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Project · 04

冰水主機智慧節能控制系統

博士班重點研究:結合 IoT 感測器網路與先進最佳化控制演算法,動態調節大型冰水主機(Chiller)群的運轉負載,達成工業建築的最佳化節能效益。

Chiller Energy Optimization IoT Smart Control HVAC Industrial AI

🔍 研究概覽

冰水主機(Chiller)是大型商辦大樓與工業廠房中能耗最高的設備之一,其能耗通常佔整棟建築總用電量的 40~50%。本研究針對冷凍空調系統(HVAC)進行節能最佳化,透過智慧控制策略降低不必要的能源浪費。

研究核心在於建立冰水主機的精確數學模型,並結合 IoT 感測器即時蒐集環境溫溼度、冷凍水溫度、壓縮機運轉狀態等參數,透過最佳化演算法動態決策最節能的設定點組合。

在控制策略上,研究採用模型預測控制(MPC)、強化學習(RL)與進化演算法(GA / PSO)等技術,在滿足冷房需求的前提下,最小化系統整體能耗(COP 最大化),達到顯著的節能效果。

💡

顯著節能效果

相較基準控制策略,節能率可達 15~30%

📊

即時能耗監控

IoT 感測網路每 5 秒回傳一筆設備運轉數據

🧠

自適應控制

RL 控制器可根據負載變化自動調整最佳設定點

🏭

工業現場驗證

於實際大樓冷凍機房進行系統部署與驗證

📌 研究主題

🌡️

冰水主機系統建模

建立冷凍循環熱力學模型(Gordon-Ng Model),精確描述壓縮機、蒸發器與冷凝器的能耗特性。

🔧

設定點最佳化控制

動態調整冷凍水出水溫度(CHWS Temp)與冷卻水出水溫度(CWS Temp),尋找最低能耗設定組合。

🤖

強化學習節能控制

訓練 DQN / PPO 強化學習代理人,在模擬環境中學習節能策略後部署至實際冷凍機房。

📡

IoT 感測網路建置

部署分散式感測節點,透過 MQTT / Modbus 協定蒐集設備運轉數據並傳至雲端分析平台。

📈

負載預測與前饋控制

利用 LSTM / XGBoost 預測建築未來冷房負載,實現前饋式控制以進一步提升節能效率。

🔀

多台冰水機組調度

研究多台冰水主機的啟停順序與負載分配(Load Sequencing),達成機群整體最低能耗運轉。

🎯 研究目標

01

建立精確能耗預測模型

開發高精度的冰水主機能耗模型,作為最佳化控制演算法的核心預測引擎。

02

實現自適應最佳化控制

設計能根據季節、氣候與建築使用模式自動調整的控制策略,全年維持最佳節能狀態。

03

開發工業 IoT 平台

建構從感測器資料蒐集、儲存、分析到視覺化的完整能源管理系統(EMS)平台。

04

現場驗證與實際應用

在實際工業場域進行長期節能實驗,驗證系統效益並推動技術落地應用。

🛠️ 使用技術與工具

Python MATLAB / Simulink PyTorch Stable Baselines3 Gymnasium (OpenAI) LSTM / GRU XGBoost Model Predictive Control GA / PSO MQTT Modbus TCP/RTU Node-RED InfluxDB Grafana Raspberry Pi Gordon-Ng Model