应用於节能绩效保证合约之冰水主机性能验证方法

1應用於節能績效保證合約之冰水主機性能驗證方法VerificationApproachforChillersAppliedtoEnergySavingPerformanceContract柯明村國立台北科技大學　能源與冷凍空調工程系副教授戴邦文國立台北科技大學　能源與冷凍空調工程系碩士生鄭聰哲國立台北科技大學　能源與冷凍空調工程系博士生摘要本研究為了解決節能績效保證合約（EnergySavingPerformanceContract,ESPC）或能源效率改善工程（EnergyEfficiencyRetrofitEngineering）的執行障礙，增加節約能源措施（EnergyConservationMeasurement,ECM）之效益檢測的執行度與可靠度，進而提供具學理基礎與公信力之節能效益估算模式，將針對ASHRAE第14號準則中，有關評鑑冰水主機的方法進行探討。該準則提出之方法可根據現場監測數據，推演出能夠精確預測與評估運轉中冰水主機之效率的回歸方程式，以應用於節能工程改善前之基準線(Baseline)之建立，或改善後(postinstallation)冰水主機之於某種狀態下運轉的效率預測，以提供冰水主機改善專案之節能績效計算與驗證。本研究並針對一實際案例，進行數據分析、評估與建立冰水機性能經驗模式，以期建立冰水主機改善專案中的節能效益驗證計算方法，供政府單位與ESCO於實行ESPC時之參考。一、前言近年來由於能源消耗所產生之溫室氣體已造成地球溫室效應，導致全球暖化的趨勢，因此能源之妥善使用逐漸受到國際上的重視。而提升能源效率與節約能源，進而減少化石燃料的使用，同時降低二氧化碳之產生與排放，乃是地球永續生存的無悔策略。為了落實節約能源與減少能源用戶進行節能改造工程的失敗風險，能源服務公司(ESCO)便因應而生。而當中為了解決節能績效保證合約（ESPC）的障礙，並建立共同「遊戲規則」，以強化政府單位/工程單位/業者三方面之共識，美國能源部（DepartmentofEnergy,DOE）早在1994年便與工業界合作發展一套能源效率檢測與驗證（Measurement&Verification,M&V）的程序與方法[1]，希望藉由標準化的M&V程序，增加節約能源措施之效益檢測的執行度與可靠度，進而使節能效益之估算更具公信力與說服力，而降低對節能績效保證效益認證之爭議，真正發揮最大之節能成效。在中央空調系統中，冰水主機是提供製冷來源的主要設備。近年來，空調系統中由於冰水側的各種節能技術的開發成熟與廣泛應用，例如變頻器的使用，低溫冰水系統的採用等，都使得水泵的耗電得以相對降低，使得冰水主機在空調系統中，與水塔、泵浦等的能源消耗相比較時相對較高，因此冰水主機運轉效率的高低、性能的優劣直接影響中央空調系統的效能與耗電總量。是以用來驗證設備效率之相關性能測試研究、方法與標準[2]，亦逐漸受到重視並被執行應用以確認冰水主機之運轉性能。其中之ASHRAE第14號準則內即有提出關於冰水主機現場運轉實用性能中華水電冷凍空調設備資訊網評鑑技術之方法與性能驗證模式(RetrofitIsolationApproachforChillers)，本文因此將針對其內涵與執行應用作一說明與介紹，且應用該準則提出之計算模式，對一實際運轉之案例進行測試數據回歸分析，而後求出該冰水主機之性能方程式，並討論該驗證模式使用上之問題以及其於國內ESPC上的應用。二、主機性能測試標準一般而言，冰水機的操作條件、負載和卸載方式對其性能係數(Coefficientofperformance,COP)有密切的關係與影響。根據美國冷凍空調學會(ARI)的冰水機標準ARI550/590-2003[3]，自1967年到1992年間所生產的冰水機，約有八成銷售到全美國共29個城市，該標準於是針對這29城市冰水主機的使用行為進行調查，並依ASHRAE統計的Binweatherdata，歸納得到主機運轉在75%、50%、25%容量的時間分別佔全年度的42%、45%和12%，所以ARI在探討主機實際運轉之性能好壞是以IPLV(IntegratedPartLoadValue,IPLV)來評估的。而ARIStandard550/590-2003訂定水冷式冰水機的標準測試條件如下：◆冰水出水溫度：6.7℃◆冰水流量：0.043L/s.kW◆冷卻水進水溫度29.4℃◆冷卻水流量：0.054L/s.kW◆冰水的污垢係數：0.000018m2.℃/W◆冷卻水的污垢係數：0.000044m2.℃/W◆部分負載時之冷卻水進水溫度：75%時為23.9℃，50%時為18.3℃，25%時為18.3℃由於冰水機的用途非常的廣泛，實地運轉時的溫度條件往往與上述訂定的標準狀況不同，因此標準條件以外的部分負載測試也應列入量測之中。但以上的測試標準，由於明訂了測試條件，似乎只能於製造商的工廠內進行廠測，以求得標準測試條件之下的主機性能效率值。如果要在機組裝設地點進行測試將無法維持標準測試環境，而冰水主機在不同的冷卻水溫與不同的冰水出水溫時會有不同的COP表現，所以一旦進行空調節能改善工程，例如主機汰換等，由於改善前後的主機使用溫度與製冷參數不同，將很難進行改善效益計算，因此ARIStandard550/590適合作為新機性能檢測的評估參考，如果要作為節能改善前後的實際效率差計算，則需要另覓它法。ASHRAE第14號準則中有關主機性能方程式的性能評鑑技術，對於冰水主機節能改善前後的效率差計算應是可行的解決方案。三、主機性能方程式有關於冰水主機性能模式的研究，文獻上已有多位學者提出相關的論述。其中Gordon及Ng於1994年提出往復式冰水機的熱力動態模式[4]，作為評估現場冰水機的能源效率的參考，其方法主要是利用量測得到的水側參數(包含冷卻水入水溫度、冰水出水溫度及冷凍能力Qe)，經回歸中華水電冷凍空調設備資訊網計算得到冰水主機的三個性能係數，作為套用主機性能數學式，而得到被測主機特有的性能方程式。Gordon等人藉由最初使用於往復式與吸收式冰水機上的一個簡單熱力學模擬方法，而應用在商用離心式冰水機(Gordon等[5])，經由實驗測量，成功地發展了性能係數COP與冷凍能力間的關係式。ASHRAE提出的2002年第14號準則中，可利用來作為冰水機現場性能測試之依據，即是引用了Gordon及Ng所提出的冰水機組行為模式[6]，作為評估現場冰水機組的能源效率的參考。其主要是利用持續量測所得到之水側參數，其中包含冷卻水入水溫度、冰水出水溫度及冷凍能力（Qe），進而歸納數據而得到被測主機特有的性能方程式，作為耗能評估的依據。但由於現場量測冷卻水與冰水之溫度與流量數據時，其數值會隨著負載變化而改變，因此有關數據取得之難易、數據之變動範圍是否廣泛等因素，會對冰水主機性能方程式之歸納造成影響。因此必須要先行對測試數據予以檢視，再選擇適當的熱力模式，而後才能進一步歸納測試數據來得到冰水機之性能方程式。ASHRAE第14號準則中提出兩種冰水主機性能方程式模式，一個為簡易模式(SimpleModel)，另一個為溫度相關模式(TemperatureDependentModel)。簡易模式是適用於當冷卻水入水與冰水出水的溫度維持不變時，冰水機之性能係數是為製冷能力的函數。而溫度相關模式適用在當冷卻水入水與冰水出水的溫度為變動的情況下，冰水機的性能係數為冷卻水入水溫度、冰水出水溫度與製冷能力的函數。因此，吾人可依據測試數據瞭解冰水機之操作特性後，選用適當的模式來求得冰水主機之性能方程式。以下對此二模式予以簡略說明，詳細之細節請參考ASHRAE第14號準則之附錄E。1.簡易模式01)1(1cQcCOPevap+=…………………………………………………………………………………(1)2.溫度相關模式evapchwSTcwRTcwRTchwSTcwRTQTTATAATTCOP)/()()(11210−+−++−=…………………………………………(2)若定義evapchwSTcwRTQTTCOP)11(−+=α………………………………………………………………………….(3)則以測試數據作出α對chwSTTcwRTT的關係圖時，從圖中可發現多條平行之直線，而每一條直線中華水電冷凍空調設備資訊網皆對應至同一個冷卻水溫，則此直線群線的斜率(slope)即為係數2A。因此可用此方法決定出係數2A。若進一步定義=β)()11(2chwSTcwRTevapchwSTcwRTTTAQTTCOP+−+…………………………………………………………(4)則以測試數據作出β對cwRTT的關係圖時，可以發現圖中所有的數據點應收斂成單一直線，則此直線的斜率即為係數1A，而截距(intercept)即為係數0A。因此，可進一步以上述方法求出係數1A與0A。以上之方法其實為針對眾多測試數據所做之線性迴歸，以決定出冰水主機之性能方程式(2)，因此測試數據越廣泛，即冰水溫度與冷卻水溫度變動範圍越大，該性能方程式之可靠度越高，表示該迴歸方程式用來解釋與預測受測冰水主機之性能時，其可靠度越高，結果越值得信任。以下將針對依實際案例之冰水主機，依ASHRAE第14號準則所提出之冰水主機性能模式，利用上述之計算程序歸納其性能方程式，以探討其性能模式、以及歸納計算程序是否可靠，檢討該計算程序是否易於執行，最重要的是，ASHRAE第14號準則所提出之冰水主機性能模式應用於實際案例時，是否真的可以得到可靠之冰水主機性能方程式。四、實際案例分析本案例採用350RT的離心式冰水主機，依照該主機之監測數據，選用的主機性能模式為溫度相關模式。所取得之該主機測試數據共200筆，數據如圖1與圖2所示。進一步分析該200筆測試數據，依照上述介紹之計算方法，先行作出α對chwSTTcwRTT的關係圖，歸納繪製如下：中華水電冷凍空調設備資訊網=-26662x+281290.005.0010.0015.0020.0025.0030.0035.0017131925313743495561677379859197103109115121127133139145151157163169175181187193199冷卻水溫冰水出水溫圖1某案例冰水主機之冰水出口與冷卻水進口溫度0.00200.00400.00600.00800.001000.001200.001815222936435057647178859299106113120127134141148155162169176183190197冷凍能力kW0.0050.00100.00150.00200.00250.00300.00350.00400.00450.00500.00耗電量kW冷凍能力kW耗電量kW圖2某案例冰水主機之冷凍能力kW及耗電量kW中華水電冷凍空調設備資訊網之迴歸分析中，可得到平行直線群之斜率為-26662，此數值即為係數2A。因此，再進一步以所獲得之2A分析該200筆測試數據，可再次依照上述介紹之計算方法，作出β對cwRTT的關係圖如下：y=92.866x+829.1227900.028000.028100.028200.028300.028400.028500.028600.028700.028800.028900.029000.0292.0293.0294.0295.0296.0297.0298.0299.0300.0301.0302.0303.