智慧辦公建築空調系統之二氧化碳感測器應用探討

前言

從1980年代起以微處理器為基礎的直接數位控制器系統（Direct Digital Control, DDC）開始應用於空調自動控制領域，提供了精準的控制、寬廣的操作彈性及相較於傳統控制器可以減少能源消耗的控制能力與自動偵錯能力，其分散式控制概念更能達到運轉異常時分散風險的目的，業已成為目前智慧辦公建築的BAS的主要架構。台積辦公建築的BAS在空調系統控制上主要以DDC架構來控制空調設備開關與控制參數調整，近年來隨著資通訊技術白熱化發展，BAS以開放式網路架構透過LonWorks、BACnet、Modbus等常見通訊協定，進行跨設備與系統的運轉資料收集與連線控制等功能，使BAS伺服器(Server)能收集會議室二氧化碳濃度、空調箱二氧化碳濃度等運轉資料，可簡單快速取得歷史運轉數據、趨勢圖，不但在短期空調問題發生時即時利用數據分析問題癥結，長期則可做為節能運轉操作智慧化的參考依據^[1]。

現況回顧

台積電辦公建築自1995年導入BAS於空調控制，已利用BAS控制與操作空調設備，可進行空調設備啟停管理與時間控制，並能遠端調整修改空調設備控制參數如溫度、壓力等控制設定值。2008年後建置的BAS開始具備與應用伺服器功能，儲存重要的運轉歷史數據(如二氧化碳濃度變化)與異常警報資料，有別以往的是台積辦公建築空調系統控制不再僅以溫濕度為單一控制導向，空氣品質管理上我們開始以室內二氧化碳含量做為室內空氣品質的重要指標，於空調系統上進行二氧化碳含量監控，在目前市售空調控制系統尚無專用二氧化碳應用控制模式下，透過Server統計數據分析建立台積二氧化碳感測器整合控制模式。

台積辦公建築空調系統簡介

台積辦公建築主要採用可變風量終端風箱(Variable Air Volume Box, VAV Box)、循環空氣調節箱(Air Hand Unit, AHU)、外氣空調箱(Mark up Air Hand Unit, MAU)三種空氣調節設備，主要功能是使建築內產生通風氣流並進行溫度調整、空氣過濾以維持空間舒適度與外氣供應。其設備功能介紹如下。

可變風量終端風箱(VAV Boxs)

VAV Box設備照片與BAS控制畫面 圖一，其主要以現場溫度感測器來控制風箱風量大小，並可設定最大與最小風量與時程管控；主要控制點為室內溫度與終端風箱風量大小。

圖一、可變風量終端風箱

循環空氣調節箱(AHU)

AHU主要功能主要為利用出風溫度感測器控制冰水閥體開度與靜壓感測器控制風車轉速，用來建立室內空氣流動循環並調節室內溫度與室內空氣品質穩定；主要控制點為出風溫度與風管靜壓，AHU設備照片與BAS控制畫面如 圖二所示。

圖二、循環空氣調節箱

外氣空調箱(MAU)

MAU主要功能為提供室內充足潔淨且溫濕度穩定的外氣使辦公室維持正壓，利用露點溫度、出風溫度感測器控制冰水閥體開度與靜壓感測器控制風車轉速提供各樓層AHU足量外氣並稀釋室內二氧化碳濃度；主要控制點為露點溫度、出風溫度與風管靜壓，MAU設備照片與BAS控制畫面如 圖三所示。

圖三、外氣空調箱

早期BAS空調控制僅由操作站進行空調系統操作 圖四，獨立控制單一空調監控系統，僅針對空調設備進行狀態監視、遠端調整、時序啟停控制、異常警報，沒有記錄資料與運算的功能，對於過往運轉趨勢無法追溯，在運轉工作上只要沒有警報動作即所謂運轉正常並無歷史資訊可管理。自2008年以後台積新建辦公建築BAS開始採用開放式架構，透過開放式網路架構使系統網路上所有設備（納入給排水、智慧電錶）皆能於操作站上進行遠端控制 圖五，並將網路運轉資料透過網路傳到伺服器轉為運轉報告、趨勢圖、異常警報記錄報告，進一步還可做到能源管理、跨系統互動整合控制^[2]。

圖四、早期BAS 空調DDC 架構

圖五、新辦公建築BAS 空調DDC 架構

台積辦公建築BAS分為感知與動作、控制、整合三層，透過整合層之資訊建立虛擬管理層^[3]來進行運轉調整 圖六，並進一步利用整合層資料統計來進行最佳化的整合控制，如跨系統、控制器的資料分享應用，確認功能動作能達到預期控制、節能等效果後再進行控制層應用程式修改，以降低整合層運轉負擔，確保分散式控制模式來避免運轉風險，如單一樓層跳電或控制器故障，不會造成BAS全面性癱瘓問題，並能利用網路架構特性快速找到故障點及可能發生原因。

圖六、台積辦公建築BAS 架構

台積辦公建築空調系統二氧化碳感測器智慧化應用

依現行BAS系統控制架構已能有效啟停與調整空調設備，而智慧辦公建築空調系統主要是強調為環境提供良好的空氣品質、舒適及節能運轉，如何兼具以上三種功能為智慧化空調的重要指標，在舒適、節能運轉方面目前BAS已能藉由溫度控制、壓力控制、舒適點偏移、假日與夜間卸載等控制應用來達到其功能，但在空氣品質控管上因起步時間較晚，相對應用技術上比較不成熟。

會議室空氣品質優先處理模式

一般判斷室內通風或空調系統是否良好，主要是以二氧化碳為指標，因為二氧化碳為人體呼吸的代謝產物，當二氧化碳濃度明顯升高時，即顯示出室內換氣量不足。目前世界各國對於室內通風或空調系統的規範主要是參考美國ASHRAE（American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，美國冷凍空調協會）訂定的通風規範(ASHRAE Standard 62-89)，ASHRAE通風標準裡設定：室內每人需要的外氣量大約是15~20cfm，並建議二氧化碳濃度值不應超過1000ppm^[4]。近來空氣品質議題隨室內空氣品質管理法實行日益受重視，因此，對於人員活動與生活時間最長時間之辦公建築是非常重要的控制指標。台積新建辦公建築於15人以上會議室與空調箱風管上皆設有二氧化碳感測器，進行濃度監控，當二氧化碳濃度值超過1000ppm，即由BAS系統發出警報通知管理者處理會議室空調問題，並連動外氣調整風門修改供應外氣比例加強外氣供應 圖八，但是，降低會議室內二氧化碳濃度非常緩慢。依據BAS Server歷史資料統計與實際現場處理問題的經驗，發現會議室空調溫度控制器沒開、設定溫度過高造成風量太小（外氣佔空調出風量20%）是常見的抱怨問題主因；另外，從BAS伺服器歷史資料統計，我們也發現會議室內二氧化碳濃度的變化速度遠快於溫度變化，所以會議室溫度控制器往往反應速度過慢，等到溫度升高到達空調最大供風量時 圖七，不是二氧化碳濃度已經累積很高便是會議即將結束，造成使用者感覺上與管理者控制上的困擾。

圖七、會議室使用一小時內部溫度與二氧化碳變化歷史記錄趨勢圖

圖八、原二氧化碳控制模式

在LEED與ASHRAE、智慧建築等認證或規範皆提到利用二氧化碳濃度來調節外氣供應的建議^[5]，但市售BAS空調控制並無套裝或較成功的整合應用模式，因此，我們利用既有BAS架構將原來會議室的二氧化碳控制器與溫度控制器整合為一個控制參考點 圖九，透過DDC進行資訊分享與控制，在會議室二氧化碳低濃度時仍以溫度來控制風量大小，在會議室二氧化碳濃度高於900ppm時，透過DDC控制輸出至現場VAV Box控制器執行空調全載模式^[6]，以維持會議室內空氣二氧化碳濃度低於1000ppm，達到空氣品質優先處理模式 圖十，在空調溫度控制器沒開的狀況下亦能開啟空調（VAV Box控制器）維持會議室二氧化碳低於1000ppm，當然，在設定上亦可調整為會議室二氧化碳濃度高於超過600ppm即啟動空氣品質優先處理模式，以維持室內更低的二氧化碳濃度，只是相對較為耗能。

圖九、新二氧化碳控制模式

圖十、VAV Box 空氣品質優先處理模式

應用二氧化碳感測器與溫度控制器整合控制除能使會議室內空氣品質良好外， 另一個功能是減少會議室空調設定太低而冷氣外溢至走道之耗能。其實，在空調控制器以二氧化碳感測器自動管理會議室空調的模式下，得以將會議室溫度控制器設定下限設高，仍可維持室內空氣之健康舒適，還可避免同仁設定低溫會議結束後未關空調，造成冷氣大量溢出至走道空間而造成耗能。

AHU二氧化碳感測器整合節能控制

此外目前台積新建辦公建築之外氣管理方面，以外氣空調箱MAU提供外氣給AHU再供給VAV Box調節辦公建築內二氧化碳濃度。之前採行各空調箱獨立管理模式 圖十一，以出口之二氧化碳感測器來控制各台AHU的混外氣比，在濃度低時以最小風量供應外氣，在濃度高時則提高混外氣比到設定最大風量，但於夜間各AHU出口二氧化碳皆低濃度時，無法有效使MAU降低至最小負載運轉（運轉頻率約45Hz），現在透過ICT技術將各DDC的AHU風管出口二氧化碳濃度資料傳遞至伺服器再傳回各DDC，當所有AHU出口二氧化碳濃度低於設定值(600ppm)時，於假日與夜間進行AHU二氧化碳感測器整合節能控制 圖十二，直接將MAU運轉頻率調降至最低30Hz，所有外氣調節風門控制到最小開度（10%-20%依夜間值班人數調整），當任何一台AHU出口二氧化碳濃度再上升超過設定值時，再轉回出口二氧化碳感測器控制模式。

圖十一、AHU 二氧化碳感測器獨立控制

圖十二、AHU 二氧化碳感測器整合節能控制

根據上述節能控制模式調整，以單台212RT 40000CMH的MAU為例，在冰水耗能上每年能節省11.7萬元電費，風車耗能節省5.2萬元電費，所以，如 圖十三所示，單台MAU空調耗能電費每年可節省約17萬元。

圖十三、AHU 二氧化碳感測器獨立控制與節能管理控制空調耗量趨勢圖

未來發展計劃

二氧化碳感測器自動偵錯功能

二氧化碳感測於室內空調控制運用越來越多，二氧化碳感測器的準確性相對非常重要，除了每年的以手持式二氧化碳感測器進行比對、感測器二氧化碳濃度高於1000ppm與低於400ppm發出警訊外，預計依理想二氧化碳濃度控制狀態，於BAS架構建立其自動偵錯能力，在室內二氧化碳感測器低於AHU風管出口二氧化碳感測器100ppm（測量誤差）發出故障警訊，AHU風管出口二氧化碳感測器低於MAU風管出口二氧化碳感測器50ppm（測量誤差）發出故障警訊，MAU風管出口二氧化碳感測器低於400ppm發出故障警訊，確保二氧化碳感測器能充分發揮其維護室內空氣品質的功能。

結論

ICT在未來物聯網時代是相當重要的核心技術，從歷史資料的收集到空調系統與感測器互連控制，透過整合感測資訊結果能快速提早一步進行控制環境，提供舒適環境、良好的空氣品質、空調設備節能運轉。而二氧化碳感測資訊在空調整合應用於空氣品質是智慧化的開始，未來搭配門禁、體感、監視等感測元件技術，透過BAS開放式架構互聯控制將能進一步提升台積辦公建築空調系統在需量控制上的能力，辦公建築之空調系統將越來越有智慧。