智慧情境變頻揚水技術

表 4-14 智慧情境變頻揚水技術

IBT 技術名稱：智慧情境變頻揚水技術

智慧建築指標歸屬：節能管理指標(2011) 智慧建築指標歸屬：智慧創新指標(2016)

適用建築類型：各類型建築物

一、技術原理說明：

在台灣由於國人的生活、工作習性使然，包含工業廠房園區、一般商業場所以 及集合住宅等超過 95%的建築物皆存在高架水塔(上水箱)的設計，且在配合受 水槽(下水箱)的總容積估算下，受水槽旁之揚水泵浦肩負了補給高架水塔的角 色，其補水方式係為高架水塔內的存水經耗用後少於高架水塔總容積約 20%以 下時，泵浦抽取受水槽的存水並在短時間內將其補滿；而近年來我國建築在土 地利用價值極大化的觀念下，建築形態如同海峽對岸的香港、亞洲鄰國新加坡 等地，朝向密集化、超高樓化之型態，由於傳統上的揚水設備技術限制，位於 低層受水槽旁的揚水泵浦設備只得以額定馬力倍數加大的方式不斷擴張，換得 的後果是大馬力泵浦其噪音、震動等如下負面結果:

• 大馬力的泵浦造成建築結構震動、產生讓人不悅的馬達噪音、管路水聲。

• 大馬力的泵浦造成的大電力負載，以及每次啟動的倍數啟動電流所延伸 之能耗損失、效率漏損。

• 短時間高架水塔過大流量進水、及其周邊管路內的噪音現象。

• 於補水動作開始、結束時所分別產生之送水衝擊、水錘效應等影響供水 管路與周邊閥件損壞風險等安全危害。

• 有缺陷的揚水系統及設備保護、備用機制對建築使用單位造成的損失。

• 龐大的揚水設備所佔用的室內機房空間。

• 傳統揚水設備技術的限制導致高架水塔與受水槽容積難以彈性相互配合，

使得建築美學因而妥協。

為了避免上述眾多負面缺失，傳統上會使用隱惡揚善的概念，使用沉水式 揚水泵浦設備，意即將揚水泵浦藏於受水槽內，由受水槽支存水掩蓋泵浦的做 法來彌補部分震動、噪音、空間的遺憾，但此作法長期以來將導致其他更不佳 的影響，近年來以被國內業界逐漸淘汰。

• 存封於受水槽內的泵浦機械設備，將衍伸出水質汙染的健康危害風險。

• 大馬力的沉水式揚水泵浦，受限於設備重量及受水槽上方作業空間，屆 於維修、更換時期將造成相關技術人員耗時耗力，不易維護保養作業。

有鑑於此，治標不治本的方式仍無法將傳統設備技術有效改善，長年以來 我國慣用的傳統揚水設備技術為了國人的建築供水安全，確實需求必要之進化，

揚水技術演進概略示意如下圖 4-36。

圖 4-36 國內建築揚水設備系統之技術演進

針對傳統揚水設備技術的不足，藉由本系統提出「智慧情境變頻揚水技術」

期望推動整體給排水產業的進步，其作為全面提升建築揚水設備系統在運作效 率、需量管理、管路及人身安全、日常維護甚至用水戶之健康與舒適的進化方 案，此技術由表象觀之亦可視為將揚水泵浦馬力降低 60%~80%的解決方案。新 系統採用準密閉式的供水管路環境，補水機制之原理使用壓力感知作信號來源，

藉由供水管路內存水的壓力變化、壓力脈波等參數，經過設備系統控制單元演 算後作為高架水塔的補水邏輯基礎，其演算法在提供補水機制的同時，透過多 項判斷準則輔助下，針對供水管路系統上處於關鍵角色的閥體如逆止閥、定水

位閥等，具備全時閥件異常偵測、警報、自動修補異常的能力；同時，由於採 用成熟的變頻技術做為系統架構基礎，除了在搭配本系統之智慧邏輯運行控制 器下尤其適合且允許揚水泵浦經常性的以低負載運作以外，對於泵浦、馬達等 設備的主動性全方位保護、常態運行或異常狀態的數據監視、設備能源的管理 和紀錄等更加完整。

此外，本設備系統搭載雲端控水服務平台，具有權限的使用端可以藉由智 慧型手持裝置以 APP 的介面或支持 BA(building automation)等大系統聯動，

遠程監視各項指標參數、控制各項供水情境模式、重要事件推播、歷史重要數 據累積報圖表產出等，由於具備雲端數據控管的技術，針對建築揚水的模式與 機制，經大數據的收集、分析後，隨時間累積尚可應用至揚水模式最佳化，輔 助設備系統運作效率及建築之需量管理措施。

二、技術對策與注意事項：

從需求面引導用戶進行負載之調整，有助於解決一部分電力供給問題，為 確保供電可靠、提高電力使用效率及降低供電成本，負載管理已成為各國電業 普遍所採取之方式，我國目前的綠能發電、新電業法等政令亦符合此能源、負 載管理趨勢。而揚水泵浦設備有別於其他的建築機電設備，幾乎所有類型的建 築物都需要揚水設備系統，具有高度普遍的特性，而此類高度普遍性之設備如 能推廣並導入需量管理的功能技術，預期將進一步全面性的抑低尖峰負載、拉 高離峰負載，配合最佳化的高效率揚水設備系統，可視為有效之需求面管理措 施。

本系統採用規劃性的需量控制，首先由「節約能源」做起，使用高效率馬 達、變頻器為基礎的高效率能源利用等以減少流動電費，同時還可以減少需量。

其次採取「負載轉移」的方式，將尖峰負載移至離峰時段運轉以降低需量，由 於電力公司時間電價的配合，不但可以降低基本電費的單價，還可享受到較低

浮動電費的單價；對於非時間電價的用戶，可經由揚水設備運行規劃，平均分 配運行於各個時段，避免集中時間運行或於尖峰時段運行，以抑制尖峰負載、

拉高離峰負載的方式，即可顯著的降低需量值。

準密閉式的揚水邏輯搭配補水情境控制技術，可確保將高架水塔內的存水 處在接近 85%的存水量區間，隨時保有高度存水量的條件即為揚水泵浦的「需 量管理」第一步，亦為建築揚水設備進行需量管理的執行前提；執行面上需配 合準密閉式的揚水系統、補水情境控制技術以及自動時間排程控制，爾後依以 下方式做需量管理，簡示如下圖 4-37:

圖 4-37 需量管理下的準密閉式建築揚水整合系統

• 尖峰時間:

由於高架水塔能夠隨時保持至少 85%的存水容量，利用自動時間排程控 制將設備揚水時間選擇於離峰時段，尖峰時期的用水量需求可由 85%以 上的存水容量充分滿足之，確實控制於尖峰時間負載的移轉方式(load shifing)，也為建築所有者獲得離峰電價的優惠。本設備系統並具有緊 急水位感知警報單元，於極少機會的例外狀況下造成 85%之存水容量無

法負荷尖峰時段之用水需求，揚水設備可即刻自動補足需求水量，掌握 負載、須量的管理前提是不違背使用者需求為首要前提的理念。

• 離峰時間:

利用自動時間排程控制首先將尖峰時期所提取的水量補足，爾後則依照 本系統的補水情境控制技術，再將高架水塔隨時保持約 85%至 100%區間 的存水容量(以變頻控制高效做動之)，以備下次尖峰時間的來臨。

此外，依上述方式除了可導入具有規模效益之需量管理、抑制地區性之尖 峰負載以外，由於本系統之揚水設備具有多泵浦分段式啟動能力，每日 70%的 總運作時間僅有單台負載需求，剩餘不到 5%的極短運作時間需要全數單位投入 負載，在建築物本身的契約容量控制下，將更容易達成額定時段之契約容量，

意即能夠被動式地避免總契約容量超出上限，節省額外無謂的電費支出。

以下部分由技術應用概念轉向設備系統說明，本智慧情境變頻揚水系統其 主體為多泵多變頻式智慧型整合揚水泵浦組，並搭配眾環境感測器整合，在同 時內嵌雲端整合單元與下即具備全建築供水的完備進化方案，詳如下列(一)至 (三)等分項說明之，架構可參考圖 4-38 型態。

圖 4-38 建築揚水之進化系統

(一). 多泵多變頻式智慧型整合揚水泵浦組

不同於一般傳統的揚水泵浦採取「水位感知」的方式補水(高架水塔內存 水處低水位時即啟動補水)，準密閉式的揚水方式採取「壓力感知」為補水的 主要依據，搭配補水的情境控制以及壓力感知演算方式，在綠能補水模式時每 次約補足高架水容積之 15%的揚水量，並以低馬力、低負載的型態使用時間自 動排程做補水控制，較傳統揚水模式更為適合我國未來以高樓、超高樓為主的 建築，本設備系統相對於傳統揚水設備，可提供建築物的好處主要如下所列。

• 低噪音、低震動的好環境:

傳統高層建築揚水設備所擔心的噪音、震動問題，藉由最佳化的補水流 程，可將泵浦馬力縮減至原來的 20%~40%，單台泵浦設備馬力減小最多 80%的結果，換來的是小馬力設備的低噪音、低震動結果，配合變頻補 水控制技術，更優化了設備運作的物理反應，提升建築內之使用、居住 上的舒適度。

• 日常維運簡單、維護容易:

藉由單台小馬力的泵浦配置，以及採用模組化的控制偵測單元，使得設 備操作容易、檢修快速簡單，深具易維護的特質。

• 高效率變頻揚水機制:

除了高效率馬達以外，系統採用變頻揚水控制，設備無傳統揚水泵浦之 大倍數啟動電流，確保以精實的能源達成最有效的補水動作。

• 提供安全的揚水管路環境:

由於採用恆壓變頻控制模式，設備於揚水階段開始時無突發性衝擊力、

由於採用恆壓變頻控制模式，設備於揚水階段開始時無突發性衝擊力、