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研究生: 陳建翰
Chen, Chieh-Han
論文名稱: 應用物聯網於冰水系統之能源管理
Applying the Internet of Things on the energy management of chilled water system
指導教授: 張行道
Chang, Hsiang-Tao
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
論文出版年: 2018
畢業學年度: 106
語文別: 中文
論文頁數: 107
中文關鍵詞: 能源管理物聯網能源轉換係數冰水系統實時資訊
外文關鍵詞: Energy management, Internet of Things, Energy conversion factor (ECF), Chilled system, Real time data
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  • 半導體產業為高度能源密集產業,晶圓製造需要仰賴電力,製程機台與廠務端用電約各占全廠55%、45%,而冰水系統約占廠務用電50%,因而為節能重點。但現有節能研究多以分析歷史資料,最佳化冰水系統負載,受限於資料提供限制,無法統合致平台中統一管理,因此少有讓管理者判斷當下之能源決策。而物聯網(Internet of Things, IoT)透過智慧感測器(Smart sensor)和智慧電表(Smart meter)收集資料,提高機器或生產線能源消耗的可視性。
    本研究提出應用物聯網架構於能源管理,使用物聯網平台Thingworx模擬廠房冰水系統運作,透過收集四項設備冰水主機、冷卻水塔、冰水泵、冷卻水泵運轉時的實時數據(Real time data),將案例廠房冰水系統導入,於物聯網平台中建構智慧監控系統模式,釐清何為模式實體關係、實體溝通、使用者介面。建立智慧監控系統的三個功能,一為檢視冰水系統及各設備之用電量,二為檢視各設備運轉參數的歷史數據,三為運轉異常所提供之警戒機制,作為記錄的部落格功能。
    通過收集運轉參數,應用冰水系統能源轉換因素(Energy conversion factor, ECF),利用演算法分析設備與冰水系統耗電量相關性。分析結果指出,在不同的運轉條件下,泵浦的耗電量相關性上升,因而推測為影響冰水系統耗電量主因,而非耗電量最高的冰水主機。2016群組分析指出設備組合(冷卻水塔、冷卻水泵及冰水泵)影響冰水系統耗電量,而2017年並無特定設備組合影響系統耗電量。
    建立冰水系統能源消耗模型後,比較5種演算法的模型誤差,選擇誤差最小的整體學習演算法建立能源消耗模型。首先使用2016年10~12月數據建立預測模型預測2017同時段數據,誤差值約3%,後用2017年10~12月數據預測2018年1~3月數據,誤差值為9%,而此二模型決定係數都大於0.95,顯示足以預測大多數情形。未來若有感測數據需分析,可以此模型預測耗電量。

    The chilled water system is further an energy saving hot spot because it consumes 50% of the facility electricity. However, the energy performance of the chilled water system is lacking in evaluating the overall energy efficiency. Using Internet of Things (IoT) technology can increase the visibility and awareness of energy consumption, also optimize the process of energy-awareness and decision-making.

    This study proposes a IoT framework to use for energy management, by using the IoT platform Thingworx to simulate the operation of a chilled water system through the real time data of four kinds of equipment: chiller, cooling tower, chilled water pump and cooling water pump. It collected operational parameter data and used algorithms to analyze the correlation between the power consumptions of equipment energy conversion factor (ECF) and chilled water system.

    The results indicate that under different operational choices, the correlation of the pump's power consumption increases, indicating that the pump, not the chiller, is the main cause of the power consumption of the chilled water system.

    The ensemble learning algorithm was finally chosen to establish the energy consumption model. The data from October to December 2016 was used first to build a prediction model to predict 2017 values. The deviation is about 3%. Then using the data from October to December of 2017 to predict the values from January to March of 2018, the deviation is about 9%. Both models’ determination coefficients are greater than 0.95, which is sufficient to predict most situations. The derived model can predict power consumption and help make energy management decisions.

    目錄 摘要 i Abstract ii 誌謝 vi 目錄 vii 表目錄 x 圖目錄 xi 第一章 緒論 1 1.1 研究動機與目的 1 1.2 研究方法與流程 2 1.3 研究範圍與限制 3 第二章 文獻回顧 5 2.1 物聯網 5 2.1.1物聯網的發展 5 2.1.2 工業4.0與大數據應用 9 2.1.3 物聯網內容 11 2.1.4 物聯網應用於能源管理 15 2.2 能源管理與指標 17 2.2.1 工業與半導體用電 17 2.2.2 冰水系統耗能 18 2.2.3 能源管理系統與績效指標 19 第三章 物聯網平台說明 21 3.1 物聯網平台Thingworx 21 3.1.1 實體與溝通 21 3.1.2 建立模式 26 3.1.3 使用者介面 28 3.2 演算法分析Thingworx Analytics 31 3.2.1 七種演算法 31 3.2.2 建立預測模型 36 3.2.3 模型精確度提升 41 第四章 建立智慧冰水能源消耗監控系統 45 4.1 案例廠房冰水系統 45 4.1.1 中央空調系統 45 4.1.2 案例廠房採用系統 48 4.2 能源管理架構建立 50 4.2.1 結合物聯網之能源管理架構 50 4.2.2 冰水系統績效指標 52 4.3 建立智慧監控系統 55 4.3.1 系統架構 55 4.3.2 系統流程 58 4.3.3 案例模式 61 4.3.4 使用者介面 66 第五章 案例廠房冰水系統耗能分析 73 5.1 資料預處理 73 5.1.1 資料處理流程 73 5.1.2 樣本資料篩檢 76 5.2 耗能因素相關分析 79 5.2.1 單一設備影響分析 79 5.2.2 群組式(Cluster)耗能分析 83 5.3 冰水系統耗能模型 85 5.3.1 能源消耗模型演算法比較 85 5.3.2 建立能源消耗模型 90 第六章 結論與建議 95 6.1 結論 95 6.2 建議 97 參考文獻 99 英文文獻 99 中文文獻 100 網站資料 101 附錄一 訪談紀錄 104

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