第三章 中央空調及熱泵系統運用 BEMS 建立智慧型運轉策
第一節 科學工藝博物館之案例驗證
科學工藝博物館外觀圖空調系統由 5 台製冰機、2 台 250RT 冰水主機、3 桶 儲冰槽、泵浦及空調箱等等所組成。製冰機所製之儲冰分別由 3 桶儲冰槽所儲 存。儲冰為主要供應空調之項目，儲冰使用時，經由冰水管路連接於 4 台版式熱 交換器，進行熱交換，提供現場空調。冰水管路也與 2 台冰水主機相連，儲冰供 應空調不足時，可用冰水主機提供空調需求，如下圖 42 所示。
圖42. 科學工藝博物館空調系統示意圖
表24. 科學工藝博物館空調系統規格表
冷凍能力 耗電量 冷媒
冰水主機 250RT 184kw R-22 製冰機 376RT 390kw R-22
中央空調 BEMS 專家智慧診斷技術研究
60
科學工藝博物館空調系統運轉模式
科學工藝博物館的儲冰系統屬於分量式儲冷系統。於夜間離峰時間 22:30 運 轉製冰機進行製冰直到隔天早上 07:30，將儲冰桶槽製滿儲冰，以供應白天空調 需求。於白天尖峰時段，為避免儲冰融解速率過快，加開 2 台 250RT 冰水主機，
於早上 07:30 運轉至閉館時間 17:00。下圖 43 青藍色線為現場全天空調負荷需 求，由融冰之冷能及冰水主機提供負荷，最大負荷發生於早上剛開館時，約 1897RT，如下圖 43 所示。
圖43. 科工館現場全天空調負荷需求及運轉模式
科工館運轉現況問題分析
下圖 44 科工館運轉模式為 BEMS 系統所記錄之空調系統耗電歷史資料。其 中，X 軸為時間、Y 軸為耗電功率，藍線及紅線分別為冰水主機 CH-01 及 CH-02 之耗電功率。冰水主機於早上 07:30 運轉至 20:30，單台主機運轉時輸入功率為 160kw，運轉期間為尖峰及半尖峰時段，電價極高。若能節省此段耗費，必能省 下大幅電費。
第四章 中央空調系統經由 BEMS 進行系統診斷與最佳化運 轉策略之全尺度實驗印證
圖44. 科工館空調全天運轉耗電情況
表25. 由 BEMS 讀取之科工館空調全天運轉耗電情況
Time CH01_KW CH02_KW
10:36:00 166.9 170.3
10:30:00 166.7 170.2
10:24:00 167.7 170.2
10:18:00 166.9 169.4
10:12:00 166 169.1
10:06:00 165.5 168.9
10:00:00 165.1 169.2
09:54:00 165.5 169.5
09:48:00 165.1 170.2
09:42:00 165.4 170.1
09:36:00 166.1 170.2
09:30:00 165.2 170.4
09:24:00 163 170.3
09:18:00 163.7 170.6
09:12:00 165.5 169.6
09:06:00 162.7 168.7
中央空調 BEMS 專家智慧診斷技術研究
62
09:00:00 162 168.4 08:54:00 167.9 169.2 08:48:00 164.3 168.4 08:42:00 161.7 168 08:36:00 161.8 168.1 08:30:00 159.4 169.9
為進一步增加儲冰容量以減少尖峰時冰水機之用電，本計畫首先進行將儲冰 槽之水位指示器加以調變，以免儲冰輕易的就能觸碰到桶槽頂端，使得製冰機自 動停止製冰，簡單示意圖如下圖 45 所示。經改善此問題，儲冰槽所提供儲冷能 力將大幅增加。
圖45. 儲冰桶槽水位計設定不良導致儲冰容量不足之示意圖
第四章 中央空調系統經由 BEMS 進行系統診斷與最佳化運 轉策略之全尺度實驗印證
節能運轉改善策略之擬定 1.單槽儲冰桶儲冷能力之提升
經 BEMS 之運轉結果顯示，可診斷出目前儲冰能力呈現不足之狀況；儲冰 槽無法儲滿冰，其主要原因為製冰貣停判斷方式受到水位過高時而產生誤判之問 題。乃由於製冰機於儲冰時，部分儲冰會卡在桶槽邊緣，為避免儲冰因此卡住桶 槽旁之觀測門，現場工作人員會用水沖刷卡住儲冰。如此，長久下來造成水位異 常。
據此診斷結果，立即可實現的改善方式為將不要之水於儲冰槽內釋出，以增 加儲冷容量，而可釋出之最低水位為融冰泵進口所在之高度。改善前儲冰桶水位 容量之顯示約為 450 m3 與融冰泵進口上方之 250 m3，因此單桶儲冰容量相差了 200 m3，預計 3 桶總共能增加 600 m3之儲冰空間，以下為實際進行改善之施工 程序。
圖46. 改善前儲冰槽水位融量顯示 情況
圖47. 改善前儲冰槽水位融量顯示 情況
圖48. 改善前儲冰槽儲冰顯示情況 圖49. 改善前儲冰槽儲冰顯示情況
中央空調 BEMS 專家智慧診斷技術研究
64
圖50. 改善前儲冰槽儲冰顯示情況 圖51. 改善前儲冰槽水位融量顯示 情況
導入改善策略
本計畫向科工館提出之改善策略可分為兩部分；分別為儲冰桶儲冷能力提升 及融冰空調運轉模式之調整。
儲冰桶儲冷能力提升
於儲冰桶內排水後，已增加 600m3的空間，大幅增加儲冰能力，排水過程如 下。
圖52. 自冰水送水管外接管路，進行 排水
圖53. 自冰水送水管外接管路，進行 排水
第四章 中央空調系統經由 BEMS 進行系統診斷與最佳化運 轉策略之全尺度實驗印證
圖54. 自冰水送水管外接管路，進行 排水
圖55. 自冰水送水管外接管路，進行 排水
圖56. 自冰水送水管外接管路，進行
排水 圖57. 改善後儲冰槽儲冰顯示情況
圖58. 改善後儲冰槽儲冰顯示情況
中央空調 BEMS 專家智慧診斷技術研究
66
融冰空調運轉模式之調整
儲冰桶在進行改善儲冰量後，儲冰系統供應負荷能力已有所上升，運轉模式 進一步調整，使達最佳化。調整程序可分為 4 項步驟，詳細內容如下:
1. 融冰速率調整
儲冰系統儲冷能力增加後，為減低冰水主機負擔，重新調整融冰泵運轉頻 率，嘗詴將儲冰系統白天融冰提供冷能之比重大幅提升，以全天候供應科工館之 空調負荷。
圖 59 中，泵浦由早上 09:00 啟動 3 台融冰泵，貣初因剛開館時因建築蓄率 效應空調需求較大，頇運轉較高之頻率。於運轉至 16:00~17:00 之間時，由於即 將閉館，故將其儲冰全部釋放，所以融冰泵負載上升。目前狀況為僅運轉 2 台融 冰泵，而冰水主機完全停止運轉。
圖59. 融冰泵運轉耗電情形
第四章 中央空調系統經由 BEMS 進行系統診斷與最佳化運 轉策略之全尺度實驗印證
2. 融冰泵台數調整
於融冰泵進行頻率調整，可改變融冰速率，而最佳運轉策略則為總融冰泵耗 電量之極小值。至 BEMS 量取圖 60 及 61 可以顯現泵浦台數與耗電量之間的關 係，得知多台融冰泵浦運轉之總耗電量反而比選取單台運轉之耗電量來的少!此 重要之發現與系統診斷將為後續之節能策略建立了最主要之基礎。
圖 60 及 61 相互比對發現，圖 60 時間在 09/06 下午 16:00 時，運轉 2 台融冰 泵送往冷房，將剩餘儲冰消耗殆盡，此時 2 台泵浦耗電量分為 9.53 kw 及 8.18 kw。
反之，圖 61 顯示，當於 12:42 時，由 3 台融冰泵來運轉時，耗電量分別為 3.83667 kw、3.75 kw 及 3.335 kw 總計為 10.92 kw，與運轉 2 台之總量 17.71 kw，相差了 6.79kw 。換言之，同時運轉三台融冰泵應為較佳運轉策略!此結果與傳統之人工 判斷操作知經驗顯然不同，亦顯示出運用 BEMS 系統進行診斷之重要與優勢。
圖60. 融冰泵運轉耗電情形
中央空調 BEMS 專家智慧診斷技術研究
68
圖61. 融冰泵運轉耗電情形
融冰泵運轉台數除了與耗電量相關以外，也與現場空調負載型態有關。下圖 62 為實施融冰泵台數控制前，科工館單日實際空調需求變化圖。於下午 15:00 時，大樓空調負荷為 1301.64RT；由兩台融冰泵所提供之冷能分別為 670RT 及 704RT。圖 63 則進一步顯示，在融冰泵台數增加後，若同時增加夜間之儲冷能 力，則融冰能力供應之冷能將更為長久。於春秋季時，甚至可以全量式儲冰級融 冰之方式供應空調，不需額外運轉冰水主機，而獲得之最大之電費節約，亦即「分 量設計、全量運轉」之最佳化運轉模式!此亦為本計畫提出之較先進儲冰系統最 佳化運轉模式。
第四章 中央空調系統經由 BEMS 進行系統診斷與最佳化運 轉策略之全尺度實驗印證
圖62. 現場空調負荷變化圖
圖63. 現場空調負荷變化圖
中央空調 BEMS 專家智慧診斷技術研究
70
3.分量設計與全量運轉之最佳化策略分析
圖 64 所示為典型建築物整體負載型態曲線下之總冷凍能量，其單位為「冷 凍頓小時」。所謂的「全量儲冷」方式，就是將此面積所需的總能量「完全」由 夜間時段冷凍主機運轉，並將此冷房能力儲存貣來，於白天空調供應期間主機可 不必運轉，其電力負載情況可示如圖 65。
圖64. 建築物空調負載示意圖
圖65. 建築物以全量儲冰時之空調負載
在圖 65 中，可看出其白天因空調供應期間，主機不運轉，而儲冷槽提供冷 能能力，所以其電力負載可變得相當低，負載轉移幾乎是 100%。而「分量儲冷」
方式，係將全日之總冷凍能量，一部份由夜間離峰時段使冷凍主機運轉，將其冷
第四章 中央空調系統經由 BEMS 進行系統診斷與最佳化運 轉策略之全尺度實驗印證 房能力儲存貣來，作為提供翌日部份的空調負載，而主機於白天空調供應期間亦 運轉，提供另一部份冷房能力，如此則為主「分量」儲冷方式，其空調系統之電 力負載情況如圖 56。
圖66. 建築物以分量儲冰時之空調負載
在圖 66 中，可以看出白天空調供應時，有部份冷房能力是由夜間所儲存的 冷凍能量不如全量儲冷方式多，因此其電力負載亦不如全量儲冷方式高，所以可 大大的降低向電力公司申請之契約容量，節省基本電費。因此，分量設計與全量 運轉之最佳化運轉意即降低圖中 B 部份的負載，以提升儲冷能力及泵浦運轉頻 率來進行控制。
分量儲存系統係藉冷凍主機於離峰時段完全運轉，在離峰或空調段儲冷，待 尖峰或空調時段由儲冷設備提供調能力，不足部分則再運轉冷凍主機分擔部分空 調負載。而科工館即屬此種設計，以降低電力需量以及較小的主機容量，節省初 設成本。
然而，於一年四季之中外氣溫度之變化與及室內參觀人數多寡所造成室內之 熱負荷不同將形成不同之空調負荷型態。此時，若採取一成不變之運轉模式，佈 但無法獲得節約電費之成效，有時反額造成需量超約罰款或耗電量大幅上升之狀 態。因此，於分量設計階段以節省出設成本之情況下，若能進一步盡量利用夜間
中央空調 BEMS 專家智慧診斷技術研究
72
離峰時段將冰儲存至最大限度，來使白天開空調主機之頻率降至最低，則可達到 分量設計與全量運轉之最佳化運轉模式。
4.夜間製冰最大化與白天融冰最佳化運轉策略之實證
在進行儲冰桶排水改善後，桶內儲冰增加使空調能力得以提升，為更有效使 用儲冰系統，應增加晚間離峰時間將儲冰桶儲滿，而白天運轉時則進行融冰速率 最佳化及台數最佳化策略，使達到最佳運轉。
從圖 67 BEMS 所記錄歷史數據 kwh 圖，得知空調系統從改善前 2 台冰主機
從圖 67 BEMS 所記錄歷史數據 kwh 圖，得知空調系統從改善前 2 台冰主機