TWI640387B - 最佳化控制的冷卻系統及其之自動控制方法 - Google Patents

Abstract

一種最佳化控制的冷卻系統及其之自動控制方法。冷卻系統包括冷卻主機（如，冰水主機）、泵浦、溫度檢測裝置以及控制器。泵浦控制冷卻流體在冷卻循環路徑中的流量。控制器依據泵浦的性能曲線計算泵浦的功率方程式，獲得冷卻主機的散熱性能曲線，依據冷卻流體的當前溫度值、冷卻主機以及泵浦的多個參數以計算在多個預估溫度值的情況下冷卻主機以及泵浦的總消耗功率。預估溫度值相關於所述當前溫度值。控制器依據所述總消耗功率的最小值所對應的預估溫度值來調整所述冷卻主機中對於冷卻流體的當前溫度。

Description

最佳化控制的冷卻系統及其之自動控制方法

本揭露實施例是有關於一種冷卻系統及其之自動控制方法。

許多工業通常會有散熱的需求，在生產過程中的半成品或製程可能會產生十分高溫的熱量。若無法藉由冷卻系統將這些熱量帶走的話，在例如是半導體廠中的生產機台將會無法繼續運作，或是，導致例如是在礦場或大樓中的環境溫度提升過快，使位於該環境中的人員難以繼續工作。因此，冷卻系統對於工業製造的耗電比重十分大，若是能夠降低冷卻系統的耗電量的話，將可節省許多電力。

以半導體廠來說，許多生產機台（如，擴散、蝕刻、薄膜等操作機台）將可能產生高熱。如何讓控制機台在一定溫度下仍能順利運作且維持產品良率也是屬於半導體生產的重要的一部分。半導體廠通常是以冷卻水（Process Cooling Water；PCW）系統（或稱為，冰水系統）來帶走生產機台所產生的熱量，也可利用冰水乾盤管（Dry Cooling Coil；DCC）來控制無塵室機台的生產環境。冷卻系統的耗電量可能占用整個半導體廠的總耗電量約20%至30%。以往若希望冷卻系統更為節能，通常是負責廠區冷卻系統的工程師依據外部環境溫度以手動方式調整冰水主機中的冰水供應溫度，但如此費時費力，且難以即時地將冰水或冷卻水調整到最佳溫度。因此，如何在滿足廠區的散熱需求下仍能滿足節能需求，便是廠商在節能與節省成本中重要的一環。

本揭露實施例的冷卻系統包括冷卻主機（如，冰水主機）、泵浦、溫度檢測裝置以及控制器。冷卻主機用以對冷卻流體進行冷卻或利用冷卻流體冷卻所述冷卻主機。泵浦用以控制冷卻流體在冷卻循環路徑中的流量。溫度檢測裝置用以偵測冷卻流體在流入冷卻主機與流出冷卻主機之間的當前溫度值。控制器耦接冷卻主機、泵浦以及溫度檢測裝置。所述控制器獲得泵浦的性能曲線，並依據所述性能曲線計算所述泵浦的功率方程式，獲得冷卻主機的散熱性能曲線，依據冷卻流體的當前溫度值、冷卻主機以及泵浦的多個參數以計算在多個預估溫度值的情況下冷卻主機以及泵浦的總消耗功率。所述預估溫度值相關於所述當前溫度值。控制器依據所述總消耗功率的最小值所對應的所述預估溫度值來調整所述冷卻流體的當前溫度。

本揭露實施例的冷卻系統的自動控制方法中，所述冷卻系統包括冷卻主機（如，冰水主機）以及泵浦。所述自動控制方法包括下述步驟。獲得泵浦的性能曲線，並依據所述性能曲線計算泵浦的功率方程式。獲得所述冷卻主機的散熱性能曲線。依據冷卻流體的當前溫度值、冷卻主機以及泵浦的多個參數以計算在不同預估溫度值的情況下冷卻主機以及泵浦的總消耗功率。所述預估溫度值相關於所述當前溫度值。以及，依據總消耗功率的最小值所對應的預估溫度值來調整冷卻主機中對於冷卻流體的當前溫度。

本揭露實施例的冷卻系統包括冷卻主機（如，冰水主機）、冷卻水塔以及控制器。冷卻水塔利用主機冷卻水冷卻冷卻主機。控制器耦接冷卻主機以及冷卻水塔。控制器獲得冷卻水塔中外氣濕球溫度對應主機冷卻水的水溫的散熱性能曲線，並依據所述散熱性能曲線計算外氣濕球溫度對應趨近溫度的特性方程式。控制器透過當前外氣濕球溫度以從所述特性方程式獲得所述當前外氣濕球溫度所對應的當前趨近溫度，並依據所述當前外氣濕球溫度以及所述當前趨近溫度設定所述主機冷卻水的所述水溫。主機冷卻水的所述水溫等於所述當前外氣濕球溫度加上所述當前趨近溫度。

為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

以下揭露內容提供用於實作所提供主題的不同特徵的諸多不同的實施例或例子。以下闡述組件、材料、值、步驟、操作、構造等的具體例子以簡化本發明。當然，該些僅為例子且不旨在進行限制。預期存在其他組件、值、操作、材料、構造等。舉例而言，以下說明中將第一特徵形成於第二特徵「之上」或第二特徵「上」可包括其中第一特徵及第二特徵被形成為直接接觸的實施例，且亦可包括其中第一特徵與第二特徵之間可形成有附加特徵、進而使得所述第一特徵與所述第二特徵可能不直接接觸的實施例。另外，本發明可能在各種例子中重複使用參考編號及/或字母。此種重複使用是出於簡潔及清晰的目的，但自身並不表示所論述的各種實施例及/或配置之間的關係。

此外，為易於說明，本文中可能使用例如「位於…之下（beneath）」、「下面（below）」、「下部的（lower）」、「上方（above）」、「上部的（upper）」等空間相對性用語來闡述圖中所示一個部件或特徵與另一（其他）部件或特徵的關係。所述空間相對性用語旨在除圖中所繪示的定向外亦囊括元件在使用或操作中的不同定向。裝置可具有其他定向（旋轉90度或處於其他定向）且本文中所用的空間相對性描述語可同樣相應地進行解釋。

本揭露實施例提供一種冷卻系統（又可稱為，冰水系統）及其之自動控制方法，可自動地調整冷卻系統中冷卻流體的溫度，以在滿足散熱需求之下同時滿足節能需求。圖1是依照本揭露一實施例的一種冷卻系統100的示意圖。如圖1所示，冷卻系統100包括冷卻主機110、第一泵浦120、第二泵浦130、冷卻水塔140、廠區冷房負載150、控制器160以及溫度檢測裝置170。冷卻主機110中還可包括冷凝器以及蒸發器。冷卻主機110中的蒸發器用以對廠區冷卻水進行冷卻。此處的廠區冷卻水可以稱為是製程冷卻水（PCW）或是冰水。在空調循環及冷卻技術中，冷卻系統100通常可被稱為是冰水系統，冷卻主機110通常被稱為是冰水主機（chiller）。第一泵浦120用來控制廠區冷卻水的流量。另一方面，由於冷卻主機110需要從廠區冷房負載150帶走大量的熱量，因此本實施例會利用另一種冷卻流體（稱為是，主機冷卻水）來協助帶走冷卻主機110中的熱量以進行冷卻主機110的冷卻。冷卻主機110中的冷凝器便是用以透過主機冷卻水讓熱量被帶走。第二泵浦130用來控制主機冷卻水的流量。

控制器160耦接冷卻主機110、第一泵浦120、第二泵浦130以及冷卻水塔140以實現本揭露實施例所述的自動控制方法。控制器160可以是電腦主機、專門用於計算本實施例之自動控制方法的運算設備、中央處理器…等。溫度檢測裝置170用以偵測冷卻流體（如，廠區冷卻水或是主機冷卻水）在流入冷卻主機110與流出冷卻主機110之間的當前溫度值。

本實施例的冷卻系統100主要包括兩種冷卻循環路徑，在此稱為是第一冷卻循環路徑P1以及第二冷卻循環路徑P2。第一冷卻循環路徑P1是以廠區冷卻水作為冷卻流體。此處的『廠區冷卻水』可以稱為是冰水，此處的冰水可以是用於廠區中各種製程冷卻之用的製程冷卻水（PCW），也可以是用作其他功能的冷卻水。第一泵浦120控制廠區冷卻水在第一冷卻循環路徑P1中的流量，第一冷卻循環路徑P1經過冷卻主機110、第一泵浦120以及包含有至少一個生產機台的廠區冷房負載150。應用本實施例者應可將廠區冷房負載150置換為其他需要進行冷卻的設備，例如用於礦區或鑽探的鑽探設備、水冷式大樓中央空調…等，並不受限於本揭露實施例所述的生產機台。第二種冷卻循環路徑P2則是以主機冷卻水作為冷卻流體，主機冷卻水用以對冷卻主機110本身進行冷卻。主機冷卻水也可以被稱為是冰水，本實施例中所述的主機冷卻水跟廠區冷卻水分別屬於不同的冷卻循環體系。第二泵浦130用以控制主機冷卻水在第二冷卻循環路徑P2中的流量。第二冷卻循環路徑P2經過第二泵浦130、冰水主機110以及冷卻水塔140。

本揭露實施例是利用第一冷卻循環路徑P1中的冷卻主機110所對應的散熱耗能曲線（如，冷卻主機110的莫里爾曲線）以及第一泵浦120所對應的性能曲線，配合冷卻系統100中的諸多當前參數來找出冷卻主機（冰水主機）中最佳的冷卻水供應溫度。此處的冷卻水可以是廠區冷卻水，也可以是主機冷卻水。再者，利用第二冷卻循環路徑P2中的冷卻主機110所對應的散熱耗能曲線以及第二泵浦130所對應的性能曲線，配合冷卻系統100中的諸多當前參數來找出最佳的進出主機冷卻水進出冷卻主機之間的溫差值。然後，還利用冷卻水塔140的散熱性能曲線（如，冷卻水塔140的散熱性能曲線）來找出最佳的主機冷卻水的溫度。藉此，本揭露實施例可同時找出最佳的廠區冷卻水以及主機冷卻水的溫度以及進出冷卻主機中對於廠區冷卻水以及主機冷卻水的溫差值，並將這些溫度數值作為最佳的節能控制點，可確保冷卻系統100的運轉將可即時性地處於最節能狀態，且在滿足散熱需求之下同時滿足節能需求。

在此說明如何利用第一冷卻循環路徑P1中的冷卻主機110所對應的散熱耗能曲線以及第一泵浦120所對應的性能曲線來找出最佳的廠區冷卻水的溫度。圖2是依照本揭露一實施例的冷卻系統的自動控制方法的流程圖。於步驟S210中，控制器160獲得第一泵浦120的性能曲線，並依據性能曲線計算第一泵浦120的功率方程式。第一泵浦120的性能曲線可透過多種資料結構的方式儲存在記憶單元（如，記憶體）當中，控制器160可藉由存取這些記憶單元以獲得圖3第一泵浦120的性能曲線以及相對應的功率方程式。應用本實施例者亦可藉由手動的方式將第一泵浦120的性能曲線以及相對應的功率方程式透過鍵盤或其他輸入設備以進行輸入，從而讓控制器160知悉。

詳細而言，請參照圖3，圖3是第一泵浦120的性能曲線示意圖。圖3的橫軸表示第一冷卻循環路徑P1中廠區冷卻水的流量，以每秒多少公升（l/s；LPS）表示。圖3的縱軸則表示第一泵浦120在流入之廠區冷卻水與流出之廠區冷卻水的壓差值。此處的『壓差值』以米(m)作為表示單位。由於冷卻系統100在運行時，將會以預設的壓差值以及預定的廠區冷卻水流量來設定第一泵浦120，因此控制器160將會設定相關於冷卻流體（在此為廠區冷卻水）的壓差值（如，壓差值為24m）以及廠區冷卻水流量（如，300lps）。然後，控制器160依據壓差值（24m）以及廠區冷卻水流量（300lps）來查詢第一泵浦120在圖3繪示的性能曲線，以獲得查詢結果，例如是第一泵浦120在上述情況的操作頻率為39.9Hz。藉此，便可透過預設的壓差值（24m）以及不同的廠區冷卻水流量來得知第一泵浦120的操作頻率對應流量之間的關係，如圖4所示。圖4是第一泵浦120的操作頻率對應流量之間的功率方程式示意圖。由於第一泵浦120的操作頻率與流量的二次方成正比，且第一泵浦120的功率與操作頻率的三次方成正比，從而獲得以下的功率方程式F1：

…. F1

功率方程式F1中的『y』是圖4中第一泵浦120的操作頻率，『x』是圖4中廠區冷卻水的流量。功率方程式F1可利用回歸運算方程式以及能耗數列運算方式而獲得。

回到圖2，於步驟S220中，處理器160獲得冷卻主機110的散熱性能曲線。本實施例以冷卻主機110的莫里爾曲線作冷卻主機110的為散熱耗能曲線，且如圖5所示。圖5是冷卻主機110對於蒸發器的莫里爾曲線示意圖。圖5的橫軸表示冷卻主機110的耗電功率，以每公斤多少千焦耳（kJ/kg）表示。圖5的橫軸則表示冷卻主機110的輸出壓力（以psia為單位表示）。藉由圖5可知，當冷卻主機110中的蒸發器將廠區冷卻水從5°C提升至6°C時，蒸發器所消耗的功率將由W1減少至W2。經計算，當廠區冷卻水每上升或下降攝氏1度時，冷卻主機110將會節能或耗能2.5%至3.5%。本實施例便可將冷卻主機110的散熱耗能曲線視為『廠區冷卻水每上升或下降攝氏1度時，節能或耗能2.5%至3.5%』。

於步驟S230中，圖1的控制器160依據冷卻流體（廠區冷卻水）的當前溫度值、冷卻主機110以及第一泵浦120的多個參數以計算在不同預估溫度值的情況下冷卻主機110以及第一泵浦120的總消耗功率。廠區冷卻水的當前溫度值指的是冷卻流體（廠區冷卻水）在流出冷卻主機110冷卻後的當前溫度值。透過圖5所述冷卻主機110的散熱耗能曲線，當前溫度值可得知冷卻主機110中的蒸發器對於廠區冷卻水的消耗功率的增加或減少程度。

冷卻流體（廠區冷卻水）的當前溫度值、冷卻主機110以及第一泵浦120的多個當前參數可由表1來做為舉例。表1中的『CW』代表廠區冷卻水。『冷凍噸』為廠區冷卻水的總熱量。

表1 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 參數 </td><td> 數值 </td><td> 單位 </td></tr><tr><td> CW當前溫度 </td><td> 13 </td><td> °C </td></tr><tr><td> 冷凍噸 </td><td> 9989 </td><td> RT </td></tr><tr><td> 冷卻主機的功率 </td><td> 4854 </td><td> kW </td></tr><tr><td> 第一泵浦 的開啟台數 </td><td> 7 </td><td> 台 </td></tr><tr><td> CW當前溫差 </td><td> 3.86 </td><td> °C </td></tr></TBODY></TABLE>

此外，部分的參數可以由使用者手動設定，如表2所示：

表2 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 參數 </td><td> 數值 </td><td> 單位 </td></tr><tr><td> CW增加1°C所節省的功率 </td><td> 3% </td><td> °C </td></tr><tr><td> 第一泵浦120 的最低操作頻率 </td><td> 36 </td><td> Hz </td></tr></TBODY></TABLE>

表2中的『CW增加1°C所節省的功率』便是冷卻主機110的散熱耗能曲線（亦即，『廠區冷卻水每上升或下降攝氏1度時，節能或耗能2.5%至3.5%』），應用本實施例可對此參數設定為3%或位於2.5%至3.5%之間的數字。

在得知當前的多個參數的相關數值之後，控制器160可略為改變當前溫度值（13°C）以作為多個預估溫度值。例如，當前溫度值（13°C）為基準、以 0.1°C為單位差來設定多個預估溫度值，如12.6°C、12.7°C、12.8°C、12.9°C、13°C、13.1°C、13.2°C、13.3°C、13.4°C…等。控制器160藉由這些預估溫度值、第一泵浦120的功率方程式（圖4）以及冷卻主機110的散熱性能曲線（圖5）來計算在不同預估溫度值的情況下冷卻主機110以及第一泵浦120的總消耗功率，如表3所示。

表3 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> Tcw </td><td> 12.6 </td><td> 12.7 </td><td> 12.8 </td><td> 12.9 </td><td> 13 </td><td> 13.1 </td><td> 13.2 </td><td> 13.3 </td><td> 13.4 </td></tr><tr><td> 冷凍噸 </td><td> 9989 </td><td> 9989 </td><td> 9989 </td><td> 9989 </td><td> 9989 </td><td> 9989 </td><td> 9989 </td><td> 9989 </td><td> 9989 </td></tr><tr><td> P110 </td><td> 4912 </td><td> 4898 </td><td> 4883 </td><td> 4869 </td><td> 4854 </td><td> 4839 </td><td> 4825 </td><td> 4810 </td><td> 4796 </td></tr><tr><td> ΔT </td><td> 4.26 </td><td> 4.16 </td><td> 4.06 </td><td> 3.96 </td><td> 3.86 </td><td> 3.76 </td><td> 3.66 </td><td> 3.56 </td><td> 3.46 </td></tr><tr><td> 流量 </td><td> 1970 </td><td> 2017 </td><td> 2067 </td><td> 2119 </td><td> 2174 </td><td> 2232 </td><td> 2293 </td><td> 2357 </td><td> 2425 </td></tr><tr><td> 120的操作頻率 </td><td> 40.57 </td><td> 40.75 </td><td> 40.94 </td><td> 41.15 </td><td> 41.37 </td><td> 41.61 </td><td> 41.87 </td><td> 42.15 </td><td> 42.46 </td></tr><tr><td> 泵浦台數 </td><td> 7 </td><td> 7 </td><td> 7 </td><td> 7 </td><td> 7 </td><td> 7 </td><td> 7 </td><td> 7 </td><td> 7 </td></tr><tr><td> P120 </td><td> 645 </td><td> 653 </td><td> 663 </td><td> 673 </td><td> 684 </td><td> 696 </td><td> 709 </td><td> 723 </td><td> 739 </td></tr><tr><td> Pt </td><td> 5557 </td><td> 5551 </td><td> 5546 </td><td> 5542 </td><td> 5538 </td><td> 5535 </td><td> 5534 </td><td> 5534 </td><td> 5535 </td></tr></TBODY></TABLE>

表3中的『Tcw』表示廠區冷卻水的預估溫度值，此預估溫度值相關於當前溫度值（如，13°C），並以以 0.1°C為單位差來設定多個預估溫度值。『冷凍噸』為廠區冷卻水的總熱量，因此在第一冷卻循環路徑P1為封閉迴路的情況下皆為定值。『P110』表示冷卻主機110的預估功率/功耗，此數值將依據表2中所設定的參數『CW增加1°C所節省的功率』來計算，每 0.1°C便使冷卻主機110的功率/功耗增加或降低0.3%（3%的1/10）。『ΔT』表示廠區冷卻水的供應溫度值與冷卻水經由廠區冷房負載後回流至冷卻主機之間的溫差。『流量』表示第一泵浦120所提供的廠區冷卻水的流量，係由當前溫度值（如，13°C）所對應的當前流量適度調整而得知此數值，並透過圖4所述的功率方程式（如，F1）而從流量得知第一泵浦120的操作頻率。『120的操作頻率』表示第一泵浦120的運作頻率。『泵浦台數』表示第一泵浦120的啟動台數。『P120』表示第一泵浦120的預估功率/功耗，此數值可由第一泵浦120的運作頻率運算而得。『Pt』表示冷卻主機110的預估功率/功耗以及第一泵浦120的預估功率/功耗加總而得的總消耗功率。特別說明的是，表3僅以適例表示出預估溫度值為12.6°C至13.4°C的相關參數預估，應用本實施例可應可知曉控制器160可依據當前溫度值（如，13°C該欄位的相關當前參數）來推估更多的預估溫度值（如，從11°C至14°C的相關參數預估），藉以更易於得知廠區冷卻水對於最佳節能的最佳溫度設定點。

透過表3的多個預估溫度值以及對應的預估參數，便可得知預估溫度值與總消耗功率的對應關係，並可繪示如圖6所示。圖6是預估溫度值與冷卻主機及第一泵浦的總消耗功率的對應關係的示意圖。從圖6可看出，雖然廠區冷卻水在提高其溫度時會讓冷卻主機110的功耗略為下降（如曲線610所示），但由於廠區冷卻水的流量將會提升而導致第一泵浦120的功耗迅速提升（如曲線620所示），因此冷卻主機110以及第一泵浦120的總消耗功率（如曲線630所示）在廠區冷卻水的溫度為13.3°C有最低的總消耗功率。由表3可知最小的總消耗功率為5534kW。換句話說，曲線630係由曲線610的數值加上曲線620而得。因此，回到圖2的步驟S240並同時參考圖6，控制器160依據總消耗功率的最小值所對應的預估溫度值（亦即，13.3°C）來調整冷卻流體（即，廠區冷卻水）的當前溫度。換句話說，控制器160於此時便會控制冷卻主機110，使其將廠區冷卻水的當前溫度從原先的13°C設定為13.3°C，以將廠區冷卻水控制在最佳節能溫度點中（如，圖6的點640）。並且，控制器160可即時性地偵測冷卻主機110以及第一泵浦120的多個參數，以自動化地調整冷卻主機中對於廠區冷卻水的當前溫度。

在此說明如何利用第二冷卻循環路徑P2中的冷卻主機110所對應的散熱耗能曲線以及第二泵浦120所對應的性能曲線來找出最佳的主機冷卻水進出冷卻主機之間的溫差值。相似於上述實施例，第二冷卻循環路徑P2中的自動控制方法亦可使用圖2所述的自動控制方法，差異在於冷卻流體從第一冷卻循環路徑P1中的廠區冷卻水調整為第二冷卻循環路徑P2中的主機冷卻水。

圖7是第二泵浦130的性能曲線示意圖。本實施例的第一泵浦120以及第二泵浦130為不同型號的泵浦，且所使用的壓差值亦為不同，因此泵浦的性能曲線以及後續的功率方程式亦不相同。請同時參考圖2與圖7，控制器160於步驟S210中獲得第二泵浦130的性能曲線，並依據性能曲線計算第二泵浦130的功率方程式。圖7的橫軸表示第二冷卻循環路徑P2中主機冷卻水的流量，以每秒多少公升（l/s；LPS）表示。圖7的縱軸則表示第二泵浦130在流入之主機冷卻水與流出之主機冷卻水的壓差值。此處的『壓差值』是以米(m)作為表示單位。控制器160將會設定相關於冷卻流體（在此為主機冷卻水）的壓差值（如，壓差值為15.5m）以及主機冷卻水流量（如，383lps）。然後，控制器160依據壓差值（15.5m）以及主機冷卻水流量（383lps）來查詢第二泵浦130在圖7繪示的性能曲線，以獲得查詢結果，例如是第二泵浦130在上述情況的操作頻率為44.3Hz。藉此，便可透過預設的壓差值（15.5m）以及不同的主機冷卻水流量來得知第二泵浦130的操作頻率對應流量之間的關係，如圖8所示。圖8是第二泵浦130的操作頻率對應流量之間的功率方程式示意圖。圖8中的功率方程式F2如下所示：

…. F2

功率方程式F2中的『y』是圖8中第二泵浦130的操作頻率，『x』是圖8中主機冷卻水的流量。功率方程式F2可利用回歸運算方程式以及能耗數列運算方式而獲得。

回到圖2，於步驟S220中，處理器160獲得冷卻主機110的散熱性能曲線。本實施例以冷卻主機110的莫里爾曲線作冷卻主機110的為散熱耗能曲線，且如圖9所示。圖9是冷卻主機110對於冷凝器的莫里爾曲線示意圖。圖9類似於圖5，兩者的差別在於本實施例以冷凝器的角度說明主機冷卻水的溫度與冷卻主機110的功耗之間的關係。從圖9可知，當冷卻主機110中的冷凝器將主機冷卻水從37°C調降至36°C時，冷凝器所消耗的功率將由W1減少至W2。經計算，當主機冷卻水每下降或上升攝氏1度時，冷卻主機110亦會節能或耗能2.5%至3.5%。因此，本實施例仍然將冷卻主機110的散熱耗能曲線視為『主機冷卻水每下降或上升攝氏1度時，節能或耗能2.5%至3.5%』。

回到圖2，於步驟S230中，圖1的控制器160依據冷卻流體（主機冷卻水）的當前溫度值（本實施例以『當前溫差值』呈現）、冷卻主機110以及第二泵浦130的多個參數以計算在不同預估溫度值（本實施例以『預估溫差值』呈現）的情況下冷卻主機110以及第二泵浦130的總消耗功率。在本實施例中，由於主機冷卻水通常以進出冷卻主機之間的溫度差值來作為後續溫度計算的標準，因此後續所述的『當前溫差值』即為主機冷卻水進出冷卻主機之間的溫度差值，並取代原先的『當前溫度值』。

冷卻流體（主機冷卻水）的當前溫差值、冷卻主機110以及第二泵浦130的多個當前參數可由表4來做為舉例。表4中的『CW』代表廠區冷卻水。『冷凍噸』為廠區冷卻水的總熱量。

表4 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 參數 </td><td> 數值 </td><td> 單位 </td></tr><tr><td> CW冷凍噸 </td><td> 9989 </td><td> RT </td></tr><tr><td> 冷卻主機的功率 </td><td> 4854 </td><td> kW </td></tr><tr><td> 第二泵浦130 的開啟台數 </td><td> 7 </td><td> 台 </td></tr><tr><td> 主機冷卻水進出冷卻主機之間的當前溫差 </td><td> 4.5 </td><td> °C </td></tr></TBODY></TABLE>

此外，部分的參數可以由使用者手動設定，如表5所示：

表5 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 參數 </td><td> 數值 </td><td> 單位 </td></tr><tr><td> 主機冷卻水降低1°C所節省的功率 </td><td> 3% </td><td> °C </td></tr><tr><td> 第二泵浦130 的最低操作頻率 </td><td> 32 </td><td> Hz </td></tr></TBODY></TABLE>

在得知當前的多個參數的相關數值之後，控制器160可略為改變當前溫差值（4.5°C）以作為多個預估溫差值，例如以 0.1°C為單位差來設定多個預估溫差值，如6°C、5.9°C、5.8°C、….4°C、3.9°C、3.8°C…等。所述的『預估溫差值』即為主機冷卻水進出冷卻主機之間的預估溫度差值，並取代原先的『預估溫度值』。控制器160藉由這些預估溫差值、第二泵浦130的功率方程式（圖8）以及冷卻主機110的散熱性能曲線（圖9）來計算在不同預估溫差值的情況下冷卻主機110以及第二泵浦130的總消耗功率。預估溫差值與總消耗功率的運算方式已描述於上述表3，應用本實施例可參照上述實施例來實現。

透過多個預估溫差值以及對應的預估參數，便可得知預估溫差值與冷卻主機110以及第二泵浦130的總消耗功率的對應關係，圖10是預估溫差值與冷卻主機及第二泵浦的總消耗功率的對應關係的示意圖。從圖10可看出，雖然主機冷卻水在降低其溫差值（亦即，降低主機冷卻水的溫度）時會讓冷卻主機110的功耗略為下降（如曲線1010所示），但由於主機冷卻水的流量將會提升而導致第二泵浦130的功耗迅速提升（如曲線1020所示）。因此，冷卻主機110以及第二泵浦130的總消耗功率（如曲線1030所示）亦在主機冷卻水的溫差值為5.2°C有最低的總消耗功率。換句話說，曲線1030係由曲線1010的數值加上曲線1020而得。因此，回到圖2的步驟S240並同時參考圖10，控制器160依據總消耗功率的最小值所對應的預估溫差值（亦即，5.2°C）來調整冷卻流體（即，主機冷卻水）的當前溫差值。換句話說，控制器160於此時便會控制冷卻主機110以及第二泵浦130，使其將主機冷卻水的當前溫差值從原先的4.5°C設定為5.3°C，以將主機冷卻水的溫差值控制在最佳節能溫度點中（如，圖10的點1040）。並且，控制器160可即時性地偵測冷卻主機110以及第二泵浦130的多個參數，以自動化地調整冷卻主機中對於主機冷卻水進出冷卻主機之間的當前溫差值。

在此說明透過冷卻水塔的散熱性能曲線而計算出具備較佳節能功效的主機冷卻水的水溫。首先，控制器160獲得冷卻水塔140中外氣濕球溫度對應主機冷卻水的水溫的散熱性能曲線，請參見圖11。圖11為冷卻水塔140的散熱性能曲線的示意圖。圖11的橫軸為外氣濕球溫度Twb，圖11的縱軸為主機冷卻水的水溫Td。如此一來，依據圖11所述的散熱性能曲線，可以得知外氣濕球溫度Twb與趨近溫度Tapp之間的關係。所謂的『趨近溫度Tapp』為預設的主機冷卻水的水溫Td減去外氣濕球溫度Twb的數值。亦即，預設的主機冷卻水的水溫Td等於外氣濕球溫度Twb與趨近溫度Tapp的加總。外氣濕球溫度Twb與趨近溫度Tapp之間的關係可如圖12所示，圖12為冷卻水塔140的外氣濕球溫度Twb與趨近溫度Tapp之間的關係示意圖。藉由此圖12的示意圖可知外氣濕球溫度Twb與趨近溫度Tapp之間的關係可化為特性方程式F3所示：

…. F3

特性方程式F3中的『y』是趨近溫度Tapp，『x』是外氣濕球溫度Twb。功率方程式F3可利用回歸運算方程式以及能耗數列運算方式而獲得。

如此一來，控制器160便可透過當前外氣濕球溫度以從特性方程式獲得當前外氣濕球溫度所對應的當前趨近溫度，並依據當前外氣濕球溫度以及所述當前趨近溫度設定主機冷卻水的水溫。藉此，本實施例便可藉由冷卻水塔的散熱性能曲線來計算出具備最佳節能效果的主機冷卻水水溫，以作為最佳主機冷卻水的溫度控制點。

在實施例中公開了一種冷卻系統。冷卻系統包括冷卻主機、泵浦、溫度檢測裝置以及控制器。冷卻主機用以對冷卻流體進行冷卻或利用所述冷卻流體冷卻所述冷卻主機。泵浦用以控制所述冷卻流體在冷卻循環路徑中的流量。溫度檢測裝置用以偵測所述冷卻流體在流入所述冷卻主機與流出所述冷卻主機之間的當前溫度值。控制器耦接所述冷卻主機、所述泵浦以及所述溫度檢測裝置。所述控制器獲得所述泵浦的性能曲線，並依據所述性能曲線計算所述泵浦的功率方程式，獲得所述冷卻主機的散熱性能曲線，依據所述冷卻流體的所述當前溫度值、所述冷卻主機以及所述泵浦的多個參數以計算在多個預估溫度值的情況下所述冷卻主機以及所述泵浦的總消耗功率，其中所述預估溫度值相關於所述當前溫度值，所述控制器依據所述總消耗功率的最小值所對應的所述預估溫度值來調整所述冷卻流體的當前溫度。

在一些實施例中，所述冷卻主機以及所述泵浦的所述參數包括所述泵浦的當前流量、當前操作頻率與當前功率以及所述冷卻主機的當前功率。

在一些實施例中，所述控制器改變所述當前溫度值以作為所述預估溫度值，且藉由所述預估溫度值、所述泵浦的所述功率方程式以及所述冷卻主機的所述散熱性能曲線來計算在不同預估溫度值的情況下所述冷卻主機以及所述泵浦的總消耗功率。冷卻主機的所述散熱性能曲線為莫里爾曲線。

在一些實施例中，所述控制器設定相關於所述冷卻流體的壓差值，依據所述壓差值查詢所述泵浦的所述性能曲線以獲得查詢結果，並依據所述查詢結果計算所述泵浦的操作功率對應所述流量的所述功率方程式。

在一些實施例中，所述冷卻流體是廠區冷卻水，所述冷卻主機對所述廠區冷卻水進行冷卻。所述泵浦用以控制所述廠區冷卻水在第一冷卻循環路徑中的流量。所述第一冷卻循環路徑經過所述冷卻主機、所述泵浦以及至少一生產機台。

在一些實施例中，所述控制器將所述總消耗功率的最小值所對應的所述預估溫度值設定為所述廠區冷卻水之供應溫度值。

在一些實施例中，所述冷卻流體是主機冷卻水，所述主機冷卻水用以冷卻所述冷卻主機。所述泵浦用以控制所述主機冷卻水在第二冷卻循環路徑中的流量。所述第二冷卻循環路徑經過所述泵浦、所述冷卻主機以及冷卻水塔。所述控制器將所述總消耗功率的最小值所對應的所述預估溫度值設定為所述主機冷卻水進出所述冷卻主機之間的溫度差。

在一些實施例中，所述控制器通過感測器以即時性地偵測所述冷卻主機以及所述泵浦的多個參數，以自動化地調整所述冷卻主機中對於所述冷卻流體的當前溫度。

在實施例中公開了一種冷卻系統的自動控制方法。所述冷卻系統包括冷卻主機以及泵浦。所述自動控制方法包括下列步驟。獲得所述泵浦的性能曲線，並依據所述性能曲線計算所述泵浦的功率方程式。獲得所述冷卻主機的散熱性能曲線。依據所述冷卻流體的當前溫度值、所述冷卻主機以及所述泵浦的多個參數以計算在不同預估溫度值的情況下所述冷卻主機以及所述泵浦的總消耗功率。所述預估溫度值相關於所述當前溫度值。以及，依據所述總消耗功率的最小值所對應的所述預估溫度值來調整所述冷卻流體的當前溫度。

在一些實施例中，所述冷卻主機以及所述泵浦的所述參數包括所述泵浦的當前流量、當前操作頻率與當前功率以及所述冷卻主機的當前功率。所述冷卻主機的所述散熱性能曲線為莫里爾曲線。

在一些實施例中，計算在不同預估溫度值的情況下所述冷卻主機以及所述泵浦的總消耗功率的步驟包括下列步驟。改變所述當前溫度值以作為所述多個預估溫度值。藉由所述預估溫度值、所述泵浦的所述功率方程式以及所述冷卻主機的所述散熱性能曲線來計算在不同預估溫度值的情況下所述冷卻主機以及所述泵浦的總消耗功率。所述冷卻主機的所述散熱性能曲線為莫里爾曲線。

在一些實施例中，依據所述性能曲線計算所述泵浦的功率方程式的步驟包括下列步驟。設定相關於所述冷卻流體的壓差值。依據所述壓差值查詢所述泵浦的所述性能曲線以獲得查詢結果。以及，依據所述查詢結果計算所述泵浦的操作功率對應所述流量的所述功率方程式。

在一些實施例中，所述冷卻流體是廠區冷卻水，所述冷卻主機對所述廠區冷卻水進行冷卻。所述泵浦用以控制所述廠區冷卻水在第一冷卻循環路徑中的流量。所述第一冷卻循環路徑經過所述冷卻主機、所述泵浦以及至少一生產機台。

在一些實施例中，所述總消耗功率的最小值所對應的所述預估溫度值被設定為所述廠區冷卻水之供應溫度值。

在一些實施例中，所述冷卻流體是主機冷卻水，所述主機冷卻水用以冷卻所述冷卻主機。所述泵浦用以控制所述主機冷卻水在第二冷卻循環路徑中的流量。所述第二冷卻循環路徑經過所述泵浦、所述冷卻主機以及冷卻水塔。

在一些實施例中，所述總消耗功率的最小值所對應的所述預估溫度值被設定為所述主機冷卻水進出冷卻主機之間的溫度差。

在一些實施例中，所述自動控制方法更包括下列步驟。即時性地偵測所述冷卻主機以及所述泵浦的多個參數，以自動化地調整所述冷卻主機中對於所述冷卻流體的當前溫度。

在實施例中公開了一種冷卻系統。冷卻系統包括冷卻主機、冷卻水塔以及控制器。控制器耦接所述冷卻主機以及冷卻水塔。所述控制器獲得所述冷卻水塔中外氣濕球溫度對應所述主機冷卻水的水溫的散熱性能曲線，並依據所述散熱性能曲線計算所述外氣濕球溫度對應趨近溫度的特性方程式。所述控制器透過當前外氣濕球溫度以從所述特性方程式獲得所述當前外氣濕球溫度所對應的當前趨近溫度，並依據所述當前外氣濕球溫度以及所述當前趨近溫度設定所述主機冷卻水的所述水溫。

在一些實施例中，所述主機冷卻水的所述水溫等於所述當前外氣濕球溫度加上所述當前趨近溫度。

綜上所述，本揭露實施例所述的冷卻系統及其之控制方法可透過泵浦的性能曲線以及冷卻主機的散熱性能曲線來獲得冷卻系統中的耗能運算方程式，並藉由當前的相關參數（如，室外溫溼度、當前冷卻流體的溫度差值及流量、泵浦及冷卻主機的功率）來計算在不同預估溫度值的情況下冷卻系統的總消耗功率。藉此，便可利用所述總消耗功率的最小值所對應的預估溫度值來自動地調整冷卻主機中對於冷卻流體的當前溫度。再者，由於冷卻系統具備兩種不同的冷卻循環路徑以及冷卻水塔，本揭露實施例可針對不同的冷卻循環路徑以分別計算出廠區冷卻水以及主機冷卻水對於節能的最佳溫度及溫差，還利用冷卻水塔的散熱性能曲線來獲得最佳的冷卻水溫度，並用這些數據來自動地調整冷卻系統。藉此，便可確保冷卻系統的運轉即時性地處於最節能狀態，且在滿足散熱需求之下同時滿足節能需求。

雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧冷卻系統

110‧‧‧冷卻主機

120‧‧‧第一泵浦

130‧‧‧第二泵浦

140‧‧‧冷卻水塔

150‧‧‧廠區冷房負載

160‧‧‧控制器

170‧‧‧溫度檢測裝置

S210~S240‧‧‧步驟

610、620、630、1010、1020、1030‧‧‧曲線

640、1040‧‧‧點

P1‧‧‧第一冷卻循環路徑

P2‧‧‧第二冷卻循環路徑

Td‧‧‧主機冷卻水的水溫

Twb‧‧‧外氣濕球溫度

Tapp‧‧‧趨近溫度

圖1是依照本揭露一實施例的一種冷卻系統的示意圖。 圖2是依照本揭露一實施例的冷卻系統的自動控制方法的流程圖。 圖3是第一泵浦的性能曲線示意圖。 圖4是第一泵浦的操作頻率對應流量之間的功率方程式示意圖。 圖5是冷卻主機對於蒸發器的莫里爾曲線示意圖。 圖6是預估溫度值與冷卻主機及第一泵浦的總消耗功率的對應關係的示意圖。 圖7是第二泵浦的性能曲線示意圖。 圖8是第二泵浦的操作頻率對應流量之間的功率方程式示意圖。 圖9是冷卻主機對於冷凝器的莫里爾曲線示意圖。 圖10是預估溫差值與冷卻主機及第二泵浦的總消耗功率的對應關係的示意圖。 圖11為冷卻水塔的散熱性能曲線的示意圖。 圖12為冷卻水塔的外氣濕球溫度Twb與趨近溫度Tapp之間的關係示意圖。

Claims (10)

1. 一種冷卻系統，包括：冷卻主機，用以對冷卻流體進行冷卻或利用所述冷卻流體冷卻所述冷卻主機；泵浦，用以控制所述冷卻流體在冷卻循環路徑中的流量；溫度檢測裝置，用以偵測所述冷卻流體在流入所述冷卻主機與流出所述冷卻主機之間的當前溫度值；以及控制器，耦接所述冷卻主機、所述泵浦以及所述溫度檢測裝置，其中所述控制器獲得所述泵浦的性能曲線，並依據所述性能曲線計算所述泵浦的功率方程式，獲得所述冷卻主機的散熱性能曲線，依據所述冷卻流體的所述當前溫度值、所述冷卻主機以及所述泵浦的多個參數以計算在多個預估溫度值的情況下所述冷卻主機以及所述泵浦的總消耗功率，其中所述預估溫度值相關於所述當前溫度值，所述控制器依據所述總消耗功率的最小值所對應的所述預估溫度值來調整所述冷卻主機中對於所述冷卻流體的當前溫度。
2. 如申請專利範圍第1項所述的冷卻系統，其中所述冷卻主機以及所述泵浦的所述參數包括所述泵浦的當前流量、當前操作頻率與當前功率以及所述冷卻主機的當前功率，所述控制器改變所述當前溫度值以作為所述預估溫度值，且藉由所述預估溫度值與所述當前溫度值之間的溫度差、所述泵浦的所述功率方程式以及所述冷卻主機的所述散熱性能曲線來計算在不同預估溫度值的情況下所述冷卻主機以及所述泵浦的總消耗功率，其中所述冷卻主機的所述散熱性能曲線為莫里爾曲線。
3. 如申請專利範圍第1項所述的冷卻系統，其中所述控制器設定相關於所述冷卻流體的壓差值，依據所述壓差值查詢所述泵浦的所述性能曲線以獲得查詢結果，並依據所述查詢結果計算所述泵浦的操作功率對應所述流量的所述功率方程式。
4. 如申請專利範圍第1項所述的冷卻系統，其中所述冷卻流體是廠區冷卻水，所述冷卻主機對所述廠區冷卻水進行冷卻，所述泵浦用以控制所述廠區冷卻水在第一冷卻循環路徑中的流量，其中所述第一冷卻循環路徑經過所述冷卻主機、所述泵浦以及至少一生產機台，所述控制器將所述總消耗功率的最小值所對應的所述預估溫度值設定為所述廠區冷卻水之供應溫度值。
5. 如申請專利範圍第1項所述的冷卻系統，其中所述冷卻流體是主機冷卻水，所述主機冷卻水用以冷卻所述冷卻主機，所述泵浦用以控制所述主機冷卻水在第二冷卻循環路徑中的流量，其中所述第二冷卻循環路徑經過所述泵浦、所述冷卻主機以及冷卻水塔，所述控制器將所述總消耗功率的最小值所對應的所述預估溫度值設定為所述主機冷卻水進出所述冷卻主機之間的溫度差。
6. 一種冷卻系統的自動控制方法，所述冷卻系統包括冷卻主機以及泵浦，所述自動控制方法包括：獲得所述泵浦的性能曲線，並依據所述性能曲線計算所述泵浦的功率方程式；獲得所述冷卻主機的散熱性能曲線；依據所述冷卻流體的所述當前溫度值、所述冷卻主機以及所述泵浦的多個參數以計算在不同預估溫度值的情況下所述冷卻主機以及所述泵浦的總消耗功率，其中所述預估溫度值相關於所述當前溫度值；以及依據所述總消耗功率的最小值所對應的所述預估溫度值來調整所述冷卻主機中對於所述冷卻流體的當前溫度。
7. 如申請專利範圍第6項所述的冷卻系統的自動控制方法，其中所述冷卻主機以及所述泵浦的所述參數包括所述泵浦的當前流量、當前操作頻率與當前功率以及所述冷卻主機的當前功率，其中所述冷卻主機的所述散熱性能曲線為莫里爾曲線。
8. 如申請專利範圍第6項所述的冷卻系統的自動控制方法，其中所述冷卻流體是廠區冷卻水，所述冷卻主機對所述廠區冷卻水進行冷卻，所述泵浦用以控制所述廠區冷卻水在第一冷卻循環路徑中的流量，其中所述第一冷卻循環路徑經過所述冷卻主機、所述泵浦以及至少一生產機台，所述總消耗功率的最小值所對應的所述預估溫度值被設定為所述廠區冷卻水之供應溫度值。
9. 如申請專利範圍第6項所述的冷卻系統的自動控制方法，其中所述冷卻流體是主機冷卻水，所述主機冷卻水用以冷卻所述冷卻主機，所述泵浦用以控制所述主機冷卻水在第二冷卻循環路徑中的流量，其中所述第二冷卻循環路徑經過所述泵浦、所述冷卻主機以及冷卻水塔，所述總消耗功率的最小值所對應的所述預估溫度值被設定為所述主機冷卻水進出所述冷卻主機的溫度差。
10. 一種冷卻系統，包括：冷卻主機；冷卻水塔，利用主機冷卻水冷卻所述冷卻主機；以及控制器，耦接所述冷卻主機以及所述冷卻水塔，其中所述控制器獲得所述冷卻水塔中外氣濕球溫度對應所述主機冷卻水的水溫的散熱性能曲線，並依據所述散熱性能曲線計算所述外氣濕球溫度對應趨近溫度的特性方程式，其中所述控制器透過當前外氣濕球溫度以從所述特性方程式獲得所述當前外氣濕球溫度所對應的當前趨近溫度，並依據所述當前外氣濕球溫度以及所述當前趨近溫度設定所述主機冷卻水的所述水溫，其中所述主機冷卻水的所述水溫等於所述當前外氣濕球溫度加上所述當前趨近溫度，所述冷卻系統還包括：冷卻主機，用以對冷卻流體進行冷卻或利用所述冷卻流體冷卻所述冷卻主機，泵浦，用以控制所述冷卻流體在冷卻循環路徑中的流量；以及溫度檢測裝置，用以偵測所述冷卻流體在流入所述冷卻主機與流出所述冷卻主機之間的當前溫度值，其中所述控制器還耦接所述泵浦以及所述溫度檢測裝置，所述控制器獲得所述泵浦的性能曲線，並依據所述性能曲線計算所述泵浦的功率方程式，獲得所述冷卻主機的散熱性能曲線，依據所述冷卻流體的所述當前溫度值、所述冷卻主機以及所述泵浦的多個參數以計算在多個預估溫度值的情況下所述冷卻主機以及所述泵浦的總消耗功率，其中所述預估溫度值相關於所述當前溫度值，所述控制器依據所述總消耗功率的最小值所對應的所述預估溫度值來調整所述冷卻主機中對於所述冷卻流體的當前溫度。