確保冰水機之冰水蒸發器有一定以上之水流量，避免結冰膨脹損害冰水機蒸發器。 若以變流量(Variable Water Volume, VWV)設計，先決條件必須確保冰水器之循環水量達到最低需求量的要求(一般約為滿載冰水量之60%)。

三、一/二次側冰水系統原理介紹 （一次冰水系統） 三、一/二次側冰水系統原理介紹 （一次冰水系統） 直接供水直接回水系統終端熱交換裝置管線長度不一，遠端支路壓力損失較大，造成流量低於其它較靠近冰水來源的終端裝置流量，為平衡支路間壓力使流量可平均分配，一般可在各分支管上加裝平衡閥，使各支管水量或壓差達到設計需求。 圖十三、 一次供水直接回水系統簡圖

三、一/二次側冰水系統原理介紹 （一次冰水系統） 三、一/二次側冰水系統原理介紹 （一次冰水系統） 直接供水逆回水系統，藉著增加部分管路來等化系統各支路路徑長度，消除因管線長度不一造成的前後端裝置壓差。直接供水逆回水系統，已成功應用在克服系統無法保持平衡案例上 。 圖十四、 一次供水逆回水系統簡圖

三、一/二次側冰水系統原理介紹 （一次側/二次側冰水循環系統 ） 冰水主機 1 冰水主機2 冰水主機3 負載區3 3 負載區2 負載區1 冰水 泵 區域泵 共通 管 在大型空調系統，常使用一次側/二次側冰水循環系統，如圖十五所示，其就結構而言是由一次側泵浦及二次側泵浦結合而成，一次側泵浦主要提供冰水主機側之循環水量，二次側泵浦則提供至負載側(空調箱)之循環水量，一次側與二次側之間以共通管聯結。 圖十五、一次側/二次側冰水循環系統圖

三、一/二次側冰水系統原理介紹 （一次側/二次側冰水循環系統 ） 在空調運用上，共通管應用在一次側/二次側冰水循環系統，若一次側設計為定流量，二次側為變流量時(二通閥系統或可變流量泵浦的設計)，共通管內水的流動方向及流量，會隨著二次側流量變動而調整 。 當負載變動時，共同管內的水流有三種情況可能產生，當一次側泵浦所提供的冰水流量與二次則所需流量相等時，水流由一次供水側流向二次供水側如圖十六。 冰水主機 1 冰水主機2 冰水主機3 負載區3 3 負載區2 負載區1 一次側總流 量Q1 二次側總流 量Q2 Q1= Q2 AND Q3=0 圖十六、一/二次側流量平衡時冰水流向圖

三、一/二次側冰水系統原理介紹 （一次側/二次側冰水循環系統 ） 冰水主機 1 冰水主機2 冰水主機3 負載區3 3 負載區2 負載區1 一次側總流量 Q1 二次側總流量 Q2 Q1= Q2+ Q3 共通管流量 Q3 當一次側所提供的冰水量超過二次側流量時，冰水不僅由一次供水側流向二次供水側，並直接由共通管旁通至一次回水側，於是由一次側旁通的冰水與二次側高溫回水在共同管交界處混合，使得進入冰水機水溫降低如圖十七。 圖十七、一次側流量大於二次側冰水流向圖

三、一/二次側冰水系統原理介紹 （一次側/二次側冰水循環系統 ） 冰水主機 1 冰水主機2 冰水主機3 負載區3 3 負載區2 負載區1 一次側總流量 Q1 二次側總流量 Q2 Q2= Q1+ Q3 共通管流量Q3 當一次側流量小於二次側時，二次側冰水供應不足，於是由二次側回水水流中抽取高溫回水補充不足的水量，當高溫回水由二次側經共同管回流至二次供水側時，產生的水流混合將造成二次供水水溫的上升，導致致冷能力不足如圖十八，所以在控制上應該避免這種情況發生 。 圖十八、二次側流量大於一次側冰水流向圖

四、儲冰系統介紹 「儲冷式空調系統」係指冷凍主機在離峰時間運轉製冷並將冷能儲存起來，儲存的冷能在尖峰時間釋放出來，以供應空調系統之所需。 本系統可移轉尖峰時間用電至離峰時間，充分利用離峰時段較低廉之電力，用戶不但可以降低經常用電契約容量，享受電價優惠節省空調電費支出，電源缺乏時還可以提高空調的可靠使用。

運轉模式-全量儲冰 (1) 全量儲冰 　 將日間所需之空調能量，於夜間離峰時間內，全部儲存於儲冰槽內，待於隔日空調時間，融冰釋放能量以吸收室內的熱負荷。 圖十九、全量儲冰

運轉模式-分量儲冰 (2) 分量儲冰 於夜間或離峰時間內，僅儲存部份的空調負荷容量於儲冰槽內，待於隔日空調時間，主機優先運轉供冷，不足部份則以融冰輔助供冷；或是優先以儲冰槽能量冷卻室內負荷，不足部份則啟動主機輔助供冷。 圖二十、分量儲冰

表一、儲冷式空調系統與傳統式空調系統之比較

運轉模式-主機優先 (1)主機優先 主機優先運轉模式。在空調時間，主機作為主要冷源供應固定的冷量，不足部份再以融冰補充，負荷區的回水與主機側的滷水在熱交換器裡交換能量，在此模式下，主機於日間是不停地全載運轉。 圖二十一、主機優先運轉模式

運轉模式-儲冰優先 (2) 儲冰優先 儲冰優先運轉模式。在空調時間，儲冰槽融冰釋放冷能作為主要冷源，若冷房負荷超出儲冰供應之冷量時，再由主機供應補足。在儲冰優先模式下，主機在日間大部份是卸載情況下運轉。 圖二十二、儲冰優先運轉模式

儲冰式中央空調系統優點 (1)轉移尖峰用電 具有平衡電力負載之功能。 (2)節約流動電費 利用二段式或三段式時間電價，享受電費差價措施。 (3)降低基本電費 若使用儲冰空調，因運轉時間錯開，故當生產設備用電停止使用後，其電力轉移供主機運轉儲冰，因此基本電費之契約容量將會低於傳統空調冰水機組。

儲冰式中央空調系統優點 (4)降低主機容量 採用儲冰系統可拉長主機運轉時數，大幅降低主機容量。 (5)高運轉效率 主機滿載運轉至儲冰完成，機組完全在100 %容量狀況下運轉，避免卸載運轉時的效率損失。 (6)具擴充功能 在機組能力不變的情況下，只要將運轉時數拉長，即可增加空調能力，彈性運用自如。 (7)低溫冰水供應 可提供低溫冰水，供冷藏、低溫除濕及製程冷卻系統使用。

五、二次側冰水泵變頻節能原理介紹 一般來說，大部分的二次側冰水泵大都使用離心泵做為輸送流體的裝置，以下將針對離心泵做一簡介。 離心泵係藉離心力使流經泵內之流體形成加壓效果而產生壓力能，從原理、構造及其運轉性能來說，離心泵較其他種泵具較多的優點，且用途較廣。

泵浦簡介 特性曲線： 泵在一定的轉速及吸入揚程下，流量Q與總揚程H、動力L及效率間有一定的關係。通常以流量為橫座標，其餘各項為縱座標，用曲線表示其間的變化關係，此種曲線稱為泵之特性曲線，如圖二十三。 依特性曲線及管路阻力曲線的關係可求出運轉點，得到運轉流量與運轉揚程。並可利用特性曲線與阻力曲線的特性設計串聯運轉或並聯運轉。串聯運轉可在固定流量下增加揚程，並聯運轉則可在固定揚程下增加流量。

泵浦簡介 圖二十三、 泵特性曲線

泵浦簡介 管路曲線： 管路水力損失與通過管路流量的平方成正比，即如果取不同的Q值，則可以求得相對應的管路水力損失，然後就可繪出的管路阻力曲線（System curve），如圖二十四。 泵運轉點： 泵浦的操作點會沿著管路阻力曲線（system curve）與泵浦的特性曲線（pump curve）交會，這是熱力學第一定律能量守恒的關係，即輸入的能量＝輸出的能量。能量輸入到泵浦輸送的水中等於水流過管路的能量損失，流過管路的流量也需等於泵浦的流量 ，如圖二十五所示。

泵浦簡介 圖二十四、 管路阻抗曲線圖

泵浦簡介 圖二十五、 運轉點

相似定律 流量相似定律: 揚程相似定律: 軸動力相似定律: 由相似定律可得知，其耗電量與轉速的三次方成正比，亦即轉速減半消耗功率將降為八分之一。

泵浦並聯運轉分析 當管路系統中流量變化較大，而一部泵之容量不足以應付時，宜採用兩個或兩個以上之泵並聯運轉，其流量為同一揚程下兩泵單獨運轉流量之和。如圖二十六所示，為特性相同的兩泵並聯，I為單獨一泵之特性曲線，II為並聯後之特性曲線，則並聯後之流量QII為 QII=QI+QI=2QI 圖二十七所示為特性不同兩泵並聯， Ia、Ib為兩泵單獨特性曲線，II為並聯後之特性曲線，當阻力曲線為R1時，運轉點為A並聯流量QII為 QII=QIa+QIb 但當管路阻力曲線大於R2時，則只有泵Ib動作，其流量與泵Ib單獨運轉時相同。此時泵Ia管路中應有止回閥裝置，否則會發生逆流現象。

泵浦並聯運轉分析 圖二十六、 特性相同之兩泵並聯運轉圖

泵浦並聯運轉分析 圖二十七、 特性相同之兩泵並聯運轉圖 38

控制模式 以下介紹幾種利用流量的變化來達到節能效果的方法： （1）控制閥控制： 將閥的開口度關小，使流量減少是最簡易的控制方式（如圖二十八），但缺點是節能效果有限。 （2）近端控制： 固定管路中最接近泵浦二端的壓差使其揚程固定（如圖三十），所以可以得知H-Q圖在任一流量時其揚程為固定（如圖三十二）。 （3）遠端控制： 固定管路中最遠端的壓差（如圖三十一），所以可以得知H-Q圖在任一流量時，會有一個基本的壓差加上管路的阻抗得到運轉曲線（如圖三十三）。

控制模式 在設計點1的耗電量為1-H1-O-Q1所包圍的區域。 當流量減少至Q2，控制閥關小到2點時，其耗耗電量a為2-H2-O-Q2所包圍的區域。 圖二十八、 二通閥（2-WAY）控制運轉圖

控制模式 在設計點1的耗電量為1-H1-O-Q1所包圍的區域，同圖二十九。 當流量減少至Q2，泵浦轉速降低，運轉點移至3點，其耗電量b為3-H3-O-Q2所包圍的區域。 與圖二十九比較可得之節省的耗電量C為3-2-H2- H3所包圍的區域。 圖二十九、 變頻控制運轉圖

控制模式-近端與遠端控制 圖三十一、遠端控制系統示意圖 圖三十、近端控制系統示意圖

控制模式-近端與遠端控制 圖三十二、近端控制節能區域圖 圖三十三、遠端控制節能區域圖

泵單台運轉與並聯運轉的流量情形 一泵以每分鐘1170rpm運轉於一管路系統中，其揚程特性曲線為H=490-0.26Q2，而系統之阻力曲線為HR=100+1.5Q2，式中Q單位為k gal/min，分別可求出(a)一台泵單獨運轉流量；(b)兩台泵並聯運轉流量情形。如圖三十五所示。 (a)一台泵單獨運轉時，運轉點為H及HR兩線相交之點， 即H= HR，可得出Q=14.9 k gal/min (b)兩個泵並聯時，若全部流量為Q，則每泵單獨流量為Q/2，因此可得出Q=15.8 k gal/min

圖三十五、特性相同之兩泵並聯運轉之合成特性曲線 並聯運轉-相同泵浦不同水管路情形 圖三十四、 不同水管路系統 (a) (b) 冷卻水太少的話 會使冷凝器的冷卻水量不足，也會升高凝結壓力，亦有可能使泵浦馬達過載，使整個系統無法運轉。 圖三十五、特性相同之兩泵並聯運轉之合成特性曲線

六、主機與冷卻水塔運轉最佳化原理介紹 冷卻水塔與冰水主機之間耗能關係是相對的，要維持較低的冷卻水出水溫度節省主機耗能，冷卻水塔風扇就必須耗用更多的能源來維持較低的水溫，冰水主機與冷卻水塔之間存在著一最佳運轉點，此最佳點為冷卻水塔風扇風量耗能增加率與冰水主機耗能減少率之和的最小值，如圖三十六所示。 然而此一最佳點必須根據主機與冷卻水塔之性能曲線與部分負載率所決定（不同的主機與水塔將有不同的性能曲線），若能根據各地區每月份平均外氣濕球溫度與冰水主機、冷卻水塔之性能曲線，發展最佳冷卻水塔出水溫度設定點，並隨著每月外氣濕球溫度做冷卻水溫設定，將可達到更佳的節能助益。

圖三十六、 冷卻水塔風量與冰水主機、冷卻水塔之耗能關係 主機與冷卻水塔運轉最佳化原理介紹 圖三十六、 冷卻水塔風量與冰水主機、冷卻水塔之耗能關係

冰水主機效率高低與耗電的關係 冰水、冷卻水及熱交換器的性能皆會對主機性能造成影響。舉例來說，若蒸發器入口水溫為12℃，出口溫度欲維持在7℃，效率良好冰水主機蒸發溫度控制在5℃即能完成制冷工作，效率較差的冰水主機蒸發溫度可能要在4℃才能完成制冷工作，會造成壓縮機耗電的增加，下面利用理想卡諾循環公式來求蒸發溫度下降1℃時，壓縮機耗電會增加多少。 A冰水主機蒸發溫度為5℃，冷凝溫度為35℃。 B冰水主機蒸發溫度為4℃，冷凝溫度為35℃。 48 48 48

冰水主機效率高低與耗電的關係 理論上最佳COP值計算公式為： B冰水主機理論上最佳COP為: A冰水主機理論上最佳COP值為: B冰水主機理論上最佳COP為: 由上式可知，當蒸發溫度下降1℃時，壓縮機耗電會增加3.2%。 49 49 49

全熱交換器節能技術 室內與室外之空氣有很大之熱焓差異，在同時引入新鮮空氣與排氣時，若能使兩股氣流進行熱(或焓)交換，可節約大部份的外氣負荷。以下為一個熱回收之設計例子，用一個全熱交換器，使外氣進入室內前將其溼氣與熱吸收，使進入之外氣降溫降濕；排氣亦先流經全熱交換器，把濕氣與熱帶到室外。在 70% 之交換效率下，可將外氣之焓值自 20.6kcal/kg 降至15.3kcal/kg，節約70%之外氣耗能。

全熱交換器節能技術

秋冬季節外氣引進 秋冬季節外氣溫度低於室內設定之室溫時，可考量引進較多的外氣，以降低室內的空調負載，惟外氣條件除考量溫度外，亦必須考量其焓值。

能源管理系統 BEMS (Building Energy Manager System)

BEMS能源管理系統的效益 1.迅速即時掌握電力及空調設施實際運轉情況，有 效避 開尖峰用電時段。 效避 開尖峰用電時段。 2.利用監測資料，獲得各項主要設備如冰水主機、 泵、空調箱及冷卻水塔之性能，並進行節能佳化 運轉及系統維護。 3.利用能源管理系統進行各區域空調溫度之監控、 啟停控制，避免不必要的能源浪費。

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