第三章 建構智慧化居住空間
第四節 空調控制系統
本實驗空調控制系統是透過VRV 空調機之 Gateway 與電腦做連結，進而 達到控制空調室內外機的功能。其空調系統基本架構圖如下圖3-42 所示
圖3-42 空調系統架構圖 壹、基本空調設備簡介
ㄧ、VRV 空調系統
VRV 空調系統之應用，於近年來以大量普及化。由於兼顧節能、模組 化、低噪音、及良好的熱舒適等優點，於中小型建築及住宅等家用空調之 市場佔有率急遽攀升。據估計於近十年內將取代一般窗型冷氣機，而成為 市場之主流。於日本等先進國家中，每年之VRV 空調系統銷售量均呈現 20 % 以上之成長速度，形成一股世界性之潮流。
VRV 空調系統和一般空調系統最大的不同在於，一般空調系統運轉方 式是以所設定之溫度決定啟動或停止運轉，而VRV 空調系統運轉方式為 當室溫到達設定溫度時，以較低的頻率下去運轉，當室溫高於設定溫度時，
以較高的頻率下去運轉，所以溫度控制比一般型空調系統還精準，並且部 分負載效率較高。
圖3-43 VRV 空調系統實體圖 二、BACnet Gateway
BACnet Gateway 的功能在於提供一個空調系統的控制平台，操作 者只要透過Ethernet 將電腦與其做連結，BACnet Gateway 即可供應各 種不同的控制訊號，供操作者控制使用。由於目前市售之各廠空調機所擁 有控制技術皆不相同，所以在機器本身的設計上，並不會開放空調機之控 制訊號供人操作使用，必須加裝各廠空調機所對應之專用BACnet Gateway，才可完全控制空調機的所有功能。
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圖3-44 空調控制系統架構圖 貳、實驗方法與結果
一、RFID 人感控制之情境模式應用
本實驗是利用四台空調室內機進行實驗，並搭配RFID 來達到偵測進 出實驗空間之人員數量的功能。
圖3-45 空調情境模式系統架構圖
此情境最大的特點在於，利用RFID 感應進出實驗空間內的人數及外
空調情境模式用電需量
0 500 1000 1500 2000
6:45 7:36 8:36 9:36 10:36 11:36 12:36 13:36 14:36 15:36 16:36 17:36 18:36
時間
用電需量 W
圖3-47 空調情境用電需量趨勢圖 二、午休情境模式
『當人睡眠時，嗅、視、聽、觸等功能暫時減退，骨骼反射神經運動 和肌張力減弱，同時伴有一系列的自主神經功能的改變（表現為：血壓下 降、心律減慢、體溫下降、代謝率降低、呼吸變慢等）…』。
所以在睡眠時不需要太多的空調量即可使人感到舒適，且可幫助人體 調節體溫。依照PMV 熱舒適度指標所提出的理論，溫度、風速為影響熱 舒適度的主因之ㄧ，故目前實驗室所設置之午休情境模式可分為風速及溫 度兩種控制方式，在人入睡時，降低其設定風速或升高其設定溫度，可維 持其舒適感並達到節能的效果。其午休情境模式之控制流程如下所示：
圖3-48 午休情境模式風速控制
圖3-49 午休情境模式溫度控制
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此實驗之耗能情形如下所示：
12:30 12:33 12:36 12:39 12:42 12:45 12:48 12:51 12:54 12:57 13:00 13:03 13:06 13:09 13:12 13:15 13:18 13:21 13:24 13:27
時間
12:30 12:33 12:36 12:39 12:42 12:45 12:48 12:51 12:54 12:57 13:00 13:03 13:06 13:09 13:12 13:15 13:18 13:21 13:24 13:27
時間
用電需量 W
圖3-51 午休情境模式溫度控制之用電需量趨勢圖
圖3-52 溫度控制模式與風速控制模式用電度數比較
上圖為此兩種控制模式運轉一小時之用電度數，由圖面上看出溫度控 制模式較風速控制模式節能，約可節省4.6％左右。
三、PMV 空調情境模式 i、技術說明
在70 年代初期 Nevins 等人針對 1600 名大專學生調查，將溫度、
濕度、性別、熱暴露長度與舒適度之間建立其相關性。該調查將冷暖分為 七個等級，被調查者則依照主觀感覺選擇在當下環境中的冷暖等級，並可 得到一平均值，此即為PMV（Predicted Mean Vote）指標。
圖3-53 PMV 指標之冷暖等級
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Fanger 更進一步研究將熱舒適度建立一套完整的理論模式，明確指 出熱舒適度是受到溫度、濕度、風速、平均熱輻射溫度、人體著衣量及人 體活動量等六大參數所影響，並找出其關係式。其中評估方法包含有預測 平均投票數（PMV）及不滿意百分率〈PPD；Predicted Percentage of Dissatisfied〉。此模式為國際標準組織（International Organization for Standardization, ISO）之熱舒適評估指標。
圖3-54 影響 PMV 之六大參數
圖3-55 PMV 及 PPD 之關係圖
Fanger 的理論模式係建立於人體生理與能量傳輸關係。據此觀點，
人體只有在與外界的熱量進出達到平衡才會感到舒適。當熱量無法達到平 衡時即形成熱負荷，此熱負荷與人體及其周圍環境的熱交換關係為：
其中 Ld 為熱負荷，H 為人體內部產生的熱量，Ed 為皮膚表面水蒸 氣擴散所損失的熱量，Esw 為皮膚表面水份蒸發所損失的熱量，Ere 為呼 吸作用的潛熱損失，S 為呼吸作用的顯熱損失，K 為人體經由衣服傳導至 外界的熱量，R 為衣著表面輻射熱傳損失，C 為衣著表面對流熱傳損失。
上式顯示，假設衣著不積存熱量，由人體透過衣著傳導出的熱量（K）亦 等於衣著表面經由對流與輻射（R + C）對環境所傳遞的熱量。亦即：
其中各個進出熱源的計算方法如下：
人體內部產熱量H：
人體由於新陳代謝會產生熱量（M），此熱量主要是用來維持身體的溫 度（H），另一部份則做為人體活動時的動力來源（W）：
若定義熱效率
可得：
皮膚表面水蒸氣擴散所損失的熱量 Ed：
此熱量損失與皮膚溫度飽和水蒸氣壓與周圍空氣水蒸氣分壓間的差值 成比例關係，經過化簡可得：
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其中ADu 為人體表面積（m2），pa 為大氣中水蒸氣分壓（mmHg），
tS 為皮膚表面平均溫度（℃），根據實驗：
皮膚表面水份蒸發熱量損失 ESW： 根據實驗，此熱量損失為：
呼吸作用的潛熱損失 Ere：
此熱量損失是呼吸量與空氣進出水蒸氣含量差值的函數，化簡後可以 得：
其中 ta 為大氣平均溫度（℃）。
人體經由衣物傳導至外界的熱量 K：
皮膚傳至衣物表面熱量的計算需考慮皮膚與衣物間的熱對流、熱輻射 效應以及衣物本身的熱傳導，因此頗為複雜。Gagge et al.提出以下的關 係式：
其中 tcl 為衣物表面之平均溫度（℃），
其中 Rcl 為皮膚至衣物表面間的總體熱阻，1 clo = 0.18 ℃ -m2-hr/Kcal。
輻射熱傳損失 R：
人體與周圍環境間會進行輻射熱交換，其熱交換量與人體及周圍物體 的溫度以及相對應的幾何形狀有關，可以下式表示：
其中 fcl 為人體衣物表面積與皮膚表面積之比， tmrt 為平均輻射溫度
（mean radiant temperature）。
對流熱傳損失 C：
衣物表面的對流熱傳損失可由下式得到：
其中對流熱傳係數
其中 V 為風速（m/s）。
熱平衡方程式：
將式〈A-3〉至〈A-12〉代入式〈1〉第一行中可得：
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又根據式〈2〉可得
式〈A-14〉與〈A-15〉所包含的變數計有：
〈1〉與衣物有關的函數（Ｉcl、fcl）。
〈2〉與人體活動程度有關的函數（ M/ADu、η）。
〈3〉與環境有關的變數（Ｖ、ta、pa、tmrt）。
若一狀況之各變數恰好使式〈A-14〉中之 Ld = 0，則此狀況就能提 供人體最佳的舒適性。Fanger由實驗得到身體熱負荷與人體活動量的關 係，並導出計算 PMV 值的完整公式：
將式（A-14）代入上式可得：
至此已有一完整之PMV 值計算方法，若可以得到式〈3〉中之變數值，
即可得到在某一狀況下的PMV 值，可依此瞭解在此一狀況下人體的熱舒 適性，並可利用不同的方法（改變衣著量、調整風溫、風速等）加以改善，
以達到舒適的目的。
但對於台灣濕熱型氣候而言，上述Fanger 所提出之 PMV 理論並不 完全適用。因此為求實驗之準確性，必須將六大參數因子所構成之PMV 公式加以修正及簡化，使其適合材用。此稱為熱調適行為之熱舒適模式，
其修正之公式及參數如下所示：
上式為PMV修正簡化後所導出之不滿意度公式即APD公式，其中μ為 平均值、ai溫度的影響參數、bj濕度的影響參數、ck風速的影響參數、dl 平均輻射溫度的影響參數、abij溫度與濕度交互作用的影響參數、acik溫 度與風速交互作用的影響參數、adil溫度與平均輻射溫度交互作用的影響 參數。
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表3-1 APD 各項因子參數表
ii、實驗架構說明
本實驗是利用一台空調室內機、一台風扇及溫控器進行實驗，其系統 架構圖如下圖所示：
圖3-57 PMV 情境模式系統實際照片
圖3-58 風扇與溫控器端設備架構
此PMV 情境模式系統是利用空調室內機與風扇進行連動控制，將溫 控器置於人體周遭，當溫度到設定點時即啟動風扇並調整其風速，來達到 調整人體舒適度的效果。若將設定之溫度及風速代入上述APD 公式即可 計算出其不滿意度之多寡，藉此求取最佳化之設定值。
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四、外氣冷房 i、技術說明
傳統式中央空調系統為維持健康舒適的空調環境，必須將30％的是 內回風排到室外並且引入相當空氣量之外氣，但在某些涼爽的季節、晚間 或下雨後的時段中，外氣通常乾爽且清涼，其熱焓值可能低於室內回風的 熱焓值，此時如果停止運轉空調主機，全部利用室外空氣來當作空調，便 可節約空調系統之耗能，此就是外氣冷房系統的構想。
圖3-59 外氣冷房示意圖
外氣冷房省能控制是在中間季(甚至冬季)外氣溫度或焓值較低情況 下，充分利用外氣做冷源以達最大限度的節約能源。外氣冷房的節能控制 有以下兩種類型：(1)按外氣溫度(顯熱)的節能控制，(2)按外氣焓值(顯熱 +潛熱)的節能控制。
今以濕空氣線圖來說明顯熱控制與焓值控制在節能效果上的差別。圖 3-60 中的粗黑線代表若使用回風時空氣的除濕冷卻過程。空調送風溫度、
回風溫度與焓值將濕空氣線圖劃分為幾個不同的區域。顯熱控制與焓值控 制在圖中的斜線區域有不同的節能效果。除了在區域3 外，焓值控制均較 顯熱控制方式節能。在區域3 焓值控制會較耗能是因為外氣溫度過低，在 冷卻前需先經淋水加濕，使得空氣含值升高的緣故。表3-3 詳列了在各區 域顯熱控制與焓值控制的差異。
圖3-60 外氣冷房系統的外氣適用條件
表3-2 顯熱控制與焓值控制之外氣冷房系統節能效果
表3-2 顯熱控制與焓值控制之外氣冷房系統節能效果