壹、 前 言
貳、 空調系統的組成
參、 空調系統的節能
肆、 結 論
 

PACS

空調系統在現代社會中之使用量及重要性日漸增加,但能源浪費的情形亦日益嚴重,其實國內空調系統還有頗大之節能空間,因此本文欲藉著節約能源經驗的分享,產生拋磚引玉的效果,進而達到節省空調用戶電費支出及降低國家用電壓力的雙贏目標。

 
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空調系統已成為日常生活必需品。尤其是最近幾年空調系統成長的速度更是驚人,除了公共場所及家中所使用的冷氣之外,工廠內為了配合人員舒適需求或是因生產製程環境要求所使用的冷氣,更是大幅成長,當產品愈精緻,空調的用電量就愈大。例如,以前的紡織廠是在門口噴水來增加廠房濕度就能滿足生產的需求,但如今因產品的精緻化及機台產量的增加,不僅是需要空調來排除機台熱負載,對廠內空氣溫濕度的要求更是愈來愈嚴格,其結果是造成空調負載及空調用電的增加。又如目前最熱門的IC產業,根據調查,在同一廠房面積下,潔淨度每升高一級(如由100級升為10級)其空調耗電量約增加三倍。因此,若能在不影響空調品質的情況下,減少空調耗電量,即可達到空調節能的目標。
 
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在談節能之前,應對中央空調系統流程做一全面性的瞭解。中央空調系統可以說是一連串驅動流體流動的動件(如泵、風扇及壓縮機)、各種型式的熱交換器(如冷卻除濕盤管、蒸發器、冷凝器及散熱材)及連接各種裝置的〝通道〞(如風管、水管及冷媒管)所組合而成的。如下圖所示,中央空調系統可分為下列五個循環:
1. 室內空氣循環。
2. 冰水循環。
3. 冷媒循環。
4. 冷卻水循環。
5. 室外空氣循環。


中央空調系統是由這五個循環相扣所形成的,就如連環炮般一環連著一環,而省略其中一個或一個以上循環,就變化成其他形式空調系統。例如少了冰水循環就是水冷式箱型機;少了冷卻水側就變成氣冷式冰水主機;同時少了冰水及冷卻水系統就變成一般家庭常見的窗型機或分離式冷氣機。
 
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由上節可知,構成空調系統的元件不外乎熱交換器流體機械二種。熱交換器是作為高低溫二種工作流體能量交換的設備,諸如冰水盤管、蒸發器、冷凝器與冷卻水塔散熱材等;流體機械則是推動工作流體循環的動力源,諸如風車、泵與冷媒壓縮機等。當任何一組熱交換器之效果不好時,會增加系統耗電率(kW/RT),不是系統耗電量增加,就是冷凍能力下降。例如冰水主機之蒸發器或冷凝器內管排表面上結垢時會使熱傳效果變差,而使其接近溫度變大,冰水機高低壓差也跟著變大,耗電率也就變差。

流體機械的耗電量,一般可以用下列數學式表示︰

kWh = Q×H×hr/η

該式中的kWh是指流體機械的耗電量,而耗電量的多寡決定於運轉時數(hr)、工作流體的流量(Q)、工作流體循環所需之揚程或是壓力水頭(H)以及效率(η,包括流機效率、機械效率及馬達效率等)。首先如果要省電當然就是不啟動流體機械,只要不運轉當然就不用電。但這並不是要停止使用空調系統,而是要當用則用,當省則省。如何降低運轉時數,端賴有效而合理的管理,避免設備做不必要的運轉。其次,減少輸送的流體也是方法之一。所以除了避免過大設計(Over sizing)外,採用變流量系統,如VAV、VWV及VRV,使流體依負載需求調整,都是減少系統在部分負載(Partial Load)時之耗能量的方法。第三項參數是揚程,降低管路系統壓損則可在設計時加大一號管徑及採用測試、調整及平衡(TAB)手法來達成。而流機效率則需搭配管路系統特性選配適當的流體機械。

中央空調系統是由流機熱交換器所構成的。其中消耗電力的部分就是驅動流體流動的動件(流機)。而這些動件耗能量的多寡則是與流體的流量及管路的設計有關,流量和系統壓損與耗電量成正比,而流機效率則與耗電量成反比。如果能在設計時降低空調負載,則每一個循環的熱負載即可因此減少,因為熱負載的減少,降低了各個循環的設計流量,則空調設備及管路容量亦可減少,如此不僅減少了初設費用,亦可減少系統運轉費,故可知建築物的節能設計是非常重要。然而一般的問題是設計者常常不是最後的使用者(空調用戶),對設計者而言,只要空氣條件能達到設計要求即可,較不會去管它節能不節能。反正設計者又不需要負擔電費的支出。而空調系統耗能效率係數( Performance Air Conditioning System,PACS)之實施正是國內對建築物空調系統耗能的一種規範。

若能在前述五個循環的愈上游(亦即愈靠近空調負載端)做節能工作,則每一循環所節省下來的效益也就愈大,亦即整個系統之省能效益會是因多重節能而愈大。談到這裡可能有人會想到,若能在設計規劃時降低空調負載,則所節省的能源不是更多嗎?的確如此,所以建築物外殼之省能設計是相當重要的。它可以減少室內空調負載,因而減少後續次系統因處理額外室內負載而使用的能源。再者避免空調系統太多的過大設計(Over size design)也是重要的事項,因為過大的設計不但業主需花費較多的初設成本,同時空調系統長期處於低負載運轉,效率也差,必須付出較多的運轉成本。

在探討節能機會時,最好能對系統效率做整體的調查與檢測(Energy Audit),其目的有二:一是可了解系統耗能分佈狀況,另外就是可掌握各個動件之耗電率。因此經過檢測可以較輕易地查覺出系統中節省能源之處及改善潛力。

 
 
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空調系統的各個子系統是環環相扣的,就如同五支串接在一起的水管,任何一支出現阻塞將使整體水流量降低。因此任何一環次系統循環不良(即熱交換效果不佳)都將使系統整體性能(冷卻能力或效率)降低。即使個別元件採用高效率設備,如果不從系統節能觀點考量,也不一定是一套節能的空調系統。

同時再次強調,設計之初即應採取所有可行的方式降低空調負載,如此才能從根本著手,同時必須加強估算空調負載之準確度,以避免過大設計,因為它不但增加初設成本,也增加了將來的運轉費用,是得不償失的。

中央空調不是標準化的工業產品,因此需要精心設計才能得到節能的效果。事先良好的規劃、設計及施工更勝於事後的補救。除了良好的規劃、設計及施工,良好的維護保養制度更是維持系統在最佳狀況下運轉的不二法門。最好在規劃設計之初就設置計量、監測儀器,長期持續追蹤考核系統性能。因為唯有透過資料擷取系統(DAS, Data Acquisition System)將運轉數據蒐集、整理及分析才能獲致有用的資訊及做出合理的改善行動。改善行動執行後仍需靠資料擷取系統持續地蒐集及分析資料,以追蹤改善成效,並藉此累積經驗成為有用的知識。

 
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