南投县农会重建废热能回收系统设备工程

28三月2024南投縣農會重建廢熱能回收系統設備工程技術背景高考冷凍空調工程技師甲級冷凍空調技術士乙級冷凍空調技術士乙級室內配線技術士冷凍空調技術士技能檢定監評委員工業配線技術士技能檢定監評委員室內配線技術士技能檢定監評委員經歷南開技術學院創新育成中心主任南開技術學院醫療器材產業技術研發中心主任南開技術學院研究發展處研究發展長南開技術學院研究發展暨產學合作處研究發展長南開科技大學電機工程系副教授南開科技大學電機工程系教授學術專長節約能源技術冷凍空調工程規劃設計熱泵HeatPump技術無塵室技術簡報大綱一、冷凍空調基本概念二、空調設備三、熱泵節能技術四、低流量高溫差冰水機組節能技術五、高壓胴體式壓縮機節能技術六、無塵室空調節能技術一、冷凍空調基本概念冷凍循環系統空氣線圖環保冷媒冷凍空調基本認識冷凍循環系統冷凝器的冷卻方式冷凍空調循環介紹冷媒冷凍循環相變化過程冷媒流體的變化EER與COP冷凍與熱泵空氣線圖

(psychrometricchart)空氣線圖應用－空氣調節冷凍空調基本元件冷媒依運轉壓力分類小型空調機產品技術發展變革環保冷媒特色氣冷式冷凍循環系統水冷式冷凍循環系統冷媒的分類各種冷媒的環境效應與特性二、空調設備分離式冷氣機箱型冷氣機變頻多聯式冷氣機中央空調系統空調設備-日立冷氣空調設備-東元冷氣空調設備-大金商用變頻空調變頻壁掛型分離式冷氣機箱型冷氣機渦卷式冷凍機變頻多聯式空調機一對一分離式冷氣機變頻多聯式冷氣機變頻多聯式系統配置有熱回收裝置的冰水機分離式冷氣機配置圖水冷式箱型冷氣機配置圖水冷式中央空調系統配置圖變頻小型中央空調系統三、熱泵節能系統熱泵系統原理熱泵系統介紹節能範例現況說明(台灣能源價格變動)2001年14元2006年23元2016年預估36元熱泵機是吸收大自然空氣中的熱能或空調系統之廢熱進行熱交換使其成為日常生活所需的溫熱水。熱泵系統簡介60℃熱水出15℃冷水入膨脹閥壓縮機空氣冷空氣蒸發器冷凝器輸入電能We吸收熱能排放熱能QH=QL+We>WeQHQL低壓、低溫、氣態高壓、高溫、氣態低壓、低溫、液態高壓、中溫、液態熱泵機是利用冷氣機原理，將排放的熱氣回收，加以轉換成熱水供應。以機器"能量平衡"原理，加入熱水的能量QH，等於由空氣中或水中吸取的熱量QL，與壓縮機的輸入電量We之和，即QH=QL+We。熱泵系統原理圖1243莫尼爾線圖PPhPL3421蒸發過程冷凝過程節流過程壓縮過程恆溫線冷媒曲線壓縮機運轉曲線QL冷凍效果We壓縮機作功Qh冷凝熱量hQL+We≒Qh熱泵效益及優點各種熱水器之單位能源熱能力設備種類熱值

熱效率

單位熱產能柴油鍋爐熱水器8,816仟卡/公升×燃燒效率75%=6,612仟卡/公升電熱水器860仟卡/度×燃燒效率90%=774仟卡/度液化瓦斯熱水器12,000仟卡/公斤×燃燒效率75%=9,000仟卡/度天然瓦斯熱水器8,942仟卡/度×燃燒效率75%=6,707仟卡/度熱泵熱水器860仟卡/度×熱放大係數360%(COP)=3,096仟卡/度各種熱源燃料費(1,000公升冷水由21℃加熱至58℃成為熱水,需要37,000仟卡)設備種類熱量需求單位熱產能耗能能源單價能源費用柴油鍋爐熱水器37,000仟卡÷6,612仟卡/公升=5.6公升×20元/公升=112元電熱水器37,000仟卡÷774仟卡/度=47.8度×2.0元/度=95.6元液化瓦斯熱水器37,000仟卡÷9,000仟卡/公斤=4.1公斤×19元/公斤=78元天然瓦斯熱水器37,000仟卡÷6,707仟卡/度=5.5度×13.5元/度=74.5元熱泵熱水器37,000仟卡÷3,096仟卡/度=12度×2.0元/度=24元熱泵效益及優點(續)熱泵節能系統之優點耗電量小，節省4/5的柴油費、節省3/4的電熱費、節省2/3瓦斯鍋爐費。節約能源只利用大自然中的熱能，不產生二氧化碳、不排放廢熱氣、無空氣污染，不破壞臭氧層，減少溫室效應。

環保取代傳統鍋爐設備，無燃燒，不產生廢氣，免除鍋爐爆炸或瓦斯中毒之危險性，具安全裝置免漏電之虞。燃油和瓦斯鍋爐因使用不當而引起的氣爆、中毒等安全事故時有發生，如：亞歷山大一氧化碳中毒事件。安全性高一、空氣對水熱泵系統：空氣中熱源低溫冷風空氣對水熱泵機：自空氣中汲取並轉移熱能至熱水儲槽中，主機運轉同時排出冷氣，若以風管設施導引至室內可降低部分空調負荷，充分發揮熱泵機效益。熱水儲槽熱泵主機熱泵主機冰水主機CHS(7℃)CHR(12℃)熱水儲槽A/CLOAD(空調負載)冰水回水12℃冰水供水7℃二、水對水熱泵系統：水對水型式之熱泵機：與空調系統作結合，除供應熱能外更能提供部分冷能，分擔部分冰水主機負荷。慈濟使用熱泵現況說明慈濟使用熱泵案例說明項次安裝地點熱泵系統、數量使用人數、床數節能效益%1花蓮慈濟技術學院(學生宿舍)(空氣對水)9台1000人63%78%2花蓮慈濟中學(宿舍)(空氣對水)9台700人3花蓮慈濟大學(學生宿舍)(空氣對水)12台1000人4花蓮慈濟精舍(空氣對水)1台100人5花蓮慈濟中學(新宿舍)(空氣對水)7台1000人6慈濟高雄靜思堂(空氣對水)2台200人7慈濟桃園靜思堂(空氣對水)2台200人8花蓮全球慈濟人寮房(空氣對水)2台200人9花蓮玉里慈濟醫院(空氣對水)1台80床10花蓮慈濟醫院(水對水)2台300床11台北縣新店慈濟醫院(水對水)10台1000床12花蓮慈濟急診大樓(水對水)5台500床13嘉義大林慈濟醫院(空氣對水)12台1000床慈濟使用熱泵之節能效益每年平均節省約635萬元安裝熱泵機後預估十年可節省燃料費用約6,350多萬元(不包含燃料費用每年漲幅，電價漲幅不大)日本家用CO2熱泵熱水系統-EcoCuteESCO能源服案例說明ESCO能源服務案例說明花蓮基督教門諾醫院仁愛樓:病床數144床，原有熱水儲槽二座共6,000升。恩慈樓:病床數238床，原有熱水儲槽二座共9,500升。平安樓:病床數443床，原有熱水儲槽三座共9,000升。原系統:柴油蒸氣鍋爐2台，交替運轉。柴油費用:平均每月約420,000

元改善後之系統新增熱泵系統:仁愛樓：空氣對水SAHP-010一台恩慈樓：空氣對水SAHP-020一台平安樓：水對水SWHP-020二台空氣對水熱泵附加產生空調導入配電室、機房使用，節省空調費用。水對水熱泵與原有冰水主機結合降低冰水主機負荷。門諾醫院熱泵系統能源服務方法設備及系統工程由能源服務公司提供。院方依熱泵運轉所耗之電費與原鍋爐用柴油費用比較，以能源服務公司保證之「節能效益值」為依據，院方依每季實際所節省之費用支付給能源服務公司，按期支付。若低於「節能效益值」時，院方則依節省費用，按比例支付。驗證方式：掛錶量測(OptionB)。期數日期柴油節省費用A(元)熱泵運轉電費B(元)總節省費用C=A-B(元)第1期94/02~94/04719,810141,263578,547第2期94/05~94/07798,48091,683706,797第3期94/08~94/10896,805110,681786,124第4期94/11~95/01936,195134,295801,900全年節省能源費用(元)2,873,368基督教門諾醫院節能效益預估未來十年節能效益安裝熱泵機後預估十年可節燃料費用約4,800多萬元。油價以毎年10%調整,電價以毎年2%調整,尚未加計設備重置費用四、低流量高溫差冰水機組電能消耗比較節能公式低流量高溫差節能冰水主機冷卻水塔水幫浦冰水系統之電能消耗比較1970’s2000’s73%9%18%58%26%16%冰水廠的設計...

舊的“經驗公式”冰水出水7℃

冰水器之溫差5℃

冰水量

2.7gpm/ton冷凝器之溫差5℃

冷卻水量

3.2gpm/ton冰水廠的設計...

新的“經驗公式”冰水出水5℃

冰水器之溫差7℃

冰水量

1.9gpm/ton冷凝器之溫差7℃

冷卻水量

2.3gpm/tonEWS:水側範例

冰水機功率消耗 (1200tons)冷卻能力 1200tons出水溫度7℃

消耗功率 701.5kW

出水溫度 5℃消耗功率 777.3kW節能基本定律質量(能力)與流量成正比壓降與流量的平方成正比消耗功率與流量的立方成正比節能基本定律這表示:當流量減少40%會降低約80%的功率消耗.(0.6)3x100%=21.6%EWS:冰水幫浦能力

(1200tons)水流量 3184gpm水幫浦揚程25feet水幫浦效率 70%馬達效率95%水幫浦消耗功率 22.5kW2274gpm

12.8feet70%95%

8.1kWEWS:水側範例

SystemPower (ChilledWater)冰水主機 701.5kW一次側冰水幫浦 22.5kW消耗總功率Total 724.0kWLowDeltat低溫差777.3kW8.1kW785.4kWLowFlow低流量+75.8kW-14.4kW+61.4kW串聯冰水與冷卻水系統機會使用高溫差冰水以降低流量效益水泵與主機可同時節能變換冰水主機時流量不會瞬間變化改善傳統高溫差並聯冰水主機的運轉效率注意事項需使用串聯專用冰水機，以減少水側壓降，否則泵浦將無法節能主機傳統並聯系統低水量大溫差並聯系統低水量大溫差串聯系統EarthWise™System

對於水側的好處$使用既有或是較小的幫浦$使用既有或是較小的冷卻水塔$ 使用既有或是較小的管件及閥件$ 較低的幫浦耗能$ 更低的冰水溫度可降低空間的濕度...EarthWise™System

對於空氣側的好處$較小的空調箱,送風機,&VAV箱體$ 縮小風管尺寸$ 較小的機房空間需求$ 更多可用地面空間$ 更低的噪音值$ 更低的濕度創造更佳的舒適性SystemExample

耗能 “冰水系統

應該要

有效率!”

EarthWise™設計考量

可考慮低溫送風室內送風機12.8℃離風溫度?13.3℃to6.7℃

中速對於噪音改善及節能方面也有效!最佳化的控制五、高壓胴體式壓縮機結構特色節能方式高壓胴體渦卷式壓縮機信賴性噪音、振動1HZ/STEP精準控制150m長配管設計超冷卻迴路設計六、無塵室空調節能技術無塵室潔淨等級無塵室空調節能美國聯邦標準FS-209E規格國際標準ISO-14644規格無塵室氣流分類

國內半導體廠潔淨室耗能之現況

一般電子廠用電總設備容量約為數萬馬力，契約容量亦為數千乃至數萬千瓦，全年電費總額更高達數億元以上，可見半導體廠的耗能相當驚人。一般半導體廠耗能流程示意圖半導體廠電力消耗分布圖

半導體廠之冷氣負荷

製造廠實際運轉所消耗的電力平均單位生產晶圓面積電力消耗為2.18kW/m2，平均冷凍負荷0.434RT/m2，晶圓產量平均耗能1.432kWh/m2。選用冰水主機應注意事項

選擇冰水主機除應考慮滿載效率外,還應檢討主機在部分負載的運轉效率,為獲得較高的運轉效率,可考慮選擇有變頻控制轉速功能,而非使用傳統改變進口導流葉片角度來配合負載的方式。同時因應CFC冷煤停產,也應考量採用非CFC冷煤的新冰水主機。左下方為備援用冰水管路幫浦離心式冰水主機往復式冰水主機提高冰水主機的運轉效率

因為冰水主機占中央空調系統中所有動力設備的耗能相當大的比例,所以其運轉效率的維持也就顯得特別重要,評估冰水主機效率通常用kw/RT來比較。對壓縮式冰水機增進效率在基本上都是相同的,也就是降低冷凝氣與蒸發器之間的高低壓力差。此壓力差一般會隨主機負載不同而改變,但為求方便,常用冰水出口溫度及冷卻水入口溫度之差作為指示壓力差。欲降低冷凝器與蒸發器間的壓力差,不外乎提高冰水出口溫度及降低冷卻水入口溫度。維持冷卻水塔的運轉效率

冷卻水塔的座落位置應留有足夠的空間,使得空間得以自由進入冷卻水塔,排出的濕熱空間避免形成再循環而被抽回進風口。多台冷卻水塔並聯運轉時,水量必須要能平均分配至各水塔。冷卻水塔在安裝妥當後保持其效率的方法是,必須經常檢視撒水管撒水情形是否正常均勻,此外為防止冷卻水塔結垢、生苔,而掉落水盤內,再進入冷凝器或主壓縮機夾層內,降低冷凝或冷卻效果,使冷煤高壓升高而耗用較多電能,應保持冷卻水質,以免生垢生苔,冷凝冷卻效果。冷卻水塔節省能源控制

傳統冷卻水溫度的控制方法有:1.冷卻水塔風車起、停控制;2.冷卻水塔風車馬達雙速控制改變風量;3.多組冷卻水塔輪流停止風車轉動;4.冷卻水流量三通閥旁通控制。但這些方式對節能的幫助有限,目前較好的方法是以多組冷卻水塔並聯運轉,並由冷卻水送水溫度回饋至變頻器控制冷卻水塔風車轉速。協調冰水機與冷卻水塔以獲得最佳的運轉方式

冷卻水塔應與冰水主機的運轉一併考量,才得使系統整體效率提升。一般冷卻水塔合理接近溫度為3℃,設定溫度亦應以此為基準,其目的在使冷卻水塔的散熱能力完全發揮,同時避免接近溫度過低而消耗太多的風車用電。而且冷卻水溫也不可以無限制地降低,最低設定溫度應諮詢冰水機製造廠的意見,一般離心式冰水機應可低至18℃。冷卻水塔當然要全數投入運轉,並以變頻器控制風扇轉速。冰水系統節能運轉

空調箱的冷卻盤管應使用二通閥控制冰水流量,而不要使用三通閥。因為使用二通閥的盤管是變流量、定溫差;三通閥則是定流量、變溫差,因此流經二通閥的冰水流量較少而有省能的機會。當然,同時冰水泵要以變頻器控制轉速,來因應隨空調負載改變的冰水量。冰水泵使用備用外氣空調箱加入運轉

通常為確保潔淨室空調系統的可靠度,某些設備都會有備用單元,以便有故障發生時,可以隨時接替加入系統運轉,而不致使潔淨室的環境條件受到影響。以外氣空調箱而言,將風車改用變頻器控制,加入備用單元運轉後,每一組空調箱的風量即可按比例降低。如以三組外氣空調箱,其中一組為備用而言,整體耗電將可節省44%。除了能省電外,原來送風洩漏至備用外氣空調箱的能源損失將不再發生,過濾器的使用壽命也可延長,盤管的熱交換面積相對增大,冷卻效率增加,在極端惡劣的氣候條件下仍可確保送風品質。空調箱再熱(reheat)溫度的設定

外氣引進後被冷卻盤管冷卻至露點溫度,經加入盤管再熱後,送至潔淨室下方的服務區與回風混合,由循環風車經乾盤管(drycoil)再冷卻送至潔淨室。再熱溫度的設定應隨產量或設備發熱量增加而逐步調低,甚至完全關閉。再熱溫度的調整應使外氣與回風混合後的空氣只有少許熱量被乾盤管冷卻。否則的話,設定太高的過熱溫度,混合後的溫度太高,又需要乾盤管來冷卻,如此一來造成加熱與冷卻的雙重損失。外氣空調箱冷凝水的回收利用

因為潔淨室引進的外氣量相當大,故經由冷卻盤管冷凝的凝結水也相當可觀