专利名称：冰水系统及其控制方法
技术领域：
本发明是有关于一种冰水系统及其控制方法，且具体来说，是有关于一种由多台 冰水主机及多台冷却水塔所组成的冰水系统及其控制方法。
背景技术：
目前多数厂房均设置有冰水系统。冰水系统由数台冰水主机、数台冷却水塔、冰水 泵及冷却水泵所组成。操作人员必须依据天气状况来开关冰水主机及冷却水塔，以达到一 定的冷却效能。现今能源逐渐短缺，能源使用的成本也日益攀高，能源的使用是否为最佳的使用 状态，对于高能源使用成本的高科技厂商而言更为重视。厂务系统耗电量在高科技厂房中 约占其30% 40%的用电，冰水系统耗电量则又约占厂务系统耗电的60% 70%，所以若 针对冰水系统进行最适控制以达到最佳能源使用，则可减少能源使用的成本。
发明内容
本发明有关于一种冰水系统及其控制方法，其利用模型的建构以及逐步搜寻的演 算方式，演算出具有最低系统用电量的操作策略。根据本发明的一方面，提出一种冰水系统的控制方法。冰水系统包括数台冰水主 机及数台冷却水塔。冰水系统的控制方法包括以下步骤。筛选出此些冰水主机及此些冷却 水塔的开启状态的数组可行组合。由此些可行组合中，沿相邻的部分此些可行组合逐步搜 寻出具有最低系统用电量的最佳组合。根据本发明的另一方面，提出一种冰水系统。冰水系统包括数台冰水主机、数台冷 却水塔及控制模块。控制模块包括筛选单元及演算单元。筛选单元用以筛选出此些冰水主 机及此些冷却水塔的开启状态的数组可行组合。演算单元由此些可行组合中，沿相邻的部 分此些可行组合逐步搜寻出具有最低系统用电量的最佳组合。为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式，作详细 说明如下
图1绘示本发明较佳实施例的冰水系统的框图；图2绘示冰水主机的开启数量及冷却水塔的开启数量的组合图；图3绘示开启不同的十台冰水主机的示意图；图4绘示开启不同的九台冷却水塔的示意图；图5绘示本实施例的冰水系统的控制方法的流程图；以及图6绘示图5的步骤S120的详细流程图。主要元件符号说明100 冰水系统
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110 冰水主机120:冷却水塔130 冰水泵140:冷却水泵150 控制模块151 筛选单元152 演算单元153 模型架构单元COP 效能flow_ccp 冰水泵流量freq_ct 冷却水塔运转频率freq_ccp 冰水泵运转频率freq_cwp 冷却水泵运转频率SllO S120、S121 S125 流程步骤T_chi 冰水回水温度
T_cho 冰水出水温度T_cwi 冷却水回水温度T_cwo 冷却水出水温度PLR 部分负载Watt_total 系统用电量Watt_ch 第一用电量Watt_ct 第二用电量Watt_ccp 第三用电量ffatt_cwp 第四用电量
具体实施例方式以下提出一实施例进行详细说明，实施例仅用以作为范例说明，并不会限缩本发 明欲保护的范围。此外，实施例中的图式省略不必要的元件，以清楚显示本发明的技术特
点ο请参照图1，其绘示本发明较佳实施例的冰水系统100的框图。冰水系统100包括 数台冰水主机110、数台冷却水塔120、数台冰水泵130、数台冷却水泵140及控制模块150。 在一般大型高科技厂房中，冰水系统100必须配备数十台冰水主机110及数十台冷却水塔 120才足够满足空调与制程上冰水的需求。在本实施例中，冰水系统100以十三台冰水主机 110及十台冷却水塔120为例做说明。控制模块150用以控制各台冰水主机110及各台冷 却水塔120的开启状态。冰水主机110的开启状态包含此些冰水主机110的开启数量及各 个冰水主机Iio的开启与关闭状态，例如“第1、3及10台等三台冰水主机110开启”、“第2、 3及5台等三台冰水主机110开启”或“第2、7、8、9台等四台冰水主机110开启”。同样地， 此些冷却水塔120的开启状态包含此些冷却水塔120的开启数量及各个冷却水塔120的开 启与关闭状态，例如“第5、7及9台等三台冷却水塔120开启”、“第1、2及9台等三台冷却水塔120开启”或“第7、8、9、10台等四台冷却水塔120开启”。冰水主机110及冷却水塔120在不同的开启状态下，将产生不同的冷却效能，同时 也会需要不同的系统用电量Watt_t0tal。请参照图2，其绘示冰水主机110的开启数量及 冷却水塔120的开启数量的组合图。图2的纵轴代表冰水主机110的开启数量，横轴代表 冷却水塔120的开启数量。举例来说，第A点代表开启十台冰水主机110及九台冷却水塔 120。由图2可知，冰水主机110的开启数量及冷却水塔120的开启数量即可组成相当多种 组合。请再参照图3，其绘示开启不同的十台冰水主机110的示意图。在开启十台冰水主 机110的情况下，选用哪十台冰水主机Iio来开启，又可产生许多种组合。在图3中，“1”表 示开启，“0”表示关闭。举例来说，第A2行代表开启第1 9及11台等十台冰水主机110。 若第Al行为起始组合，则第A2、A3...与第Al行的起始组合差异仅在于一台冰水主机110 的开关差异。请再参照图4，其绘示开启不同的九台冷却水塔120的示意图。在开启九台冷却 水塔120的情况下，选用哪九台冷却水塔120来开启，又可产生许多种组合。在图4中，“1” 表示开启，“0”表示关闭。举例来说，第B3行代表开启第1 7及9 10台等九台冰水主 机120。若第Bl行为起始组合，则第B2、B3...与第Bl行的起始组合差异仅在于一台冷却 水塔120的开关差异。由上可知，冰水主机110及冷却水塔120的开关状态，在不同的开启数量、选用不 同的冰水主机Iio来开启及选用不同的冷却水塔120来开启的情况下，可以组合相当多种 组合。这些组合可以产生的冷却效能及需要的系统用电量Wattjotal均不相同。在这样一个复杂的冰水系统100中，本实施例藉由控制模块150来进行演算，自动 地产出最适合的冰水主机110及冷却水塔120的开关状态，以使冰水系统100可以最低系 统用电量Wattjotal提供稳定的冷却效能。请参照图1，本实施例的控制模块150包括筛选单元151、演算单元152及模型建 构单元153。筛选单元151用以筛选出此些冰水主机110及此些冷却水塔120的开启状态 的数组可行组合。举例来说，请参照图2，左上方的网点区域为不可行组合的区域；右下方 的网点区域为无效率组合区域；中间没有网点的区域则为可行组合的区域。筛选单元151 可将此些可行组合筛选出来，以增加演算效率。演算单元152用以逐步搜寻出具有最低系统用电量Wattjotal的最佳组合。模型建构单元153则用以建立各设备的模型，例如是冰水主机110的第一模型、冷 却水塔120的第二模型、冰水泵130的第三模型及冷却水泵140的第四模型。为了清楚说明本实施例的冰水系统100的运作方式，以下更搭配一流程图说明如 下。请同时参照图2及图5，图5绘示本实施例的冰水系统100的控制方法的流程图。首 先，在步骤SllO中，筛选单元151筛选出此些冰水主机110及此些冷却水塔120的开启状 态的数组可行组合。 接着，在步骤S120中，演算单元152由此些可行组合中，沿相邻的部分可行组合逐 步搜寻出具有最低系统用电量Watt_total的最佳组合。 请更参照图6，其绘示图5的步骤S120的详细流程图。步骤S120包括子步骤 S121 S125。首先，在步骤S121中，演算单元152由此些可行组合中，定义一起始组合及数个相邻组合。起始组合例如是第A点，相邻组合例如是第B I点。其中第A点还包含 选用不同的冰水主机来开启的数种组合，只有其中一个特定组合为起始组合，其余都属于 相邻组合。接着，在步骤S122中，获得起始组合的系统用电量Wattjotal。起始组合的系统 用电量Wattjotal可以采用量测的方式来获得，或者采用预估的方式来获得。然后，在步骤S123中，演算单元152预估各个相邻组合的系统用电量Wattjotal。接着，在步骤S124中，将起始组合及各个相邻组合之中具有最低系统用电量 ffatt_total者，重新定义为新的起始组合。同时也定义出对应于新的起始组合的新的相邻 组合。然后，在步骤S125中，判断原来的起始组合与新的起始组合是否相同。若原来的 起始组合与新的起始组合相同，则结束本流程；若原来的起始组合与新的起始组合不相同， 则重复执行步骤S122 S124。其中，在步骤S123中，冰水系统100的系统用电量Watt_total包含冰水主机110 的第一用电量Watt_ch (冰水主机用电量)、冷却水塔120的第二用电量Watt_ct (冷却水塔 用电量)、冰水泵130的第三用电量Watt_CCp (冰水泵用电量)及冷却水泵140的第四用电
量Watt_Cwp (冷却水泵用电量)。最小系统用电量Wattjotal的目标函数可表示如下式 ⑴Min. {ffatt_total = ffatt_ch+ffatt_ct+ffatt_ccp+ffatt_cwp}....................................(1)其中，演算单元152依据第一模型预估第一用电量Watt_ch。第一模型可表示如下 式(2)。在第一模型中，此些冰水主机110的效能COP (Coefficient of Performance)为此 些冰水主机110的部分负载PLR(Partial Load Ratio)的二次方程式。演算单元152藉由 第一模型，即可依据冷却水回水温度T_cwi、冷却水出水温度T_cwo、冰水回水温度T_chi、 冰水出水温度T_cho及冰水泵流量flow_CCp，预估第一用电量Watt_ch。COP = al · PLR2+bl · PLR+cl........................(2)其中，al、bl、cl为实数。第⑵式另可表示为ffatt_ch = f (COP, T_chi, T_cho, T_cwi, T_cwo,flow_ccp).................................(3)其中，f⑷为函数。此外，演算单元152依据第二模型预估第二用电量Watt_ct。第二模型可表示如下 式(4)。在第二模型中，第二用电量Watt_ct为冷却水塔运转频率freq_ct的三次方程式。 演算单元152藉由第二模型，即可依据冷却水塔运转频率freq_ct，预估第二用电量Watt_
Ctoffatt_ct = a2 · freq_ct3+b2 · freq_ct2+c2 · freq_ct+d2............................(4)其中，a2、b2、c2、d2为实数。第(4)式另可表示为ffatt_ct = f (freq_ct).................................(5)
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再者，演算单元152依据第三模型预估第三用电量Watt_CCp。第三模型可表示如 下式(6)。在第三模型中，第三用电量Watt_CCp为冰水泵运转频率freq_CCp的三次方程式。 演算单元152藉由第三模型，即可依据冰水泵运转频率freq_CCp，预估第三用电量Watt_ ccp。ffatt_ccp = a3 · freq_ccp3+b3 · freq_ccp2+c3 · freq_ccp+d3........................(6)其中，a3、b3、c3、d3为实数。第(6)式另可表示为ffatt_ccp = f (freq_ccp)............................(7)此外，演算单元152依据第四模型预估第四用电量Watt_Cwp。第四模型可表示如 下式(8)。在第四模型中，第四用电量Watt_Cwp为冷却水泵运转频率freq_CWp的三次方程 式。演算单元152藉由第四模型，即可依据冷却水泵运转频率freq_CWp，预估第四用电量 Watt_cwp。ffatt_cwp = a4 · freq_cwp3+b4 · freq_cwp2+c4 · freq_cwp+d4........................(8)其中，a4、b4、c4、d4为实数。第⑶式另可表示为ffatt_cwp = f (freq_cwp)..............................(9)藉由上述的冰水系统100及其控制方法，即可运算出最适冰水系统100的最佳控 制策略，使厂务管理人员可明确得知在何种冰水主机110与冷却水塔120的排列组合下，拥 有最适与节能的开关机组合，并获得稳定与可靠的冰水系统100。在获得最适控制策略后， 即可提供操作建议至厂务管理人员。综上所述，虽然本发明已以实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明。本发明 所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与 润饰。因此，本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。
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权利要求
一种冰水系统的控制方法，该冰水系统包括多台冰水主机及多台冷却水塔，该冰水系统的控制方法包括筛选出所述冰水主机及所述冷却水塔的开启状态的多组可行组合；以及由所述可行组合中，沿相邻的部分所述可行组合逐步搜寻出具有最低系统用电量的最佳组合。
2.如权利要求1所述的冰水系统的控制方法，其中所述冰水主机的开启状态包含所述 冰水主机的开启数量及各个所述冰水主机的开启与关闭状态。
3.如权利要求1所述的冰水系统的控制方法，其中所述冷却水塔的开启状态包含所述 冷却水塔的开启数量及各个所述冷却水塔的开启与关闭状态。
4.如权利要求1所述的冰水系统的控制方法，其中搜寻出具有最低系统用电量的最佳 组合的步骤还包括由所述可行组合中，定义起始组合及多个相邻组合；获得所述起始组合的系统用电量；预估各个所述相邻组合的系统用电量；以及将所述起始组合及各个所述相邻组合之中具有最低系统用电量的那个，重新定义为所 述起始组合。
5.如权利要求4所述的冰水系统的控制方法，其中所述冰水系统还包括冰水泵，预估 各个所述相邻组合的系统用电量的步骤中，各个所述相邻组合的系统用电量包括所述冰水 主机的第一用电量，预估各个所述相邻组合的系统用电量的步骤包括依据冷却水出水温度、冷却水回水温度、冰水出水温度、冰水回水温度及冰水泵流量， 预估所述第一用电量。
6.如权利要求5所述的冰水系统的控制方法，其中预估所述第一用电量的步骤依据第 一模型进行预估，在该第一模型中，所述冰水主机的效能为所述冰水主机的部分负载的二 次方程式。
7.如权利要求4所述的冰水系统的控制方法，其中预估各个所述相邻组合的系统用电 量的步骤中，各个所述相邻组合的系统用电量包括所述冷却水塔的第二用电量，预估各个 所述相邻组合的系统用电量的步骤包括依据冷却水塔运转频率，预估所述第二用电量。
8.如权利要求7所述的冰水系统的控制方法，其中预估所述第二用电量的步骤依据第 二模型进行预估，在该第二模型中，所述第二用电量为所述冷却水塔运转频率的三次方程 式。
9.如权利要求4所述的冰水系统的控制方法，其中所述冰水系统还包括冰水泵，预估 各个所述相邻组合的系统用电量的步骤中，各个所述相邻组合的系统用电量包括所述冰水 泵的第三用电量，预估各个所述相邻组合的系统用电量的步骤包括依据冰水泵运转频率，预估所述第三用电量。
10.如权利要求9所述的冰水系统的控制方法，其中预估所述第三用电量的步骤依据 第三模型进行预估，在该第三模型中，所述第三用电量为所述冰水泵运转频率的三次方程 式。
11.如权利要求4所述的冰水系统的控制方法，其中所述冰水系统还包括冷却水泵，预估各个所述相邻组合的系统用电量的步骤中，各个所述相邻组合的系统用电量包括所述冷 却水泵的第四用电量，预估各个所述相邻组合的系统用电量的步骤包括依据冷却水泵运转频率，预估所述第四用电量。
12.如权利要求11所述的冰水系统的控制方法，其中预估所述第四用电量的步骤依据 第四模型进行预估，在该第四模型中，所述第四用电量为所述冷却水泵运转频率的三次方 程式。
13.一种冰水系统，包括多台冰水主机；多台冷却水塔；以及控制模块，包括筛选单元，用以筛选出所述冰水主机及所述冷却水塔的开启状态的多组可行组合；及演算单元，由所述可行组合中，沿相邻的部分所述可行组合逐步搜寻出具有最低系统 用电量的最佳组合。
14.如权利要求13所述的冰水系统，其中所述冰水主机的开启状态包含所述冰水主机 的开启数量及各个所述冰水主机的开启与关闭状态。
15.如权利要求13所述的冰水系统，其中所述冷却水塔的开启状态包含所述冷却水塔 的开启数量及各个所述冷却水塔的开启与关闭状态。
16.如权利要求13所述的冰水系统，其中所述演算单元由所述可行组合中定义起始组 合及多个相邻组合、获得所述起始组合的系统用电量、预估各个所述相邻组合的系统用电 量，并将所述起始组合及各个所述相邻组合之中具有最低系统用电量的那个，重新定义为 所述起始组合。
17.如权利要求16所述的冰水系统，还包括冰水泵；其中各个所述相邻组合的系统用电量包括所述冰水主机的第一用电量，所述演算单元 依据冷却水出水温度、冷却水回水温度、冰水出水温度、冰水回水温度及冰水泵流量，预估 所述第一用电量。
18.如权利要求17所述的冰水系统，其中所述控制模块还包括模型建构单元，用以建 立所述冰水主机的第一模型，在该第一模型中，所述冰水主机的效能为所述冰水主机的部 分负载的二次方程式，所述演算单元依据所述第一模型预估所述第一用电量。
19.如权利要求16所述的冰水系统，其中各个所述相邻组合的系统用电量包括所述冷 却水塔的第二用电量，所述演算单元依据冷却水塔运转频率，预估所述第二用电量。
20.如权利要求19所述的冰水系统，其中所述控制模块还包括模型建构单元，用以建 立所述冷却水塔的第二模型，在该第二模型中，所述第二用电量为所述冷却水塔运转频率 的三次方程式，所述演算单元依据所述第二模型预估所述第二用电量。
21.如权利要求16所述的冰水系统，还包括冰水泵；其中各个所述相邻组合的系统用电量包括所述冰水泵的第三用电量，所述演算单元依 据冰水泵运转频率，预估所述第三用电量。
22.如权利要求21所述的冰水系统，其中所述控制模块还包括模型建构单元，用以建立所述冰水泵的第三模型，在该第三模型中，所述第三用电量为所述冰水泵运转频率的三 次方程式，所述演算单元依据所述第三模型预估所述第三用电量。
23.如权利要求16所述的冰水系统，还包括 冷却水泵；其中各个所述相邻组合的系统用电量包括所述冷却水泵的第四用电量，所述演算单元 依据冷却水泵运转频率，预估所述第四用电量。
24.如权利要求23所述的冰水系统，其中所述控制模块还包括模型建构单元，用以建 立所述冷却水泵的第四模型，在该第四模型中，所述第四用电量为所述冷却水泵运转频率 的三次方程式，所述演算单元依据所述第四模型预估所述第四用电量。
全文摘要
一种冰水系统及其控制方法。冰水系统包括数台冰水主机及数台冷却水塔。冰水系统的控制方法包括以下步骤筛选出此些冰水主机及此些冷却水塔的开启状态的数组可行组合。由此些可行组合中，沿相邻的部分此些可行组合搜寻出具有最低系统用电量的最佳组合。
文档编号G05B19/04GK101930220SQ20091014822
公开日2010年12月29日 申请日期2009年6月18日 优先权日2009年6月18日
发明者刘子吉, 吴俊儒, 简铭贤 申请人:财团法人工业技术研究院