倒传递经网在冰水主机节能控制上的应用

倒傳遞類神經網路在冰水主機節能控制上的應用Application of Back-Propagation Neural Network to Energy Saving Control ofChiller古松國*1 賴炎生*2林俊民*3S.K. Ku, Y.S. Lai, C.M. Lin*1國立台北科技大學電機工程系*2國立台北科技大學電機工程系*3國立台灣大學醫學院附設醫院工務室摘 要本研究主要討論在不增加設備及成本的情況下，採用倒傳遞類神經網路演算法則來控制離心式冰水主機的加載與卸載動作，並且與傳統的比例-積分-微分演算法則控制結果作比較。

類神經網路採影響冰水主機運轉效率的幾項條件，包含冷卻水回水溫度、冰水出水溫度、冰水回水溫度及送風管管內靜壓力等，作為輸入項，而以壓縮機導流翼的開度控制為輸出項。

由實驗結果分析得知：在相似的氣溫條件以及冷房負荷的狀控下，以倒傳遞類神經網路做演算法控制，而導流翼開度分別為原本以比例-積分-微分控制時的1、0.95、0.9、及1.05倍為目標時，所得到的節能結果分別為2.353%、5.376%、9.243%、及1.707%，證明應用倒傳遞類神經網路能夠得到良好的節能效果。

關鍵字：倒傳遞類神經網路，導流翼，容量控制。

ABSTRACTThe objective of this pager is to apply the Back-Propagation Neural Network (BPNN) algorithm to the control of loading and un-loading of centrifugal chiller, while not increasing any equipment and cost. Comparison results with conventional Proportional-Integral-Derivative control law are presented. The input variables for neural network control include temperatures of cooling water of inlet and ice water of chiller of outlet, and static pressure of air duct, which contributes to the efficiency of chiller. The output variable is the position of guide vane for compressor. The experimental results show that the presented BPNN control saves the energy by 2.353%, 5.376%, 9.243%, and 1.707% when the openings of the guide vane are 1, 0.95, 0.90, 1.05 times of those for PID control, respectively. These results demonstrate that the application of BPNN to chiller saves energy significantly.Keywords：Back-Propagation Neural Network、Guide Vane、Capacity Control.一、前言現今台灣地區工商業蓬勃發展，高度都市化，隨著經濟快速成長國民所得大幅增加，人們生活形態的改變與追求舒適安逸的環境，因此在地處亞熱帶的海島，在夏季氣候濕熱時需要使用大量的空調設備，而造成龐大的能量消耗，根據台灣電力公司的統計資料[1]，每年尖峰用電負載持續增加，空調用電也迅速增加約佔30%，而根據經濟部能源委員會的調查[2]，建築物用電分析，一般辦公建築大樓的空調系統用電約佔總用電量的50%，百貨公司的空調系統用電量約總用電量佔70%，而本論文所研究的對象其空調系統用電佔總用電量的40%。

由於一般空調設計是根據最高外氣溫度嚴苛的氣象條件(如危險率2.5％或5％)與室內負荷求得尖峰空調負荷，來決定系統的設備容量，使得空調系統大都在部分負載的狀況下運轉。

所以可知空調系統的節能將是最直接也是最有效的節能方案之一。

有關空調節能研究不外是從提高熱交換器效率、儲能系統、可變風量系統(Variable Air Volume, VAV)等方向來著手，國內目前的節能作法有台電所實施的需量控制[3]與無線電空調主機遙控降載[4]等方法，以電費優惠辦法，直接對大型空調系統作卸載控制應付尖峰用電的危機，以及經濟部能源委員會所推廣的儲冰式空調系統、吸收式空調系統、全熱交換器、新冷媒交換系統及除濕換氣等相關技術來作節能控制；在國外則有美國冷凍空調協會以舒適度為標準，作可變風量送風機的控制來達到節能的目的。

國內外對於冰水主機在節能方面的研究相當有限，若從耗能較大的冰水主機著手，效果必然相當顯著。

關於冰水主機效能改善測試分析的論文如下：1.黃勝吉提出不可逆性分析應用於冰水機能源效率提昇之研究，利用熱力學理論，發展用以評估冰水主機各元件對提昇能源效率潛力的不可逆性分析方法，證明對於提昇能源效率主機具有最大的改善潛力，其中所佔比例以壓縮機最大，冷凝器次之[5]。

2.張明吉在變頻器於中央空調冷氣系統之應用中，針對空氣調節箱的循環空氣流量率、冰水迴路的循環冰水流量率、冰水主機的循環冷煤流量率、冷卻水迴路的循環冷卻水流量率、冷卻水塔的空氣流量率等，進行變頻調速實驗，得知流體機械所消耗的電力與流量率或轉速的三次方成正比。

流體機械的轉速降低，可減少耗電量；應用變頻器於中央空調冷氣系統可達到節省電能之效果[6]。

3.吳武杰在直膨螺旋式冰水機組操作特性與效率提昇之研究中，在各種不同操作參數下之運轉特性，實驗結果顯示：過熱度與冰水入水溫度是影響冷凍能力最主要的因素，而冷卻水入水溫度則是影響壓縮機耗電量最主要的因素[7]。

4.趙宏耀等人(1998)所撰中央空調系統節能連環炮，提供空氣側、冰水側、冰水機及冷卻水側之節能措施，如選用合適冰水泵浦，提高冰水主機的冰水出水溫度設定值，降低冰水主機的冷卻水入水溫度設定值，減少冷卻水循環流量率等[8]。

5.鍾金龍所著的離心式冰水主機變頻控制應用研究一文，根據冰水出水溫度和壓縮機的揚程，利用變頻控制馬達轉速與導流翼的開度作容量的控制，印證離心式冰水主機以調變壓縮機轉速並配合入口導流翼的角度控制於部分負載時，能夠發揮最佳的主機效率[9]。

業奉行政院90年3月8日核定「綠建築推動方案」，並自3月21日起函頒實施。

院內即針對空調用電量做日常節能方面的專案研究，在綜合以上的文獻回顧可知，在空調節能方面多是以佔空調系統耗電量較大的冰水主機做研究，而冰水主機群的負載分配的最佳化條件，乃是以主機本身的效率為基礎，且流體機械所消耗的電力與流量率或轉速的三次方成正比，所以有效的採取壓縮機的容量控制將可有效節省耗電量。

此外，加上彰化師範大學黃裕煒教教授等所從事的關於VAV在舒適度及節能方面的研究[10-11]得知，對於演算法在節能控制的效率方面做比較，倒傳遞類神經網路（Back Propagation Neural Network, BPNN）的效能優於 Fuzzy Control ，而Fuzzy Control的效能又優於 PID Control，是故在兼具考慮以現有的空調系統的架構中，以不影響空調系統運行且不增加或更改設備的情況下，本論文將採取以類神經網路中的倒傳遞類神經網路（BPNN）演算法來作冰水主機的壓縮機容量控制，與傳統的PID演算法的容量控制作比較，驗證其節能的效率，以期作為改善冰水主機節能控制上的應用。

二、離心式壓縮機離心式壓縮機係1922年由美國開立博士(Dr. W. H. Carrier)所發明[12]，利用葉輪在旋轉室內高速旋轉，將吸入之低壓氣體經葉輪旋轉所造成之離心力高壓排出，以達將低壓低溫氣體壓縮為高壓高溫的氣體為目的。

因離心力所產生的壓力差甚小，故離心式壓縮機必須採用大量的冷煤流量或多用幾個葉輪來串聯運轉，產生所需的壓力差，達到冷凍的效果。

離心式壓縮機的容量控制，可以藉由冷煤的流量或壓縮機的運轉轉速等方式來達成。

大致有四種應用方法：1.改變壓縮機的轉速 如往復式壓縮機一樣，利用變速馬達或是經由齒輪變速，當驅動的速度改變時，主軸速度跟隨著改變，使得吸排氣量也因而改變，產生壓縮機能量的改變。

使用此種方式來做容量控制時有最低負載限制，不得低於最大轉速的70%，以免發生湧浪(Surging)現象。

2.改變導流翼的方向或角度 利用導流翼葉片與氣流流向的角度變化，來改變冷煤流量的大小，達到改變吸排氣量與對外之能量，目前市面上離心式壓縮機多屬與此種容量控制方法。

利用馬達所傳動的齒輪轉動角度帶動連桿裝置，使導流翼葉片隨齒輪運轉角度改變而調整葉片的方向，來改變吸排氣量，達到容量控制的目的。

導流翼葉片的方向可控制從全開至全關，故可做10%∼100%的無段容量控制。

3.高壓氣態冷煤旁路控制 將高壓氣態冷煤利用外部的旁通管路送回吸氣端，來達到量控制的目的，與往復式壓縮機相似。

此種控制方法，可在較低的負荷(50%)運轉，避免湧量現象的發生。

4.導流翼與轉速聯合控制法 此方法是擷取導流翼控制與轉速控制的特性，以利系統在低負載運轉時，仍可保持壓縮機的最高效率，其容量控制的原則為當負載介於70%∼100%時，控制導流翼全開，做壓縮機轉速控制，而當負載介於70%以下時，先控制在最低允許轉速下，在逐漸關小導流翼閥的開度[13]。

A.壓縮機容量控制 離心式壓縮機特性曲線詳如圖1所示，當導流翼受到馬達或壓縮機內部潤滑油驅動控制，而改變展開角度時，壓力曲線由原本P1降為P2，P3…，與抵抗曲線R的交點從R1變為R2，R3…，對應的冷煤流量也從Q1降為Q2，Q3…，使得動力曲線隨著壓力的改變由L1減少為L2，L3…，與壓力曲線及抵抗曲線的交點延伸至橫座標軸Q的虛線，形成交點成為新的動力曲線K，由K可觀察當導流翼受到控制使開度由全開逐漸閉合時，壓縮機所需的動力將由K1降低為K2，K3…，由此可知以導流翼作為容量控制的方法對於動力的節省是非常有效的方式[14-15]。

圖1 離心式壓縮機容量控制特性曲線[14-15]B.壓縮機的湧浪現象與控制邏輯 當冷凝器與蒸發器之間的高、低壓差大於壓縮機所設計的最大揚程時，會產生吐出壓力急遽下降的現象，使得通過葉輪的冷煤氣體產生回流，產生間歇性氣流振盪，稱之為湧浪(Surge)，為離心式壓縮機的特性。