TWI576545B - 變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置及其控制方法 - Google Patents

Description

變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置及其控制方法

本發明關於控制裝置，特別是關於一種變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置及控制方法。

空調系統主要包括一冷卻水系統、一冰水系統以及一負載(例如一室內空間)，冷卻水系統用於提供冰水系統的散熱，冰水系統用於與負載進行熱交換。冷卻水系統包括一冰水主機及一冰水泵用於提供包括一冰水主機及一冰水泵。冰水主機經由熱交換產生冰水，再藉由冰水泵供應至負載。

目前針對冰水主機與冰水泵的節能控制係先建立歷史資料，即量測並儲存一段期間內(例如一個月)冰水主機耗電量與冰水溫度的資料以及冰水泵與冰水溫度的資料，接著進行迴歸分析以產生方程式，得到冰水主機耗電量與冰水溫度的關係以及冰水泵與冰水溫度的關係，再根據所產生的方程式對冰水主機及冰水泵進行節能控制。

然而上述節能控制必須先建立過去一段時間的歷史資料，無法根據目前冰水主機耗電量與冰水溫度的關係以及冰水泵與冰水溫度的關 係進行即時性的節能控制。再者，所建立的歷史資料僅能適用於當初量測時的條件，一旦冰水主機與冰水泵的條件改變，則迴歸分析的結果已不再適合改變後的條件，導致節能控制的效果不佳。

另者，習知一般空調之冰水主機的冰水出水溫度常設定在7℃，但實際上若僅用於一般大樓之空調所用，冰水出水溫度調高至12℃即可符合一般空調所需，如此可以大幅降低冰水主機之耗電。

因此，需要對習知技術中不能進行即時性節能控制與冰水出水溫度設定過低所造成之耗能的問題提出解決方法。

本發明之一目的在於提供一種變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置及其控制方法，其能對冰水主機及冰水泵進行即時性的節能控制。

為達到上述目的，根據本發明之變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置用於控制一冰水主機以及一冰水泵，該變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置包括：一中央處理單元，計算一冰水主機關係曲線以及一冰水泵關係曲線，該冰水主機關係曲線為冰水主機耗電量與冰水溫度之關係曲線，該冰水泵關係曲線為冰水泵耗電量與冰水溫度之關係曲線；以及一溫度偵測單元，電性耦接至該冰水主機及該冰水泵之其中一者與該中央處理單元，用於偵測該冰水主機及該冰水泵之該其中一者之冰水溫度。該中央處理單元獲得該冰水主機之一目前耗電量以及該冰水泵之一目前耗電量，根據該冰水主機關係曲線、該冰水泵關係曲線以及一疊加關係曲線控制該冰水主機之該目前耗電量與該冰水泵之該目前耗電量，該疊加 關係曲線為該冰水主機關係曲線與該冰水泵關係曲線兩者疊加後之關係曲線。

於本發明之變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置中，該中央處理單元根據該疊加關係曲線獲得一微分值為零的點，並根據該微分值為零的點降低該冰水主機之該目前耗電量及增加該冰水泵之該目前耗電量。

於本發明之變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置中，該中央處理單元係降低該冰水主機之轉速來降低該冰水主機之該目前耗電量。

於本發明之變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置中，該中央處理單元係增加該冰水泵之轉速來增加該冰水泵之該目前耗電量。

本發明之變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置進一步包括一通訊單元，其中該通訊單元接收該冰水主機之運轉電流與電壓的資訊及該冰水泵之運轉電流與電壓的資訊並傳送至該中央處理單元，該中央處理單元根據該冰水主機之運轉電流與電壓的資訊及該冰水泵之運轉電流與電壓的資訊獲得該冰水主機之該目前耗電量與該冰水泵之該目前耗電量。

為達到上述目的，根據本發明之變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置的控制方法用於控制一冰水主機以及一冰水泵，該變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置包括一中央處理單元以及一溫度偵測單元，該變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置的控制方法包括：該中央處理單元獲得該冰水主機之一目前耗電量以及該冰水泵之一目前耗電量； 以及該中央處理單元計算一冰水主機關係曲線、一冰水泵關係曲線以及一疊加關係曲線以控制該冰水主機之該目前耗電量與該冰水泵之該目前耗電量，該冰水主機關係曲線為冰水主機耗電量與冰水溫度之關係曲線，該冰水泵關係曲線為冰水泵耗電量與冰水溫度之關係曲線，該疊加關係曲線為該冰水主機關係曲線與該冰水泵關係曲線兩者疊加後之關係曲線。

於本發明之變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置的控制方法中，該中央處理單元計算該冰水主機關係曲線、該冰水泵關係曲線以及該疊加關係曲線以控制該冰水主機之該目前耗電量與該冰水泵之該目前耗電量的步驟包括：該中央處理單元計算該冰水主機關係曲線、該冰水泵關係曲線及該疊加關係曲線以獲得該疊加關係曲線之一微分值為零的點；以及該中央處理單元根據該微分值為零的點降低該冰水主機之該目前耗電量及增加該冰水泵之該目前耗電量。

於本發明之變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置的控制方法中，該中央處理單元係降低該冰水主機之轉速來降低該冰水主機之該目前耗電量。

於本發明之變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置的控制方法中，該中央處理單元係增加該冰水泵之轉速來增加該冰水泵之該目前耗電量。

於本發明之變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置的控制方法中，該變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置進一步包括一通訊單元，該通訊單元接收該冰水主機之運轉電流與電壓的資訊及該冰水泵之運轉電流與電壓的資訊並傳送至該中央處理單元，該中央處理單元根據該 冰水主機之運轉電流與電壓的資訊及該冰水泵之運轉電流與電壓的資訊獲得該冰水主機之該目前耗電量與該冰水泵之該目前耗電量。

本發明之變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置及其控制方法能對冰水主機及冰水泵作即時節能控制裝置，改善習知技術中須先建立歷史資料並迴歸分析而不能作到即時節能控制的缺點。

1‧‧‧變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置

3‧‧‧冰水主機

5‧‧‧冰水泵

7‧‧‧電表

9‧‧‧流量計

10‧‧‧中央處理單元

11‧‧‧變頻器

12‧‧‧溫度偵測單元

14‧‧‧輸出單元

16‧‧‧輸入單元

18‧‧‧通訊單元

22‧‧‧流量偵測單元

24‧‧‧轉速控制單元

S30-S32、S320-S322‧‧‧步驟

第1圖為根據本發明實施例之變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置、一冰水主機、一冰水泵以及一電表的方塊圖。

第2圖為中央處理單元所計算冰水主機關係曲線、冰水泵關係曲線以及冰水主機關係曲線與冰水泵關係曲線兩者疊加後之關係曲線。

第3圖為根據本發明實施例之變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置的控制方法流程圖。

第4圖為第3圖中步驟S32的具體步驟流程圖。

請參閱第1圖，第1圖為根據本發明實施例之變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置1、一冰水主機3、一冰水泵5一電表7、一流量計9以及一變頻器11的方塊圖。

冰水主機3及冰水泵5係電性耦接至變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置1、電表7、流量計9以及變頻器11。變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置1用於控制冰水主機3及冰水泵5，更明確地說，變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置1用於控制冰水主機3及冰水泵5兩者之 耗電量達到最低。

本發明之變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置1包括一中央處理單元(Central Processing Unit；CPU)10、一溫度偵測單元12、一輸出單元14、一輸入單元16、一通訊單元18、一流量偵測單元22、以及一轉速控制單元24。

中央處理單元10計算冰水主機耗電量與冰水溫度之關係曲線以及冰水泵耗電量與冰水溫度之關係曲線。請參閱第2圖，第2圖為中央處理單元10所計算得到的冰水主機耗電量與冰水溫度之關係曲線(以下稱為冰水主機關係曲線A)、冰水泵耗電量與冰水溫度之關係曲線(以下稱為冰水泵關係曲線B)以及冰水主機關係曲線A與冰水泵關係曲線B兩者疊加後之關係曲線(以下稱為疊加關係曲線C)。從冰水主機關係曲線A可知，冰水溫度越高時，冰水主機耗電量越低，冰水溫度與冰水主機耗電量為反比關係。從冰水泵關係曲線B可知，冰水溫度越高時，冰水泵耗電量越高，由於冰水溫度越高，與外界熱交換越少，故必須要增加流量(即增加冰水泵轉速)來進行熱交換，而增加流量則會使得耗電量增加，因此冰水溫度與冰水泵耗電量為正比關係。

以下列出總耗電量、冰水主機耗電量、冰水泵耗電量與額定負載Qe的關係式：

本發明之中央處理單元10能根據冰水主機關係曲線A及冰水泵關係曲線B得到疊加關係曲線C，再根據疊加關係曲線C對冰水主機3與 冰水泵5進行節能控制，因此可即時作到自適應性控制。更明確地說，中央處理單元10根據疊加關係曲線C找出微分值為零的點(以下稱為最佳化點P)，也就是說找出額定負載Qe之總耗電KW之極值(最小值)，即發生在其微分值為零的點，如下式所示：

最佳化點P之微分值為零代表冰水主機耗電量與冰水泵耗電量兩者總和之最小值，因此當冰水溫度低於最佳化點P所對應的冰水溫度時(即位於最佳化點P左側時)，中央處理單元10可藉由降低冰水主機之一目前耗電量並增加冰水泵之一目前耗電量達到冰水主機之目前耗電量與冰水泵之目前耗電量兩者總和的下降，因為冰水溫度位於最佳化點P所對應的冰水溫度左側時，冰水主機關係曲線A的斜率為負值(耗電量降低)，冰水泵關係曲線B的斜率為正值(耗電量增加)，且冰水主機關係曲線A的斜率的絕對值大於冰水泵關係曲線B的斜率的絕對值，代表冰水主機耗電量降低的程度大於冰水泵耗電量增加的程度，因此中央處理單元10藉由降低冰水主機之目前耗電量並增加冰水泵之目前耗電量可使兩者之總和降低(即趨向最佳化點P)，達到自適應性節能控制。

當冰水主機之目前耗電量所對應的冰水溫度等於最佳化點P所對應的冰水溫度且冰水泵之目前耗電量所對應的冰水溫度等於最佳化點P所對應的冰水溫度時，冰水主機之目前耗電量與冰水泵耗之目前電量兩者總和達到最佳化點P，此時再降低冰水主機之目前耗電量並增加冰水泵之目前耗電量則兩者總和將會大於最佳化點P對應的耗電量(即兩者總和位於 最佳化點P右側)，因為冰水主機關係曲線A的斜率的絕對值小於冰水泵關係曲線B的斜率的絕對值，代表冰水主機耗電量降低的程度小於冰水泵耗電量增加的程度，兩者總和將大於最佳化點P對應的耗電量。

本發明根據微分值為零的點(即最佳化點P)動態調整冰水泵5之轉速與冰水主機3之轉速，藉此達到控制冰水主機之目前耗電量與冰水泵之目前耗電量，更明確地說，透過變頻器11動態調整冰水泵5之轉速與冰水主機3之轉速，因冰水主機3之耗電一般遠大於冰水泵5之耗電，較佳而言，本發明以增加該冰水泵5之目前耗電量並減少該冰水主機3之目前耗電量來取得總系統之最小耗電量。

此外，於第1圖之實施例中，變頻器11係為獨立設置的元件，於另一實施例中，變頻器11可設置於冰水主機3內部與冰水泵5內部，則本發明之變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置1直接控制冰水主機3內部的變頻器與冰水泵5內部的變頻器達到省電目的。

要說明的是，上述冰水主機之目前耗電量與冰水泵之目前耗電量可藉由電表7獲得，更明確地說，電表7將冰水主機3之運轉電流與電壓的資訊及冰水泵5之運轉電流與電壓的資訊傳送至通訊單元18，通訊單元18再傳送至中央處理單元10，中央處理單元10可根據冰水主機3之運轉電流與電壓的資訊及冰水泵5之運轉電流與電壓的資訊得到冰水主機之目前耗電量與冰水泵之目前耗電量，冰水主機3與冰水泵5的轉速會耦合至轉速控制單元24，轉速控制單元24輸出命令至變頻器9控制冰水主機3之轉速與冰水泵5之轉速。

在透過電表5獲得冰水主機之目前耗電量與冰水泵之目前耗 電量後，即可根據兩者之目前耗電量進行控制，降低冰水主機之目前耗電量係指降低冰水主機3之轉速來達到降低耗電量的目的，增加冰水泵之目前耗電量則是指增加冰水泵5之轉速來達到增加耗電量的目的。

要說明的是，上述冰水主機3之流量與冰水泵5之流量可藉由流量計9獲得，更明確地說，流量計9將冰水主機3之流量與冰水泵5之流量資訊傳送至流量偵測單元22，流量偵測單元22再傳送至中央處理單元10，中央處理單元10可根據冰水主機3之流量與冰水泵5之流量資訊來進行運算與控制。

請再參閱第1圖，溫度偵測單元12電性耦接至冰水主機3與中央處理單元10，用於偵測冰水主機3之冰水入水溫度、冰水出水溫度、冷卻水入水溫度以及冷卻水出水溫度並傳送至中央處理單元10。於一實施例中，溫度偵測單元12例如但不限於為熱敏電阻。

此外，要說明的是冰水主機3與冰水泵5具有相連之共管，因此溫度偵測單元12偵測冰水主機3之冰水入水溫度、冰水出水溫度、冷卻水入水溫度及冷卻水出水溫度即代表偵測冰水泵5之冰水入水溫度、冰水出水溫度、冷卻水入水溫度及冷卻水出水溫度。因此，於另一實施例中，溫度偵測單元12電性耦接至冰水泵5，用於偵測冰水泵5之冰水入水溫度、冰水出水溫度、冷卻水入水溫度以及冷卻水出水溫度並傳送至中央處理單元10。

輸出單元14電性耦接至冰水主機3、冰水泵5與中央處理單元10，中央處理單元10根據溫度偵測單元12、輸入單元16、電氣偵測單元18、通訊單元20及流量偵測單元22所傳送的各種資訊，透過輸出單元14控制冰水主機3之啟動、停止與各種操作與冰水泵5之啟動、停止與各種操作。於 一實施例中，輸出單元14例如但不限於為數位輸出裝置。

輸入單元16電性耦接至冰水主機3、冰水泵5與中央處理單元10，當冰水主機3或冰水泵5發生故障跳脫時，會產生一報警跳脫信號傳送至輸入單元16，輸入單元16再將該報警跳脫信號傳送至中央處理單元10。於一實施例中，輸入單元16例如但不限於為數位輸入裝置。

請參閱第1圖至第3圖，第3圖為根據本發明實施例之變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置1的控制方法流程圖，用於控制冰水主機3以及冰水泵5，該變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置1包括中央處理單元10以及溫度偵測單元12，中央處理單元計算第2圖之冰水主機關係曲線A以及冰水泵關係曲線B，該冰水主機關係曲線A為冰水主機耗電量與冰水溫度之關係曲線，該冰水泵關係曲線B為冰水泵耗電量與冰水溫度之關係曲線，該變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置1的控制方法包括。

步驟S30中，中央處理單元10獲得冰水主機3之一目前耗電量與一流量(即冰水主機3之轉速)以及冰水泵5之一目前耗電量與一流量(即冰水泵5之轉速)。

於一實施例中，變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置1進一步包括一通訊單元18，該通訊單元18接收冰水主機3之運轉電流與電壓的資訊及冰水泵5之運轉電流與電壓的資訊並傳送至中央處理單元10，中央處理單元10根據冰水主機3之運轉電流與電壓的資訊及冰水泵5之運轉電流與電壓的資訊獲得冰水主機3之目前耗電量與冰水泵5之目前耗電量。

步驟S32中，中央處理單元10計算冰水主機關係曲線A、冰水泵關係曲線B以及疊加關係曲線C以控制冰水主機3之目前耗電量與冰水 泵5之目前耗電量，該疊加關係曲線C為冰水主機關係曲線A與冰水泵關係曲線B兩者疊加後之關係曲線。

請參閱第4圖，第4圖為第3圖中步驟S32的具體步驟流程圖，步驟S32包括下列步驟：

步驟S320中，中央處理單元10計算冰水主機關係曲線A、冰水泵關係曲線B及疊加關係曲線C以獲得疊加關係曲線C之一微分值為零的點，即獲得第2圖所示之最佳化點P。

步驟S322中，中央處理單元10根據該微分值為零的點降低冰水主機3之目前耗電量及增加冰水泵5之目前耗電量。更明確地說，中央處理單元10係降低冰水主機3之轉速來降低冰水主機3之目前耗電量，中央處理單元10係增加冰水泵5之轉速來增加冰水泵5之目前耗電量。

本發明之變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置及其控制方法能對冰水主機及冰水泵作即時節能控制裝置，改善習知技術中須先建立歷史資料並迴歸分析而不能作到即時節能控制的缺點。

此外，於本發明之變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置及其控制方法中，可以設定最低及最高的冰水溫度，例如：7℃及12℃，在7℃其冰水的額定負載Qe為冰水流量*冰水比熱*冰水出入水溫差，即 ，若提高冰水溫度1℃變成8℃，在8℃其額定負載仍 能維持相同冷凍能力，則可系統持續往上調升冰水溫度，最高調整至12℃，如此可以大幅降低冰水主機之耗電。

雖然本發明已用較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者在不脫離本發明之精神和範 圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置

3‧‧‧冰水主機

5‧‧‧冰水泵

7‧‧‧電表

9‧‧‧流量計

10‧‧‧中央處理單元

11‧‧‧變頻器

12‧‧‧溫度偵測單元

14‧‧‧輸出單元

16‧‧‧輸入單元

18‧‧‧通訊單元

22‧‧‧流量偵測單元

24‧‧‧轉速控制單元

Claims (8)

1. 一種變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置，用於控制一冰水主機以及一冰水泵，該變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置包括：一中央處理單元，計算一冰水主機關係曲線以及一冰水泵關係曲線，該冰水主機關係曲線為冰水主機耗電量與冰水溫度之關係曲線，該冰水泵關係曲線為冰水泵耗電量與冰水溫度之關係曲線；以及一溫度偵測單元，電性耦接至該冰水主機及該冰水泵之其中一者與該中央處理單元，用於偵測該冰水主機及該冰水泵之該其中一者之冰水溫度，其中該中央處理單元獲得該冰水主機之一目前耗電量以及該冰水泵之一目前耗電量，根據該冰水主機關係曲線、該冰水泵關係曲線以及一疊加關係曲線控制該冰水主機之該目前耗電量與該冰水泵之該目前耗電量，該疊加關係曲線為該冰水主機關係曲線與該冰水泵關係曲線兩者疊加後之關係曲線，其中該中央處理單元根據該疊加關係曲線獲得一微分值為零的點，並根據該微分值為零的點降低該冰水主機之該目前耗電量及增加該冰水泵之該目前耗電量。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置，其中該中央處理單元係降低該冰水主機之轉速來降低該冰水主機之該目前耗電量。
3. 根據申請專利範圍第1項所述之變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置，其中該中央處理單元係增加該冰水泵之轉速來增加該冰水泵之該目前耗電量。
4. 根據申請專利範圍第1項所述之變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置，進一步包括一通訊單元，其中該通訊單元接收該冰水主機之運轉電流與電壓的資訊及該冰水泵之運轉電流與電壓的資訊並傳送至該中央處理單元，該中央處理單元根據該冰水主機之運轉電流與電壓的資訊及該冰水泵之運轉電流與電壓的資訊獲得該冰水主機之該目前耗電量與該冰水泵之該目前耗電量。
5. 一種變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置的控制方法，用於控制一冰水主機以及一冰水泵，該變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置包括一中央處理單元以及一溫度偵測單元，該變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置的控制方法包括：該中央處理單元獲得該冰水主機之一目前耗電量以及該冰水泵之一目前耗電量；以及該中央處理單元計算一冰水主機關係曲線、一冰水泵關係曲線以及一疊加關係曲線以控制該冰水主機之該目前耗電量與該冰水泵之該目前耗電量，該冰水主機關係曲線為冰水主機耗電量與冰水溫度之關係曲線，該冰水泵關係曲線為冰水泵耗電量與冰水溫度之關係曲線，該疊加關係曲線為該冰水主機關係曲線與該冰水泵關係曲線兩者疊加後之關係曲線，其中該中央處理單元計算該冰水主機關係曲線、該冰水泵關係曲線以及該疊加關係曲線以控制該冰水主機之該目前耗電量與該冰水泵之該目前耗電量的步驟包括：該中央處理單元計算該冰水主機關係曲線、該冰水泵關係曲線及該疊加關係曲線以獲得該疊加關係曲線之一微分值為零的點；以及 該中央處理單元根據該微分值為零的點降低該冰水主機之該目前耗電量及增加該冰水泵之該目前耗電量。
6. 根據申請專利範圍第5項所述之變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置的控制方法，其中該中央處理單元係降低該冰水主機之轉速來降低該冰水主機之該目前耗電量。
7. 根據申請專利範圍第5項所述之變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置的控制方法，其中該中央處理單元係增加該冰水泵之轉速來增加該冰水泵之該目前耗電量。
8. 根據申請專利範圍第5項所述之變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置的控制方法，該變流量與冰水溫度節能自適應性控制裝置進一步包括一通訊單元，其中該通訊單元接收該冰水主機之運轉電流與電壓的資訊及該冰水泵之運轉電流與電壓的資訊並傳送至該中央處理單元，該中央處理單元根據該冰水主機之運轉電流與電壓的資訊及該冰水泵之運轉電流與電壓的資訊獲得該冰水主機之該目前耗電量與該冰水泵之該目前耗電量。