TW201307774A - 製冷設備的監控系統及方法 - Google Patents

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Abstract

一種製冷設備的監測系統及方法，監測系統包括一偵測裝置、一控制裝置及一指示裝置；偵測裝置對壓縮機的入口/出口的溫度及壓力、膨脹閥的出口壓力及壓縮機的功率進行偵測；控制裝置利用前述溫度及壓力值以查表方式運算得到一效率值，且判斷於該效率值小於一門檻值時判斷為異常模式；指示裝置於異常模式時產生異常提示訊號；藉由偵知是否處於異常模式，進而通知使用者排除故障，達到節約能源之目的。

Description

製冷設備的監控系統及方法
本發明是有關於一種製冷設備的監控系統及方法，特別是指一種能提示目前處於何種運作模式的製冷設備的監控系統及方法。
根據經濟部能源局統計，就一般家庭全年的電費而言，冷凍空調耗電所佔百分比大約40~60%，至於辦公大樓的冷凍空調耗電百分比例調查結果更高達40~70%，其中冰水主機總容量是以最大尖峰負載來進行設計，但是，實際上冰水主機幾乎都運轉在部分負載下，因此造成冰水主機設備耗電佔總建築物的設備能源消耗比重最大。
目前冷凍空調製冷設備效能的檢測系統多屬於被動式的系統，多半利用有線或無線的數據傳輸將製冷設備的相關運轉數據顯示或儲存於電腦中，再利用統計回歸的方式或人為判讀的方式找出歷史運轉狀況，再行判定機組運轉的好壞。此方式的優點是機組運轉的歷史數據可以很完整的呈現出來，但是缺點是無法即時主動的反應出機組的耗能狀態，且需要人的主觀判讀。
為了瞭解及監控冷凍空調系統的耗能狀況，國際上有IPMVP(International Performance Measurement & Verification Protocol)及ASHRAE Guideline 14-2002等文件作為大型冰水主機量測數據的標準；台灣依據上述文件制定出的規範是由財團法人台灣綠色生產力基金會出版的「空調冰水機房節能改善之節能績效量測與驗證方法」，此方法是應用在具有冰水迴路的冰水空調系統，必須量測冰水迴路的冰水主幹管之冰水流量、冰水主幹管之冰水回水溫度及出水溫度、冰水主幹管之冷卻水進水溫度、冰水主機之總耗電、冰水泵浦之總耗電、冷卻水泵浦之總耗電等數據，再利用統計線性迴歸的方法定義出空調冰水機房基準線的性能係數方程式。
然而，中小型製冷設備例如：箱型機、分離式、窗型式、冷藏展示櫃、冰箱、冷凍庫等只有冷媒迴路，沒有冰水迴路，無法得到冰水迴路的的相關數據，也就無法應用前述驗證方法來判斷製冷設備的耗能狀態及其運轉的效率，另外，目前的監控多以數值表示，沒有一套即時的警示方法。
因此，本發明提供一種能即時提示製冷設備目前處於何種運作模式的監控系統及方法。
於是，本發明的製冷設備製冷設備的監測系統中，該製冷主機具有一蒸發器、一冷凝器、一壓縮機及一膨脹閥，該監測系統包括一偵測裝置、一控制裝置及一指示裝置。
該偵測裝置包括一溫度偵測單元、一壓力偵測單元及一功率偵測單元；該溫度偵測單元偵測該壓縮機的出口端的一第一溫度及該冷凝器的出口端的一第二溫度，該壓力偵測單元偵測該壓縮機的出口端的一第一壓力、該壓縮機的入口端的一第二壓力及該膨脹閥的出口端的一第三壓力，該功率偵測單元偵測該壓縮機之輸入功率。
該控制裝置電性連接該偵測裝置，具有一焓值計算器、一焓差計算器、一效率計算器及一警示計算器；該焓值計算器將該第一壓力及第一溫度換算一壓縮機出口焓值，將該第二溫度依據溫-焓之關聯換算一冷凝器出口焓值，將該第二壓力依據壓力-焓之關聯換算一壓縮機入口焓值，將該第三壓力依據壓力-焓之關聯換算一膨脹閥出口焓值；該焓差計算器以該壓縮機入口焓值與該膨脹閥出口焓值計算一第一焓差，以該壓縮機出口焓值與該壓縮機入口焓值計算一第二焓差，該效率計算器將該第一焓差與該第二焓差相除，並乘以一功率調整值，得到一效率值。
該警示計算器內建有一第一門檻值，於該效率值小於該第一門檻值時判斷為一異常模式；該指示裝置電性連接該控制裝置於該異常模式時產生一異常提示訊號；較佳的，該警示計算器還內建有一大於該第一門檻值的第二門檻值，且於該效率值介於該第一門檻值及該第二門檻值之間時判斷為一注意模式；該指示裝置還於該「注意模式」時產生一注意提示訊號。
該指示裝置是一顯示器、一蜂鳴器或一指示燈。該控制裝置是一可程式邏輯控制器。
本發明的製冷設備的監測方法中，該製冷主機具有一蒸發器、一冷凝器、一壓縮機及一膨脹閥，該監測方法包括一偵測程序、一運算程序及一指示程序。
該偵測程序包括下述步驟：偵測該壓縮機的出口端的一第一溫度及該冷凝器的出口端的一第二溫度；偵測該壓縮機的出口端的一第一壓力、該壓縮機的入口端的一第二壓力及該膨脹閥的出口端的一第三壓力；及偵測該壓縮機之輸入功率。
該運算程序包括下述步驟：將該第一壓力及第一溫度換算一壓縮機出口焓值，將該第二溫度依據溫-焓之關聯換算一冷凝器出口焓值，將該第二壓力依據壓力-焓之關聯換算一壓縮機入口焓值，將該第三壓力依據壓力-焓之關聯換算一膨脹閥出口焓值；以該壓縮機入口焓值與該膨脹閥出口焓值計算一第一焓差，以該壓縮機出口焓值與該壓縮機入口焓值計算一第二焓差；將該第一焓差與該第二焓差相除，並乘以一功率調整值，得到一效率值，及以內建的一第一門檻值為判斷基準，於該效率值小於該第一門檻值時判斷為一異常模式；該指示程序還於該異常模式時產生一異常提示訊號。
較佳的，該運算程序還包括下述步驟：以內建的一大於該第一門檻值的第二門檻值為判斷基準，於該效率值介於該第一門檻值及該第二門檻值之間時判斷為一注意模式及於該效率值不小於該第二門檻值時判斷為一正常模式；該指示程序於該注意模式時產生一注意提示訊號；其中，該指示程序是以顯示器顯示、以蜂鳴器發出鳴響或以指示燈之顏色呈現該異常提示訊號或該注意提示訊號。
本發明製冷設備的監控系統及方法之功效在於，監控系統的警示計算器內建有一第一門檻值，於該效率值小於該第一門檻值時判斷為異常模式，且指示裝置於異常模式時產生一異常提示訊號；較佳的，警示計算器還內建有一大於第一門檻值的第二門檻值，且於效率值小於第二門檻值時判斷為注意模式，且指示裝置於注意模式時產生注意提示訊號；藉由自動偵知是否處於異常模式，進而即時提示使用者排除故障，達到節約能源之目的。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
參閱圖1，本發明製冷設備100的監測方法之較佳實施例中，製冷主機2具有一蒸發器21、一壓縮機22、一冷凝器23及一膨脹閥24，且蒸發器21、壓縮機22、冷凝器23及膨脹閥24構成一冷媒迴路。
其中，蒸發器21是將液態冷媒轉換為氣態冷媒，壓縮機22是提供動力運送氣態冷媒給冷凝器23，冷凝器23是將氣態冷媒轉換為液態冷媒，膨脹閥24則是將高壓氣態冷媒降為低壓氣態冷媒再提供給蒸發器21，如此依序進行形成冷媒迴路的熱交換循環；由於此為廣泛用於各式製冷設備100的技術且非本發明重點，在此不加以詳述。
本發明製冷設備100的特點在於：監測系統1包括一偵測裝置11、一控制裝置12及一指示裝置13。偵測裝置11包括一溫度偵測單元111、一功率偵測單元112及一壓力偵測單元113。溫度偵測單元111於本實施例是兩條熱電耦線，分別用於偵測壓縮機22的出口端的一第一溫度及冷凝器23的出口端的一第二溫度。功率偵測單元112於本實施例是一智慧型電表，用於偵測壓縮機22之輸入功率。壓力偵測單元113於本實施例是採用型號JPT131的三個壓力感測器(圖未示)，各壓力感測器分別偵測壓縮機22的出口端的一第一壓力、壓縮機22的入口端的一第二壓力及膨脹閥24的出口端的一第三壓力，值得一提的是，由於各壓力感測器是內置於管路中偵測氣態壓力或液態壓力，相較於貼附於管路表面的溫度感測器能有較精確的讀值。
控制裝置12於本實施例是一可程式邏輯控制器(PLC)，具有一控制單元120、一輸入單元121、一輸出單元122及一記憶單元123；輸入單元121電性連接偵測裝置11，輸出單元122電性連接指示裝置13，記憶單元123內建控制單元120執行本發明的監測方法時所需的程式邏輯指令及查表資料，查表資料來源如圖2，容後再述；控制單元120包括一焓值計算器31、一焓差計算器32、一效率計算器33及一警示計算器34，其中，警示計算器34內建有一第一門檻值及一大於第一門檻值的第二門檻值，其作用容後再述。
指示裝置13包括一顯示器131、一蜂鳴器132及一指示燈133，如吾人所知，指示裝置13當然也可以是擇一使用，也就是單以顯示器131、蜂鳴器132或指示燈133進行警示作用，也屬於本發明的應用範疇。
參閱圖3，並配合圖1及圖2，本發明製冷設備100的監測方法包括一偵測程序S31、一運算程序S32及一指示程序S33；各程序的步驟配合各元件的作用介紹如下。
控制裝置12藉由偵測程序S31取得所需的數據資料，步驟介紹如下：步驟S311是從溫度偵測單元111偵測壓縮機22的出口端的第一溫度及冷凝器23的出口端的第二溫度。步驟S312是由壓力偵測單元113偵測壓縮機22的出口端的第一壓力、壓縮機22的入口端的第二壓力及膨脹閥24的出口端的第三壓力；步驟S313是由功率偵測單元112偵測壓縮機22之輸入功率；上述偵測程序S31取得所需的數據資料會送至控制裝置12。
控制裝置12藉由運算程序S32對取得的數據資料進行運算，步驟介紹如下：步驟S321是由焓值計算器31以查表計算焓值，細節包括：將如圖1取得的第一壓力及第一溫度換算壓縮機22出口焓值，將第二溫度依據溫-焓之關聯換算冷凝器23出口焓值，將第二壓力依據壓力-焓之關聯換算壓縮機22入口焓值，將第三壓力依據壓力-焓之關聯換算膨脹閥24出口焓值。
參閱圖2，焓值計算器31採用的查表資料來源是來自壓力與焓值之關係圖(簡稱P-H圖)，其中，在飽和液線及飽和氣線的交界為臨界點，臨界點的最左方的壓力-焓曲線，也就是在飽和液線上冷媒之狀態完全為液體；臨界點的最右方的壓力-焓曲線，也就是在飽和氣線上冷媒之狀態為完全氣體；而介於飽和氣線與飽和液線之間的區塊稱為液氣共存區，液氣共存區中有9條曲線，分別為0.1-0.9，而此液氣共存區的壓力-焓曲線稱為乾度線，乾度線即為冷媒在液氣共存區中氣體及液體之比例線。例如：冷媒在乾度為0.1時，其狀態變為10%之氣體及90%液體。
膨脹閥24的出口端(也為蒸發器21入口)的第三壓力，因為冷媒在此狀態點時為液氣共存，所以必須假設此點冷媒之乾度為何，而要求得此狀態點之焓值由左邊之壓力及此狀態點之乾度即可求得焓值。例如：第三壓力為5帕時，設定其乾度為0.22的飽和液線，因此，可將圖中Y軸的5帕與乾度為0.22的飽和液線之交叉點對應至X軸，即可求得膨脹閥24的出口端(也為蒸發器21入口)的第三壓力對應的焓值大約為245千焦/公斤左右。
壓縮機22的入口端，假設內部的冷媒狀態處於飽和氣線上，要換算對應之焓值，只需要此處的第二壓力即可，例如：第二壓力值為5帕時，將5帕與飽和氣線之交叉點對應至Y軸，即可求得壓縮機22的入口端對應的焓值大約為405千焦/公斤左右。
壓縮機22入口端，由於此處的冷媒狀態非處於飽和氣線，稱此點之冷媒狀態為”過熱氣”，如圖2的”過熱氣區”需要此冷媒狀態點之溫度與壓力值才可求得焓值。例如：第一壓力值為15帕時，第一溫度大約為58℃(對應至圖2中的溫度-焓曲線)，所以將15帕與58℃溫度線之交叉點對應至Y軸，即可求得壓縮機22入口端的焓值大約為435千焦/公斤。
冷凝器23出口焓值也是利用圖2的溫度-焓曲線將第二溫度依據溫-焓之關聯換算，即可得到其對應焓值。
接續圖3，步驟S322是由焓差計算器32以焓值計算器31得到的壓縮機22入口焓值與膨脹閥24出口焓值計算一第一焓差q，以壓縮機22出口焓值與壓縮機22入口焓值計算一第二焓差w；步驟S323是由效率計算器33將焓差計算器32得到的第一焓差q與第二焓差w相除，並乘以一功率調整值α，得到如公式6的一效率值(Coefficient of Performance;簡稱COP)，茲將該效率值的計算方法詳述如下。
由壓縮機22的出口端之第一溫度、第一壓力經由查表計算可得壓縮機22出口焓值h 3；由壓縮機22的入口端之第二壓力經由查表計算可得壓縮機22入口焓值h 2；由冷凝器23之出口端的第二溫度及膨脹閥24出口端之第三壓力經由查表計算可得膨脹閥24出口焓值h 1。
壓縮機22的入口焓值h 2扣掉膨脹閥24的出口焓值h 7可得第一焓差q，如公式1。
q=h 2-h 1　公式1
壓縮機22的出口焓值h 3扣掉壓縮機22的入口焓值h 2可得第二焓差w，如公式2。
w=h 3-h 2　公式2
將壓縮機22的輸入功率P elter 乘上一效率損失係數α，可得壓縮機22實際所耗功率P，如公式3。
P=α*P elter 　公式3
將壓縮機22實際所做之功率P除以第二焓差w，可得冷媒之質量流率m，如公式4。
將冷媒質量流率m乘以q，可得到壓縮機22實際冷凍能力Q，如公式5。
Q=m*q　公式5
而效率值COP就是實際冷凍能力Q除以量測輸入功率P elter ，如公式6。
於步驟S323中的效率計算器33將效率值COP計算完成後，步驟S324是由警示計算器34判斷效率計算器33得到的效率值小於第一門檻值？若是，則判斷為「異常模式」(步驟S326)，若否，則接續步驟S325；步驟S325是由警示計算器34判斷效率值介於第一門檻值及第二門檻值之間？且此第二門檻值高於第一門檻值，例如：第一門檻值為60%，第二門檻值為80%；若是介於第一門檻值及第二門檻值之間，則判斷為「注意模式」(步驟S327)，若是超過第二門檻值則判斷為「正常模式」(步驟S328)，需注意的是，各家設備可依據實驗自行調整最適的門檻值，不以前述門檻值為限制。
指示程序S33主要是以指示裝置13的顯示器131顯示、以蜂鳴器132發出鳴響或以指示燈133之顏色呈現，以圖4的顯示器131為例說明指示程序S33具有的步驟。
如步驟S331是由顯示器131對應「異常模式」於顯示畫面130產生異常提示訊號如：”需檢修”燈被點亮，其餘燈不亮。步驟S332是由顯示器131對應「注意模式」於顯示畫面130產生注意提示訊號，如：”需注意”燈被點亮，其餘燈不亮。步驟S333是由顯示器131對應「正常模式」於顯示畫面130產生正常提示訊號，如：”良好”燈被點亮，其餘燈不亮。此外，參閱圖5，本實施例還可還可切換顯示畫面130呈現效率值的曲線圖，將效率值以曲線來表示。
綜上所述，本發明製冷設備100的監控系統1及方法之功效在於，監控系統1的警示計算器34內建有一第一門檻值，於效率值小於第一門檻值時判斷為「異常模式」，且指示裝置13於「異常模式」時產生異常提示訊號；較佳的，警示計算器34還內建有一大於第一門檻值的第二門檻值，且於效率值小於第二門檻值時判斷為「注意模式」，且指示裝置13於「注意模式」時還產生注意提示訊號；藉由製冷設備100自動偵知是否處於「異常模式」，進而即時提示使用者排除故障，達到節約能源之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
100．．．製冷設備
1．．．監測系統
11．．．偵測裝置
111．．．溫度偵測單元
112．．．功率偵測單元
113．．．壓力偵測單元
12．．．控制裝置
120．．．控制單元
121．．．輸入單元
122．．．輸出單元
123．．．記憶單元
13．．．指示裝置
130．．．顯示畫面
131．．．顯示器
132．．．蜂鳴器
133．．．指示燈
2．．．製冷主機
21．．．蒸發器
22．．．壓縮機
23．．．冷凝器
24．．．膨脹閥
31．．．焓值計算器
32．．．焓差計算器
33．．．效率計算器
34．．．警示計算器
S31~S33．．．程序
S311~S313．．．步驟
S321~S328．．．步驟
S331~S333．．．步驟
圖1是一系統方塊圖，說明本發明製冷設備的監測系統之較佳實施例；
圖2是一曲線圖，說明本發明製冷設備計算焓值使用的查表資料是來自壓力與焓值之關係圖；
圖3是一流程圖，說明本發明製冷設備的監測方法之較佳實施例；
圖4是一示意圖，說明本發明製冷設備的顯示器之顯示畫面；及
圖5是一示意圖，說明本發明製冷設備的顯示器之顯示畫面能呈現效率值的變化。
S31~S33．．．程序
S311~S313．．．步驟
S321~S328．．．步驟
S331~S333．．．步驟

Claims (7)

  1. 一種製冷設備的監測系統，該製冷主機具有一蒸發器、一冷凝器、一壓縮機及一膨脹閥，該監測系統包括：一偵測裝置，包括一溫度偵測單元、一壓力偵測單元及一功率偵測單元；該溫度偵測單元偵測該壓縮機的出口端的一第一溫度及該冷凝器的出口端的一第二溫度，該壓力偵測單元偵測該壓縮機的出口端的一第一壓力、該壓縮機的入口端的一第二壓力及該膨脹閥的出口端的一第三壓力，該功率偵測單元偵測該壓縮機之輸入功率；一控制裝置，電性連接該偵測裝置，具有一焓值計算器、一焓差計算器、一效率計算器及一警示計算器；該焓值計算器將該第一壓力及第一溫度換算一壓縮機出口焓值，將該第二溫度依據溫-焓之關聯換算一冷凝器出口焓值，將該第二壓力依據壓力-焓之關聯換算一壓縮機入口焓值，將該第三壓力依據壓力-焓之關聯換算一膨脹閥出口焓值；該焓差計算器以該壓縮機入口焓值與該膨脹閥出口焓值計算一第一焓差，以該壓縮機出口焓值與該壓縮機入口焓值計算一第二焓差，該效率計算器將該第一焓差與該第二焓差相除，並乘以一功率調整值，得到一效率值；該警示計算器內建有一第一門檻值，於該效率值小於該第一門檻值時判斷為一異常模式；及一指示裝置，電性連接該控制裝置，於該異常模式時產生一異常提示訊號。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之製冷設備的監測系統，其中，該警示計算器還內建有一大於該第一門檻值的第二門檻值，且於該效率值介於該第一門檻值及該第二門檻值之間時判斷為一注意模式；該指示裝置還於該注意模式時產生一注意提示訊號。
  3. 依據申請專利範圍第2項所述之製冷設備的監測系統，其中，該控制裝置是一可程式邏輯控制器。
  4. 依據申請專利範圍第3項所述之製冷設備的監測系統，其中，該指示裝置是一顯示器、一蜂鳴器或一指示燈。
  5. 一種製冷設備的監測方法，該製冷主機具有一蒸發器、一冷凝器、一壓縮機及一膨脹閥，該監測方法包括下述程序：一偵測程序，包括下述步驟：偵測該壓縮機的出口端的一第一溫度及該冷凝器的出口端的一第二溫度；偵測該壓縮機的出口端的一第一壓力、該壓縮機的入口端的一第二壓力及該膨脹閥的出口端的一第三壓力；及偵測該壓縮機之輸入功率；一運算程序，包括下述步驟：將該第一壓力及第一溫度換算一壓縮機出口焓值，將該第二溫度依據溫-焓之關聯換算一冷凝器出口焓值，將該第二壓力依據壓力-焓之關聯換算一壓縮機入口焓值，將該第三壓力依據壓力-焓之關聯換算一膨脹閥出口焓值；以該壓縮機入口焓值與該膨脹閥出口焓值計算一第一焓差，以該壓縮機出口焓值與該壓縮機入口焓值計算一第二焓差；將該第一焓差與該第二焓差相除，並乘以一功率調整值，得到一效率值，及以內建的一第一門檻值為判斷基準，於該效率值小於該第一門檻值時判斷為一異常模式；及一指示程序，於該異常模式時產生一異常提示訊號。
  6. 依據申請專利範圍第5項所述之製冷設備的監測方法，其中，該運算程序還包括下述步驟：以內建的一大於該第一門檻值的第二門檻值為判斷基準，於該效率值介於該第一門檻值及該第二門檻值之間時判斷為一注意模式；該指示程序還於該注意模式時產生一注意提示訊號。
  7. 依據申請專利範圍第6項所述之製冷設備的監測方法，其中，該指示程序是以顯示畫面、發出鳴響或以指示不同顏色呈現該異常提示訊號或該注意提示訊號。
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