空調系統節能應用.ppt

空調系統節能應用 課程內容大綱 空調系統設計之基礎節能設計應有之規範節能設計考量與方法降低空調負載之方法節能之運轉與管理節能案例說明 前言 空調設備包括冰水主機 水泵 風機 冷卻水塔風扇馬達 通常是建築最大耗電項目 也是電力尖峰需求之主因 前言 如圖 某百貨公司空調與照明為主要用電 約各佔45 夏季時空調卻約佔總用電之55 空調系統設計之基礎 設計目標 耗能指標 單位面積年耗電量EUI EnergyUtilityIntensity kWh m2yr 此指標可再細分為各別設備耗電指標 如空調單位面積年耗電量 單位面積電力需量DUI DemandUtilityIntensity W m2 節能空調設計會使EUI及DUI值降低 同時降低耗電量及電力尖峰負載 空調及其它系統效率之各項指標 空調部份需考慮所有空調耗電因子 包括設備裝置量 風管水管系統耗電 控制設計 保溫及管理等指標 壓力與功率 壓差為動力之主要來源 壓力亦為流體之能量 如N m2改寫為Nm m3 J m3 見壓力為單位體積之能量密度 空調空氣與水系統之流體搬運功之計算為搬運功 Watt 搬運所需之壓差 Pa x搬運之體積流量 m3 s 搬運設備效率 送風與送水 一 減少壓差可減少搬運功 應設計低阻力之管路系統 壓損與管徑之5次方成反比 二 水密度約為1000kg m3 相對之下空氣在20 及一氣壓之密度約為1 20kg m3 送風較耗能 三 實際需考量搬運設備如風機或水泵之效率 空調單位 空調之冷凍 冷卻 能力常以冷凍噸 RefrigerationTon RT 稱以美國冷凍噸之定義為將一英噸 2000lb 之水在一天 24小時 凍結成冰 常用之計算值如下 1 0RT 12000Btu hr或1 0RT 3024kcal hr1 0RT 3 515kW 溫度與效率 當冷凝與蒸發之壓差越大 壓縮機作工之途徑越長 所需之作工能量就越大為使冷凝與蒸發之溫差縮小 就需有高效率之熱交換 壓縮功 空調負荷 熱獲得 heatgain 並非等於空調熱負荷 coolingload 空調熱負荷之定義為 空間內之空氣所獲得之顯熱 溫升 或潛熱 濕度增加 室內之熱獲得不一定立即傳予空氣 節能設計應有之規範 空調節能規範 一 機器設備效率二 系統負荷及容量設計三 空調區劃與控制四 空氣側系統五 水側系統六 散熱設備七 能源回收八 風管及水管路保溫九 系統測試 平衡與驗收 至少應包括九大項 以空調節能規範作節能設計 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 系統負荷計算 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 室外設計條件 取全年1 最高氣溫 冷房最大乾球溫度 對應濕球溫度 台北34 626 8新竹34 027 3台中34 227 7台南33 227 1高雄33 126 3花蓮32 026 7 系統負荷計算 a 依設計條件 如下 計算空調負荷 建築內外週區或各隔間應作個別之空調負荷計算 b 計算輸入之參數應包含人員密度 照明用電密度 各項設備用電密度 溫度控制器之溫度設定值 空調系統運轉條件 c 含顯熱及潛熱之空調負荷計算應包含各項建築外殼熱得與室內設備與人員發散熱 並且計算程序應考慮熱質量效應之影響 d 各分區所需之送風量 空調主機設備效率 空調主機之能源效率值應不低於經濟部能源委員會依 能源管理法 第十四條公告之 空調系統冰水主機能源效率標準 窗型冷氣機能源效率標準比值標準對照表 箱型冷氣機能源效率標準比值標準對照表 所示之標準值 且有部份負載時之節能卸載裝置與控制 中央冰水主機需具有性能測試報告 冰水主機之規格與性能測試參考標準CNS12575 容積式冰水主機組 CNS12812 離心式冰水主機組 美國ARI550 590標準 空調冰水主機能源效率標準 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 離峰控制 空調系統應具有下列之自動控制功能 4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 4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 25 000ft2 空調樓地板面積及一個樓層 離峰控制 4密閉停車場之排氣風扇送風量大於14000L s 30 000cfm 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 a 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 b 設置符合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 空調系統所需外氣大於1400L s 3 000cfm 且其冷房服務空間之人員密度大於1人 時 必須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 而依本規範相關規定設置全熱交換器時 可不受本條款之限制 高人員密度之通風控制 可變水量系統 HVAC泵系統應設計為可變流量 其流量可控制至原設計流量的50 或以下 在可變流量系統中的各泵揚程超過300kPa 100ft 且動力超過37kW 50hp 時 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 散熱設備 如冷卻水塔 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 約200RT冷凍能力之系統 送風節能 為達到空氣側系統之節能效果 空調系統的總風扇系統馬力應符合相關之節能控制之設計與施工 以有效控制送風系統之節能效果 風扇動力限制 可變風量風扇控制 VAV 部份負載風扇動力限制 個別的VAV風扇馬達大於等於22kW 30hp 時 須設有部份負載控制器及裝置 根據製造商合格的風扇資料可證明在靜壓設定點等於三分之一總設計靜壓的條件下 當送風量為設計風量的50 時 其風扇耗電量不大於30 之設計耗電量 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 熱回收設備 排氣能源回收 個別送風扇系統中 具70 的最小外氣量及2400L s 5000cfm 或更大的送風量設計時 須裝置回收效率至少50 的能源回收系統 50 的能源回收效率 是表示當外氣與回風在設計條件時 外氣提供了相當50 的焓差 降低熱損之節能改善 風管及管路保溫 按本節的保溫要求必須依據公認的工業標準安裝 本條規範不適用於完整HVAC設備中所附屬的風管及管路 因為該狀況已被其他的標準所涵蓋 必須至少根據以下所列要求 保護保溫材避免因日光 濕氣 設備維修 及風吹而遭受損壞 風管保溫 m2 K W 管路保溫 cm r 管外半徑 inK 實際所用隔熱之熱傳係數 非標準k值保溫厚度之修正 T r l t r K k 1 系統監測與記錄 各建築物之空調機房 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 系統測試 平衡與驗收 竣工圖手冊系統平衡空氣側系統平衡水側系統平衡噪音控制 竣工圖 系統驗收後的90天內 需對建築物的所有者提交實際安裝圖說的建造文件 圖上的記載應包括每一個最小設備的位置和性能資料 風管和水管系統的一般平面配置 包括尺寸及終端空氣或設計的水流量 手冊 系統驗收後的90天內 需對建築物的所有者提交依據相關工會認可之標準所撰寫的操作 維修手冊 並且至少需包含以下各項 a 提出每一個設備需要維修的資料 說明設備尺寸及選擇的選配件 b 除了設備沒有裝置零配件以外 每一個設備皆需要操作及維修手冊 並且需明定例行的維修動作 手冊 c 至少一個維修代理商的名稱及地址 d HVAC控制系統的維修和校準資訊 包含線路圖 示意圖 和控制順序的描述 希望或規定的設定點 該需永久記錄在控制裝置的控制圖上或數位控制系統程序設計的註解中 e 對每一個系統未來的操作方法及建議設定點的完整敘述 系統平衡 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 系統平衡 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 系統平衡 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 噪音控制 辦公室及會議室之空調總噪音值應維持於40db A 以下 並依環保署噪音管制規定設置避震設備 消音箱 消音百葉等設備 節能設計考量與方法 窗型 一體式 窗型之效率 1 只有兩個馬達 送風與冷凝風量自然調配2 送風路徑短 風機耗電約只有整體之15 3 需輕薄短小 不易作高效率設計4 分離式體積上有較大的彈性 效率較高5 各別控制 可避免浪費6 缺外氣與空氣淨化 小型空調系統 美國家庭空調 COP之極限 以氣冷式為例 卡諾循環35 熱沉25 熱源COP 27 815 送風增加10 溫差後COP 14 4考慮10 冷凝熱傳溫差後COP 9 6考慮10 蒸發熱傳溫差後COP 6 95系統 P效應5 後COP 6 18考慮壓縮機與馬達效率 75 後COP 4 6加上風機耗電 15 後EER 4 03 3 46kcal h W 綜合部份負載值 IntegratedPartLoadValue ARI550 590新舊版IPLV計算公式係數比較 冰水主機負載 與效率之關係 冰水機效率與入口溫度之關係 空調節能設計概要 全面性之省能應包含至少以下之節能措施 應用節能之空調科技選用高效率空調設備設計合理耗能之空調系統以管理手法節約空調耗能正確之維護使系統處在最省能之狀態 全熱交換器節約70 外氣耗能 全熱交換器 低負載或換季時調高冰水溫度 空調主機節能 冰水機群最佳配置及運轉控制 VRV VariableRefrigerantVolume 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 FanCoil 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 VAV空調系統之控制流程圖 依負載調節空調箱風量Power Q3 變風量送風 VAV 不同風量控制之節能比較 低負載時小馬達效率低 比較應用變頻器和只有使用風門的AHU之耗能 案例 變流量系統 variablewatervolume 變流量系統係指水流量可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 變流量送水與定流量系統 變流量系統使用變頻器 變頻器之使用具有以下之優點 最低的維護成本 變頻器只需有基本之維護 變頻器之轉換效率高 皆可在95 以上 有工程改善之便利 可附裝於現有之水泵 可遠端遙控 控制簡便 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 使較末端之管路尚有水壓可達到設計之流量 感測點設在供應端會形成定壓供水 會造成低載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 會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 冷卻水與冷卻水塔系統之節能 1 多台冷卻水塔並聯運轉 水量必須平均分配至各水塔 2 冷卻水塔座落位置應留有足夠的空間 避免排出的濕熱空氣形成再循環而被抽回進風口 3 冷卻水溫隨外氣濕球溫度重置 reset 冷卻水溫度每降低1 0 約可省電約2 0 溫度來節約冰水主機用電 4 一般冷卻水塔合理的趨近溫度 空氣濕球溫度與冷卻水塔出水溫度之差 為3 趨近溫度低而消耗風車耗電但可節約主機耗電 單變頻軀動冷卻水塔系統 冷卻水塔安裝 提高排熱氣高度減少氣流短路 冷卻水塔安裝 避免進氣受阻 冷卻水塔安裝 必要時墊高冷卻水塔 提升空調主機節能潛力說明 我國雖有政府採購空調主機性能標準 然卻無空調主機性能之管制 不易從以上性能標準評估空調主機之性能 若取我國螺旋式主機COP 4 19之92年標準 0 84kW RT 及COP 4 65 0 76kW RT 之平均值0 80kW RT 與原已使用多年空調主機之耗電1 2kW RT比 節能率達33 3 高人員密度之外氣空調負荷 某戲院之空調負荷百分比分配 降低空調負載之方法 儲冰與吸收式空調 儲冰介質特性 空調儲冰系統之組成 全量與分量儲冰系統型態 全量儲冰供應全量空調 分量儲冰供應部份空調 全量式儲冰系統 分量式儲冰系統 主機在前串聯式儲冰系統圖 吸收式空調機 吸收式空調機之效率 註 COP 冷卻量 熱源輸入量 節能之運轉與管理 新思維 Energy能源成本NT kWh CO2 kWh 節能管理 無形電廠 能源成本最低 無CO2排放Environment 無形電廠不污染環境Efficiency 節能控制 使能源物盡其用 空調節能新思維 能源管理為上成本較低新舊建築皆適用能快速推廣節能控制 為有效管理手段節能管理必工具導入新科技智慧型網路節能診斷與控制 建築能源管理系統 BEMS之分級 線上監測之網路系統 空調系統即時運轉畫面 南部某展示館 空調系統運轉耗能歷史資料查詢功能 EUI之管理 能源局公告各類場所EUI標準 節能案例說明 超級市場各項設備逐時用電量 2002 7 1 7 3 發現冷凍冷藏設備為超市主要耗能設備 有別於以往大家認為空調設備為主要耗能設備之觀念 特別是在較寒冷的月份中空調耗電所佔比例幾乎為零 該超市地理位置於地下一樓 且冷凍冷藏櫃為開放式又環繞於該賣場 所以冷凍冷藏櫃所產生的低溫提供了該賣場之部分空調負荷需求 超級市場2 8月平均各項設備用電 kWh 比例 超級市場各項設備之單位面積耗電密度 超級市場2 8月最大尖峰時各項設備平均用電需量 kW 比例 各月平均 超級市場平均最大用電尖峰時各項設備分別用電需量 超級市場各項設備最大用電需量密度 改善案例台北科技大學 行政圖書大樓 行政圖書大樓 地上9層地下2層之辦公大樓建築物樓層總樓地板面積 13607m2冰水主機 190RT 1台 120RT 1台AHU空調箱 24台FCU室內送風機 104台 改善前現況照片 空調箱 原以冰水流量控制 後以VAV因應空調負荷作容量控制 改善前現況照片 冷卻水塔 冷卻水塔加裝變頻裝置 可節省能源 改善前現況照片 冰水管路系統 水側原採定水量系統 三通閥系統 後採變水量省能裝置 改善前現況照片 地下室主機房 將效果已劣化之儲冰系統拆除 增加圖書空間 板式熱交換器 儲冰槽 在圖書館 融冰水泵 改善後 空調箱頻率與耗電趨勢 改善後 泵浦頻率與耗電趨勢 改善後 冷卻水塔頻率與耗電趨