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研究生： 王晨昕
Chen-Sin Wang
論文名稱： 變頻控制應用於循環式地下水冷卻系統之節能研究
Energy Conservation Research of Circulating Groundwater System on Variable Frequency
指導教授： 廖洪鈞
Hung-Jiun Liao
口試委員: 鄭國雄
none
王文博
none
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工程學院 - 營建工程系
Department of Civil and Construction Engineering
論文出版年： 2010
畢業學年度： 98
語文別： 中文
論文頁數： 171
中文關鍵詞： 熱島效應 、冷卻水塔 、景美礫石層 、地下水
外文關鍵詞： Heat-island effect, cooling tower, Chingmei gravel stratum, groundwater
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    • 本研究將變頻控制結合循環式地下水冷卻系統，並應用於冷凍空調上，藉此來取代現今常用之冷卻水塔系統，透過實際應用測試來探討以循環式地下水冷卻系統取代冷卻水塔可行性研究。研究重點在於利用地下水低溫特性再結合變頻控制器，以減少冷卻用之地下水量，藉此達到省能的目的。
    由運轉試驗結果顯示，運用了變頻控制器後能替沉水泵浦省下45.4%以上的耗電量，此外本系統與傳統冷卻水塔系統相比下，在相同揚程下且室外溫度高達35℃以上時，泵浦能減少21.6﹪的電力消耗，空調機也能減少2.5﹪的電力消耗，且地下水低溫的特性(約23~24℃之間)，與同規格之冷卻水塔額定水量相比，本系統可減少45%以上用水量，即可達到相同效果，且能精確掌控所需之空調冷卻水溫，而在本試驗設備下，冷卻水溫度設定上限為33℃時最佳，由此得知，本系統能取代傳統冷卻水塔，並解決冷卻水塔所帶來之負面問題。

    This research proposes to adopt Variable-frequency Drive controlling method with circulating groundwater cooling system on air-conditioner system in order to replace the widely used cooling towers nowadays. Practical applications were performed by experiments in this research to study the feasibility of the mentioned method. The focus herein is to well use the characteristic of low temperature of the groundwater, moreover, combine the Variable-frequency Drive controller to reduce the usage flow of groundwater. So that it can be expected and proved to save the power.
    The result showed that after adopting the Variable-frequency Drive controller, the pump can save more than 45.4% power. Furthermore, comparing with traditionally adopting cooling towers, this method can decrease 21.6% power consumption under the same uplift power of pumpers and with outdoor temperature upper than 35oC. Besides, the motioned characteristic of low temperature of the groundwater, say 23 to 24 oC, can provide the benefit of saving 2.5% power for the air-conditioner. Comparing with the required nominal circulating cooling water flow for using cooling tower, this system can save more than 45% usage of groundwater as well and obtains the same operating result. In order to precisely control the required temperature of cooling water for air-conditioner, the upper bound of the mentioned temperature, say 33 oC, is acquired through the series of experiments in this research. The value is also the optimum temperature for the equipments. To conclude up, this system can be offered to substitute cooling towers and solve the negative issues induced by cooling towers.

    論文摘要 II Abstract III 致謝 IV 目錄 V 圖 目 錄 IX 表 目 錄 XIV 第一章 緒論 1 1.1 研究動機與目的 1 1.2 研究內容與流程 3 第二章 文獻回顧 4 2.1 運用地源做為熱交換媒介概述 4 2.1.1 循環式地下水系統 5 2.2冷凍空調基本原理 5 2.2.1 冷凍空調運作基本原理 6 2.2.2 冷凍系統各元件 6 2.3 變頻控制器(Inverter)概述 9 2.3.1 變頻器基本原理 9 2.3.2 變頻器的切換控制 10 2.3.3 變頻器轉速控制 10 2.3.4 變頻器的節能原理 11 2.3.5 變頻器使用注意事項 12 2.3.6 變頻器之種類 12 2.4 空調冷卻水塔基本原理 13 2.4.1 冷卻水塔種類 14 2.4.2 冷卻水塔構造 15 2.4.3 冷卻水塔耗水途徑 17 2.4.4退伍軍人症 19 2.4.5 都市熱島效應 19 2.5 臺北盆地地水特性 20 2.5.1 臺北盆地地質背景 20 2.5.2 臺北盆地地層分類 21 2.5.3 臺北盆地景美層 21 2.5.4 臺北盆地地水水位 22 2.5.5 景美礫石層地下水特性 23 2.6. 板式熱交換器 24 2.6.1 板式熱交換器構造及熱交換原理 24 2.6.2 板式熱交換器熱對流計算 27 第三章 研究計畫及試驗方法 31 3.1試驗方法 32 3.2試驗儀器與設備介紹 35 3.2.1 空調系統 36 3.2.2 循環冷卻水系統 36 3.2.3 循環式地下水系統 37 3.2.4 熱交換系統 38 3.2.5 變頻控制系統 38 3.2.6溫度量測系統 39 3.2.7 流量量測系統 40 3.2.8 水位量測系統 41 3.2.9 電力量測系統 42 第四章 試驗結果與分析 43 4.1 運轉測試試驗(A) 45 4.1.1 運轉測試試驗(A)結果 46 4.1.2 運轉測試試驗(A)初步探討 49 4.2 運轉測試試驗(B) 51 4.2.1 運轉測試試驗(B)結果 51 4.2.2 運轉測試試驗(B)初步探討 57 4.3 運轉測試試驗(C) 58 4.3.1 運轉測試試驗(C)結果 59 4.3.2 運轉測試試驗(C)初步探討 59 4.4 運轉測試試驗(D) 60 4.4.1 運轉測試試驗(D)結果 61 4.4.2 運轉測試試驗(D)初步探討 61 4.5 案例比較 62 4.6 運轉測試綜合比較 65 第五章 結論與建議 68 5.1結論 68 5.2建議 69 參考文獻 附錄一(圖附錄) 附錄二(表附錄) 作者簡介 授 權 書   圖 目 錄 圖2-1地源冷暖房系統示意圖 73 圖2-2地源冷房系統示意圖(Georios Florides，2007) 73 圖2-3冷氣機運作原理(蕭明哲，1983) 74 圖2-4冷媒循環示意圖(王文博等人，1993) 75 圖2-5渦捲式壓縮機 76 圖2-6冷媒控制器示意圖(王文博等人，1993) 77 圖2-7三項變頻器基本方塊圖 78 圖2-8三項變頻器示意圖 79 圖2-9三項變頻正弦調頻信號與載波示意圖 79 圖2-10 A相與B相的自然取樣調變脈波示意圖 79 圖2-11 A相與B相間的線電壓與其基本波(正弦波)示意圖 79 圖2-12吹入式冷卻水塔示意圖(王啟川，2001) 80 圖2-13吸入式冷卻水塔示意圖(王啟川，2001) 80 圖2-14直交流型冷卻水塔示意圖(王啟川，2001) 81 圖2-15逆流型冷卻水塔示意圖(王啟川，2001) 81 圖2-16冷卻水塔結構示意圖 82 圖2-17濺灑式填充材料示意圖(王啟川，2001) 82 圖2-18水膜式填充材料示意圖(王啟川，2001) 83 圖2-19都市熱島效應示意圖 83 圖2-20現地試驗配置示意圖(陳正逸，2005) 84 圖2-21現地試驗地層剖面圖及抽水井斷面圖(陳正逸，2005) 85 圖2-22熱交換器板片形式示意圖(王啟川，2007) 86 圖2-23板式熱交換器結構示意圖(高力熱處理股份有限公司) 86 圖2-24板式熱交換器內部流場形式(高力熱處理股份有限公司) 87 圖2-25板式熱交換器內部流體示意圖(賴宣佑，2008) 87 圖3-1 循環式地下水冷卻系統循環過程示意圖 88 圖3-2 台科大循環式地下水冷卻系統循環過程示意圖 89 圖3-3 台科大總變電站室內配置圖 90 圖3-4 水冷式箱型空調機溫控旋鈕設定位置圖 90 圖3-5 試驗(A)操作流程圖 91 圖3-6 試驗(B)操作流程圖 92 圖3-7 試驗(C)操作流程圖 93 圖3-8 試驗(D)操作流程圖 94 圖3-9 試驗設備及儀器配置圖 95 圖3-10 15RT水冷式箱型空調機 96 圖3-11 冷卻水加壓水泵 96 圖3-12 5.5HP 變頻式沉水泵浦 97 圖3-13 板式熱交換器 97 圖3-14 變頻控制器模組 98 圖3-15 白金電阻式溫度計 98 圖3-16 蹼輪式流量計 99 圖3-17 振弦式水壓計 99 圖3-18 機械式電表 100 圖3-19 數位式電表 100 圖4-1 變電站內溫度與室外溫度關係圖 101 圖4-2 溫控模式A 無變頻狀態 溫度與時間關係圖 102 圖4-3 溫控模式A 無變頻狀態 循環式地下水流量與時間關係圖 103 圖4-4 溫控模式A 無變頻狀態 電流頻率與時間關係圖 104 圖4-5 溫控模式A 變頻狀態 溫度與時間關係圖 105 圖4-6 溫控模式A 變頻狀態 循環式地下水流量與時間關係圖 106 圖4-7 溫控模式A 變頻狀態 電流頻率與時間關係圖 107 圖4-8 溫控模式B 無變頻狀態 溫度與時間關係圖 108 圖4-9 溫控模式B 無變頻狀態 循環式地下水流量與時間關係圖 109 圖4-10 溫控模式B 無變頻狀態 電流頻率與時間關係圖 110 圖4-11 溫控模式B變頻狀態 溫度與時間關係圖 111 圖4-12 溫控模式B 變頻狀態 循環式地下水流量與時間關係圖 112 圖4-13 溫控模式B 變頻狀態 電流頻率與時間關係圖 113 圖4-14 溫控模式C無變頻狀態 溫度與時間關係圖 114 圖4-15 溫控模式C 無變頻狀態 循環式地下水流量與時間關係圖 115 圖4-16 溫控模式B 無變頻狀態 電流頻率與時間關係圖 116 圖4-17 溫控模式C 變頻狀態 溫度與時間關係圖 117 圖4-18 溫控模式C變頻狀態 循環式地下水流量與時間關係圖 118 圖4-19 溫控模式C變頻狀態 電流頻率與時間關係圖 119 圖4-20 溫控模式A 流量185 lpm 溫度與時間關係圖 120 圖4-21 溫控模式A流量185 lpm 循環式地下水流量與時間關係圖 121 圖4-22 溫控模式A 流量145 lpm 溫度與時間關係圖 122 圖4-23 溫控模式A流量145 lpm 循環式地下水流量與時間關係圖 123 圖4-24 溫控模式A 流量115 lpm 溫度與時間關係圖 124 圖4-25 溫控模式A流量115 lpm 循環式地下水流量與時間關係圖 125 圖4-26 溫控模式A 流量95 lpm 溫度與時間關係圖 126 圖4-27 溫控模式A流量95 lpm 循環式地下水流量與時間關係圖 127 圖4-28 溫控模式A 流量58 lpm 溫度與時間關係圖 128 圖4-29 溫控模式A流量58 lpm 循環式地下水流量與時間關係圖 129 圖4-30 溫控模式B 流量213 lpm 溫度與時間關係圖 130 圖4-31 溫控模式B流量213 lpm 循環式地下水流量與時間關係圖 131 圖4-32 溫控模式B 流量175 lpm 溫度與時間關係圖 132 圖4-33 溫控模式B流量175 lpm 循環式地下水流量與時間關係圖 133 圖4-34 溫控模式B 流量140 lpm 溫度與時間關係圖 134 圖4-35 溫控模式B流量140 lpm 循環式地下水流量與時間關係圖 135 圖4-36 溫控模式B 流量115 lpm 溫度與時間關係圖 136 圖4-37 溫控模式B流量115 lpm 循環式地下水流量與時間關係圖 137 圖4-38 溫控模式B 流量80 lpm 溫度與時間關係圖 138 圖4-39 溫控模式B流量80 lpm 循環式地下水流量與時間關係圖 139 圖4-40 溫控模式C 流量200 lpm 溫度與時間關係圖 140 圖4-41 溫控模式C流量200 lpm 循環式地下水流量與時間關係圖 141 圖4-42 溫控模式C 流量165 lpm 溫度與時間關係圖 142 圖4-43 溫控模式C流量165 lpm 循環式地下水流量與時間關係圖 143 圖4-44 溫控模式C 流量133 lpm 溫度與時間關係圖 144 圖4-45 溫控模式C流量133 lpm 循環式地下水流量與時間關係圖 145 圖4-46 溫控模式C 流量105 lpm 溫度與時間關係圖 146 圖4-47 溫控模式C流量105 lpm 循環式地下水流量與時間關係圖 147 圖4-48 溫控模式C 流量60 lpm 溫度與時間關係圖 148 圖4-49 溫控模式C流量60 lpm 循環式地下水流量與時間關係圖 149 圖4-50 沉水泵浦不同電流頻率與用電累計關係圖 150 圖4-51 沉水泵浦不同電流頻率與用電量關係圖 151 圖4-52 單顆壓縮機電流與冷卻水溫度關係圖 152 圖4-53 兩顆壓縮機電流與冷卻水溫度關係圖 153 圖4-54 壓縮機電流與冷卻水溫度關係圖 154 圖4-55 溫控模式B 兩台空調同時運轉 溫度與時間關係圖 155 圖4-56 溫控模式B兩台空調同時運轉 循環地下水流量與時間關係圖 156 圖4-57 溫控模式B 板片17片溫度與時間關係圖 157 圖4-58 溫控模式B 板片17片循環地下水流量與時間關係圖 158 圖4-59 排水井處下游示意圖 159 圖4-60 熱水回抽 溫度與時間關係圖 160 圖4-61 熱水回抽 循環地下水流量與時間關係圖 161 圖4-62 地層水流動向示意圖(上視圖) 162 圖4-63 循環式地下水冷卻系統與傳統冷卻水塔系統比較示意圖 163 圖4-64 冷卻水塔與板式熱交換器體積示意圖 164 表 目 錄 表3-1 水冷式箱型空調機規格表 165 表3-2 冷卻水加壓水泵規格表 166 表3-3 葛蘭富沉水泵浦規格表 167 表3-4 高力板式熱交換器規格表 168 表3-5 白金電阻式溫度感知器規格表 168 表3-6 蹼輪式流量計規格表 169 表3-7 振弦式水壓計規格表 170 表3-8 電力量測儀器規格表 170 表4-1 不同電流頻率下沉水泵浦耗電量 171 表4-2 不同冷卻水溫度下空調壓縮機耗電量 171

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    有限公司出版，(1993)
    27.王文博、胡興邦，「冷凍空調原理(下)」，承美科技圖書
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