雲端空調用水省能技術

表4- 10 雲端空調用水省能技術

IBT 技術名稱：雲端空調用水省能技術

智慧建築指標歸屬：安全防災指標(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

由於經濟成長力道、產業需求提高、電力供給綠能替代化等因素，使得 用電量創新高的同時電力供給量時常發生過於吃緊的風險，而建築的能源管 理與能源節約議題，在全球的科技技術進步下各類型省能方式愈趨多元，重 要性則以節能技術所協助之建築用電類型比率、技術架構導入程度、因應之 成本支出程度作先後安裝考量為依據。以建築空間的能源耗用比率觀之，空 調相關用電的比率為各類型建築物之首，如下表 4-11 所示。

表4- 11 各類型建築物能源耗用統計(統計期間為 2015 年 1 月至 12 月)

幾乎在各類型的建築中，空調系統設備群均是用電能源的大宗，甚至在 某些建築領域如學校、辦公大樓、醫院、旅館、展覽館、航空站等幾乎佔掉 總用電量的一半之譜。然空調的使用上撇除非生產性質行業以外，使用方面 與建築物內部人員的舒適性呈現正相關，面對國內天氣一年比一年愈加炎熱 的氣候，在空調的使用需求度上也愈來愈高。例如在旅館的建築類型與辦公 大樓之建築類型，如下表4-12 及表 4-13 的紅框標示處，除了空調設備佔建築 高比重的能耗率外，自 2007 年起至 2015 年的數據更指出空調系統的使用比 率逐年上升，呈現高比重、高成長的能源耗用狀態；但如果只因為能源節約 的因素單純卸載空調設備，直接會對投宿的房客住房滿意度、與辦公樓員工 之工作效率產生立即的負面影響。

表4- 12 旅館類型建築平均能源分配比率表

(資料來源:電能管理需量控制器 Q&A 節能技術手冊)

表4- 13 辦公樓類型建築平均能源分配比率表

(資料來源:電能管理需量控制器 Q&A 節能技術手冊)

尤其是與建築物使用者息息相關的空調需求應用領域，每月每日均有頻 繁地運用到相關設備，採用頻率極高，而在依據不同類型建築物如學校、醫 院、電信網路機房等，空調設備需求的目的也不盡相同，應用範圍極廣，累 積耗能可觀。 在空調系統設備群中，大致包含冰水主機、空調用水泵浦、

冷卻水塔、空調箱及送風機等，根據統計結果，其中冰水主機的耗能為最大 部份，近幾年已有相關研究及設備商提出冰水主機智能改善計畫；而除了冰 水主機，位居其二的耗能主力則為空調用水設備，如下圖 4-14 所呈現的比例 分析，有將近 1/4 的總空調耗能比率集中在冷卻水泵浦與冰水一次側、二次 側泵浦上。以展覽館型式的建築為例，有 53.98%的比率為空調設備用電佔 比，又其中存在 1/4 的比率在空調用水上，意即儘管撇除給排水泵浦的耗能 比率，純粹以空調用之冷卻水泵浦與冰水泵浦，其耗能已佔全建築近 14%的 比率，以達重點節能設備之標準。

圖4- 14 建築中央空調系統各主要設備之耗電統計比率圖 (資料來源:電能管理需量控制器 Q&A 節能技術手冊)

在傳統上的空調架構中，其用水系統無論在前期的設計上所預留過高比 例之裕度、或是採用過去經驗採買慣用的空調泵浦型態、缺乏與外在環境因 素互動等，皆造成泵浦能耗居高不下的原因，亦限制了空調冷卻水泵浦以及 冰水泵浦本該有的合理性，因此涵括了以下幾個在實際使用上的遺憾缺失:

1. 單泵浦的性能曲線平緩

傳統上的空調用水設備採用習慣，考量希望在不同的水量區間下其 泵浦揚程(壓力)變化不至過大，亦因為沒有考量到以變頻器的方式 做替代，雖然達到以機械式的方式讓出水壓力趨穩，但此舉導致在 系統變流量的能源節約方式上，於單泵浦運作的功耗節約率大打折 扣，儘管再加上變頻器挹注，於性能曲線平緩的泵浦限制下，依然 造 成 在 較 低 的 流 量 時 變 頻 器 的 最 低 有 效 運 轉 頻 率 仍 接 近 滿 載(偏 高)，水量需求的改變並不能反映在能源的節約上。因此新世代重視 空調用水節能的泵浦應在設計規範額定值區間，儘量採用具備陡峭 型的性能曲線設備，以利產出日後在需求環境變化下的有效節能空

間。

2. 空調泵浦採以一用一備的方式規劃

空調系統架構無論是定流量或變流量的規劃，其各組泵浦至今仍有 許多在案場使用上採取相對大馬力之單台一組或兩台一組交替運轉 (以一台運行一台備用)的方式運作，也因此空調泵浦組面對需求環 境變化下的彈性輸出，或是面對需求環境穩定下相對不效率的組合 輸出，其對空調系統其他方面的節能措施都是產生負面的消極效 果；要兼具彈性、智慧、省能的空調送水方式，則應將各組空調泵 浦提升為「並行並列」的運行機制，亦同於近年來冷卻水塔在不增 加總負載量下增加風車運轉台數的省能做法。

3. 定流量與封閉式的系統架構

冰水輸送系統採定流量的方式，將冰水主機與冰水泵浦保持全負荷 的運轉方式運作，熱負荷降低時多餘的冰水由旁通管流入回冰水 管，無謂的能源耗費極大。同樣地，冷卻水之水量若採封閉式的規 劃，缺乏與環境室溫、水溫互動的結果，依然以定流量定壓力的方 式循環，亦造成可觀的能源浪費。

4. 空調用水監控項目不足的遺憾

空調用水要採取開放式的環境互動架構，首先需要在各要素元件的 一次側、二次側做監測分析，包含以各組泵浦為單位的能耗偵測、

管路內的壓力值感測、瞬間流量數據紀錄、室溫與水溫的偵測、以 及水質數據的趨勢等，除了建築允許大型的空調架構建置，一般中 小型的空調系統大都有監控項目不足的現象，不易因應互動架構做 出完整的節能規劃。

綜合以上所述，目前市場上的空調泵浦因為逐漸導入變頻器的挹注，雖 比過去傳統非變頻的泵浦系統在能源利用上來的稍好，但在進一步的節能規 劃、能源利用及維運彈性、泵浦設備的可靠度上尚有可成長、演進之空間，

此亦為本技術期望能夠以「雲端空調用水省能系統」之成果帶來國內空調用 水設備產業之進步，協助智慧建築於節能管理方面的有效提升。本雲端空調

測連動機制、多情境應用模式，並搭配雲端監控平台下，可協助空調用水系 統在省能同時更加自動化及可靠化。以下為本技術-雲端空調用水省能技術的 原理架構簡述:

1. 變頻技術的導入

原理其一為變頻技術的導入，各泵浦原件改善效率分別示意如下表 4-14。

表4- 14 泵浦原件改善效率機會 改 善 方 法 節 能 比 例 電力品質改善 0.5 ~ 3%

採用高效率馬達 2 ~ 8%

傳動效率改善 2 ~ 10%

恆壓變速控制(變頻) 10 ~ 50%

(資料來源:電能管理需量控制器 Q&A 節能技術手冊)

由上述數據比例可發現，由最基本的馬達/泵浦本體元件改善(IE3、

IE4)所得到的省能效果頂多提升 10%，但增加了可變速系統(變頻技 術)挹注後，藉由恆壓、需求量如水量變化的方式為獲得馬達軸動力 三次方的節能效益、如壓力變化的方式為獲得馬達軸動力二次方的 節能效益，意即達成最高 50%之節能比例，大幅提升能耗的進步。

應用變頻器原理即是在取得控制泵浦的速度(轉速)最佳方式: 運用泵 浦回轉數連續變化控制，在泵浦運轉點所要求的水量下，尚能保持 一定的壓力。回轉數控制操作當中，泵浦的性能依下列公式變化從 回轉數 N1 變化到 N2 時:

圖4- 15 泵浦之相似定律理論公式 (資料來源:有福機械有限公司)

例 如 :回 轉 數 以 全 速 100%(60Hz)的 83.3%(50Hz)、66.7%(40Hz)、

50%(30Hz)變化時，水量、全揚程、軸動力依下列變化。

圖4- 16 相似定律公式範例 (資料來源:有福機械有限公司)

以上可得知，軸動力與轉速的三次方成正比，亦即水量為全額約八 成時，理論上將可以獲得 50%的節能效益，各比例如下頁所示。

圖4- 17 泵浦之轉速與流量、耗電量之關係圖 (資料來源:有福機械有限公司)

 (83.3% / 100%)^3=0.578 節能 42.2%

 (66.7% / 100%)^3=0.297 節能 70.3%

 (50.0% / 100%)^3=0.125 節能 87.5%

故 泵 浦 轉 速 由 100%降 低 至 83.3% ， 此 時 流 量 亦 由 100%降 低 至 83.3%；揚程由 100%降低至 69.4%時，泵浦制動功率只要 57.9%時即 可。換言之，以變頻器控制轉速調整流量至 8 成時，理論上軸動力 則僅需 8 成的三次方，亦即只要近 5 成之軸動力就夠了。實際上若 考慮變頻轉變效率約 5%之全載損失因素後，估計約需 55%的軸動 力，由此可知其節省電力之功效；實務上需要注意的是- 使用的泵

浦其性能曲線呈現越陡峭的型態時，實際節能成果將更趨近於理論 節能成果。

2. 安全餘量的節省

新一代之智能化冰水主機可依照規劃方式供應冰水雙溫度的節能方 案。同理運用在空調用水領域，依照空調冷卻水泵浦的實際安裝後 需求壓力值觀測，一般其裕度均還有 1kg/cm^2 左右的調降空間，利 用泵浦之變頻器來合理降速後即可獲得即刻的省能效果；同樣地，

在冰水泵浦方面，冰水主機在冷凝器側的壓力差如果現場量測後數 值高過 0.5~0.6kg/cm^，則亦可得知泵浦有餘量節省的空間，增設變 頻器後轉速能夠合理降低並節省能耗。

3. 多泵整合+節能設計+專用邏輯強化

採用各組空調泵浦多台同時並行的基礎，在與傳統單台相同的流量 下進化為多台經變頻器調速後並聯的方式，其較傳統每組以單台運 行(一用一備)的運行模式降低各台泵浦的基礎馬力。套用前頁圖 3 的泵浦相似定律，在泵浦性能曲線為陡峭的形態前提下，如原 75HP 泵浦每次同時 8 台運行改為 75HP 泵浦每次同時 10 台運行，又每台 運 轉 頻 率 由 55Hz 降 為 44Hz ， 則 能 源 節 約 量 依 理 論 值 估 計 : 75HP*0.746*[8*(55/60)^3-10*(44/60)^3]=123.93kW；同理，原 60HP 可達成的水量改採用30HP 兩台隨時以相同頻率變頻運行，亦可獲得 顯著的省能效果。故將傳統空調用水泵浦以單台滿足需求流量的方

採用各組空調泵浦多台同時並行的基礎，在與傳統單台相同的流量 下進化為多台經變頻器調速後並聯的方式，其較傳統每組以單台運 行(一用一備)的運行模式降低各台泵浦的基礎馬力。套用前頁圖 3 的泵浦相似定律，在泵浦性能曲線為陡峭的形態前提下，如原 75HP 泵浦每次同時 8 台運行改為 75HP 泵浦每次同時 10 台運行，又每台 運 轉 頻 率 由 55Hz 降 為 44Hz ， 則 能 源 節 約 量 依 理 論 值 估 計 : 75HP*0.746*[8*(55/60)^3-10*(44/60)^3]=123.93kW；同理，原 60HP 可達成的水量改採用30HP 兩台隨時以相同頻率變頻運行，亦可獲得 顯著的省能效果。故將傳統空調用水泵浦以單台滿足需求流量的方