空調(diào)冰水系統(tǒng)節(jié)能改善成果課件

空調(diào)冰水系統(tǒng)節(jié)能改善成果李永裕

CTCIFOUNDATIONENERGYCONSERVATIONTECHNOLOGYDEVELOPMENTCENTER中華民國九十一年十一月二十七日永安科技大樓1永安科技大樓永安科技大樓為地下5層、地上22樓的商業(yè)辦公大樓，地下層每層面積約1,300坪，地上層每層面積約370坪。B5~B4為停車場，B3有800坪為停車場；500坪為辦公室，B1、B2、B3為商場，1樓為大廳及銀行，2樓以上全部為辦公室使用。樓地板的總面積共11,240坪，大廳、辦公室(1樓以上)樓地板的總面積共8,140坪。目前原子能委員會使用2F~8F，其他樓層尚無使用。2既設(shè)空調(diào)系統(tǒng)因原設(shè)計B3~4F為商場，5F以上為住宅，所以空調(diào)冰水機房有2處，分別在B2及B3。B2機房的冰水主機為TRANE離心式500RT*2+TRANE往復式120RT*1，主要供應(yīng)4F以下的空調(diào)負載。B3機房的冰水主機為中興-螺旋式300RT*2+TRANE往復式140RT*2，主要供應(yīng)5F以上的空調(diào)負載。冰水系統(tǒng)採一次側(cè)/二次側(cè)(Primary/Second)方式設(shè)計，一次側(cè)主機泵隨著主機的啟停開關(guān)，二次側(cè)區(qū)域泵隨現(xiàn)場負載變化開啟。概估空調(diào)尖峰負載約1,200-1,500RT。設(shè)備全新，但近10年未使用。3空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備規(guī)格(1)冰水主機4空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備規(guī)格(2)冷卻水塔5空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備規(guī)格(3)冰水泵、區(qū)域泵、冷卻水泵6500RT120RT500RTTO4FTO3FTO2FTO1FTOB1FTOB2FTOB3FFM3F-4FFMB2-2FFMB3FF/C&AHU改善前–B2機房冰水流程圖7旁通流量0GPM“Youcanneversavemoreenergythanshuttingitoff.–5% Nominal +5%SystemEfficiencyWorstCase = 0.盤管壓降20Ft依照風扇定律(fanaffinitylaws)流量率Q、揚程H，以及制動馬力BHP之間的關(guān)係如下：冰水泵、區(qū)域泵、冷卻水泵改善冷卻水塔使用效率。三通閥和盤管在部份負載的條件下冰水區(qū)域泵加裝變頻控制空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備規(guī)格(3)B3機房的冰水主機為中興-螺旋式300RT*2+TRANE往復式140RT*2，主要供應(yīng)5F以上的空調(diào)負載。盤管壓降20FtThecommonpipe假如在夏天關(guān)掉正運轉(zhuǎn)的冷氣空調(diào)系統(tǒng)，辦公室內(nèi)人員會由於室內(nèi)空氣悶熱及室內(nèi)空氣品質(zhì)不佳而導致工作生產(chǎn)力急遽的降低，甚至根本無法工作！一次側(cè)/二次側(cè)變流量系統(tǒng)：一次側(cè)泵FlowReductionwithSpeedControl冰水區(qū)域泵加裝變頻控制冰水區(qū)域泵加裝變頻控制300RT140RT300RTTO5-22FTO梯廳FM5-22FFM梯廳F/C&AHU改善前–改善前B3機房冰水流程圖140RT???8希望…少開一些空調(diào)設(shè)備:目前原子能委員會進住2F~8F，其他樓層尚未使用，但空調(diào)需同時開啟B2、B3機房2套系統(tǒng)，有些浪費。B2、B3系統(tǒng)能相互支援:目前B2機房、B3機房、梯廳的冰水主機獨立運轉(zhuǎn)，系統(tǒng)效率差。冰水區(qū)域泵能相互支援:原設(shè)計4F以下區(qū)域泵各自獨立，無法相互支援。系統(tǒng)操作簡單化:原開機程序複雜，需專業(yè)人員配合，機動性差。管路配置最佳化:原管路配置不甚理想。改善冷卻水塔使用效率。增設(shè)監(jiān)控系統(tǒng):掌握空調(diào)運轉(zhuǎn)狀況，記錄歷史資料?？照{(diào)系統(tǒng)效率最佳化:降低運轉(zhuǎn)電費。各樓層加裝空調(diào)計費系統(tǒng):明確分擔公共電費。申請綠建築標章。9改善項目冰水管路修改冰水區(qū)域泵加裝變頻控制提高冷卻水塔使用效率監(jiān)控系統(tǒng)加裝空調(diào)計費系統(tǒng)現(xiàn)場三通閥改為二通閥(住戶自行修改)10效益省能效益冰水管路修改20萬元/年冰水區(qū)域泵加裝變頻控制20萬元/年提高冷卻水塔使用效率5萬元/年監(jiān)控系統(tǒng)(系統(tǒng)最佳化)35萬元/年合計80萬元/年11500RT120RT500RTTO4FTO3FTO2FTO1FTOB1FTOB2FTOB3FFM3F-4FFMB2-2FFMB3FF/C&AHU冰水管路修改改善後B2機房冰水流程圖TO5-22CHSTO梯廳CHSFM5-22CHRFM梯廳CHR(住戶自行修改)12300RT140RT300RTTO5-22FTO梯廳FM5-22FFM梯廳冰水管路修改改善後B3機房冰水流程圖140RTTOB2FF/C&AHU(住戶自行修改)FMB2F13冰水管路修改改善後冰水管效益FM3F-4FFMB2-2FFMB3FFM3F-4FFMB2-2FFMB3FFM5-22CHR14冰水管路修改改善後冰水立管流程圖15冰水管路修改改善後冰水管效益改善前空調(diào)冰水系統(tǒng)操作模式：B2供應(yīng)2F-4F冰水主機+冷卻水塔+主機冰水泵+冷卻水泵+冰水區(qū)域泵

120RT+5HP+7.5HP+20HP+2F-4F區(qū)域泵B3供應(yīng)5F-8F冰水主機+冷卻水塔+主機冰水泵+冷卻水泵+冰水區(qū)域泵140RT+5HP+10HP+25HP+5F-8F區(qū)域泵B3供應(yīng)梯廳冰水主機+冷卻水塔+主機冰水泵+冷卻水泵

140RT+5HP+25HP+25HP

PUMP

5HP+42.5HP+70HP=127.5HPCHILLER320kW16冰水管路修改改善後冰水管效益改善前空調(diào)冰水系統(tǒng)操作模式：B2供應(yīng)2F-8F+梯廳冰水主機+冷卻水塔+主機冰水泵+冷卻水泵+冰水區(qū)域泵500RT+7.5HP*3+20HP+60HP+2F-8F區(qū)域泵

PUMP=102.5HPCHILLER=288kW

SAVINGPUMP=25HP(20%)CHILLER=32kW(10%)“Youcanneversavemoreenergythanshuttingitoff.”17冰水管路修改舒適而省能的工作環(huán)境假如在夏天關(guān)掉正運轉(zhuǎn)的冷氣空調(diào)系統(tǒng)，辦公室內(nèi)人員會由於室內(nèi)空氣悶熱及室內(nèi)空氣品質(zhì)不佳而導致工作生產(chǎn)力急遽的降低，甚至根本無法工作！行為(Performance)＝能力(Ability)*行動(Motivation)＋環(huán)境(Environment)

分析生產(chǎn)力並不是一件容易的事，基本上生產(chǎn)力可以上式表示；”能力”與訓練有關(guān)，”行動”與管理有關(guān)，”環(huán)境”與建築、工程、設(shè)備操作有關(guān)。事實上，生產(chǎn)力和個人的速度、精確度、創(chuàng)造力、學習效率、教育、適應(yīng)力、反應(yīng)力、薪資、健康、環(huán)境等都有非常密切的關(guān)係。根據(jù)調(diào)查研究報告發(fā)現(xiàn)病態(tài)建築物環(huán)境在一般標準辦公室工作下，可能會使工作減緩7.2%以上，錯誤增加30%以上，病假大約34%。室內(nèi)的工作環(huán)境對工作人員是有非常大的影響的，當然，不同的工作有不同的影響；不同的人，影響的程度也不相同，因此，分析上是非常複雜而長期的。

18冰水區(qū)域泵加裝變頻控制空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備規(guī)格(1)Distribution(secondary)flowequalsproduction(primary)flow.?Businessunit傳統(tǒng)變水量二通閥控制冰水系統(tǒng)流程圖KW/TON540.NewChiller 0.?ControlsandIMPACTOF5%ERRORATSITE–5% Nominal +5%efficiencymeasuresPrimary-secondarypumpingprovidesthemeansfortheconstantvolumepumpingofthelowhorsepowerprimarypumpsthroughthechiller.三通閥的壓降10Ft現(xiàn)場三通閥改為二通閥(住戶自行修改)benchmarking冰水區(qū)域泵加裝變頻控制冰水區(qū)域泵加裝變頻控制盤管流量0GPMChillerkW/RTmonitoring&Conceptualviewofachilled-waterair-conditioningsystem:?Indoorairloop.Intheleftmostloop,indoorairisdrivenbythesupplyairfanthroughacoolingcoil,whereittransfersitsheattochilledwater.Thecoolairthencoolsthebuildingspace.?Chilledwaterloop.Drivenbythechilledwaterpump,waterreturnsfromthecoolingcoiltothechiller’sevaporatortobere-cooled.?Refrigerantloop.Usingaphase-changerefrigerant,thechiller’scompressorpumpsheatfromthechilledwatertothecondenserwater.?Condenserwaterloop.Waterabsorbsheatfromthechiller’scondenser,andthecondenserwaterpumpsendsittothecoolingtower.?Coolingtowerloop.Thecoolingtower’sfandrivesairacrossanopenflowofthehotcondenserwater,transferringtheheattotheoutdoors.冰水區(qū)域泵加裝變頻控制中央空調(diào)系統(tǒng)流程及熱負載關(guān)係圖19冰水區(qū)域泵加裝變頻控制傳統(tǒng)定水量三通閥控制冰水系統(tǒng)流程圖CHILLERF/C&AHU20冰水區(qū)域泵加裝變頻控制傳統(tǒng)變水量二通閥控制冰水系統(tǒng)流程圖CHILLERF/C&AHUCHILLERΔP21500RT500RT冰水區(qū)域泵加裝變頻控制傳統(tǒng)定水量區(qū)域泵+三通閥控制冰水系統(tǒng)流程圖F/C&AHU22BTU=500×ΔT×GPMHIGHCAPACITY+LOWΔTLOWCAPACITY+HIGHΔT=冰水區(qū)域泵加裝變頻控制負載、流量和溫差負載變化=定流量×變溫差-三通閥負載變化=變流量×定溫差-二通閥23冰水區(qū)域泵加裝變頻控制典型的三通閥和盤管三通閥的冰水系統(tǒng)，會造成流動力上的浪費，因三通閥系統(tǒng)並不是線性的，輕載時不但回水溫度較設(shè)計值低，且流量增加，導致後端水量不足、泵耗電增加。24冰水區(qū)域泵加裝變頻控制三通閥和盤管在全載的條件下送水溫度45℉回水溫度45℉盤管流量100GPM盤管壓降20Ft負載500,000Btuh(flow*ΔT*500)盤管ΔPCLOSE旁通流量0GPM三通閥的壓降10Ft設(shè)計流量和揚程100GPM@30Ft25冰水區(qū)域泵加裝變頻控制三通閥和盤管在卸載的條件下送水溫度45℉回水溫度45℉盤管流量0GPM盤管壓降CLOSE負載0Btuh(flow*ΔT*500)盤管ΔP20Ft旁通流量100GPM三通閥的壓降10Ft設(shè)計流量和揚程100GPM@30Ft26冰水區(qū)域泵加裝變頻控制三通閥和盤管在部份負載的條件下送水溫度45℉回水溫度49℉盤管流量62.5GPM盤管壓降7.8Ft負載250,000Btuh(flow*ΔT*500)盤管ΔP7.8Ft旁通流量62.5GPM三通閥的壓降10Ft設(shè)計流量和揚程100GPM@30Ft27冰水區(qū)域泵加裝變頻控制三通閥的特性和缺點三通閥系統(tǒng)的缺點：低的回水溫度。部份負載下，會使下游盤管冰水量不足?？偭髁吭黾?，泵耗電增加?？赡茉黾颖鳈C運轉(zhuǎn)臺數(shù)?？赡苁贡鳈C的耗電量增加。TypicalCHWFlowvsLoadCurveforAHUwith3-WayValve28?Indoorairloop.?Whole-systemmaintenance,–10% Nominal +10%WorstCase = 0.假如在夏天關(guān)掉正運轉(zhuǎn)的冷氣空調(diào)系統(tǒng)，辦公室內(nèi)人員會由於室內(nèi)空氣悶熱及室內(nèi)空氣品質(zhì)不佳而導致工作生產(chǎn)力急遽的降低，甚至根本無法工作！ExistingChiller 0.?Equipment“fixes”?BusinessunitTrade-offsBetweenChillerPowerandFanPowerwithTowerAirflowprocurement,?Real-timeload?Chilledwaterloop.三通閥和盤管在卸載的條件下負載250,000Btuhmanagementfor-------------------------------------------------ChillerkW/RT5HP+70HP=127.冰水區(qū)域泵加裝變頻控制?Refrigerantloop.?Equipmentselection,Ingeneral,EnergyUsed=EfficiencyxUsagexHRS冰水區(qū)域泵加裝變頻控制540.500坪為辦公室，B1、B2、B3為商場，1樓為大廳及銀行，2樓以上全部為辦公室使用。Pumpimpellersshouldbetrimmedtominimizethepressuredropacrossthevalveonthedischargeofthepump.現(xiàn)場三通閥改為二通閥(住戶自行修改)一次側(cè)/二次側(cè)冰水系統(tǒng)壓力感測器的位置Trade-OffofChillerandPumpPowerwithChilledWaterSetPoint(flow*ΔT*500)OptimizedCombinedOperationOnChillerandCoolingTowersChillerkW/RT依照風扇定律(fanaffinitylaws)流量率Q、揚程H，以及制動馬力BHP之間的關(guān)係如下：泵及系統(tǒng)揚程的特性曲線WorstCase = 0.變頻泵浦於水路系統(tǒng)之耗能特性一次側(cè)/二次側(cè)冰水系統(tǒng)壓力感測器的位置冰水區(qū)域泵加裝變頻控制行為(Performance)＝能力(Ability)*行動(Motivation)＋環(huán)境(Environment)冰水區(qū)域泵加裝變頻控制BTU=500×ΔT×GPM冰水區(qū)域泵加裝變頻控制離心式泵特性圖29冰水區(qū)域泵加裝變頻控制一次側(cè)/二次側(cè)變流量系統(tǒng)+=30冰水區(qū)域泵加裝變頻控制一次側(cè)/二次側(cè)變流量系統(tǒng)：一次側(cè)泵Primary-secondarypumpingprovidesthemeansfortheconstantvolumepumpingofthelowhorsepowerprimarypumpsthroughthechiller.Thesepumpsarelowerhorsepowerthanthesecondarypumpsbecausetheyonlyhavetoovercomethefrictionlossassociatedwiththechiller,pipes,andvalvesintheprimaryloop.Thechillerpumpsarebalancedtothedesignflowrate.Pumpimpellersshouldbetrimmedtominimizethepressuredropacrossthevalveonthedischargeofthepump.Thisisanimportantenergysavingmeasure.31Thesecondarypumpsarehigherhorsepowerbecausetheymustovercomethefrictionlossassociatedwiththesecondaryloop--thedistributionpiping,fittings,valves,coils,etc.Thesepumpsoperateintheenergysavingvariablevolumemode.Dependingonthereturnoninvestment,thesecondarypumpseitherremainconstantspeedandridetheircharacteristichead-capacitycurve,orthedesignercanincorporateadjustablefrequencydrivestosaveadditionalpumpingenergy.冰水區(qū)域泵加裝變頻控制一次側(cè)/二次側(cè)變流量系統(tǒng)：二次側(cè)泵32Thecommonpipe

冰水區(qū)域泵加裝變頻控制一次側(cè)/二次側(cè)變流量系統(tǒng)：共通管Distribution(secondary)flowequalsproduction(primary)flow.Distributionflowisgreaterthanproductionflow.Productionflowisgreaterthandistributionflow.33冰水區(qū)域泵加裝變頻控制泵之耗能特性34冰水區(qū)域泵加裝變頻控制不同流量控制方式的耗能FlowControlwithBypassFlowReductionwithThrottlingFlowReductionwithSpeedControl35在正常的狀況下，空調(diào)系統(tǒng)大部份的時間都是部份負載(partload)，尖峰負載時數(shù)低於20%以下，因此有80%的時間是有節(jié)能的空間。依照風扇定律(fanaffinitylaws)流量率Q、揚程H，以及制動馬力BHP之間的關(guān)係如下：Q1/Q2=N1/N2,水量與轉(zhuǎn)速成正比。H1/H2=(N1/N2)2,揚程與轉(zhuǎn)速平方成正比。BHP1/BHP2=(N1/N2)3,制動馬力與轉(zhuǎn)速三次方成正比。故降低泵的轉(zhuǎn)速既可降低揚程及流量，更可大量的降低耗電量，依照風扇定律，流量與耗電成3次方正比的關(guān)係，因此省能的效益是非常可觀的。冰水區(qū)域泵加裝變頻控制離心式泵的定律36冰水區(qū)域泵加裝變頻控制泵及系統(tǒng)揚程的特性曲線37一次側(cè)/二次側(cè)冰水系統(tǒng)壓力感測器的位置冰水區(qū)域泵加裝變頻控制一次側(cè)/二次側(cè)冰水系統(tǒng)壓力感測器的位置38泵浦與系統(tǒng)特性曲線圖P3P1P2冰水區(qū)域泵加裝變頻控制變頻泵浦於水路系統(tǒng)之耗能特性39泵浦理論消耗功（又稱為水動力）Pw（W）電力輸入功Pe 設(shè)備效率（或稱電力至水效率）ηe

冰水區(qū)域泵加裝變頻控制變頻泵浦於水路系統(tǒng)之耗能特性40變頻泵之馬達效率及變頻器效率圖冰水區(qū)域泵加裝變頻控制馬達的效率41變頻器效率比較圖冰水區(qū)域泵加裝變頻控制變頻器的效率42冰水區(qū)域泵加裝變頻控制

在甚麼條件下適合裝變頻器?效益如何計算?43IMPACTOF5%ERRORATSITE運轉(zhuǎn)費用$472,256元/年5HP*3+20HP+60HP+2F-8F區(qū)域泵5HP*3+20HP+60HP+2F-8F區(qū)域泵WorstCase = 0.樓地板的總面積共11,240坪，大廳、辦公室(1樓以上)樓地板的總面積共8,140坪。?Integratedanalysis-------------------------------------------------FlowControlwithBypass分析生產(chǎn)力並不是一件容易的事，基本上生產(chǎn)力可以上式表示；90% 100% 110%空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備規(guī)格(1)–5% Nominal +5%BTU=500×ΔT×GPMdiagnosticsCTCIFOUNDATIONWaterabsorbsheatfromthechiller’scondenser,andthecondenserwaterpumpsendsittothecoolingtower.現(xiàn)場三通閥改為二通閥(住戶自行修改)Thecommonpipe冰水區(qū)域泵加裝變頻控制ConstantSpeed運轉(zhuǎn)費用$472,256元/年能源管理系統(tǒng)+節(jié)能改善分析冰水區(qū)域泵加裝變頻控制省能效益計算a.Chillers KWH =KW/TONxTONSxHRSb.Fan

KWH =KW/CFMxCFMxHRSc.Pumping KWH =KW/USGPMxUSGPMxHRSIngeneral,EnergyUsed=EfficiencyxUsagexHRS EnergySaved=EfficiencyxUsagexHRS44冰水區(qū)域泵加裝變頻控制省能效益計算45冰水區(qū)域泵加裝變頻控制二次側(cè)冰水泵效益分析泵規(guī)格780GPM,120Ft,40HP泵性能曲線負載變化ConstantSpeed運轉(zhuǎn)費用$472,256元/年46冰水區(qū)域泵加裝變頻控制二次側(cè)冰水泵效益分析壓差控制:110Ft壓差控制:70Ft壓差控制:40Ft壓差控制運轉(zhuǎn)費用元/年節(jié)省費用(%)110Ft422,07510.670Ft336,06928.840Ft278,14141.1ConstantSpeed運轉(zhuǎn)費用$472,256元/年47提高冷卻水塔使用效率冷卻水塔特性冰水主機的負載隨著外氣和現(xiàn)場的需求有不同的變化，冷卻水塔的散熱量也隨之變化，加上四季與日夜外氣條件也不同，一般冷卻水塔風車維持固定的溫度並非最佳運轉(zhuǎn)點，實際上設(shè)計點的外氣濕球溫度一年中平均發(fā)生的時間不到2.5%。48SystemEfficiencykW/RTCoolingTowerkW/RTChillerkW/RTCombinedkW/RTOptimumoperationCWSTemperatureCWSCOptimizedCombinedOperationOnChillerandCoolingTowers提高冷卻水塔使用效率冰水主機與冷卻水塔的最佳化操作49提高冷卻水塔使用效率冷卻水塔水溫最佳設(shè)定50溫度Sensor誤差±0.5℃→誤差率=±0.5/5=10%溫度Sensor誤差±0.05℃→誤差率=±0.05/5=1%感測器的精確度溫度SENSOR測試圖51

KW/TON-------------------------------------------------

–5% Nominal +5%ExistingChiller 0.8075 0.85 0.8925NewChiller 0.57 0.60 0.63Savings 0.2375 0.25 0.2625 95% 100% 105%WorstCase = 0.8075 -0.63 = 0.1775Savings = 71%感測器的精確度IMPACTOF5%ERRORATSITE52KW/TON---------------------------------------------------- –10% Nominal +10%ExistingChiller 0.765 0.85 0.935NewChiller 0.540.60 0.66Savings 0.225 0.25 0.275 90% 100% 110%WorstCase = 0.765 -0.66 = 0.105Savings = 42%感測器的精確度IMPACTOF10%ERRORATSITE53加裝空調(diào)計費系統(tǒng)明確分擔公共電費Saving$$$54監(jiān)控系統(tǒng)能源管理系統(tǒng)+節(jié)能改善分析55監(jiān)控系統(tǒng)能源管理系統(tǒng)+節(jié)能改善分析56監(jiān)控系統(tǒng)能源管理系統(tǒng)+節(jié)能改善分析57系統(tǒng)的最佳化TotalSolution!SchematicofChilledWaterCoolingSystemTrade-OffofChillerandPumpPowerwithChilledWaterSetPointTrade-offsBetweenChillerPowerandFanPowerwithTowerAirflow58AStep-By-StepApproachtoAchievingTotalEnergyManagementSolutionsInformation

services?Metering?Billdisaggregation?Dataaccess/visualization/benchmarking?Equipmentperformancediagnostics?Powerqualitymonitoring?EMCSverification?Baselining?Billdisaggregationandanalysis?BusinessunitcostandallocationShort-termmonitoring&submeteringBuildingtune-ups?Equipment“fixes”?Controlsandschedulingadjustments?Low-cost/no-costefficiencymeasuresIntegratedanalysisofsupplyanddemand-sideoptions?W