Ashrae90.1標準之空調水側系統節能基礎教材 (時間：6小時)

編輯:簡煥然

煜然有限公司

節能量測:陳建龍CMVP

殷聖工程有限公司

什麼是Ashrae90.1?

ANSI/ASHRAE/IES Standard 90.1: Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings is an American National Standards Institute (ANSI) standard published by ASHRAE and jointly sponsored by the Illuminating Engineering Society (IES) that provides minimum requirements for energy efficient designs for buildings except for low-rise residential buildings (i.e. single-family homes, multi-family buildings less than four stories high, mobile homes and modular homes). The original standard, ASHRAE 90, was published in 1975. There have been multiple editions to it since. In 1999 the ASHRAE Board of Directors voted to place the standard on continuous maintenance, based on rapid changes in energy technology and energy prices. This allows it to be updated multiple times in a year. The standard was renamed ASHRAE 90.1 in 2001.[1] It has since been updated in 2004, 2007, 2010, 2013, 2016, and 2019 to reflect newer and more efficient technologies.[2]

0.前言與ESCO流程

本分講義的目標，在讓工程師可以看懂現場初勘的數據並能理解系統的運作，並由現場初步數據有能力指出可能潛在的問題，本份講義在增加許多空調產業先進與前輩的寶貴經驗後，內容有二：

首先，管路阻抗問題，最簡單卻也普遍沒有溝通好的議題。

其次，在冰機能效測試條件的理解，含全額負載與部分負載，而多數符合能效的冰機在實務運轉下還是可以在有裝變頻系統下高能效運轉。

Ashrae90.1之水側系統指標仍然是本分文件的主軸，這樣的內容希望有更多工程師們了解，讓更多現在持續運行的舊有系統能效獲得提升，多數相關內容放在附件以供參考。

1.空調系統之蒸發器與冷凝器壓力差對COP影響

指示壓力頭:冷媒壓力差，冷凝器與蒸發器間的壓力差，冷凝器入水溫度時冷媒的冷凝壓力與蒸發器出水溫度時冷媒的蒸發壓力差。

實際壓力頭:壓縮機進出口冷媒壓力差或壓縮比(出口壓力/入口壓力)，壓縮比愈低就能降低壓縮機耗電提高冰水機COP。

吳友烈-高科技廠房冰水主機之節能策略與效益分析

冷媒的壓力與飽和溫度

飽和溫度代表有相變化，蒸發器由低壓液相蒸發成低壓氣相會吸熱，冷凝器由高壓氣相冷凝成高壓液相會放熱，壓縮機做功把低壓氣相冷媒壓縮成高壓氣相冷媒再經冷卻放熱。

---

2.基礎能效說明

 

泵浦耗能計算公式

流功（kW）= 壓力P（Nt/m²）×流量Q（m³/sec）/1000

壓力P（Nt/m2）= ρgH = 密度ρ（Kg/m³）× 加速度g(m/sec²) ×揚程H（m）

流功（kW）= 0.163 × γ × H（m）× Q（m3/min）

γ表示所欲推動液體的比重。

H(m)表示泵浦的總揚程。

Q(m³/ mim)表示泵浦的流量(cmm)。

範例：流功(kW) ＝ 0.163 × 1 × 50 × 6 ＝ 48.9 (kW)

泵浦耗電比 EUI (Electric power Using Index)單位輸出流功(kW)的耗電量(kW)，此值愈高表示消耗電量越多。

總效率 (%)=泵浦效率 (%)×馬達效率 (%)

EUI_pump=耗電比 =(耗電功 (kW) /流功 (kW ) =馬達無效功 +泵浦無效功 +泵浦流功 /流功

EUI_pump=1/總效率 (%)

冷凍能力計算公式

定壓比熱容Cp (Specific Heat Capacity)：是單位品質的物質在壓力不變的條件下，溫度升高或下降1℃或1K所吸收或放出的能量。

以水為例，一千克（kg）重的水需要4186焦耳（J）來加熱一開爾文（K）。根據比熱容，便可得出：

C_p = H(J)/m(kg) x △T(°C或是K) = 4.186kJ/(kgK)

q(kW) = m (kg/sec) x C_p (kJ/(kgK)) x △T (°C或是K)

q(kW) = 密度 ρ(kg/m³) x 流量 Q(m³/sec) x C_p (kJ/(kgK)) x △T (°C或是K)

冷凍噸單位換算

冷凍噸簡稱RT(Refrigeration Ton) 定義為在攝氏零度下將一短噸（2,000磅）的冰熔化24小時的需求熔化熱。

一冷凍噸約等於12,000 BTU/h=3024千卡/h=3.516kW。

公制冷凍噸，約等於3320 Kcal/hr，相當於1.1冷凍噸。

臺灣家電業常用的所謂“台制冷凍噸”則是8,000 BTU/h（2000千卡/h）。

以熱力學及化學使用的「熱化學卡路里」而言，1卡路里(cal)=4.186焦耳(J)
冷房能力的單位為 kW 或 kcal/h

1(kcal/h)=(1000cal ×4.186(J/cal ))/(1h×3600(s/h ))≒1.1622(J/s)≒1.1622W
1W≒(1(kcal/h ))/1.1622≒0.8604(kcal/h)

冷氣能力用kW表示， 1kW=860(kcal/h)，而 1 kcal約等於 4 Btu
公制 1R.T.=1.1美制=3320(kcal/h)=13174.8Btu=3861W=3.861kW
美制 1R.T.=12000(Btu/h)=3024(kcal/h)=3516W=3.516kW
台制 1R.T.=0.66美制R.T.=1992(kcal/h)≈2000(kcal/h)≈8000(Btu/h)

冰水機性能係數COP與EER

性能係數Coefficient Of Performance（簡稱COP）一詞來表示。性能係數是一個無因次的物理量，是熱泵的冷卻能力和所輸入的功率的比例：

COP_cooling=Q_c/W=(空調設備單位時間抽走的熱量 (kW ))/(空調設備消耗的電功率 (kW ))
EER=(冷卻能力 (kcal/h ))/(輸入功率 (kW ))
家用冷氣能源效率比 Energy Efficiency Rate
CSPF=(季節總冷氣負載 (kWh ))/(季節總耗電功 (kWh ))
冷氣季節性能因素 Cooling Seasonal Performance Factor

冰水機全負載與部分負載測試條件
測試條件	100%負載	75%負載	50%負載	25%負載
冷卻水入口溫度±0.5℃	30	24	19	19
冷卻水流量(lpm/RT)±5%	12.5	12.5	12.5	12.5
乾球溫度±1℃	35
濕球溫度±0.5℃	24
氣冷式室外空氣(乾球)±1℃	35	27	18	13
蒸發式室外空氣(濕球)±0.5℃	24
冰水出口溫度±0.5℃	7	7	7	7
冰水流量(lpm/RT)±5%	10	10	10	10

CNS. 12575  依冷媒種類(冷凝溫度40℃，蒸發溫度5℃)

 

 

IPLV（integrated part load value)綜合部分負荷性能係數 是用一個單一數值表示空氣調節用冷水機組的部分負荷效率指標，它基於下表規定的IPLV工況下機組部分負荷的性能係數值，按照機組在各種負荷下運行時間的加權因素，通過IPLV公式得到的數值。

IPLV值這個概念非常之簡單，就是將不同運轉負荷下的COP值（或EER值）進行了一次權重平均計算，計算公式如下：

IPLV=2.3%×A+41.5%×B+46.1%×C+10.1%×D

A是100%運轉時的COP值（或EER值）B是75%運轉時的COP值（或EER值）

C是50%運轉時的COP值（或EER值） D是25%運轉時的COP值（或EER值）

從以上可以看出，空調的IPLV值，更加逼近空調的實際工作中的平均能效比。計算公式中的係數，2.3%、41.5%、46.1%、10.1%為時間係數，代表運轉時間的占比。

 

“冰水側系統能效系數”
WATER CHILLING PACKAGE EFFICIENCY=W/Q_c
=(“水側設備消耗的功率” (“kW” ))/(“空調設備單位時間抽走的熱量” (“RT” ))
Q_C (“RT”):”是單位時間熱泵所移出的熱負載。”
W(“kW”):”是輸入電功率，含壓縮機，冰水泵，冷卻水泵，冷卻水塔。”

冰水機 kW	冰水泵 kW	冷卻泵 kW	冷卻塔 kW	總消耗功 kW	熱負載 RT	主機效率 kW/RT	系統效率 kW/RT
158.6	27.5	24.1	4.8	215	193.1	0.82	1.11

 

GB50189-2015-公共建築節能設計標準

SCOP_cooling=Q_c/W=(空調設備單位時間抽走的熱量 (kW ))/(水側設備消耗的功率 (kW ))
Q_C (kW):是單位時間熱泵所移出的熱負載。
W(kW):是輸入電功率，含壓縮機，冰水泵，冷卻水泵，冷卻水塔。
水系統耗電輸冷比 ECR=ΣW/Q_c
=(冰水側設備輸入的電功率 (kW ))/(空調設備單位時間抽走的熱量 (kW ))
Q_C (kW):是單位時間熱泵所移出的熱負載。
ΣW(kW):是輸入電功率，含，一次泵，二次泵。

每100公尺揚程損失不超過4m

1bar=10^5 pa=10m
1m=10^4 pa
400pa=400∗10^(-4)=4∗10^(-2)=0.04m
100m長損失=4m

---

3.熱平衡計算TAB

TAB熱平衡計算

系統熱負載 q_ra=室內空調負載 RT+室內風車耗電功  P_r⁡f ⁡
q_chw=q_ra+P_chwp=RT+P_rf+P_chwp
冰水熱負載 q_chw=系統熱負載 q_ra+冰水泵功 P_chwp
q_r=q_chw+P_comp=RT+P_rf+P_chwp+P_comp
冷媒熱負載 q_r=冰水熱負載 q_chw+壓縮機之壓縮功 P_comp
q_cw=q_r+P_cwp=RT+P_rf+P_chwp+P_comp+P_cwp

冷卻水熱負載 q_cw=冷媒熱負載 q_r+冷卻水泵功 P_cwp
q_oa=q_cw+P_cfp=RT+P_rf+P_chwp+P_comp+P_cwp+P_cfp
冷卻塔室外空氣循環散熱 q_oa=冷卻水熱負載 q_cw+冷卻水塔風車功 P_cfp

q:熱負載

RT:室內空調負載

P：耗電功

下標:

ra：室內空氣循環

rf ：室內風車功

chw ：冰水循環

r ：壓縮機冷媒循環

cw ：冷卻水循環

oa ：室外空氣循環

chwp ：冰水泵

comp ：壓縮機

cwp ：冷卻水泵

cfp ：冷卻水塔風車

Q = m * C_p * △T , 單位 Q = kW, m =(kg/sec),  C_p = kJ/kg/°C, △T = °C

heat = mass flow * specific heat capacity * temperature difference

kW = kg/s * kJ/kg/°C * °C

冰機1 RT熱負載會對應於1.25RT的冷媒熱負載，標準冰水量為10LPM，標準冷卻水量為12.5LPM，因為有.25RT的熱來自壓縮機

冰水機容量計算:

需求流量：151.4 LPM  1L=1 ㎏

水的比熱 = 4.186 (KJ / ㎏k)

冰水需求溫度：7℃ （假設溫差△t = 5）

∴熱負載＝(151.4 ÷ 60) × 4.186 × 5 ÷ 3.516 = 15 RT

1 RT ＝ 3.516 kW

需求溫度：30℃ （假設溫差△t = 5）

冷卻水需求流量＝15 × 12.5 =187.5  LPM

∴冷媒熱負載＝(187.5 ÷ 60) × 4.186 × 5 ÷ 3.516 = 18.6 RT

4.冰水管路系統模型與等效阻抗曲線

 

冰水系統與監控方法

∆P2是系統熱負載遠端的壓差，共通管的壓差∆P0很小卻會有大流量， ∆P1是系統負載側壓差。

Q_2=Q_1⇔”額定系統熱負載，” Q_r=0
Q_2=Q_1-Q_r⇔”部分系統熱負載”
Q_2=Q_1+Q_r⇔”超過額定系統熱負載或系統熱負載快速增加”

冰水管路揚程變化，P0是膨脹水箱到一次泵入口高度，是系統的靜水壓參考點，P2與P1間共通管有極低管路阻抗，低壓差卻會將造成極大的流量，Ashrae90.1的建議值9m含蒸發器壓差13m含空調箱壓差。

 

在考慮遠端裝設有高壓差的換熱裝置時會採用這樣的系統，遠端空調箱的壓差可能有7m或更高接近10m，各裝置需要裝置平衡閥來調節流量。

 

冰水管路溫度變化，∆T1是系統熱負載的出水回水溫差，∆T2是系統熱負載遠端的溫差，T7是回水溫度≦12℃，共通管的流動讓回水溫度T8降低<12℃ ，∆T0 ≦5℃是冰水機的建議值， ∆T1 <5℃是建議值。

 

在考慮遠端裝設有高壓差的換熱裝置時會採用這樣的系統，遠端空調箱的溫差仍然能維持在∆T2≦5℃是建議值，各裝置需要裝置平衡閥來調節流量。

 

管路阻抗曲線(以Ashrae90.1為例)

P1到P2是一次側管路阻抗，含冰機的蒸發器，一次泵就是服務這段阻抗。其流量與二次泵相同。

 

 

冰水泵與等效阻抗曲線

閉迴路的阻抗值來自蒸發器的水頭損失與管路損失，尤其管路損失與管路流速、管路長度及裝置數量正相關。

 

 

蒸發器阻抗變化

蒸發器滿載的揚程阻抗為 5m，以 10Lpm/RT為基準
換算為 100RT時，流量等於 1000Lpm，等於 60cmh
1000Lpm×60/1000=60cmh→C_1=(5(m))/(60(cmh)^2 )=0.00139→以實際流量為基準
當冰機在變頻系統的部分負載時， 50%負載，流量為 30cmh維持溫差 5°C
這時蒸發器的揚程阻抗將等於
H_L=C_1×Q^2=0.00139×30(cmh)^2=1.25(m)

一次側阻抗變化

一次側滿載的揚程阻抗 最大為9m，以 10Lpm/RT為基準
換算為 100RT時，流量等於 1000Lpm，等於 60cmh
1000Lpm×60/1000=60cmh→C_1=(9(m))/(60(cmh)^2 )=0.0025→以實際流量為基準
當冰機在變頻系統的部分負載時， 50%負載，流量為 30cmh維持溫差 5°C
這時一次側的揚程阻抗將等於
H_L=C_1×Q^2=0.0025×30(cmh)^2=2.25(m)

二次側阻抗變化

二次側滿載的揚程阻抗最大為13 m，以 10Lpm/RT為基準
換算為 100RT時，流量等於 1000Lpm，等於 60cmh
1000Lpm×60/1000=60cmh→C_1=(13(m))/(60(cmh)^2 )=0.00361→以實際流量為基準
當冰機在變頻系統的部分負載時， 50%負載，流量為 30cmh維持溫差 5°C
這時二次側的揚程阻抗將等於
H_L=C_1×Q^2=0.00361×30(cmh)^2=3.25(m)

冰水側阻抗變化

冰水側的阻抗為一次側與二次側的揚程阻抗合，最大為22m，以10Lpm/RT為基準
換算為 100RT時，流量等於 1000Lpm，等於 60cmh
1000Lpm×60/1000=60cmh→C_1=(22(m))/(60(cmh)^2 )=0.00611→以實際流量為基準
當冰機在變頻系統的部分負載時， 50%負載，流量為 30cmh維持溫差 5°C
這時二次側的揚程阻抗將等於
H_L=C_1×Q^2=0.00611×30(cmh)^2=5.5(m)

 

冰水管路熱負載搬運效率 EUI_qra
熱負載搬運效率 EUI_qra=熱負載流功比kW/kW=(系統熱負載 qra)/冰水泵流功
以100RT為例，流量等於1000Lpm，60cmh，最高揚程為22m
總冰水泵流功=1000×9.81×22×(60/60/60)/1000=3.597kW
一次泵流功=1000×9.81×9×(60/60/60)/1000=1.472kW
二次泵流功=1000×9.81×13×(60/60/60)/1000=2.125kW
系統熱負載 qra=100RT=100×3.516=351.6kW
冰水的熱負載搬運效率 EUI_qra=351.6kW /3.597kW =97.8

若以耗電比 1.5的泵浦計算，
泵總耗電為 3.597kW×1.5=5.4kW
一次泵總耗電為1.472kW×1.5=2.208kW
二次泵總耗電為2.125kW×1.5=3.188kW
泵總耗電的熱負載搬運效率 EUI_qra=351.6kW /5.4kW =65.2
Ashrae90.1的泵總耗電搬運效率=5.4kW /100RT =0.054(kW/RT)
Ashrae90.1的一次泵耗電搬運效率=2.208kW /100RT =0.022(kW/RT)
Ashrae90.1的二次泵耗電搬運效率=3.188kW /100RT =0.032(kW/RT)

 

 

 

若要把泵總耗電搬運效率指標降低到0.026(kW/RT)，
就必須提升泵浦耗電比為1.3，並且把總揚程降低為12.4m
總冰水泵流功=1000×9.81×12.4×(60/60/60)/1000=2.027kW
泵總耗電為2.027kW×1.3=2.64kW
Ashrae90.1的泵總耗電搬運效率=2.64kW /100RT =0.026(kW/RT)
若要把泵總耗電搬運效率指標降低到0.016(kW/RT)，
就要進一步把總揚程降低為7.63m
總冰水泵流功=1000×9.81×7.63×(60/60/60)/1000=1.247kW
泵總耗電為1.247kW×1.3=1.62kW
Ashrae90.1的泵總耗電搬運效率=1.62kW /100RT =0.016(kW/RT)

冰水泵總單位耗能≤22 W/gmp =5.808 kW /cmm =0.0968 kW /cms =349 kW /cmh
以100RT為例，流量等於1000Lpm，60cmh，最高揚程為22m
若以耗電比 1.5的泵浦計算
泵總耗電為 3.597kW×1.5=5.4kW
一次泵總耗電為1.472kW×1.5=2.208kW
二次泵總耗電為2.125kW×1.5=3.188kW
1000Lpm=1000×0.264(Gpm/Lpm)=264Gpm
冰水泵總單位耗能=5.4kW /264gmp =20.45(W/gmp)

冰水側阻抗變化(不計蒸發器只計算管路)

冰水側的阻抗為最大為 22m，扣除蒸發器的管損 5m後為 17m，以 10Lpm/RT為基準
換算為 100RT時，流量等於 1000Lpm，等於 60cmh
1000Lpm×60/1000=60cmh→C_1=(17(m))/(60(cmh)^2 )=0.00472→以實際流量為基準
當冰機在變頻系統的部分負載時， 50%負載，流量為 30cmh維持溫差 5°C
這時不含蒸發器的揚程阻抗，含遠端空調箱與室內機，將等於
H_L=C_1×Q^2=0.00472×30(cmh)^2=4.25(m)

 

 

 

5.冰水管路之共通管與逆止閥洩漏

Q_2=Q_1 ⇔額定系統熱負載， Q _r =0

代表一次泵的流量Q1等於二次泵流量Q2，代表冰水機在額定負載下運行，二次泵取得7℃的冰水輸出，在系統回水時不會有低溫冰水混和，一次泵的入口壓力等於系統原使靜壓P0，二次泵的入口壓力也會非常接近系統原使靜壓P0 。

冷媒壓縮機在額定冷媒蒸發壓力與溫度5℃來讓造成冰水由12 ℃降到7℃。

這時冷凝器在額定冷媒冷凝壓力與溫度40℃，讓冷卻水出水溫度維持在35℃，不會對冷卻水塔造成額外負擔，確保回水溫度30℃，溫差5 ℃，冷卻水塔的風扇會在預定轉速。

冷媒冷凝壓力與蒸發壓力之壓力差為額定，可以讓冰水機運轉在額定能效。

並聯冰水機之逆止閥洩漏問題(逆止閥沒有短路)

 

6.冷卻水管路系統模型與等效阻抗曲線

 

 

7.設備冰水管路系統模型

 

8.水側系統的溫度分佈

 

9.水側系統的溫度與COP變化

 

 

10.冰水機與水側系統的變頻控制

 

11.定頻泵浦與變頻泵浦耗能比較

 

12.歐盟泵浦能效標準

 

13.線上泵浦性能量測與改善案例-殷聖泵浦-陳建龍協理 CMVP

案例一. 日█光半導體

案例二. 奇█醫院

14.泵浦節能改善之耗電比變化統計-殷聖泵浦-陳建龍協理 CMVP

 

附件一 Ashrae90.1參考資料

 

 

 

參考資料：

Wiki-ASHRAE_90.1

ASHRAE 90.1 – Energy Efficiency Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings