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冰水機房最佳化規劃
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内容提示：简介 本文围绕“如何規劃冰水主機、泵浦及冷卻水塔使得初設成本低，而運轉成本也低？”展开了讨论。許多案例證實，較大的水溫差系統不僅可省下初設成本，而且可省下運轉操作成本。特別是選用高效率主機時更是如此。
前言
冰水機房係由多個動力單元所組成，主要的是冰水主機、冰水泵浦、冷卻水泵及冷卻水塔。過去數十年來越來越傾向選用高效率冰水主機。然而除了減少能源消耗之外，仍有許多手段值得研究；例如設法降低 初設工程費的成本。（参考《建筑中文网》）
本文即是探討降低初設成本的同時，也要節省操作能源。但不討論前人已有說明的一次／二次冰水系統或是變轉速控制系統。
一般而言，工廠內最大的能源消耗者即是冰水主機，這也是為什麼一談到節約能源就是指向選用高效率冰水主機。但是，主機安裝後卻很少滿載負載，是不是!! 大多數的時間，主機都是在部分負載下運轉，而且多是低於75%的低載。然而，無視於此一現象，冰水泵和冷卻水泵依然故我地定流量全載運轉。因此當主機 在部分負載時，泵浦在全系統的耗能比例卻相對變大了。試想，如果泵浦選較小的機型是不是會節省一部分能源而且也使得初設成本也降低些？如何實現這一種想法呢？會對冰水主機造成什麼衝擊呢
我們回顧一下歷史，數十年前，冷卻設備製造商共同集合成一個組織也就是今天的 ARI。ARI 依 10℉ 溫度差定義冰水主機水流量的標準，這個標準適用於蒸發器以及冷凝器。這個標準主要是提供一個共通規範來供不同的主機製造商依循。在那個時代 尚談不到電腦及主機選機軟體，因此各家主機製造商別無選擇只有遵守 10℉ 溫差規範。10℉ 溫差規範在當時也有其使用上的便利性。然而今天的時代卻未必要死抱 10℉ 溫差不可。同樣的背景下，10℉ 溫差也成為過去冷卻水塔製造商的標準。
如果增加水溫差值，則相同熱傳遞量時，水流量就可降低，於是泵浦和管線就可以小一級來設置。除非冰水出水溫度降低了，否則較大的冰水溫差( 蒸發器出水溫和回水溫之差值 ) 對冰水主機的效率之影響是極輕微的。另一方面，冷卻水在冷凝器的溫差變大則確實會降低主機的效率，主因是冷凝溫度增加了。因此，最佳化的設計，宜就從系統的角度來評估，主機增加的耗能和泵浦水系統所省下的能源應如何匹配會最省能。在一些應用例子中，倒也沒有讓主機更耗能；在另一些應用例子中，則是選用更有效率的主機來抵消較高冷凝溫度所造成的損失。由此省下來的泵浦採購成本，動力配電工程，管線及閥件工程費往往夠我們去選用較高效率的主機! 此時泵浦所省下來運轉操作能源足使系統變得更加有效率。
接下來我們就舉一些實例來印證我們的想法。有一個系統，有 2 台 800 冷凍噸的主機，每一台主機有一台冰水泵，一台冷卻水泵及一台冷卻水塔。我們選出 3 種規劃方式來比較系統成效。1A 及 1B 版本是依照傳統10℉ 冰水溫差選定之主機。2A 及 2B 版本是依 14℉ 溫差來選機。3A 及 3B 版則是依 18℉ 溫差來選機。每一版本之 A 與 B 是不同之冷卻水流量值以供比較用。在1A、2A、3A 版中，冷卻水流量則是依每冷凍噸 3GPM 即10℉ 溫差標準選機。而1B、2B、3B 版中，冷卻水流量則是依每冷凍噸 2GPM 即 15℉ 溫差標準選機。泵浦的部份，假設泵浦效率 82% 而馬達效率 93%。60 英呎的水頭外加主機水壓頭損。
依 Trane 的製造規格在相同初購成本下選了 6 台主機。每一台主機的冰水出水溫度均是 42℉。冷卻水塔則是由 Marley 冷卻水塔的選機軟體中選用水塔，其中外氣濕球溫度假設為 78℉。假設 800 冷凍噸的負載需求，即啟動一台主機且滿載即可之條件下，總結 6 個版本的系統耗能狀況整理於 <表1> 中。由表中最右欄可看出冰水溫差愈大的系統，其尖峰用電愈省。而冷卻水流量減少對系統尖峰用電省能影響不大。
表1 800冷凍噸主機，全載運轉之不同版本耗電分析
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| This is the same size tower.If a smaller,less expensive tower is used,the fan hp goes to 40. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
當系統操作在部份負載時，泵浦的耗能不變，因為每一個版本都是定流量系統，僅只有冰水主機及冷卻水塔風扇會減少能源的消耗。這一部份，我們藉由電腦程式 DOE - Z 來模擬。選一個變風量空調箱設計的辦公大樓為模擬對象。針對不同地點，及 6 個版本的系統套用電腦來模擬。在 <表2> 中列出電腦模擬之成果。
表2 不同的城市，套用這 6 個版本之耗電分析
| 版本 | 波士頓 | 芝加哥 | EI PASO | 湖區 | 邁阿密 | 舊金山 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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<表2> 可看出不論是那一個城市，當 6 個版本套入電腦中，增加溫差( 減少水流量 ) 總有較省能的這一個趨勢存在。儘管不是每一個案例中均有完全一致的結果，<表2> 中仍顯示出整體性，看能源節省之成效較以往只看主機效能單一分析更具價值與重要。
一如前述，如果選用更有效率之冰水主機，藉以克服冷凝溫度升高的負面耗能損失，並不會增加額外的成本。怎麼可能會這樣的？其實呀! 我們省下泵浦的初購成本，電力工程費，管路工程費及閥配件的費用( 降低流量，使得這些工程的尺寸規格及成本均變小了) 就足夠去購買更高效率較為昂貴的主機。<表1> 就顯示出泵浦流量和馬力數的差異性。<表3> 列出不同溫差之下管路管材的管徑尺寸。
表3 不同溫差值對應之管徑尺寸
| 冰水側 | 冷卻水側 | |||||||||||||||||||||||
| 10 ℉ 溫差 | 14 ℉ 溫差 | 18 ℉ 溫差 | 3 GPM / 噸 | 2 GPM / 噸 | ||||||||||||||||||||
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較大的溫差( 較低的流量 ) 造成較小的管路管徑及閥件，較小的泵浦馬力，冷卻水塔風扇馬力及其各項電力配線工程，也就實質降低冰水系統之初設成本。此即本文所稱 " 雙贏 " 設計。
唯一會稍微提高成本的是空調箱的熱交換器選購成本一項而已。但之前述及所省下的工程費也足夠支付這一項多出來的額外費用。這裡是依據鰭片選機軟體做出分析，比較 18℉ 溫差盤管其空氣側之降頭損失會比10℉ 溫差盤管還要大( 2個盤管的進水溫度相同 )。即使如此，少許的空氣壓損增加，應用到 VAV 變風量空調系統也因風量減少而變得微不足道。
受限於各主機製造商的規格能力，應用本文的成效也有不同的限制。對於運轉中的工廠或建築物，因為空調箱盤管也已經是標準10℉ 的規格產品，所以也不適用本文之系統規劃例。
結論許多案例證實，較大的水溫差系統不僅可省下初設成本，而且可省下運轉操作成本。特別是選用高效率主機時更是如此。
来源: 《建筑中文网》.原文网址：http://www.pipcn.com/research/200612/6219.htm
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