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    一種最適化取得備援量的方法。評估雙溫度冰水系統中冰水主機的實際運轉效能及負載狀態，以得知冰水主機之負載量是否處於一最佳效能運轉範圍內。當冰水主機之負載量超出最佳效能運轉範圍時，啟動一備援系統，並提供一備援量。進行備援系統節能運轉控制之最適迭代演算，包括：定義一迭代備援量，其中迭代備援量與備援量之總和為預估之備援量。定義迭代備援量之縮減量以及限制條件。以預估之備援量計算冰水主機之負載量。在各迭代計算中，評估雙溫度冰水系統的總用電量。根據一單變數最小值搜尋法，決定總用電量最低之備援量。
    公开号:TW201321692A
    申请号:TW100142610
    申请日:2011-11-21
    公开日:2013-06-01
    发明作者:Tzu-Chi Liu；Ming-Hsiu Hsu
    申请人:Ind Tech Res Inst；
    IPC主号:Y02B30-00
    专利说明:
    最適化取得備援量的方法及應用其之監測系統
    本發明是有關於一種備援方法及系統，且特別是有關於一種最適化取得備援量的方法及應用於雙溫度冰水系統中之監測系統。
    高科技廠因製程與空調冰水需求因素，冰水需求量往往動輒上萬冷凍噸，以冰水需求量評估所需冰水主機可多達十多台。為了降低冰水主機運轉用電量以及空調設備購置成本，近年來，高科技廠於建廠時多將冰水系統設計為雙溫度冰水系統。
    然而，製造商所提供之冰水主機特性曲線並非是由實際安裝現場上直接測試而取得。由於受到管路系統與操作模式之影響，以製造商提供之特性曲線進行操作，經常使冰水主機無法在最佳效能運轉範圍內運轉，導致耗電量增加。
    此外，多數的廠務值班人員多以提供穩定的冰水供應為主要目標，並無考量節能運轉，更無法即時與有效的提出節能運轉的方式，因而無法達到降低運轉成本與節能減碳之目的。
    本發明係有關於一種最適化取得備援量的方法及應用其之監測系統，其透過備援系統節能運轉控制之迭代演算，來決定雙溫度冰水系統的總用電量最低之備援量，以達到降低運轉成本與節能減碳之目的。
    根據本發明之一方面，提出一種最適化取得備援量的方法。此方法包括下列步驟：評估雙溫度冰水系統中冰水主機的實際運轉效能及負載狀態，以得知冰水主機之負載量是否處於一最佳效能運轉範圍內。當冰水主機之負載量超出最佳效能運轉範圍時，啟動一備援系統，並提供一備援量。進行備援系統節能運轉控制之迭代演算。此迭代運算包括下列步驟：定義一迭代備援量，其中迭代備援量與備援量之總和為預估之備援量。定義迭代備援量之縮減量以及限制條件。以預估之備援量計算冰水主機之負載量。在各迭代計算中，評估雙溫度冰水系統的總用電量。根據一單變數最小值搜尋法，決定總用電量最低之備援量。
    根據本發明之另一方面，提出一種應用於雙溫度冰水系統中之監測系統。監測系統包括一擷取裝置、一判斷裝置、一運算裝置以及一顯示裝置。擷取裝置用以擷取冰水主機的運轉資訊。判斷裝置根據冰水主機的運轉資訊，評估冰水主機的實際運轉效能及負載狀態，以得知冰水主機之負載量是否處於一最佳效能運轉範圍內。運算裝置用以進行一備援系統節能運轉控制之迭代演算，以取得一備援量。此迭代演算包括：定義一迭代備援量，其中迭代備援量與備援量之總和為預估之備援量；定義迭代備援量之縮減量以及限制條件；以預估之備援量計算冰水主機之負載量；在各迭代計算中，評估雙溫度冰水系統的總用電量；及根據一單變數最小值搜尋法，決定總用電量最低之備援量。顯示裝置用以顯示備援系統節能運轉控制參數。
    為了對本發明之上述及其他方面有更多的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
    第1圖繪示依照一實施例之應用於雙溫度冰水系統中之監測系統的示意圖。第2圖繪示冰水主機於一冷卻水入水溫度下的特性曲線之示意圖。
    請參照第1圖，監測系統100包括一擷取裝置110、一判斷裝置120、一運算裝置130以及一顯示裝置140。監測系統100可連接至雙溫度冰水系統200或廠務監控系統(FMCS)，透過冰水主機上之感測器或廠務資料庫，以擷取裝置110獲取冰水主機相關運轉資訊。運轉資訊包含有冰水主機之用電量W、冰水回水溫度Tchi、冰水出水溫度Tcho、冷卻水入水溫度Tcwi，以及冰水流量Flowch等運轉資訊。運算裝置130透過所擷取之運轉資訊計算出冰水主機之實際運轉效能值(KPIreal)、負載冷凍噸(RT)與部份負載比PLR，並透過冰水主機在當下冷卻水入水溫度之效能指標特性曲線(參見第2圖)，建構其模型。判斷裝置120根據建構之模型，以評估冰水主機的實際運轉效能以及負載狀態。然後，將備援系統230節能運轉控制參數即時地顯示在一顯示裝置140之可視化介面上，以協助操作人員進行冰水主機之操作，並得到最適化之備援量。
    在第2圖中，冰水主機之效能指標特性曲線具有一最佳效能運轉範圍。KPIlimit為使用者允許之效能運轉指標限制，而KPImin為最佳效能運轉點。透過此KPIlimit取得冰水主機之部分負載比之上、下限，並定義為使用者認定之最佳效能運轉範圍。在第1圖中，判斷裝置120可藉由部分負載比之上限PLRupper及下限PLRlower分別判斷冰水主機運轉於重載或輕載以利於判斷是否需要啟動備援系統230。
    在本實施例中，效能運轉指標限制KPIlimit亦可將其轉換成一儀表形式，以冰水主機效能虛擬儀表呈現在顯示裝置140上。儀表數值表示部份負載比之資訊，顏色層次為效能高低，透明區間顯示為最佳效能運轉範圍，當儀表指針於透明區間即表示此時冰水主機運轉於高效能區間，非透明區間則為效能較差，可提醒或警示廠務操作人員可執行備援系統230或調整相關高、低溫冰水系統210、220運轉參數。
    上述冰水主機之實際運轉效能以及負載狀態可藉由下列公式(1)、公式(2)及公式(3)表示：
    RT=(T chi -T cho )×Flow ch 　(2)
    在實際運轉下，雙溫度冰水系統200之操作人員會以部分負載比PLR(Partial Loading Ratio)做為觀察冰水主機特性曲線的指標，可由公式(1)計算獲得，其中RT為冰水主機之負載量(冷凍噸數)，RTspecific為冰水主機之額定冷凍噸。
    冰水主機之負載量(冷凍噸數)RT可由公式(2)計算獲得，其中Tchi為冰水回水溫度，Tcho為冰水出水溫度，Qch為流量。
    實際運轉效能值KPIreal可由公式(3)計算獲得，其中RT為冰水主機之負載量(冷凍噸數)，W為冰水主機之實際用電量，而Tcwi為冷卻水入水溫度。
    在本實施例中，冰水主機運轉負載、效能及其用電量之評估，係運用冰水主機之特性曲線建構其模型。當操作人員可取得冰水主機製造商特性資料時，可運用最小平方法迴歸其特性曲線。若無法取得特性資料時，亦可運用運轉資料，重新建立其冰水主機之特性曲線。
    請參照第1圖，雙溫度冰水系統200包括一低溫冰水系統210、一備援系統230以及一高溫冰水系統220。低溫冰水系統210可針對製程設備(例如面板製程或半導體製程設備)供應穩定低溫冰水，而高溫冰水系統220可針對空調設備中負載需求的變化量供應足夠的冰水。此外，備援系統230例如以一熱交換器(未繪示)或一閥門(未繪示)來進行熱交換或供應低溫冰水，以使高溫冰水系統220之冰水(供應端)可透過熱交換器與低溫冰水系統210之冰水進行熱交換，或直接將低溫冰水系統210之冰水透過閥門供應至高溫冰水系統220。
    在本實施例之雙溫度冰水系統200中，係以低溫冰水系統210備援高溫冰水系統220，並透過最適化演算取得雙溫度冰水系統200總用電量最小之備援量。當備援量增加，低溫冰水主機的負載量增加，而其用電量也會隨之增加；反之，當備援量減少，高溫冰水主機的負載量增加，而其用電量也會隨之增加。關於低溫冰水主機及高溫冰水主機的供應量、負載量及備援量的增加與減少，其關係式如(4)與(5)：
    Q 低溫冰水主機=Q 低溫負載+Q備援　(4)
    Q 高溫冰水主機=Q 高溫負載-Q備援　(5)
    在本實施例中，為了最適化取得低溫冰水主機與高溫冰水主機之間的備援量，須模擬評估各種環境參數下雙溫度冰水系統200之總用電量。透過運轉資料取得各冰水主機之負載量，並搭配冰水主機特性曲線所建立之模型，來計算雙溫度冰水系統200之最小總用電量。
    請參照第1及3圖，其中第3圖繪示依照本案一實施例之最適化取得備援量的方法的流程示意圖。此方法包括下列各個步驟：步驟S10係評估冰水主機的實際運轉效能及負載狀態。步驟S20係判斷低溫冰水主機是否處於輕載狀態，接著，步驟S22係判斷低溫冰水主機負載是否高於上限。步驟S24係根據步驟S20及S22來得知冰水主機之負載量是否處於一最佳效能運轉範圍內。當冰水主機之負載量超出最佳效能運轉範圍時，啟動一備援系統230，並提供一備援量。若否，則進行步驟S26之中止備援之功能。接著，當啟動備援系統230後，進行步驟S30之備援系統230節能運轉控制之迭代演算。
    步驟S30包括下列各個步驟：步驟S32係定義一迭代備援量dQ。步驟S34係定義迭代備援量dQ之縮減量α以及其值域限制條件-1<α<1，其中迭代變化量dQ'=dQ‧α。步驟S36係將預估之備援量Q'備援=Q 備援+dQ'分別帶入關係式(4)與(5)中，以計算低溫冰水主機與高溫冰水主機的負載量。步驟S38係在各迭代計算中，評估雙溫度冰水系統200的總用電量。步驟S40係根據一單變數最小值搜尋法，決定冰水系統總用電量最低之備援量。在步驟S38中，當雙溫度冰水系統200的總用電量並非最小值時，則回到步驟S34中，再次定義迭代變化量dQ '=dQ‧α，直到求得最小值為止。迭代變化量dQ'以使冰水主機能快速地加減載至最佳效能運轉範圍中為目的，以縮短演算時間並加強備援系統230節能運轉之即時性。
    當決定總用電量最低之備援量之後，步驟S42係取得最佳節能運轉控制參數，並可即時地顯示在一顯示裝置140之可視化介面上，以協助操作人員進行冰水主機之操作。
    請參照第1及4圖，其中第4圖繪示最佳化迭代演算之備援量與用電量的曲線示意圖。隨著備援量的增加，低溫冰水系統210的用電量上升，而高溫冰水系統220因獲得冰水備援量，故高溫冰水系統220之用電量則會相對降低，但雙溫度冰水系統200的總用電量仍會上升。惟有當冰水主機之負載量均在最佳效能運轉範圍(參照第2圖)內，反應在第5圖之雙溫度冰水系統200的備援量上，才會得到一最小總用電量，而此時之備援量為最適值。
    在步驟S38中，冰水系統200之總用電量包括冰水主機的總用電量以及冰水泵、冷卻水泵與冷卻水塔之總用電量。冰水主機的模型用電量可透過公式(6)計算獲得，其中RT為冰水主機之負載量(冷凍頓數)，KPI為冰水主機於當下冷卻水入溫度之運轉效能值。
    kW model=RT/KPI　(6)
    此外，冰水泵、冷卻水泵以及冷卻水塔之總用電量，因泵浦能量與泵浦轉速成立方正比，如公式(7)所示，故定義泵浦運轉頻率Freq與能量Power關係為一多次方程式，其模擬泵浦用電量之演算公式，可如公式(8)所示。
    其中，P,P0為泵浦能量，N,N0為泵浦轉速。
    Power=a‧Freq 3+b‧Freq 2+c‧Freq+d　(8)
    其中，方程式之a、b、c與d係數將以最小平方法迴歸取得之。
    請參照第5圖，其繪示第4圖中雙溫度冰水系統之總用電量評估方式的流程圖。步驟S50係取得備援量，步驟S52係將備援量分別代入公式(4)與公式(5)中，以模擬評估高、低冰水系統之負載與供應量。各冰水主機之負載量可由高、低冰水系統之供應量以平均負載方式分配予各冰水主機與各泵浦而得知。步驟S53及S54係透過已建立的冰水主機與泵浦特性曲線，分別運用公式(6)與公式(8)模擬評估冰水主機與泵浦之用電量。步驟S56則加總所有冰水主機與泵浦之模擬用電量，以取得雙溫度冰水系統之總用電量。
    在第5圖中，由於雙溫度冰水系統之總用電量與備援量為單一變數關係，因此可根據單變數最小值搜尋法，來決定總用電量最低之備援量。單變數最小值搜尋法例如：牛頓法(Newton method)、黃金切割(Golden Section Search)、類神經演算法、基因演算法或費邦那西搜尋法(Fibonacci Search)等方法。若使用黃金切割法，則先確定一區間[a,b]，其中a和b可為前一次迭代之搜尋值。然後，在(b-a)×τ(=0.382)區間中選擇新的縮減量αi進行計算，即可將區間[a,b]縮減1-τ倍。反覆重複前述步驟，即可獲得總用電量最低之備援量。
    綜上所述，雖然本發明已以諸實施例揭露如上，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。
    100．．．監測系統
    110．．．擷取裝置
    120．．．判斷裝置
    130．．．運算裝置
    140．．．顯示裝置
    200．．．雙溫度冰水系統
    210．．．低溫冰水系統
    220．．．高溫冰水系統
    230．．．備援系統
    第1圖繪示依照一實施例之應用於雙溫度冰水系統中之監測系統的示意圖。
    第2圖繪示冰水主機於一冷卻水入水溫度下的特性曲線之示意圖。
    第3圖繪示依照本案一實施例之最適化取得備援量的方法的流程示意圖。
    第4圖繪示最佳化迭代演算之備援量與用電量的曲線示意圖。
    第5圖繪示第4圖中雙溫度冰水系統之總用電量評估方式的流程圖。
    100．．．監測系統
    110．．．擷取裝置
    120．．．判斷裝置
    130．．．運算裝置
    140．．．顯示裝置
    200．．．雙溫度冰水系統
    210．．．低溫冰水系統
    220．．．高溫冰水系統
    230．．．備援系統
    权利要求:
    Claims (11)
    [1] 一種最適化取得備援量的方法，用於一雙溫度冰水系統中，該方法包括：評估該雙溫度冰水系統中冰水主機的實際運轉效能及負載狀態，以得知冰水主機之負載量是否處於一最佳效能運轉範圍內；當冰水主機之負載量超出該最佳效能運轉範圍時，啟動一備援系統，並提供一備援量；進行該備援系統節能運轉控制之迭代演算，包括：定義一迭代備援量，其中該迭代備援量與該備援量之總和為一預估之備援量預估；定義該迭代備援量之縮減量以及限制條件；以該預估之備援量計算冰水主機之負載量；在各迭代計算中，評估該雙溫度冰水系統的總用電量；以及根據一單變數最小值搜尋法，決定總用電量最低之備援量。
    [2] 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該雙溫度冰水系統包括一低溫冰水系統以及一高溫冰水系統，該備援系統係以低溫冰水系統之冰水備援高溫冰水系統。
    [3] 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該備援系統包括一熱交換器，該高溫冰水系統之冰水透過該熱交換器與該低溫冰水系統之冰水進行熱交換。
    [4] 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該備援系統包括一閥門，該低溫冰水系統之冰水透過該閥門供應至該該高溫冰水系統。
    [5] 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中評估冰水主機的實際運轉效能及負載狀態之步驟包括：取得冰水主機之一冰水回水溫度、一冰水出水溫度、一冷卻水入水溫度、一流量和一用電量；根據該冰水回水溫度，該冰水出水溫度，該冷卻水入水溫度、該流量和該用電量，計算冰水主機之部份負載比及實際運轉效能值；以及建構冰水主機之效能指標特性曲線之模型。
    [6] 如申請專利範圍第5項所述之方法，更包括根據冰水主機之效能指標特性曲線模型的一效能運轉指標限制來定義該最佳效能運轉範圍，且該最佳效能運轉範圍的上下限分別為冰水主機之部分負載比的上下限。
    [7] 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中評估該雙溫度冰水系統的總用電量之步驟，包括：根據冰水主機的該負載量以及該實際運轉效能值，計算冰水主機的用電量；根據幫浦運轉轉速與能量的多次方程式，計算幫浦的用電量；以及加總冰水主機的用電量以及幫浦的用電量。
    [8] 一種應用於雙溫度冰水系統中之監測系統，該監測系統包括：一擷取裝置，用以擷取冰水主機的運轉資訊；一判斷裝置，根據冰水主機的運轉資訊，評估冰水主機的實際運轉效能及負載狀態，以得知冰水主機之負載量是否處於一最佳效能運轉範圍內；以及一運算裝置，用以進行一備援系統節能運轉控制之迭代演算，以取得一備援量，該迭代演算包括：定義一迭代備援量，其中該迭代備援量與該備援量之總和為一預估之備援量；定義該迭代備援量之縮減量以及限制條件；以該預估之備援量計算冰水主機之負載量；在各迭代計算中，評估該雙溫度冰水系統的總用電量；及根據一單變數最小值搜尋法，決定總用電量最低之備援量；以及一顯示裝置，用以顯示該備援系統節能運轉控制參數。
    [9] 如申請專利範圍第8項所述之監測系統，其中該雙溫度冰水系統包括一低溫冰水系統以及一高溫冰水系統，該備援系統係以該低溫冰水系統之冰水備援該高溫冰水系統。
    [10] 如申請專利範圍第9項所述之監測系統，其中該備援系統包括一熱交換器，該高溫冰水系統之冰水透過該熱交換器與該低溫冰水系統之冰水進行熱交換。
    [11] 如申請專利範圍第9項所述之監測系統，其中該備援系統包括一閥門，該低溫冰水系統之冰水透過該閥門供應至該該高溫冰水系統。
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