DDC自动控制对建筑物空调节能及投资回收探讨

DDC自动控制对建筑物空调节能及投资回收探讨在亚热带的台湾空调已成为日常生活必需品。根据“经济部能委会”公布，89年商业空调用电约占民生生活用电40%。空调的用量愈大，消耗电力也愈多，直接造成夏季限电危机及大量能源进口的问题。所以实有必要发展有效之空调系统节能方法，尤其用在改善现有大楼空调系统自动化。DDC（Directdigitalcontrol）直接数字化控制，是一项构造简单操作容易的控制设备，它可借由接口转接设备随负荷变化作系统控制，如空调冰水循环系统、空调箱变频自动风量调整及冷却水塔散热风扇的变频操控等，可以让空调系统更有效率的运转，提供舒适的空调环境并达到节能之目的。本文以实例4部50HP空调箱利用DDC控制变频马达运转作计算，在使用变频器后与未使用变频器二种情形比较下，可节约用电量约98kW，换算为设备投资成本约在9个月左右即可回收（因品牌价格不同，回收年限不一）。台湾地区能源政策已于七十九年十二月十三日奉“行政院核定第三次修正。其内容包括：确保能源稳定供应、促进合理能源价格、提高能源使用效益、防治能源污染环境、加强能源研发及推动能源教育宣传等重要政策，都陆续推展中。目前台湾的用电需求逐年成长，且用电形态改变，以致尖离峰电力负载差距拉大。而对于要降低夏季尖峰空调用电，储冰空调系统在政府的持续推动下，已获得相当成果。也较为人所熟知。另一方面，大楼空调设备的操作运转未最佳化，都是在浪费能源，增加了政府对电力系统的投资。如何应用自动化控制设备，操作空调系统运转，便是本专题讨论重点。过去大楼空调节能的题目，一直有专业单位（工研院、台电）在研拟策略提供政府作参考，订定标准。另外在空调业界、学术界也有论文讨论。有关DDCSystem之文献发表，请参考[2]&[3]，他们介绍DDCSystem的优点，可作智能化电脑过程控制，调节室内温度及空调系统状况分析。本文参考其部分论点，并针对大楼空调系统作整合性自动控制的利用，来解决耗能之缺点，提升空调品质及其所带来舒适之环境。1．DDC自动控制系统介绍DDC直接数字化控制是一种简易的微电脑设备，它须与其它器材整合搭配才能发挥功效，如图1所示。如变频器、温度湿度传感器、焓差控制器、二通阀等组件。这些组件的输入输出以模拟信号DC0~10V或低电流4~20mA作信号传送，送至DDC控制器。经DDC内置软件作判别后反向输出信号来控制阀件或变频器调节空调。下列简略说明DDC自动控制系统各周边设备及控制功能。1．1直接数字控制（DDC）系指一台数字电脑直接操作一个状态（例如温度的记录），或者一套程序（例如压力调节）予以自动控制的作业。所配用的数字电脑，可以采用小型微处理机，亦可配用于中央型之微电脑上去连线作业。空调系统常用的控制元件，例如风闸开关、阀开关、阶动继电器等之操作，不论其原为气动式者或电动式者，亦不论其作用原为调整大小的动作或仅为开或关之动作，均可改用DDC方式作自动的操作。DDC系统利用硬件和软件（数学方程式）来调整控制变数或依据操作人员的需要来控制工业制造程序。其中控制变数包括温度、压力、相对湿度、流量和液位等。控制程序和设定点可利用软件输入电脑内，并能够在操作人员的键盘上作修正，如此可以取代过去对硬体控制器的校正。DDC系统亦可将检测到的温度、压力等控制变数，与预先储存在电脑内的希望数值相比较，如果测试的数值小于或大于所希望的数值，系统将会送出一系列的数字脉冲，这些脉冲则借助电动对气动的转换器（electric-to-pneumatictransducer）或电动对电动的转换器（electric-to-electrictransducer）转变成控制装置的调整讯号。然后通过电脑的调整，其所输出的讯号，再操作其转换器，使原来系气动或电动的组件按指示讯号操作。若空调的控制器件，原系气动式，则需要另加一套将气动动作变为电器讯号的装置，将电器讯号输入电脑操作。原系电动操作元件者亦相同。至于输入DDC系统后，则不需另加任何硬件设备，即可作任何性能控制的操作。1．2变频器变频器驱动电动机系利用二极管等整流器件将商用电源予以整流后，再经由电容器等平滑之，使之由交流转换成直流。利用PowerTransister、SCR(Thynstor)等将直流换成任一频率，然后以交流电方式输出。用变频器驱动感应电动机，除可避免电动机磁气饱和外，同时亦可压制起动电流，且由于驱动电动机而产生必要的扭力矩，故必须控制变频器的输出电压，好呼应频率的变化。变频器可分为电压形变频器和电流形变频器。电压形变频器利用SCR或二极管整流后，可再用平滑电容器使其成为电压源。另一方面，电流形变频器利用SCR整流后，打开电抗器，便可因SCR而具有电流源的作用。其控制方式有电压控制和电流控制两种。1．3焓差控制器送风系统当室外的温度低于室内温度时，可利用低温的室外空气来作调节室内温度之用，称焓差控制。焓差控制器是由控制器比较室外温度及回风温度高低而将各风门关大、关小或全开、全关的。真正能大量节约能源和获得经济效益的空调方法，就只有“室外气空调”。室外气空调，亦称EconomizerCycle。它的作用就如它的名称一样，就是完全利用室外自然空气作空调，不必开动主机、水泵、冷却水塔等全部冰水系统，较机械式空调能节省能源70%上下，而且装置简单、经济效益大。室外气空调可不必改变原来冰水系统，仅在适合的外气条件之下，由较大的新鲜空气作空调即可。最重要的风量控制，可采取自动和手动双重方式，由温（湿）度的感测，经过风门和变频双重调节，以达到室内设定的温度和湿度，如图2。对高显热量的场所，如需要24时空调的工业或设备，则更具有实用价值。设：Q为机房内空调负荷，kcal/HrA'o为引进的外气量，kg/HrAo为引进的外气量，m/HrHR为室内空气条件状态点R的焓值，kcal/kgH1为室外空气条件状态点R的焓值，kcal/kg0.83为空气的比容值，m/kg则Q=A'o×(hR-h1)或A'o=Q/hR-h1Ao=0.83×Q/hR-h1上列关系式可算出室外气空调的各种状况与条件。当温度上升时，在空气线图上意即由外气状况点画水平线直到室内空气状态点，如空气量适当，此状态点即为设计所需的状态。此时，除外气已升至室内温度而即被排出外，因绝对湿度未变，而相对湿度却已相应降低，故能一直保持室内在设计状态。1．4冷却水塔散热风扇温控器冷却水塔风扇在不同之冷却负载下其耗电维持在一定值，造成电力的浪费。故在冷却水塔风扇使用变极马达，并利用冷却水出口温度控制风扇马达起停及高低转速，不但主机能在较低的冷却水进水温度下做高效率的运转，并且可有效的减少冷却水塔风扇之耗电。2大楼空调系统之架构一般大楼常用的冰水空调系统有CAV、VAV、VWV等，各有不同操控方式，都可以用DDC控制。2．1定风量系统（CAV）定风量系统(ConstantAirVolume，简称CAV)，顾名思义即是风量维持一定之意。定风量系统为空调机吹出的风量一定，以提供空调区域所需要的冷（暖）气。当空调区域负荷变动时，则以改变送风温度应付室内负荷，并达到维持室内温度于舒适区的要求。常用的中央空调系统为AHU（空调机）与冰水管系统FCU系统。这两者一般均以定风量（CAV）来供应空调区，为了应付室内部分负荷的变动，在AHU定风量系统以空调机的变温送风来处理，在一般FCU系统则以冰水阀ON/OFF控制来调节送风温度。2．2变风量系统（VAV）变风量系统(VariableAirVolume，简称VAV)即是空调机（AHU或FCU）可以调变风量。常用的中央空调系统为AHU（空调机）与冰水管系统FCU系统。这两者一般均以定风量（CAV）来供应空调区，为了应付室内部分负荷的变动，在AHU定风量系统以空调机的变温送风来处理，在一般FCU系统则以冰水阀ON/OFF控制来调节送风温度。然而这两者在送风系统上浪费了大量能源。因为在长期低负荷时送风机亦均执行全风量运转而耗电，这不但不易维持稳定的室内温湿条件，也浪费大量的送风运转能源。变风量系统就是针对送风系统耗电缺点的节能对策。变风量系统可分为两种：一种为AHU风管系统中的空调机变风量系统（AHU-VAV系统）；一种为FCU系统中的室内风机变风量系统（FCU-VAV系统）。AHU-VAV系统是在全风管系统中将送风温度固定，而以调节送风机送风量的方式来应付室内空调负荷之变动。FCU-VAV系统则是将冰水供应量固定，而在室内FCU加装无段变功率控制器改变送风量，亦即改变FCU的热交换率来调节室内负荷变动。这两种方式透过风量之调整来减少送风机的耗电量，同时也可增加热源机器的运转效率而节约热源耗电，因此可在送风及热源两方面同时获得节能效果。2．3变流量系统（VWV）所谓变流量系统（VariableWaterVolume，简称VWV），是以一定的水温供应空调机以提高热源机器的效率，而以特殊的水泵来改变送水量，顺便达成节约水泵用电之功效。变水量系统对水泵系统之节能效率依水泵之控制方式和VWV使用比例而异，一般VWV的控制方式有无段变速（SP）与双向阀控制方式。以上三种空调系统是目前大楼空调最常被设计的系统。中央空调控制也就是把管路、管件、阀体或阀门集中设定控制流体提供冷气。所以有效组合中央空调控制即能有效控制耗能，设计合乎节能的空调系统。3DDC配合不同空调设备方式介绍DDC设备在市面上的产品，各厂家的型号、套件都有所不同，但系统大同小异。只要将类比讯号经数位化处理输入电脑，就能作控制与设定。当这些数位控制运用在空调设备时，整合方式有下列几种方式：3．1FCU用在定风量系统（CAV）区域空调因为是定风量系统，所以我们控制冰水系统上二通阀。当室温升高，室内感温器送出信号给控制器，控制器接到信号与设定的温度比较，输出信号给冰水管上二通阀。控制二通阀打开，使循环风变冷送入室内。如室内温度下降过多，盘管风机作卸载。室内温度感温器送信号至控制器为模拟输入，控制器与设定温度比较，输出模拟信号至冰水管上二通阀关闭。二通阀也有比例式型式，这种比例式二通阀控制冰水大小进入冷排使空调更有弹性控制，维持室温在设定值上下。3．2AHU用在变风量系统（VAV）区域空调箱型空调机为商业大楼所常用的空调系统，以出风温度及预设定的比值为控制方式。靠着送、回风及外气温度SENSOR来控制马达转速。控制程序如下：（1）出风温度感应到感温器（设定在13℃），DDC控制二通阀打开。（2）送冷气时，冰水感温器测得冰水离开冷排温度，调整出风温度状况，陆续利用DDC控制AHU变频器改变马达转速送出理想出风温度。（3）当冰水阀门关小至12℃，DDC控制器打开外气及回风风门，综合送风温度，直到外气风门关至最小开度以维持12℃送风风温，可兼外气空调利用。（4）低温限制感应混合温度控制以保护冷排不结冰。3.3作冰水主机开关机及状况记录一般大楼空调系统每天的冰水主机开关机，大都靠机电人员来操控。最主要开机加载的程序由人来监视比较有弹性。所以机电操控人员很重要，但人要休息会轮班，也因此冰水主机的操作没有一套有效管理。DDC可以设定所有开关机程序并且标准一致，不怠班。主机控制系统加装模拟信号适配卡转换传讯，再加一台列表机，就能把一天中所有运转情形显示出来。遇有跳机又能即时通知技术人员前往查看。4变频器节能计算公式说明成本回收时间的长短，在不考虑附加价值下决定了用户是否装设的意愿。本文引用《中华水电空调月刊》第135期专栏中数据，以美国ELECTRICPOWERRESEARCHINSTITUTECU-7544.ResearchProject2951-9and2951-12FinalReport.December1991发表一份实验结果，以一周为单位作高功率变频负载特性百分比计算。以下是该方法之简易成本回收时间计算步骤说明：4．1计算全负载的容量全负载容量一般是以马达的马力数（HP）×0.746/马达效率（η），单位为（kW）。4．2决定负载的特性和操作时间表调查空调系统所需的空调能量，并完整地记录一个周期内详细的变化资讯。通常周期是以