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研究生:李家居
研究生(外文):Jia-Chu Lee
論文名稱:智慧型空調冰水機組效能應用與經濟調度
論文名稱(外文):Efficiency of Energy Application and Economic Dispatch For Intelligent Control of Chiller Units
指導教授:曹大鵬曹大鵬引用關係
指導教授(外文):T-P Tsao
學位類別:碩士
校院名稱:國立中山大學
系所名稱:電機工程學系研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:118
中文關鍵詞:經濟調度
外文關鍵詞:Economic Dispatch
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台灣近年來,常面臨電力公司尖峰供輸電不足之狀態,不但對於高科技產業也造成了重大的影響,也衝擊到其他工業,如加工區工廠、醫學中心(院)、飯店業、公共行政中心、機關學校----等等,正常運作之程序。因此當務之急即能夠儘快改善這種尖峰供電不足之壓力瓶頸。
本論文之主要目的希望能針對中、大型空調機組使用頻率高之場所,提供改善方法及建議,進而達到節能之效果。一般來說,此類用戶對於機組設備、管路系統、自動控制電路、節能用電裝置等專業知識不足,及目前空調系統業界對電力需量管理之技術研究、節約能源、降低電力限電壓力之觀念短缺,因此本論文亦針對此類問題提出研討及細部改善之策略。
而本論文主要利用圖形控制軟體,對每部空調冰水機組實際運轉各點參數值,施以負載容量控制、效率耗能、經濟調度評估等項目,進行機組系統負載監控模擬管理。
希望藉由本研究模擬分析結果,作為日後有效地技術移轉至實際機組調配監控,提供併聯式中、大型空調冰水機組對效能應用調度有更深入之探討與改善,達成節約能源為標的。
In recent years, the insufficient supply of electricity on ruch hours has not simply led to negative impact on hi-tech industries, but also impeded the normal operation of industries, such as factories, medical centers, hotel business, public administration organization, schools and so on. The most important thing we have to do is to come up with a solution to such a dilemma.
This thesis is to propose a better way and suggestion for the places with high frequent operation of medium, large size air conditioner units, which achieves to make efficient use of energy. Generally speaking, such kind users lack sufficient knowledge concerning chillers equipments, pipe system, automatic control circuit, energy saving equipment. In addition, air conditioner industries do not care about such awareness of technology research of power demand, energy saving, and under power limited pressure. Therefore, this thesis also attempts to find a solution to the problems.
Moreover, this thesis mainly makes use of graphic control software to assess actual various parameters with load capacity control, efficiency consume energy, and economic dispatch, and then to get into units system load monitor model management.
Hopefully, such model and analysis of the experiment could be regarded as an efficient technique applied into actual units distribution monitor, and furthermore, would provide parallel medium, large air conditioner chiller units with not simply deeper discussion but also more efficient solution to the goal of energy saving.
中文摘要……………………………………………...……..………..I
英文摘要……………………….………………………………….....II
目錄…………………………………………………………...……...IV
圖目錄…………………….…………………………………………VI
表目錄…………………………..………………………..…………..X
第一章 緒論
1.1冷凍空調之演進………………………..………..………1
1.2定義與應用….……………………………………..…….2
1.3研究背景………………………………………...….……4
1.4研究動機與目的………………………………….….…..5
1.5論文架構………………………………………….…..….7
第二章 冷凍空調之理論計算依據
2.1前言…………………………………………………………….8
2.1.1冷凍循環系統各測試點壓力、溫度位置圖……...….…8
2.2莫利爾冷媒曲線圖之運用……….………………...……8
2.2.1計算公式…………………….………….……….…..9
2.2.2各種冷媒特性曲線、性能對照表(附錄)…..….….93
第三章 現今空調機組系統設備分類與能源效率標準……..…..…16
3.1窗型、分離式冷氣機…………………..…………..….17
3.1.1窗型冷氣機之特點………………………….…….17
3.1.2分離式冷氣機之特點與分類……………….…….17
3.2箱型冷氣機…………………………………………….18
3.3中央空調系統(冰水機組)………………………….19
3.3.1冰水機組(chilling unit) …………………………19
3.3.2 壓縮機組……………………………………..……20
3.4儲冰式空調系統(儲冰筒、冰晶球、盤管式--)..….30
3.5冷氣空調機組能源效率標準分析 ….……………….35
第四章 空調機組之電力需量控制探討與改善調度….………...….39
4.1傳統大型空調機組之電力需量控制耗能分析……...…43
4.2傳統大型空調機組監視系統(SCADA)之節能應用…...52
4.2.1監督控制科技起源發展……………………………52
4.2.2 SCADA能源管理科技發展史……………….……52
4.2.3資料量測……………………………………………54
4.2.4通訊系統……………………………………………54
4.2.5傳統大型空調機組實施空調週期性暫停運轉情形……56
4.3智慧型空調機組網路監視(控)系統(SCADA)之節能分..59
4.3.1智慧型空調監控系統的功能………………………59
4.3.2智慧型空調監控系統硬體結構……………………60
4.4智慧型中、大噸數複合式並聯閉迴路系統空調機組效
能分析應用與經濟調度…………………………......…65
第五章 空調機組電力需量分析與效能比較……………………..78
5.1前言….…………………………………………….….….78
5.2空調冰水主機原理…………………..………….……….79
5.2.1 電力耗能與效率分析………………………….…...81
第六章 結論與未來展望
6.1結論…………………………………..……..….…..……..88
6.2未來展望…………………………….….…………....…...89
參考文獻..………………………………………….…………..…….90
附錄圖表……..………………………………….……….……….…93
圖 目 錄
圖1.1 冷凍循環壓力-焓 變化圖…..…………………………..……….…….3
圖1.2 水之三態變化熱能變化圖………..……………………..…………….4
圖2.1 冷媒循環系統壓力溫度測定點……………….………….…………..8
圖2.2 冷媒狀態變化圖………………….…………….…………..………….9
圖3.1 分離式冷氣機多聯系統實體圖.………………………………….…18
圖3.2 水冷式箱型冷氣機實體圖…….….………………….………………19
圖3.3 氣冷式箱型冷氣機實體圖……….……………………………….…19
圖3.4 半開放式壓縮機實體圖…….…….……………………………….…20
圖3.5 開放式壓縮機實體圖……….…….……………………………….…20
圖3.6 密閉式螺旋式壓縮機實體圖….…….…………………………….…21
圖3.7 半密閉式螺旋式壓縮機實體圖………………………….…………..21
圖3.8 開放式螺旋式壓縮機實體圖……….……………………………..…22
圖3.9 卸載機構內部實體圖……………………………………………….22
圖3.10 卸載位移容積變化圖……………………………………………….23
圖3.11 雙轉子螺旋式壓縮機內部實體圖………………………………….23
圖3.12 螺旋式壓縮機壓縮過程展開圖…………………………………….24
圖3.13 單螺旋式壓縮機內部實體圖…………………………….…………24
圖3.14 螺旋式冰水主機實體圖…………………………………………….25
圖3.15 渦卷式壓縮機內部構造圖………………………………………….26
圖3.16 離心式壓縮機葉輪之線速度及徑向速度之合成圖……………….27
圖3.17 離心式壓縮機葉輪湧浪發生情形圖……………………………….27
圖3.18 單段離心式壓縮機葉輪圖………………………………………….28
圖3.19 雙段離心式壓縮機葉輪圖………………………………………….28
圖3.20 離心式冰水主機實體圖………..………………………………….28
圖3.21 二段離心式冷凍系統循環圖………………………………….…29
圖3.22 儲冰式系統示意圖……………………………….……..…….……33
圖3.23 三相4160伏特350RT 製冰機實體圖…….….…….….………..34
圖3.24 主機電腦監控-人機介面配電盤….…….…………………………...34
圖3.25 主機運轉監控模組圖….………………………………………..…..34
圖3.26 板式熱交器系統…….………………………………………..……..34
圖3.27 直接接觸板式製冰盤管…….……..………………………………..34
圖3.28 下層儲冰槽實體圖…………………..……………………………..34
圖4.1 85~88年各月用電量比較分佈圖…………………………..……...…39
圖4.2 88年度全國電力每年總使用電量比較表……….………….……….40
圖4.3 產業界用電比率……...…………….……….………………….……..41
圖4.4 高雄長庚醫學中心用電量分析表…...….…...………………………42
圖4.5 高雄國賓大飯店用電量分析表....……………………………….…...42
圖4.6 冰水機的震動比較……….………………...………..…………..…..43
圖4.7 壓縮機的主要零件數比較….….……………………………..……..44
圖4.8 三段壓縮離心式冰水主機部份負載與耗電量特性曲線………………..45
圖4.9 離心式冰水機負載耗電特性曲線…….……..…….…….……….….46
圖4.10 螺旋式冰水機負載耗電特性曲線..………….……...……..…….….46
圖4.11 傳統式中央系統冰水機負載頻度圖…...………………...………....47
圖4.12 離心式冰水機耗電量曲線歷史演…..….……..…………….……....50
圖4.13 R123離心式冰水機耗電量和負載曲線……….……….…..………50
圖4.14 離心式冰水機變頻後卸載時效率提升..…...…..…………………...50
圖4.15 導葉片變頻同步控制和非變頻控制之耗電量關係….....……….....50
圖4.16 變頻和非變頻耗電量關係特性曲線...………………...……………51
圖4.17 SCADA組成架構……….……………………………..…….……..53
圖4.18 第一代通訊網路架構……..….…...………………………….…..….55
圖4.19 第二代通訊網路架構……..…...….……………………..……….….55
圖4.20 第三代通訊網路架構……….…….…………………………..……..55
圖4.21 三種基本負載控制方式………...…..….………….….…………….58
圖4.22 微電腦空調監控系統硬體結構…………….………………………60
圖4.23 附加微處理機空調監控系統硬體結構…..….……………………..61
圖4.24 圖控系統/人機介面系統架構…..……………………………...…...62
圖4.25 系統動作流程圖…..………………..…………………………..…...63
圖4.26 多功能智慧型電錶(VIP)…..……….……………….………………63
圖4.27 pc-based控制器外觀圖….…………………………….………..….64
圖4.28 傳統一次/二次冰水系統全載…..…………..……….…………...…65
圖4.29 傳統一次/二次冰水系統負載量600冷凍噸….…….……………..66
圖4.30 傳統一次/二次冰水系統負載量1500冷凍噸….…………………67
圖4.31 傳統一次/二次冰水系統負載量1600冷凍噸………..…………...67
圖4.32 複合(Muti-pexed)冷凍源與負載……...……….……..………….….69
圖4.33 機組調度流程圖……...………………………….……..…….…..…70
圖4.34 空調冰水機組模擬圖形監控系統-主畫面.…...…….………..…..71
圖4.35 空調冰水機組模擬圖形監控系統-負載變化趨勢圖畫面…...…..72
圖4.36 空調冰水機組模擬圖形監控系統-警報總覽畫面……..……..….73
圖4.37 空調冰水機組模擬圖形監控系統-EER、冷凍噸、主機消耗實
功率報表畫面………...…………………………………………….74
圖4.38 空調冰水機組模擬圖形監控系統-EER歷史趨勢圖畫面…....…75
圖4.39 空調冰水機組模擬圖形監控系統-主機消耗實功率kW歷史趨
勢圖畫面…………………………………………….…..………….76
圖4.40 空調冰水機組模擬圖形監控系統-COP(kW/RT)歷史趨勢圖畫
面…………………….…….…………………………………..…77
圖5.1 壓縮機導流葉片.………...……………...………….…..…………….80
圖5.2 離心式冰水機組冷媒回路圖……………..……………………….…81
附錄圖一R-11冷媒莫利爾線圖(SI制)………..……………….…………93
附錄圖三R-12冷媒莫利爾線圖(公制)…………………………….……..95
附錄圖四R-12冷媒莫利爾線圖(SI制)……….………………….……….96
附錄圖六R-22冷媒莫利爾線圖(SI制)………………………….……….98
附錄圖八 R-123冷媒莫利爾線圖(SI制)……………..………….………100
附錄圖十 R-134a冷媒莫利爾線圖(SI制)……………..……….………102
附錄圖十二 空氣線圖對照表(SI制)…….…………………….……….104
表 目 錄
表1.1 台灣電力公電價參考表…………………………………………………6
表2.1 各種壓力單位間之轉換常數對照表…………...…………………...…14
表2.2 冷凍空調系統設計常用計算公式對照表………………..……………15
表3.1 台灣地區既設儲冰系統儲冰型式統計表………………...……….…..31
表3.2 儲冰系統性能測試範圍表………………………………...…….……..33
表3.3 窗型、分離式冷氣機能源效率比值標準對照表(舊版).……………....35
表3.4 窗型、分離式冷氣機能源效率比值標準對照表(新版)….…………..36
表3.5 箱型冷氣機能源效率比值標準對照表…...……………………….…..37
表3.6 空調系統冰水主機能源效率比值標準對照表(新版)…...……………38
表4.1 85~88年各月份用電比較表……..……..……………………………..39
表4.2 各產業界用電比較.………..…………………………….…………….40
表4.3 噪音值比較……….…………….……….……………...….…………..43
表4.4 三種型式150~500RT各四種的各項數據………...…………………44
表4.5 部份負載與實際耗電比較……..………………..…………………….45
表4.6 離心式冰水機負載與耗電比較………...……….……………….……46
表4.7 螺旋式冰水機負載耗電比較表……..…..………….…………….…...46
表4.8 負載比,耗電量比較………..………..………………....………………47
表4.9 部份負載佔全年運轉時間比…………………..………………….…..48
表4.10 節能螺旋式與離心式冰水機不同負載之耗電基數比較表….…..…48
表4.11 美國明尼蘇達州實施直接控制冷氣負載方式………….…………..56
表4.12 美國加州實施空調直接控制冷氣負載方式…………….…………..57
表4.13 美國佛羅里達州實施直接控冷氣負載方式…………….…………..57
表 5.1 YORK 1000RT離心式冰水主機變水溫與定水溫負載能力耗電量
對照表……………………………………………...………………..81
表 5.2 YORK 1000RT離心式冰水主機變水溫轉換為定水溫負載能力耗
電量對照表………………………………………………………..82
表5.3 二部機組無經濟調度模式…………….……………………….…..84
表5.4 二部機組有經濟調度模式………………………………….….….84
表5.5 三部機組無經濟調度模式…………………………………….…..86
表5.6 三部機組有經濟調度模式………………………………….….….86
附錄表二 R-11冷媒性能對照表……………………………….…………..94
附錄表五 R-12冷媒性能對照表……………………………….…………97
附錄表七 R-22冷媒性能對照表……..…..………...………….…………99
附錄表九 R-123冷媒性能對照表……….…………..………………...101
附錄表十一 R-134a冷媒性能對照表…………………...………………..103
[1] 冷凍空調便覽(基礎篇)……..……………………………日本冷凍協會[2] 冷凍空調便覽(應用篇).………………………..…………日本冷凍協會[3] 冷凍空調便覽(資料篇)………...………………………….日本冷凍協會[4] E. Amold, 1973, Air Conditioning Engineering, chap. 4: Comfort and Inside Design Conditions, Crane, Russak & Compny, Inc. New York.[5] ASHRAE Fundamentals Handbook, 1993, chap.8:Physiological principles for comfort and health, American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers, Inc. Atlanta.[6] 台灣電力公司業務處負載管理課,民國85年1月。[7] V.A. Rabl, 1988, "Load Management Technologies and Program in the U.S.," Demand-Side Management and Electricity End-Use Efficiency, Kluwer Academic Publishers, pp. 113-125.[8] 台灣電力公司,電價表,民國80年6月.[9] 台灣電力公司,電價表,民國85年5月.[10] 連錦杰、蕭明哲,"全華科技圖書股份有限公司(一~四冊)".[11] 王文博," 冷凍工程(上、下冊)".[12] Copeland Technical Manual .………………………………Copeland CO. [13] 高田秋一著,1976,「離心冷凍機」……….……………日本冷凍協會[14] 彭作富著,1976,「離心式冷凍機」………師友工業圖書股份有限公司[15] 葉振邦,常鴻壽共著,1981,「離心式制冷壓縮機」,機械工廠出版社(北京).[16] 蘇東寶編譯,1989,「離心式泵」……………………………徐氏基金會[17] Commercial Cool Storage Design Guide ",Electric Power Research Institude (EPRI),EM-3981,Final Report,May 1985.[18] 胡興邦、郭茂和,"儲冰式空調系統效率分析",冷凍空調技術雜誌 Vol.5 No.4 March 1988.[19] 陳宗鵠,胡興邦 "儲冰式空調系統效率改善研究",工研院能礦所.[20] 陳宗鵠,鄭耀宗 "冰水機效率測試方法如何應用之研究",工研院能礦所.[21] S.D. Braithwait, 1987, "End-Use Load Data for DSM Results from EPRI’s DSM," Proceedings: Third National Conference on Utility Demand-Side 62.Management Program, pp. 20.1-20.14, Bala Cynwya, Pennsylvania.[22] 美國空調通訊協會 , December 1994 , No . 4. pp . 1-8.[23] 中華經濟研究院, "台灣地區缺電成本之研究" 80年7月 172~183頁.[23] 楊正光,蔡大同,"可停電力電價之擬定與實施方法",台灣電力公司業務處,民國76年10月.[24] 蘇榮泰,"台電實施電價策略對抑低系統間載之績效評估",台電工程月刊,第486期,pp.31-46,民國78年2月.[25] 楊冠雄,蘇崇輝,大樓空調及其他設備之負載控制可行性研究,台灣電力公司,民國81年12月.[26] 吳讓治,賴榮平 "台灣地區辦公建築之空調負荷電腦程式研究".[27] Carrier, Handbook of Air Conditioning System Design, chap. 9.[28] Handbook of Air Conditioning System Design……………..Carrier CO.[29] York Technical Manual…………………………………...……York CO.[30] Air Conditioning System Manual……………………………Trane CO. [31] Modern Refrigeration & Air Conditioning……………………Althouse. [32] ASHRAE Handbook of Fundamentals………………………ASHRAE. [33] ASHRAE Handbook of Applications………………………...ASHRAE. [34] ASHRAE Handbook of Equipment…………………………..ASHRAE. [35] ASHRAE Handbook of System……………………………...ASHRAE.
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