空调冰水系统节能改善成果课件

空調冰水系統節能改善成果李永裕

CTCIFOUNDATIONENERGYCONSERVATIONTECHNOLOGYDEVELOPMENTCENTER中華民國九十一年十一月二十七日永安科技大樓1永安科技大樓永安科技大樓為地下5層、地上22樓的商業辦公大樓，地下層每層面積約1,300坪，地上層每層面積約370坪。B5~B4為停車場，B3有800坪為停車場；500坪為辦公室，B1、B2、B3為商場，1樓為大廳及銀行，2樓以上全部為辦公室使用。樓地板的總面積共11,240坪，大廳、辦公室(1樓以上)樓地板的總面積共8,140坪。目前原子能委員會使用2F~8F，其他樓層尚無使用。2既設空調系統因原設計B3~4F為商場，5F以上為住宅，所以空調冰水機房有2處，分別在B2及B3。B2機房的冰水主機為TRANE離心式500RT*2+TRANE往復式120RT*1，主要供應4F以下的空調負載。B3機房的冰水主機為中興-螺旋式300RT*2+TRANE往復式140RT*2，主要供應5F以上的空調負載。冰水系統採一次側/二次側(Primary/Second)方式設計，一次側主機泵隨著主機的啟停開關，二次側區域泵隨現場負載變化開啟。概估空調尖峰負載約1,200-1,500RT。設備全新，但近10年未使用。3空調系統設備規格(1)冰水主機4空調系統設備規格(2)冷卻水塔5空調系統設備規格(3)冰水泵、區域泵、冷卻水泵6500RT120RT500RTTO4FTO3FTO2FTO1FTOB1FTOB2FTOB3FFM3F-4FFMB2-2FFMB3FF/C&AHU改善前–B2機房冰水流程圖7旁通流量0GPM“Youcanneversavemoreenergythanshuttingitoff.–5% Nominal +5%SystemEfficiencyWorstCase = 0.盤管壓降20Ft依照風扇定律(fanaffinitylaws)流量率Q、揚程H，以及制動馬力BHP之間的關係如下：冰水泵、區域泵、冷卻水泵改善冷卻水塔使用效率。三通閥和盤管在部份負載的條件下冰水區域泵加裝變頻控制空調系統設備規格(3)B3機房的冰水主機為中興-螺旋式300RT*2+TRANE往復式140RT*2，主要供應5F以上的空調負載。盤管壓降20FtThecommonpipe假如在夏天關掉正運轉的冷氣空調系統，辦公室內人員會由於室內空氣悶熱及室內空氣品質不佳而導致工作生產力急遽的降低，甚至根本無法工作！一次側/二次側變流量系統：一次側泵FlowReductionwithSpeedControl冰水區域泵加裝變頻控制冰水區域泵加裝變頻控制300RT140RT300RTTO5-22FTO梯廳FM5-22FFM梯廳F/C&AHU改善前–改善前B3機房冰水流程圖140RT???8希望…少開一些空調設備:目前原子能委員會進住2F~8F，其他樓層尚未使用，但空調需同時開啟B2、B3機房2套系統，有些浪費。B2、B3系統能相互支援:目前B2機房、B3機房、梯廳的冰水主機獨立運轉，系統效率差。冰水區域泵能相互支援:原設計4F以下區域泵各自獨立，無法相互支援。系統操作簡單化:原開機程序複雜，需專業人員配合，機動性差。管路配置最佳化:原管路配置不甚理想。改善冷卻水塔使用效率。增設監控系統:掌握空調運轉狀況，記錄歷史資料。空調系統效率最佳化:降低運轉電費。各樓層加裝空調計費系統:明確分擔公共電費。申請綠建築標章。9改善項目冰水管路修改冰水區域泵加裝變頻控制提高冷卻水塔使用效率監控系統加裝空調計費系統現場三通閥改為二通閥(住戶自行修改)10效益省能效益冰水管路修改20萬元/年冰水區域泵加裝變頻控制20萬元/年提高冷卻水塔使用效率5萬元/年監控系統(系統最佳化)35萬元/年合計80萬元/年11500RT120RT500RTTO4FTO3FTO2FTO1FTOB1FTOB2FTOB3FFM3F-4FFMB2-2FFMB3FF/C&AHU冰水管路修改改善後B2機房冰水流程圖TO5-22CHSTO梯廳CHSFM5-22CHRFM梯廳CHR(住戶自行修改)12300RT140RT300RTTO5-22FTO梯廳FM5-22FFM梯廳冰水管路修改改善後B3機房冰水流程圖140RTTOB2FF/C&AHU(住戶自行修改)FMB2F13冰水管路修改改善後冰水管效益FM3F-4FFMB2-2FFMB3FFM3F-4FFMB2-2FFMB3FFM5-22CHR14冰水管路修改改善後冰水立管流程圖15冰水管路修改改善後冰水管效益改善前空調冰水系統操作模式：B2供應2F-4F冰水主機+冷卻水塔+主機冰水泵+冷卻水泵+冰水區域泵

120RT+5HP+7.5HP+20HP+2F-4F區域泵B3供應5F-8F冰水主機+冷卻水塔+主機冰水泵+冷卻水泵+冰水區域泵140RT+5HP+10HP+25HP+5F-8F區域泵B3供應梯廳冰水主機+冷卻水塔+主機冰水泵+冷卻水泵

140RT+5HP+25HP+25HP

PUMP

5HP+42.5HP+70HP=127.5HPCHILLER320kW16冰水管路修改改善後冰水管效益改善前空調冰水系統操作模式：B2供應2F-8F+梯廳冰水主機+冷卻水塔+主機冰水泵+冷卻水泵+冰水區域泵500RT+7.5HP*3+20HP+60HP+2F-8F區域泵

PUMP=102.5HPCHILLER=288kW

SAVINGPUMP=25HP(20%)CHILLER=32kW(10%)“Youcanneversavemoreenergythanshuttingitoff.”17冰水管路修改舒適而省能的工作環境假如在夏天關掉正運轉的冷氣空調系統，辦公室內人員會由於室內空氣悶熱及室內空氣品質不佳而導致工作生產力急遽的降低，甚至根本無法工作！行為(Performance)＝能力(Ability)*行動(Motivation)＋環境(Environment)

分析生產力並不是一件容易的事，基本上生產力可以上式表示；”能力”與訓練有關，”行動”與管理有關，”環境”與建築、工程、設備操作有關。事實上，生產力和個人的速度、精確度、創造力、學習效率、教育、適應力、反應力、薪資、健康、環境等都有非常密切的關係。根據調查研究報告發現病態建築物環境在一般標準辦公室工作下，可能會使工作減緩7.2%以上，錯誤增加30%以上，病假大約34%。室內的工作環境對工作人員是有非常大的影響的，當然，不同的工作有不同的影響；不同的人，影響的程度也不相同，因此，分析上是非常複雜而長期的。

18冰水區域泵加裝變頻控制空調系統設備規格(1)Distribution(secondary)flowequalsproduction(primary)flow.•Businessunit傳統變水量二通閥控制冰水系統流程圖KW/TON540.NewChiller 0.•ControlsandIMPACTOF5%ERRORATSITE–5% Nominal +5%efficiencymeasuresPrimary-secondarypumpingprovidesthemeansfortheconstantvolumepumpingofthelowhorsepowerprimarypumpsthroughthechiller.三通閥的壓降10Ft現場三通閥改為二通閥(住戶自行修改)benchmarking冰水區域泵加裝變頻控制冰水區域泵加裝變頻控制盤管流量0GPMChillerkW/RTmonitoring&Conceptualviewofachilled-waterair-conditioningsystem:•Indoorairloop.Intheleftmostloop,indoorairisdrivenbythesupplyairfanthroughacoolingcoil,whereittransfersitsheattochilledwater.Thecoolairthencoolsthebuildingspace.•Chilledwaterloop.Drivenbythechilledwaterpump,waterreturnsfromthecoolingcoiltothechiller’sevaporatortobere-cooled.•Refrigerantloop.Usingaphase-changerefrigerant,thechiller’scompressorpumpsheatfromthechilledwatertothecondenserwater.•Condenserwaterloop.Waterabsorbsheatfromthechiller’scondenser,andthecondenserwaterpumpsendsittothecoolingtower.•Coolingtowerloop.Thecoolingtower’sfandrivesairacrossanopenflowofthehotcondenserwater,transferringtheheattotheoutdoors.冰水區域泵加裝變頻控制中央空調系統流程及熱負載關係圖19冰水區域泵加裝變頻控制傳統定水量三通閥控制冰水系統流程圖CHILLERF/C&AHU20冰水區域泵加裝變頻控制傳統變水量二通閥控制冰水系統流程圖CHILLERF/C&AHUCHILLERΔP21500RT500RT冰水區域泵加裝變頻控制傳統定水量區域泵+三通閥控制冰水系統流程圖F/C&AHU22BTU=500×ΔT×GPMHIGHCAPACITY+LOWΔTLOWCAPACITY+HIGHΔT=冰水區域泵加裝變頻控制負載、流量和溫差負載變化=定流量×變溫差-三通閥負載變化=變流量×定溫差-二通閥23冰水區域泵加裝變頻控制典型的三通閥和盤管三通閥的冰水系統，會造成流動力上的浪費，因三通閥系統並不是線性的，輕載時不但回水溫度較設計值低，且流量增加，導致後端水量不足、泵耗電增加。24冰水區域泵加裝變頻控制三通閥和盤管在全載的條件下送水溫度45℉回水溫度45℉盤管流量100GPM盤管壓降20Ft負載500,000Btuh(flow*ΔT*500)盤管ΔPCLOSE旁通流量0GPM三通閥的壓降10Ft設計流量和揚程100GPM@30Ft25冰水區域泵加裝變頻控制三通閥和盤管在卸載的條件下送水溫度45℉回水溫度45℉盤管流量0GPM盤管壓降CLOSE負載0Btuh(flow*ΔT*500)盤管ΔP20Ft旁通流量100GPM三通閥的壓降10Ft設計流量和揚程100GPM@30Ft26冰水區域泵加裝變頻控制三通閥和盤管在部份負載的條件下送水溫度45℉回水溫度49℉盤管流量62.5GPM盤管壓降7.8Ft負載250,000Btuh(flow*ΔT*500)盤管ΔP7.8Ft旁通流量62.5GPM三通閥的壓降10Ft設計流量和揚程100GPM@30Ft27冰水區域泵加裝變頻控制三通閥的特性和缺點三通閥系統的缺點：低的回水溫度。部份負載下，會使下游盤管冰水量不足。總流量增加，泵耗電增加。可能增加冰水主機運轉台數。可能使冰水主機的耗電量增加。TypicalCHWFlowvsLoadCurveforAHUwith3-WayValve28•Indoorairloop.•Whole-systemmaintenance,–10% Nominal +10%WorstCase = 0.假如在夏天關掉正運轉的冷氣空調系統，辦公室內人員會由於室內空氣悶熱及室內空氣品質不佳而導致工作生產力急遽的降低，甚至根本無法工作！ExistingChiller 0.•Equipment“fixes”•BusinessunitTrade-offsBetweenChillerPowerandFanPowerwithTowerAirflowprocurement,•Real-timeload•Chilledwaterloop.三通閥和盤管在卸載的條件下負載250,000Btuhmanagementfor-------------------------------------------------ChillerkW/RT5HP+70HP=127.冰水區域泵加裝變頻控制•Refrigerantloop.•Equipmentselection,Ingeneral,EnergyUsed=EfficiencyxUsagexHRS冰水區域泵加裝變頻控制540.500坪為辦公室，B1、B2、B3為商場，1樓為大廳及銀行，2樓以上全部為辦公室使用。Pumpimpellersshouldbetrimmedtominimizethepressuredropacrossthevalveonthedischargeofthepump.現場三通閥改為二通閥(住戶自行修改)一次側/二次側冰水系統壓力感測器的位置Trade-OffofChillerandPumpPowerwithChilledWaterSetPoint(flow*ΔT*500)OptimizedCombinedOperationOnChillerandCoolingTowersChillerkW/RT依照風扇定律(fanaffinitylaws)流量率Q、揚程H，以及制動馬力BHP之間的關係如下：泵及系統揚程的特性曲線WorstCase = 0.變頻泵浦於水路系統之耗能特性一次側/二次側冰水系統壓力感測器的位置冰水區域泵加裝變頻控制行為(Performance)＝能力(Ability)*行動(Motivation)＋環境(Environment)冰水區域泵加裝變頻控制BTU=500×ΔT×GPM冰水區域泵加裝變頻控制離心式泵特性圖29冰水區域泵加裝變頻控制一次側/二次側變流量系統+=30冰水區域泵加裝變頻控制一次側/二次側變流量系統：一次側泵Primary-secondarypumpingprovidesthemeansfortheconstantvolumepumpingofthelowhorsepowerprimarypumpsthroughthechiller.Thesepumpsarelowerhorsepowerthanthesecondarypumpsbecausetheyonlyhavetoovercomethefrictionlossassociatedwiththechiller,pipes,andvalvesintheprimaryloop.Thechillerpumpsarebalancedtothedesignflowrate.Pumpimpellersshouldbetrimmedtominimizethepressuredropacrossthevalveonthedischargeofthepump.Thisisanimportantenergysavingmeasure.31Thesecondarypumpsarehigherhorsepowerbecausetheymustovercomethefrictionlossassociatedwiththesecondaryloop--thedistributionpiping,fittings,valves,coils,etc.Thesepumpsoperateintheenergysavingvariablevolumemode.Dependingonthereturnoninvestment,thesecondarypumpseitherremainconstantspeedandridetheircharacteristichead-capacitycurve,orthedesignercanincorporateadjustablefrequencydrivestosaveadditionalpumpingenergy.冰水區域泵加裝變頻控制一次側/二次側變流量系統：二次側泵32Thecommonpipe

冰水區域泵加裝變頻控制一次側/二次側變流量系統：共通管Distribution(secondary)flowequalsproduction(primary)flow.Distributionflowisgreaterthanproductionflow.Productionflowisgreaterthandistributionflow.33冰水區域泵加裝變頻控制泵之耗能特性34冰水區域泵加裝變頻控制不同流量控制方式的耗能FlowControlwithBypassFlowReductionwithThrottlingFlowReductionwithSpeedControl35在正常的狀況下，空調系統大部份的時間都是部份負載(partload)，尖峰負載時數低於20%以下，因此有80%的時間是有節能的空間。依照風扇定律(fanaffinitylaws)流量率Q、揚程H，以及制動馬力BHP之間的關係如下：Q1/Q2=N1/N2,水量與轉速成正比。H1/H2=(N1/N2)2,揚程與轉速平方成正比。BHP1/BHP2=(N1/N2)3,制動馬力與轉速三次方成正比。故降低泵的轉速既可降低揚程及流量，更可大量的降低耗電量，依照風扇定律，流量與耗電成3次方正比的關係，因此省能的效益是非常可觀的。冰水區域泵加裝變頻控制離心式泵的定律36冰水區域泵加裝變頻控制泵及系統揚程的特性曲線37一次側/二次側冰水系統壓力感測器的位置冰水區域泵加裝變頻控制一次側/二次側冰水系統壓力感測器的位置38泵浦與系統特性曲線圖P3P1P2冰水區域泵加裝變頻控制變頻泵浦於水路系統之耗能特性39泵浦理論消耗功（又稱為水動力）Pw（W）電力輸入功Pe 設備效率（或稱電力至水效率）ηe

冰水區域泵加裝變頻控制變頻泵浦於水路系統之耗能特性40變頻泵之馬達效率及變頻器效率圖冰水區域泵加裝變頻控制馬達的效率41變頻器效率比較圖冰水區域泵加裝變頻控制變頻器的效率42冰水區域泵加裝變頻控制

在甚麼條件下適合裝變頻器?效益如何計算?43IMPACTOF5%ERRORATSITE運轉費用$472,256元/年5HP*3+20HP+60HP+2F-8F區域泵5HP*3+20HP+60HP+2F-8F區域泵WorstCase = 0.樓地板的總面積共11,240坪，大廳、辦公室(1樓以上)樓地板的總面積共8,140坪。•Integratedanalysis-------------------------------------------------FlowControlwithBypass分析生產力並不是一件容易的事，基本上生產力可以上式表示；90% 100% 110%空調系統設備規格(1)–5% Nominal +5%BTU=500×ΔT×GPMdiagnosticsCTCIFOUNDATIONWaterabsorbsheatfromthechiller’scondenser,andthecondenserwaterpumpsendsittothecoolingtower.現場三通閥改為二通閥(住戶自行修改)Thecommonpipe冰水區域泵加裝變頻控制ConstantSpeed運轉費用$472,256元/年能源管理系統+節能改善分析冰水區域泵加裝變頻控制省能效益計算a.Chillers KWH =KW/TONxTONSxHRSb.Fan

KWH =KW/CFMxCFMxHRSc.Pumping KWH =KW/USGPMxUSGPMxHRSIngeneral,EnergyUsed=EfficiencyxUsagexHRS EnergySaved=EfficiencyxUsagexHRS44冰水區域泵加裝變頻控制省能效益計算45冰水區域泵加裝變頻控制二次側冰水泵效益分析泵規格780GPM,120Ft,40HP泵性能曲線負載變化ConstantSpeed運轉費用$472,256元/年46冰水區域泵加裝變頻控制二次側冰水泵效益分析壓差控制:110Ft壓差控制:70Ft壓差控制:40Ft壓差控制運轉費用元/年節省費用(%)110Ft422,07510.670Ft336,06928.840Ft278,14141.1ConstantSpeed運轉費用$472,256元/年47提高冷卻水塔使用效率冷卻水塔特性冰水主機的負載隨著外氣和現場的需求有不同的變化，冷卻水塔的散熱量也隨之變化，加上四季與日夜外氣條件也不同，一般冷卻水塔風車維持固定的溫度並非最佳運轉點，實際上設計點的外氣濕球溫度一年中平均發生的時間不到2.5%。48SystemEfficiencykW/RTCoolingTowerkW/RTChillerkW/RTCombinedkW/RTOptimumoperationCWSTemperatureCWSCOptimizedCombinedOperationOnChillerandCoolingTowers提高冷卻水塔使用效率冰水主機與冷卻水塔的最佳化操作49提高冷卻水塔使用效率冷卻水塔水溫最佳設定50溫度Sensor誤差±0.5℃→誤差率=±0.5/5=10%溫度Sensor誤差±0.05℃→誤差率=±0.05/5=1%感測器的精確度溫度SENSOR測試圖51

KW/TON-------------------------------------------------

–5% Nominal +5%ExistingChiller 0.8075 0.85 0.8925NewChiller 0.57 0.60 0.63Savings 0.2375 0.25 0.2625 95% 100% 105%WorstCase = 0.8075 -0.63 = 0.1775Savings = 71%感測器的精確度IMPACTOF5%ERRORATSITE52KW/TON---------------------------------------------------- –10% Nominal +10%ExistingChiller 0.765 0.85 0.935NewChiller 0.540.60 0.66Savings 0.225 0.25 0.275 90% 100% 110%WorstCase = 0.765 -0.66 = 0.105Savings = 42%感測器的精確度IMPACTOF10%ERRORATSITE53加裝空調計費系統明確分擔公共電費Saving$$$54監控系統能源管理系統+節能改善分析55監控系統能源管理系統+節能改善分析56監控系統能源管理系統+節能改善分析57系統的最佳化TotalSolution!SchematicofChilledWaterCoolingSystemTrade-OffofChillerandPumpPowerwithChilledWaterSetPointTrade-offsBetweenChillerPowerandFanPowerwithTowerAirflow58AStep-By-StepApproachtoAchievingTotalEnergyManagementSolutionsInformation

services•Metering•Billdisaggregation•Dataaccess/visualization/benchmarking•Equipmentperformancediagnostics•Powerqualitymonitoring•EMCSverification•Baselining•Billdisaggregationandanalysis•BusinessunitcostandallocationShort-termmonitoring&submeteringBuildingtune-ups•Equipment“fixes”•Controlsandschedulingadjustments•Low-cost/no-costefficiencymeasuresIntegratedanalysisofsupplyanddemand-sideoptions•W