冰水主機

冰水主機（chiller）是利用蒸氣壓縮製冷、吸附式製冷或吸收式製冷循環，將液態載冷劑中的熱能移出的機器。載冷劑之後可以流到換熱器來冷卻設備或是其他製程用到的物質（例如空氣或是處理水）。冷凍會產生廢熱，這是一定會有的副產物，廢熱需排到外界，或是用在加熱過程，以提昇效率。蒸氣壓縮冰水主機可能會用許多不同種類的壓縮機，現今最常見的是全封閉渦旋式壓縮機、半封閉式螺桿式壓縮機，以及離心式壓縮機。冷水主機的冷卻介質可以是空氣或是冷卻的水。冷水主機如果採用水冷，一般會用自然通風或是強制送風的冷卻塔來冷卻。吸附式製冷和吸收式製冷都需要熱源才能運作。

冰水主機常用在大中型商用、工業用、基礎設施用的冷卻和除濕。水冷冰水主機可以是液冷（透過冷水主機）、空氣冷卻或是蒸發冷卻。水冷（或是液冷系統）在效率以及環境影響上，都比空氣冷卻要好。

## 空調上的應用

空氣調節系統中，載冷劑一般是用水和乙二醇混合而成，來自空調或是冷凍設備的冰水主機，分散到空氣處理器或其他終端處理設備的熱交換器或盤管（coil）中，以此冷卻周圍空間裡的空氣。水會迴流到冰水主機裡再冷卻。冷卻盤管會將空氣中的顯熱和潛熱傳送到冰水中，使空氣冷卻並且除濕。標準空調應用的冰水主機冷凍能力在50kW到7MW之間，至少有兩家廠商（York international和LG）可以生產冷凍能力高達21MW的冰水主機。冰水溫度（離開冰水主機時）多半在34to的範圍，依應用需求而定。常見的冰水主機會將12°C（進入溫度）的冰水冷卻到7°C（離開溫度）。

若空調系統的冰水主機無法運作或是需要維修或更換，會用緊急冰水主機來提供冷卻水。租賃的冰水主機一般會安裝在拖車上，以便快速的進行佈署，會用大型的冰水軟管連接租用的冰水主機和空調系統。

## 工業應用

在工業應用中，會由冰水主機供應冰水或是其他載冷劑，由泵輸送到其他製程設備或是實驗設備。工業冰水主機會用在許多產業中，用在產品、機構或是工廠機械的受控冷卻。工業冰水主機常用在塑膠產業、射出成形和吹塑成型、金屬加工的切削油、焊接設備、壓鑄和工具機、化工製程、製藥、食品和飲料製造、造紙和陶瓷加工、真空系統、X光繞射、電源和燃氣渦輪發電站、分析設備、半導體、壓縮空氣和氣體冷卻。工業冰水主機也用在冷卻高發熱的特殊設備，例如核磁共振儀以及雷射設備。

工業應用的冰水主機可以是集中式的，由一個冰水主機供應多個不同的製冷需求，也可以是分散式的，每一個應用或是機器有其各自的冷水主機。兩種作法都各有其優缺點。也可能混合使用集中式和分散式的冰水主機，可能是不同區域的部份冷卻需求相同，但仍有些不同的情形。

冰水主機可以用在中大型商業、工業和機構（CII）建築的空氣調節。冰水主機可以是液冷、空冷或是蒸發冷卻。水冷或是液冷的冰水主機常配合冷卻塔，和空冷冰水主機相比，此作法可以提昇冰水主機的熱效率。其原因是因為熱可以在接近空氣濕球溫度的溫度排出，而不是在溫度較高的乾球溫度排出。蒸發冷卻的冰水主機效率比空氣冷卻要好，但仍低於液冷冰水主機。

液冷冰水主機一般會安裝在室內，由獨立的冷卻水管路冷卻，此管路中的冷卻水會在室外冷卻塔降溫，將熱排到室外。

空冷或是蒸發冷卻冰水主機一般會安裝在室外，空冷冰水主機可以由周圍機械循環流動的空氣直接冷卻，熱從冰水主機的冷凝器盤管，直接排到大氣中。蒸發冷卻冰水主機也類似，但會在冷凝器盤管上施加一層水霧，以幫助冷凝器冷卻，使機器比傳統的風冷機器更有效率。這兩種冰水主機一般不會需要額外的冷卻塔。

冰水主機周圍若有現有的冷水水體可用，可以直接用來冷卻、取代冷卻塔，或是輔助冷卻塔的功能。像在加拿大多倫多的深水源冷卻系統就是一個例子。此系統用冷的湖水來冷卻冰水主機，而冰水主機透過區域冷氣系統冷卻城市中的大樓。返回的水用來加熱城市中的飲用水處理系統，在天氣冷時會需要此功能。冰水主機除了本身的冷卻功能，其廢熱也可以利用，可以達到很高的熱效率。

## 蒸汽-壓縮冰水主機技術

蒸汽-壓縮冰水主機會使用以下壓縮機中的一種：往復式壓縮機、渦卷式壓縮機、螺旋式壓縮機或離心式壓縮機，這些壓縮可以用電動機、蒸汽渦輪發動機或燃氣渦輪發動機驅動。最常見的作法是用電動機在半密封（semi-hermetic）或全密封（hermetic）的組態驅動，因為電動機可以高效運行，也很容易用製冷劑冷卻，不需要額外的燃料供應，或考慮廢氣排放問題，因為電動機可以在製冷劑中運行，不需要軸封，也減少了維修、洩漏相關的成本以及維修造成的停工時間，不過有時也會使用開放式的壓縮機。冰水主機發揮製冷效果是透過逆朗肯循環，也稱為蒸汽-壓縮。配合冷卻塔的熱排出，其性能係數（COP）很高，可以到5.0甚至更高。

COP $= \frac{\text{Cooling power}}{\text{Input power}}$

以下是此系統的主要組件：

冷凍壓縮機在本質上就是氣態冷媒的泵浦。壓縮機的額定（也是冰水機的冷凍能力）可以用千瓦輸入（kW）、馬力輸入（HP）或體積流率（m3/h, ft3/h）表示。壓縮氣態冷媒的機制會隨壓縮機種類而不同，每一種都有其適合的應用。壓縮機可以和電動機整合，也可以是開放型，透過機構和外部的電動機連接。

近年來，會在蒸汽-壓縮冰水主機中使用變頻器（VSD）來驅動，可以提昇效率。最早變頻器是在1970年代末期用在離心型壓縮機上，隨著能源成本上昇，這也成為主流。目前變頻器也用在渦卷式壓縮機和螺旋式壓縮機上。

冷凝器可以是氣冷、液冷或是蒸發式的。冷凝器本身是熱交換器，讓熱從冷媒氣體傳到水或是空氣中。氣冷凝結器是用銅管（供冷媒流動）和鋁散熱鰭片（讓氣流流過）製成。每一種冷凝器有不同的材料成本，在效率上也有不同。若配合蒸發冷卻的冷凝器，其性能係數很高，可以到4.0甚至更高。氣冷凝結器會裝設在戶外，由周圍的空氣配合風扇強制冷卻。水冷或是液冷凝結器的冷卻水會接到冷卻塔，在冷卻塔中散熱。

膨脹裝置（熱力膨脹閥，TEV）或冷媒量測裝置（RMD）會限制液態冷媒流動，會產生壓力降，使一些冷媒氣化。冷媒氣化會從周圍的液態冷媒吸收能量。冷媒量測裝置會放在蒸發器前方，接近蒸發器處，因此蒸發器裡的冷氣體可以吸收水中的熱。冷媒量測裝置在蒸發器出口處有一個感測器，讓冷媒量測裝置可以依冰水主機設計需求而調整流量。

蒸發器可以是盤型或是殼管型。蒸發器也是熱交換器，可以讓熱從水蒸氣傳到冷媒氣體。在剩下的液態冷媒汽化的相變化中，冷媒可以吸收大量的熱，其溫度不會有明顯變化。

## 吸收式製冷原理

吸收式製冷的熱力學循環是由熱源所驅動，熱能多半是透過蒸氣、熱水或是燃燒進到冰水主機。相較於電力驅動的冰水主機，吸收式製冷的電能需求很小，包括溶液泵和冷卻泵在內的總功率很少超過15 kW。不過其熱能輸入需求很大，COP多半是0.5（單效，single-effect）到1.0（雙效，double-effect）。以相同的冷凍能力考量，吸收式製冷需要的冷卻塔會比蒸氣壓縮式的要大很多。不過以能源效率的觀點來看，若有低位（low-grade）熱值或是廢熱可以使用，吸收式製冷的效果很好。在一些特別炎熱的氣候中，太陽能也曾用來作為吸收式製冷的能量來源。

單效吸收循環用水作為冷媒，溴化鋰為吸收劑。是兩物質之間強大的親和力讓此循環運作，整個過程在幾乎真空的條件下進行。

- 溶液泵：在吸收器殼的底部，收集了濃溴化鋰溶液（濃度60%）。密封溶液泵從此處將溶液透過殼管式熱交換器預熱。
- 發生器：濃溶液在離開熱交換器之後，會移動到殼體上部。溶液環繞著輸送蒸氣或是熱水的管路，蒸氣或熱水將熱傳送給濃溴化鋰溶液。溶液沸騰，將冷媒蒸氣往上送到冷凝器，留下下方的濃縮溴化鋰。濃縮溴化鋰溶液往下流到熱交換器，被泵送到發生器的稀溶液冷卻。
- 冷凝器：冷媒蒸氣從除霧器移動到冷凝器管路。冷媒蒸氣在管路中凝結，熱被管路內的冷卻水所帶走。冷媒凝結後，會聚集在冷凝器底部的槽中。
- 蒸發器：冷媒液體從殼體上部的冷凝器移動到殼體下方的蒸發器，在蒸氣器管束上噴灑。因為下方殼體的極度真空（絕對壓力6 mm Hg，0.8 kPa），冷媒液體在約39F時沸騰，產生冷凍效應（真空度是因為吸濕作用。水和溴化鋰的強大親和力）
- 吸收器：當冷媒蒸氣從蒸發器移動到吸收器時，發生器的濃溴化鋰溶液會在吸收器上方管束上噴灑，產生蒸發器的真空度。冷媒蒸氣被溴化鋰溶液吸收，會產生熱，熱會被冷卻水帶走。現在濃溴化鋰溶液蒐集在殼層下方的底部，當流到溶液泵時，完成冷卻循環，開始新一輪的循環。

## 工業冰水主機選用

選用工業冰水主機時的重要規格有總生命週期成本、動力來源、冰水主機IP等級、冰水主機冷凍能力、蒸發能力、蒸發器材質、蒸發器種類、凝結器材質、凝結能力、環溫、電動機風扇種類、噪音等級、內部管路材質、壓縮機數量、壓縮機種類、冷媒需求、流體出口溫度、以及性能係數（COP，單位為冷凍噸的冷凍能力，和單位為kW的冰水主機耗能之間的比例，對於中大型冰水主機，其數值會在3.5到7.0之間，數值越大表示效率越好。在美國則會用單位冷凍噸的kW（kW/RT）表示。

需考慮的重要過程泵規格包括有過程流量、過程壓力、泵材質、彈性體以及機械軸封材質、電動機電壓、電動機電氣等級、電動機IP等級以及泵浦額定。若冷水溫度小於−5 °C，需使用可以處理高濃度乙二醇的特製泵浦。其他重要規格包括內水箱大小、材質以及滿載電流。

在選用工業冰水主機的控制盤時，需考慮現場控制盤、遠端控制盤、故障指示燈、溫度顯示、壓力顯示等。

其他的功能包括有緊急警告、高熱旁路（hot gas bypass）、城市供水切換。

若是佈署在較遠，而且熱而多灰塵的場地，可以選用可拆裝的冷水主機。

若冰水主機的噪音超過允許的噪音等級，會再加裝聲音衰減器。大型冰水主機一般會需要一排的聲音衰減器，稱為消音器庫（silencer bank）。

## 冷媒

蒸氣壓縮式冰水主機需要冷媒作為內部的工作流體。有許多冷媒可以選用。在選擇冰水主機時，其應用冷卻溫度和冷媒冷卻特性需要相搭配。需考慮的重要參數有壓力和溫度。

有許多和冷媒有關的環境因素，這也影響未來是否仍可使用此冷媒。這在間歇式應用的冰水主機是很重要的考量因素，因為其中的大型泵浦至少要用25年以上。臭氧破壞潛勢（ODP）和全球暖化潛勢（GWP）是需考量的因素。以下是蒸氣壓縮式冰水主機常見冷媒的ODP和GWP（另外，大部份的冷媒都是高度可燃和/或有毒的）：

冷媒｜ODP｜GWP

R11｜1｜4750

R12｜1｜10900

R123｜0.02｜77

R134a｜0｜1430

R22｜0.05｜1810

R290 (propane)｜0｜3

R401a｜0.037｜1100

R404a｜0｜3922

R407a｜0｜2110

R407c｜0｜1774

R408a｜0.016｜3152

R409a｜0.039｜1585

R410a｜0｜2088

R500｜0.7｜8077

R502｜0.283｜4657

R507｜0｜3985

R600a｜0｜3

R744 (CO2)｜0｜1

R717 (ammonia)｜0｜0

R718 (water)｜0｜0

R12是ODP的參考基準。CO2是GWP的參考基準。

銷售到歐洲的冰水主機，其冷媒主要是R410A（70%）、R407C（20%）和R134a（10%）

## 外部連結

- Chiller Energy Consumption Calculator (requires Java)