中央空調設備系統節能改善

中央空調系統適合用於空調負載需求較大之場所，例如辦公大樓、

醫院、百貨公司及旅館等大型建築，相較於一般住宅使用之箱型或分離 式冷氣，在考量建築物空間使用性的條件下，通常會將空調設備集中置 於地下室之機房空間，以方便集中施工與操作管理，並可避免主機噪音 影響建築使用性。中央空調系統主要特色為使用大容量主機，對於日後 管理、維護保養以及擴充設備，均有其便利性。

一、技術原理簡介

整體之中央空調系統可依照不同元件，包括空調主機、外氣量控制 系統及外氣冷房系統、變風量系統、變水量系統等節能技術，如圖 3-1 所示。

圖 3-1 中央空調各主要系統架構示意圖

資料來源：建築節能技術實務彙編，內政部建築研究所 中央空調系統主要係利用空氣對水及水對冷媒做熱交換所構成的 系統，其示意圖如圖 3-2 所示。亦即中央空調系統主要是利用水作為熱 傳介質，不斷地從空調過程或由室內空調區域中搬運熱量至室外，期間 利用水泵浦加壓使水經由冰水主機蒸發器降溫處理後，再循冰水管路輸 送至負載側終端裝置，該裝置設置於室內空調區域或空調處理過程中，

如送風機(Fan coil) 、空調箱(Air Handling Unit)或各式的熱交換(Heat Exchanger)設備等。經由上述終端設備，冰水與室內空氣做一熱交換後，

升溫的溫水再回流至冰水主機持續進行製冷循環。

圖 3-2 中央空調系統熱交換示意圖

資料來源：建築節能技術實務彙編，內政部建築研究所 若就中央空調各主要子系統來看，主要分為冷媒系統、水側系統及 空氣側系統，其中冷媒系統構造與一般家用分離式空調相似，主要可以 分為四大元件，分別為壓縮機、冷凝器、膨脹閥與蒸發器，如圖 3-3 所 示。其不同之處在於容量大小、散熱方式與供應至負載端(辦公室、會 議室、賣場等)供冷的方式。此外，中央空調系統其附屬設備，如泵浦、

空調箱、管路設置等，可因應使用單位之需求，導入適當之運轉控制模 式，如圖 3-4 所示。

圖 3-3 蒸氣壓縮循環原理示意圖

資料來源：建築節能技術實務彙編，內政部建築研究所

圖 3-4 中央空調水系統示意圖

資料來源：建築節能技術實務彙編，內政部建築研究所 二、節能技術之採用策略

1、冰水主機台數控制節能技術策略

若能使冰水主機群處於最佳負載分配，則可達到最佳的運轉效率。

當室內負載變動時，可利用冰水主機變頻等技術，使主機處於滿足負載

需求之運轉狀況，亦即冰水主機依空調負載的變化而有不同效率，在高 負載或滿載時，冰水主機效率較高。

然而空調主機之容量，通常採用尖峰負載之需求予以設計，此時所 對應的條件為最高氣溫或較嚴苛之氣象條件，故所計算出之空調主機容 量較大。然而整年中主機運轉在此尖峰負載條件下的時數並不多，導致 主機在大部分的時間，皆處於部分負載情況。舉某實際案例來說，該案 例建築之冰水主機全年運轉時數如圖 3-5 所示，由圖可看出空調主機大 多於 30%~50%之部分負載狀態下運轉。

圖 3-5 主機運轉負載率案例

資料來源：建築節能技術實務彙編，內政部建築研究所

冰水主機在不同負載下，其運轉的效率將有所不同，以某家廠商 350USRT 離心主機之性能曲線為例如圖 3-6 所示，當負載接近 90%時，

其主機效率(COP)達到最高的狀態 5.43。由此可知，當在同一負荷的情 況下，使用多台較小容量的冰水主機處於滿載運轉，將比使用大容量的 冰水主機但處於部分負載運轉，相對下更加節能。

圖 3-6 冰水主機於不同負載率時之主機效率(COP)

主機效率(COP)

當冰水主機處於高負 載率時，其主機效率 (COP)較高

資料來源：建築節能技術實務彙編，內政部建築研究所

為了使冰水主機之運轉能夠處於高效率狀態下，可採用主機台數控 制策略，以因應不同負載的情況使主機運轉效率達到最佳化。舉例來說，

若某一大樓最高負載為 1800RT 如圖 3-7 所示，當非夏季或夜間時段室 內負載較低時，其負載僅約 15%(270RT)，此時採用一台 300RT 主機以 90%負載率供應即可；當負載增至 30%(540RT)時，則採用一台 600RT 主機以 90%負載率供應即可；當負載增至 50%(900RT)時，則可採用一 台 600RT 主機加一台 300RT 主機，各以 100%負載率供應空調，如此類 推，便可使主機均處在較高效率下運轉，達到節能的目的。

圖 3-7 依負載控制主機台數示意圖

資料來源：建築節能技術實務彙編，內政部建築研究所 2、外氣量控制節能技術策略

在室內之負載空間中，空調系統如果沒有引入外氣做換氣動作，將 導致污染物與病菌在室內不斷循環，使得空氣品質下降。我國環保署已 於 100 年 11 月 23 日公布室內空氣品質管理法(IAQ)，並於 1 年後開始 施 行 ， 其 中 包 含 室 內 二 氧 化 碳 濃 度 等 規 範 ， 而 美 國 冷 凍 空 調 學 會 (ASHRAE)則建議可以使用室內二氧化碳濃度當作室內空氣品質的指標。

表 3-1 為我國各項室內空氣污染物之室內空氣品質標準規定，考量該法

在空調系統中，控制外氣量使室內空氣與外界新鮮空氣做交換，是 有效控制室內空氣品質的一種手法。然而室內空調最小外氣需求量，將 會隨著使用空間中的人數多寡以及運作模式而有所變動，通常空間中人 數較多或是活動量較大時，皆會需要較多之外氣需求量，以確保室內空 氣品質。有關各種不同空間用途之室內空調最小外氣需求量，如表 3-2 所示。

表 3-2 不同空間用途之室內空調最小外氣需求量

空間用途類別 單位樓地板面積外氣送風量(m³/(hr×m²))

辦公室、會客室 2.3

旅館房間 54/room

營業用餐廳 10

集會場所 19

百貨商場 3.6

通道、走廊 0.9

教室 9.2

電影院、演藝場 7.3

理髮美容院 7.3

舞蹈、球戲等康樂活動室 9.2

資料來源：建築節能技術實務彙編，內政部建築研究所

典型之外氣交換空調循環系統，如圖 3-8 所示，主要包括下列機制：

(1)送風(supply air)：提供室內空調空間的空氣，以做為通風、供冷、

除濕等作用。

(2)回風(return air)：由空調空間回到空調管道間的空氣，其狀態等 於空調空間中的空氣狀態。

(3)排氣：為維持室內空調空間空氣品質，便需要排出部分空氣，以 利空氣流動循環。

(4)混合外氣：吸入新鮮外氣，並與剩餘的回風空氣(再循環空氣)混 合後，回到空調箱再次冷卻，再送風至空調空間。

圖 3-8 典型之外氣交換空調循環系統

資料來源：建築節能技術實務彙編，內政部建築研究所

在空調系統之空氣循環中，空調排氣係為較低溫且低濕度之空氣，

而引入的新鮮外氣之溫濕度視不同環境、季節而定，於台灣地區多屬於 高溫、高濕的空氣。尤其在夏季，空調空間因換氣需求而需引入外氣時，

其高溫、高濕的空氣，需先將其冷卻除濕至室內條件，此過程會消耗大 量能源，根據統計其耗能約佔空調負荷的 30%。因此若能將空調排氣與 引入之外氣先做全熱(顯熱及潛熱)交換，使外氣先行預冷及除濕至趨近 室內溫濕度後，再送至空調箱冷卻，將可減少處理新鮮外氣所需耗用的 能源。全熱交換器之室內外冷熱空氣交換機制如圖 3-9 所示。

圖 3-9 全熱交換器之室內外冷熱空氣交換機制示意圖

資料來源：綠建築．綠改善-打開綠建築的 18 把鑰匙，內政部建築研究所 3、外氣冷房系統節能技術策略

基於室外的空氣條件是不斷在變化，當某些外氣條件較回風條件 (如焓值^*10

圖 3-10 外氣冷房示意圖

資料來源：建築節能技術實務彙編，內政部建築研究所

、溫度)良好的情況下，此時即適合藉由引進外氣的方式，作 為供應室內的空調所需，此種節能策略即外氣冷房系統之主要精神。

全空氣(All-Air)空調系統為一種常見的空調送風系統，是將室內所 需之空調負荷，藉由空氣處理設備（如空調箱）將空氣進行加熱或冷卻 的過程後，供應室內所需之溫度與濕度。一般典型的空調箱系統如圖 3-10 所示，會將部分室內回風空氣排至室外，並引進室外新鮮空氣以維 持室內空氣品質，因此在部分季節時，室外空氣會較室內涼爽，此時便 可考量利用外氣輔助或全數提供室內空調負荷所需，上述即是外氣冷房 系統的設計構想。

註¹⁰ ：焓值（enthalpy）（單位：Kcal/Kg）表示 1Kg 潮濕空氣中乾空氣的熱量，在特性曲線圖上的 焓值是表示空氣飽和時的熱量 Kcal/Kg-da，所以是依濕球溫度變化而變化，空氣性質圖上，

等焓值和濕球溫度線可視為同一條直線。

茲以空氣線圖如圖 3-11，來說明設計外氣冷房系統供應室內負 載時，主要考慮之外氣條件如下：

(1)外氣乾球溫度(僅考慮顯熱 1)。

(2)外氣焓值(考慮顯熱及潛熱 2)。

而下圖是經由溼空氣線圖，表示外氣冷房有效的利用範圍。

圖 3-11 外氣適用條件示意圖

資料來源：建築節能技術實務彙編，內政部建築研究所

外氣冷房系統是根據當外氣熱焓低於室內回風熱焓時(例如下雨過 後、夜晚)，此時可引進部分或全外氣來供應室內空調，如此便可降低 空調主機之運轉耗能，甚至關閉空調主機，全部倚靠引入外氣來應付室 內負載，達到減少空調主機運轉之耗能。然而於引進室外空氣來降低室 內空調負荷時，我們需要外氣的冷能但卻不希望讓外氣的髒汙也進入至 室內，所以在引入外氣進入盤管時，通常會加裝濾網防止髒汙進入室內，

避免室外的髒污影響到室內空氣品質。

4、變風量系統節能技術策略

在設計空調系統時，通常是以空調負荷最嚴苛時做為設計，然而空 調系統在實際運作時，大多數的時間僅需部分負載，因此空調系統若能