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解析電能管理需量控制之節能效益

解析電能管理需量控制之節能效益. 2007/0 6 / 27. 演講者：吳清圳. 內容大綱. 前言 電能管理與需量控制之關連性 電能管理目的與效益 需量控制技術之探討 一般電力需量監視控制管理系統主要構成 電能管理需量監控之實務重點技術 案例介紹 結論. 一、前言. 節能方式分二大方法： 從硬體設備改善，如加裝變頻器、高效率馬達、進相補償電容器等等，進行節能。 從軟體方面改進，製程改善、系統調整、管理調控等，可大幅降低能源費用，通常以軟體方式所投資的成本低，所產生的效益大，最值得大力宣導。

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  1. 解析電能管理需量控制之節能效益 2007/06/27 演講者：吳清圳

  2. 內容大綱 • 前言 • 電能管理與需量控制之關連性 • 電能管理目的與效益 • 需量控制技術之探討 • 一般電力需量監視控制管理系統主要構成 • 電能管理需量監控之實務重點技術 • 案例介紹 • 結論

  3. 一、前言 • 節能方式分二大方法： • 從硬體設備改善，如加裝變頻器、高效率馬達、進相補償電容器等等，進行節能。 • 從軟體方面改進，製程改善、系統調整、管理調控等，可大幅降低能源費用，通常以軟體方式所投資的成本低，所產生的效益大，最值得大力宣導。 採用智慧型電能管理監控裝置，透過管理手段提高能源使用效率，達到合理用電降低用電成本支出。也是經濟部能源局頒定「節能經濟措施推動計劃」中加強電能管理提高能源效率之方案執行。

  4. 需量同步問題 執行過程中由於台灣電力公司未開發需量同步訊號介面，所以同步問題一直無法解決導致電能管理很難落實。 歷經多次會商結果，在87-89年由經濟部所屬之台灣電力公司協助中小企業研發符合台灣地區使用之本土化智慧型電力需量監控裝置，由88、89二年度國科會電力科技產業學術合作研究計劃測試證實對空調設備之尖峰負載有抑低10-15%之調控效益以及需量同步誤差在0.5%以內，值得全面推廣。

  5. 全面推廣 本土化之智慧型電能管理監控裝置軟/硬體研發成功後，從91年～94年全面展開推廣業務也獲得良好的回應。 95年底由綠基會完成了電能管理需量控器之Q&A手冊詳細內容可閱覽綠基會網站(http://www.tgpf.org.tw ) 。

  6. 節約能源及提高能源效益二項任務是降低用電成本最捷徑的方法，但必須有能源管理之專業技術，因此廿一世紀主流之新興行業就是能源技術服務業(Energy Service Companies /ESCO)。 • 能源服務的項目很多，其中以空調設備之節能最有績效，因為空調設備所造成的尖峰需量高達30%以上。空調設備之節能可從設備之性能及運轉方式來提高效益；其中以舒適度為運轉指令可節省10～15%之電費正是ESCO業務之商機。

  7. 談到ESCO業務最有爭議的議題就是績效驗證M&V項目如何爭取兩方合意，除了建立互信互惠之基本原則，最好的認定是有明確的數據佐證，為此可能花費很多量測之費用增加建置的成本而影響整體效益，為著能議定最佳的基準線(Base Line)所以建置前之資料儘量能完整。 • 建構智慧型電能管理監控裝置，可完整的記錄用電之背景資料及建置後之節能績效核對，可以一目瞭然符合IPMVP OPTION-B之驗證方式，在未來ESCO業務推展上智慧型電能管理監控裝置做為先鋒一點也不為過。

  8. 舒適度 控制模組 二、電能管理與需量控制之關連性 (1) 電能管理的定義 經由儀表及時(ON TIME )量測用電趨勢之資料記錄(時、日、月、年之負載率及最大需量值(KW)日、月、年之總用電量(KWH)加以分析，然後透過管理手段適度調控負載，提高用電效率達到合理用電之管理，減少能源的浪費。

  9. (2)需量控制基本認知 • 合理使用電力，降低基本電費的支出。 • 契約需量是電力公司為保障電力系統安全，要求用電戶必須依據需量的定義，計算負載所需的需量，並訂定合約；電力公司據此契約需量準備電力，同時為保證用戶履行合約而訂定超約用電處理原則 。

  10. 瞬時有效電力kW 每十五分鐘為一週期 以有效電力的平均累積電力量值為需量值 瞬時需量值kW (3)需量之定義 • 台電的需量單位以每15分鐘內有效累積電力量值。

  11. 負載率= X100=83% (4)最大需量之定義 • 需量是電力公司為保障電力系統安全而定的，需量單位以某一特定時段內有效累積電力量值以台灣而言，每一需量週期為15分鐘，所以一天24小時共有96次需量週期，其中最大值就是當日的最大需量。 • 假設一天96次需量中其中只有一次最大需量為120KW，其他都是在100KW內，當日的總用電量2400KWH： 2400(KWH)/24小時 120(KW) 若將最大需量120KW控制在100KW時其負載率為100%，兩者相差近17%之效率。

  12. (5)何謂超約用電？ • 每月最大電力需量超過與台電簽訂的契約容量。 • 超約用電：超約用電超出契約容量在10%以下部分，按適用電價之二倍計收基本電費；超出10%以上部分，按適用電價之三倍計收基本電費。

  13. (6)同步式與滑動式監視之分別 • 同步式如台電之監視方式，滑動式又稱(ROLLING DEMAND)係最近需量監視之潮流，連續性之滑動式需量監視，由於台電之同步訊號尚未開放，所以滑動式需量監視需要校對，使用上不方便。

  14. (7)電能管理與需量控制兩者之關連性 • 需量控制乃是電能管理的一環執行需量控制時，必須以電能管理之資料分析後，再執行才不會影響用電品質及設備壽命，否則需量控制就失去控制之意義。就如同醫生看診必須有病人之身體檢查資料才能判定治療及藥方一樣，兩者之間是相輔相成。

  15. 三、電能管理目的與效益 減少流動電費(kWh)：效益(10-15%) • 應用智慧型電能管理監控裝置(W.P.M.D.)之任務週期調控模組，在不影響空調品質之前題下，執行各空調箱之控制以及配合舒適度控制模組來調控主機減少流動電費。 減少基本電費(kW)：效益(10-15%) • 應用智慧型電能管理監控裝置(W.P.M.D.)之預先演算需量值來調控各主機進行卸載抑低最大需量，可減少基本電費及超約罰款。

  16. 節省流動電費之策略 (1)舒適度(PMV)控制程式之建立 • 應用任務週期控制程式整合界面與舒適度(PMV)控制程式(Predicted Mean Vote)結合，改變調控指令把一般以溫度為調控指標之方式改用舒適度(PMV)為調控指標。 • 調控之常數包含室內出風口溫度、風量、濕度、輻射熱及活動率…等參數，經調控後實際運轉之節能效益高達15～30%之多。應用上極大之突破。

  17. 舒適度(PMV)指標

  18. (2)舒適度控制策略 • a.一般以溫度為控制指標，長時間運轉並非最佳化運轉模式，產生能源浪費，建立電能管理需量控制與空調舒適度，做到最佳化的對應運轉模式。 • b.空調系統中，空氣中之溫濕度等多為非線性變化，空調舒適度屬多輸入多輸出之非線性、時變、不確定之耦合狀況。

  19. c.舒適度之指標：有效溫度ET (Effective Temperature) • d.人體熱平衡及舒適度的元要素以溫度、濕度、幅射溫度、穿衣量、氣流速、優劣狀態等條件所決定。 • e.以舒適指標值中之乾球溫度、幅射溫度與風速三變數，作為輸入變數、控制輸出量的依據。 • f.將室內溫度和濕度等非線性變數設立資料庫，利用程式計算空調負荷以自動決定有效溫度圖上，達到最佳工作點及溫、濕度設定值，輸出參考信號至電能管理需量控制設備，以維持最佳的冰水主機運轉之主控出水溫度。

  20. 節省基本電費有效控制技術 • 電腦根據用電戶依照契約電力設定之目標電力值，在依目前使用中之電力變化傾向及對應已使用過之電力變化資料，應用智慧型CPU之FUZZY演算，可即時計算出電力需量預測值，並依設定指令適時發出執行(或解除)、警報及負載調控。

  21. 預測電力 限界電力 目標電力 應用智慧型電能管理監控裝置（W.P.M.D.）之預先演算需量值來調控各主機進行卸載抑低最大需量，可減少基本電費及超約罰款。 目標現在電力 現在電力 警報解除點 警報發生點 效益：10～15%

  22. 四、需量控制技術之探討 (1)一般需量控制器預測型態之方式 • 利用用電增加率預測 • 利用過去電力狀況及目前發生的量測值 • 利用某段時間內有效電力的均值預測 • 利用正在進行的需量值預測 (2)規劃性的需量控制技術 • 尖峰消除(Peak Clipping) • 負載轉移 • 負載曲線谷底填充 • 能源節約

  23. (3)強迫性的需量控制技術 • 若預測到可能超約時，可經由事先設計的控制方式，將負載預先且暫時的停用。 (4)空調負載之控制技術 • 中央空調系統 • 箱型空調機之控制技術 • 窗型及分離式冷氣之控制為直接或間接控制壓縮機電源方式與箱型空調機大致相同，視用途來規劃。 (5)電熱負載控制佔電力負載比率很大，是非常值得控制設備。

  24. (6)動力馬達之控制 • 列入負載需量情況之分台／分組／分區或分段控制(Step Control)，有顯著效益。 (7)電爐負載之控制 • 所以如何有效的控制是視運轉功能做適當之操控管理，可獲得相當節電省錢成效。 (8)照明節電控制 • 規劃「全面照明」及「重點照明」，分區/分室/分迴路，依使用需求規則可「人控」或「時控」或「配合光度計及感溫計自動控制」之操控管理，可節省可觀節電效益。

  25. 五、一般電力需量監視控制管理系統主要構成 需量控制系統主要構成 : (8)終端監視器 (9)電力量計KW (10)KW合成器 (11)其它類比信號 (12)負載控制器 (13)警報輸出 (14)尖峰用電控制管理 及可停機次要負載 (1)需量管理用計器 (2)PULSE轉換器 (3)需量控制器 (4)KW顯示器 (5)PC電腦 (6)印表機 (7)磁碟機

  26. 六、電能管理需量監控之實務重點技術 (1)成敗關鍵技術主要內容 • 確實有節能效益並可隨時查驗續效。 • 準確度高，總誤差在1%以內。 • 性能穩定，不易受干擾檔機或故障。 • 設備壽命週期長10年。 • 完整的單機系統，操作簡單。

  27. 價位適當，投資報酬率2.5年內收回。 • 維護費用少。 • 系統擴充性佳，可隨著用電成長調整，不必更新設備。 • 有法人單位驗證。

  28. (2)節能績效驗證 (IPMVP；International Performance Measurement and Verification Protocol)

  29. (3)節能看板範例 (省錢看得見)

  30. 七、案例介紹 (台南市XX文化中心效益報告) (1)概述 智慧型電能管理監控裝置主要用途是： • 提升電能使用效益(kW)。提升電能使用效益可做合理用電需量(kW)調控，避免或減少超約受罰。 • 節約電能(kWh)。節約電能可以節省流動電費(kWh)。 前二項用途均能達到節能目的。

  31. 落實電能管理之監控裝置研發由經濟部所屬事業協助中小企業推動研究發展計劃由台電公司補助交給台北科大在八十九年完成符合台灣地區供電系統專用的”智慧型電力監控裝置”及”中央空調主機降載控制器”。落實電能管理之監控裝置研發由經濟部所屬事業協助中小企業推動研究發展計劃由台電公司補助交給台北科大在八十九年完成符合台灣地區供電系統專用的”智慧型電力監控裝置”及”中央空調主機降載控制器”。 • 經行政院國科會於八十八年度電力科技產業學術合作研究計劃進行實際測試及系統調控，證實有10~15%實質效益；能源局於九十年開始全面推廣並將研發成果轉移民間企業執行業務。

  32. 12個月以來用電情況統計資料如下：

  33. (2) 95年度用電歷史資料圖表

  34. (3)用電資料分析 • 目前契約容量：1,000 kW。 • 經統計 貴中心在95年7月產生輕微的超約罰款金額共計NT$7,155元。 • 95年最大需量發生在7月份為1,016 kW，最小需量發生在3月份為342 kW，相差674 kW(佔契約容量約67%)。

  35. (4)分析報告 • 依據 貴中心所提供之資料，於95年最大需量發生在7月份為1,016 kW，超過契約容量16 kW。 • 依據 貴中心所提供之資料，能配合調控負載設備約可提撥105 kW之調控容量。 中央空調主機 60 噸 12台 箱型冷氣機 10 噸 5台 分離式冷氣 3 噸 11台 冷卻水塔風扇馬達 10 HP 10台

  36. 為台電的最大需量記錄方式是每15分鐘為一週期，以有效電力的平均累積電力量值為需量單位，台電之電費計價是以每個月為單位，所以以30天計算每天有96次週期X 30天共計2,880次的15分鐘需量週期，只要其中有一次是最大值就是以此次為當月的最大需量值。調查研究報告每個月的最大需量值都沒有超過5%，所以建構W.P.M.D.調控轉移尖峰負載是當務之急。 • 依據國科會於八十八年度電力科技產業學術合作研究計劃進行實際測試及系統調控，證實有10-15 %實質效益；能源局為著提高能源使用效益從九十年度開始全面推廣落實電能管理監控裝置。

  37. (5)綜合效益 • 節電調控105kW減少基本電費 NT$ 245,000. • 需量調控70kW減少流動電費 NT$80,000. • 全年度綜合效益可達約 NT$ 325,000. • 電能管理監控系統裝置使用壽命約十年以上。 • 十年內可節省電費約為 NT$ 3,250,000.

  38. (6)效益曲線圖 契約容量 1000KW 節能效益： 105 KW 改善前 最大需量 改善後 最大需量

  39. (7)節能績效驗證(IPMVP OPTION B; International Performance Measurement and Verification Protocol) • 談到ESCO業務最有爭議的議題就是績效驗證 M&V (Measurement and Verification) 項目如何爭取兩方合意，除了建立互信互惠之基本原則，最好的認定是有明確的數據佐證，為著能議定最佳的基準線(BASE LINE)，所以建置前之資料儘量能完整，此時建構智慧型電能管理監控裝置，可記錄用電之背景資料及建置後之節能績效核對，可以一目瞭然，符合IPMVP OPTION B之驗證方式，在未來ESCO業務上智慧型電能管理監控裝置做為先鋒一點也不為過。

  40. 八、結論 • 化石燃料逐漸耗盡所帶來的全球「能源危機」與二氧化碳溫度氣體排放的”地球環保問題”將是廿一世紀初期二項最大嚴重的問題。 • 我國能源短缺97%以上依賴進口，導致能源成本高漲，有效的”節電又節能”是當前最重要的課題。由於能源用戶面對節電、節能之技術不夠成熟，耽憂所投下之資金無法回收，所以效益不彰。

  41. 在工業及非製造業已有數百個不同的應用成功案例，應用上大致主要控制管理，空調(冰水主機、箱型機、集中管理之窗型機)、抽排風機、給水泵、及可暫停或間歇運轉與可移轉離峰運轉之製程負載，其系統合理規劃，可抑低尖峰用電約5%~15%左右，並減少用電量在工業及非製造業已有數百個不同的應用成功案例，應用上大致主要控制管理，空調(冰水主機、箱型機、集中管理之窗型機)、抽排風機、給水泵、及可暫停或間歇運轉與可移轉離峰運轉之製程負載，其系統合理規劃，可抑低尖峰用電約5%~15%左右，並減少用電量 5-15%及增加電氣設備裕度效益，其投資回收年限約2-3年內。 • 依成功案例統計，電能管理需量控制裝置規模，高壓用戶契約容量300kW以上者較符合投資效益。

  42. 敬請指教 Q & A

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